РОТОРНО-ЛОПАСТНАЯ МАШИНА

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в конструкциях роторно-лопастных механизмов роторных машин.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, и известным из существующего уровня техники является роторно-лопастная машина, содержащая неподвижный корпус с внутренней цилиндрической расточкой и окнами подвода и отвода рабочей среды, сообщенными с напорной и сливной магистралями, соответственно полый цилиндрический ротор с приводом и продольными радиальными профилированными пазами с противолежащими вогнутыми дугообразными поверхностями, эксцентрично размещенный в расточке корпуса, установленные в шарнирах, имеющих плосковыпуклую форму, лопатки, имеющие рабочие и торцевые поверхности, с проушинами, охватывающими ось, совпадающую с осью расточки корпуса, причем шарниры размещены с возможностью поворота в продольных радиальных профилированных пазах ротора за счет взаимодействия своей внешней выпуклой поверхностью с их противолежащими вогнутыми дугообразными поверхностями (см. США, патент 3892502, НКИ 418/15, 1975).

Достижению требуемого технического результата в известной роторно-пластинчатой машине препятствуют значительные пневмогидравлические и механические потери при движении разделительных пластин в радиальных пазах цилиндрического ротора, а также явление заклинивания шарниров и лопаток, имеющее место при высоких коэффициентах трения.

Это наблюдается в результате отклонения профиля поверхности шарнира, взаимодействующей с поверхностью паза ротора, которое может иметь место либо в результате технологических погрешностей при изготовлении либо в результате приработки поверхностей между собой, а также в результате заведомо конструктивно заложенной проточной системы агрегата.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание роторно-лопастной машины, обеспечивающей качественное улучшение эксплуатационных характеристик и увеличение производительности роторно-лопастной машины при одновременном увеличении ее ресурса.

К техническим результатам, получаемым от реализации заявленного изобретения, можно отнести повышение надежности роторно-лопастной машины за счет предотвращения заклинивания взаимодействующих между собой элементов роторно-лопастного механизма, уменьшение трения в рабочих поверхностях трения, уменьшение общих механических потерь и, как следствие, уменьшение пневмогидравлических потерь роторной машины и повышение ее коэффициента полезного действия (КПД).

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в роторно-лопастной машине, имеющей неподвижный корпус-статор с внутренней расточкой и окнами подвода и отвода рабочей среды, сообщенными с напорной и сливной магистралями, соответственно, полый ротор с приводом и радиальными расточками полости ротора с противолежащими поверхностями, эксцентрично установленный относительно расточки корпуса-статора и внутри него, и роторно-лопастной механизм, содержащий лопатки, установленные на оси, совпадающей с осью расточки корпуса-статора, расположенные внутри в полости ротора, и размещенные с зазором или без зазора, но с возможностью скольжения в пазах, выполненных в шарнирах, имеющих внешнюю поверхность и взаимодействующих, в свою очередь, через зазор или с возможностью скольжения своей внешней поверхностью с противолежащими поверхностями радиальных расточек полости ротора, при этом участки шарниров между пазом под лопатку и внешней поверхностью шарнира образуют два противоположных сегмента шарнира, одна поверхность которого выполнена взаимодействующей с рабочей поверхностью лопатки, а другая - с поверхностью радиальной расточки полости ротора, причем, по крайней мере, в средней части одного или обоих сегментов каждого шарнира на поверхностях контакта с рабочей поверхностью лопатки и/или на поверхностях контакта с радиальной расточкой полости ротора выполнен дополнительный зазор за счет уменьшения толщины материала сегментов шарнира со стороны его поверхностей, взаимодействующих с рабочей поверхностью лопатки и/или поверхностью радиальной расточки полости ротора, и/или выполненный за счет уменьшения толщины материала лопатки со стороны ее рабочей поверхности, взаимодействующей с сегментами шарнира, и/или выполненный за счет уменьшения толщины материала со стороны поверхности радиальной расточки полости ротора, взаимодействующей с поверхностью сегментов шарнира, и/или жесткость одного или обоих сегментов каждого шарнира, по крайней мере, в их средней части снижена за счет выполненных в них одного или нескольких параллельных глухих и/или сквозных прорезей, и/или жесткость части ротора в зоне радиальной расточки полости ротора, по крайней мере, в районе средней части одного или обоих сегментов шарнира снижена за счет выполненных в ней одного или нескольких параллельных глухих и/или сквозных прорезей.

В роторно-лопастной машине внутренняя расточка корпуса-статора может быть выполнена цилиндрической.

В роторно-лопастной машине полый ротор также может быть выполнен цилиндрическим.

В роторно-лопастной машине противолежащие поверхности радиальных профилированных расточек полости ротора могут быть выполнены цилиндрическими.

В роторно-лопастной машине внешние поверхности сегментов шарниров также могут быть выполнены цилиндрическими.

В роторно-лопастной машине ее роторно-лопастной механизм может быть снабжен механическим уплотнением, установленным в месте дополнительного зазора в средней части одного или обоих сегментов шарнира на поверхностях контакта с рабочей поверхностью лопатки и/или на поверхностях контакта с цилиндрической расточкой полости ротора, и/или в сквозном и/или глухом пазе (прорези) одного или обоих сегментов шарнира, и/или в сквозном и/или глухом пазе (прорези) одного или обоих частях ротора, прилегающих к цилиндрическим расточкам полости ротора.

Механическое уплотнение в этом случае может быть выполнено, например, в виде эластичного элемента и размещено, например, в выемке, выполненной в месте дополнительного зазора в средней части одного или обоих сегментов шарнира на поверхностях контакта с рабочей поверхностью лопатки и/или на поверхностях контакта с цилиндрической расточкой полости ротора, и/или в сквозном и/или глухом пазе (прорези) одного или обоих сегментов цилиндрического шарнира, и/или в сквозном и/или глухом пазе (прорези) одного или обоих частях ротора, прилегающих к цилиндрическим расточкам полости ротора.

Изобретение поясняется чертежами, где

На Фиг.1 изображен боковой разрез роторно-лопастной машины;

На Фиг.2 - вырез роторно-лопастного механизма роторно-лопастной машины;

На Фиг.3 - вырез роторно-лопастного механизма машины с дополнительным зазором, выполненным за счет уменьшения толщины материала сегмента шарнира со стороны его поверхности, взаимодействующей с поверхностью радиальной расточки полости ротора;

На Фиг.4 - вырез роторно-лопастного механизма машины с дополнительным зазором, выполненным за счет уменьшения толщины материала со стороны поверхности радиальной расточки полости ротора, взаимодействующей с поверхностью сегментов шарнира;

На Фиг.5 - вырез роторно-лопастного механизма машины с дополнительным зазором, выполненным за счет уменьшения толщины материала сегмента шарнира со стороны его поверхности, взаимодействующей с рабочей поверхностью лопатки;

На Фиг.6 - вырез роторно-лопастного механизма машины с дополнительным зазором, выполненным за счет уменьшения толщины материала лопатки со стороны рабочей поверхности, взаимодействующей с сегментами шарнира;

На Фиг.7 - вырез роторно-лопастного механизма машины с дополнительным зазором, выполненным за счет уменьшения толщины материала на части сегмента шарнира со стороны его поверхности, взаимодействующей с поверхностью радиальной расточки полости ротора;

На Фиг.8 - вырез роторно-лопастного механизма машины с дополнительным зазором, выполненным за счет уменьшения толщины материала со стороны поверхности радиальной расточки полости ротора, на ее части, взаимодействующей с поверхностью сегментов шарнира;

На Фиг.9 - вырез роторно-лопастного механизма машины с дополнительным зазором, выполненным за счет уменьшения толщины материала на части сегмента шарнира со стороны его поверхности, взаимодействующей с рабочей поверхностью лопатки;

На Фиг.10 - вырез роторно-лопастного механизма машины с дополнительным зазором, выполненным за счет уменьшения толщины на части материала лопатки со стороны ее рабочей поверхности, взаимодействующей с сегментами шарнира;

На Фиг.11, Фиг.12 - вырез роторно-лопастного механизма машины с механическим уплотнением, установленным в месте дополнительного зазора в средней части одного или обоих сегментов шарнира на поверхностях контакта с расточкой полости ротора;

На Фиг.13, Фиг.14 - вырез роторно-лопастного механизма машины с механическим уплотнением, установленным в месте дополнительного зазора в средней части одного или обоих сегментов шарнира на поверхностях контакта с рабочей поверхностью лопатки;

На Фиг.15, Фиг.16 - вырез роторно-лопастного механизма машины с механическим уплотнением в выемке, выполненной в месте дополнительного зазора в средней части одного или обоих сегментов шарнира на поверхностях контакта с расточкой полости ротора;

На Фиг.17, Фиг.18 - вырез роторно-лопастного механизма машины с механическим уплотнением в выемке, выполненной в месте дополнительного зазора в средней части одного или обоих сегментов шарнира на поверхностях контакта с рабочей поверхностью лопатки;

На Фиг.19 - вырез роторно-лопастного механизма машины с одной глухой прорезью, снижающей жесткость одного или обоих сегментов каждого шарнира, по крайней мере, в средней части;

На Фиг.20 - вырез роторно-лопастного механизма машины с одной глухой прорезью, снижающей жесткость части ротора в зоне радиальной расточки полости ротора, по крайней мере, в районе средней части одного или обоих сегментов шарнира;

На Фиг.21 - вырез роторно-лопастного механизма машины с несколькими параллельными глухими прорезями, снижающими жесткость одного или обоих сегментов каждого шарнира, по крайней мере, в их средней части;

На Фиг.22 - вырез роторно-лопастного механизма машины с несколькими параллельными глухими прорезями, снижающими жесткость части ротора в зоне радиальной расточки полости ротора, по крайней мере, в районе средней части одного или обоих сегментов шарнира;

На Фиг.23 - вырез роторно-лопастного механизма машины с одной сквозной прорезью, снижающей жесткость одного или обоих сегментов каждого шарнира, по крайней мере, в средней части;

На Фиг.24 - вырез роторно-лопастного механизма машины с одной сквозной прорезью, снижающей жесткость части ротора в зоне радиальной расточки полости ротора, по крайней мере, в районе средней части одного или обоих сегментов шарнира;

На Фиг.25 - вырез роторно-лопастного механизма машины с механическим уплотнением, размещенным в выемке, выполненной в сквозной прорези одного или обоих сегментов шарнира;

На Фиг.26 - вырез роторно-лопастного механизма машины с механическим уплотнением, размещенным в выемке, выполненной в сквозной прорези одного или обоих частях ротора, прилегающих к расточкам полости ротора;

На Фиг.27 - пример выполнения роторно-лопастного механизма машины.

Роторно-лопастная машина имеет неподвижный корпус-статор 1 с внутренней расточкой 2 и окнами подвода 3 и отвода 4 рабочей среды, сообщенными с напорной 5 и сливной 6 магистралями, соответственно.

Полый ротор 7 с приводом (не показано) и радиальными расточками 8 полости 9 ротора 7 с противолежащими поверхностями 10 эксцентрично установлен относительно расточки 2 статора 1 и внутри него.

Роторно-лопастной механизм машины имеет лопатки 11, установленные на оси 12, совпадающей с осью расточки корпуса 1.

Лопатки 11 расположены внутри в полости 9 ротора 7, и размещены в пазах 13, выполненных в шарнирах 14 с зазором или без зазора, но с возможностью скольжения.

Шарниры 14 имеют внешнюю поверхность 15 и взаимодействуют через зазор 16 или с возможностью скольжения своей внешней поверхностью 15 с противолежащими поверхностями 10 радиальных расточек 8 полости 9 ротора 7.

Участки шарниров 14 между пазом 13 под лопатку 11 и внешней поверхностью 15 шарнира 14 образуют два противоположных сегмента 17 шарнира 14, одна поверхность которого выполнена взаимодействующей с рабочей поверхностью лопатки 11, а другая - с поверхностью 10 радиальной профилированной расточки 8 полости 9 ротора 7.

Для повышения надежности роторно-лопастной машины за счет предотвращения заклинивания взаимодействующих между собой элементов роторно-лопастного механизма, уменьшения трения в рабочих поверхностях трения, уменьшения общих механических потерь в заявленном изобретении применены следующие комплексные и/или альтернативные технические решения.

Так, по крайней мере, в средней части одного или обоих сегментов 17 каждого шарнира 14 на поверхностях контакта с рабочей поверхностью лопатки 11 и/или на поверхностях контакта с радиальной расточкой 8 полости 9 ротора 7 выполнен дополнительный зазор 18 за счет уменьшения толщины материала сегментов 17 шарнира 14 со стороны его поверхностей, взаимодействующих с рабочей поверхностью лопатки 11, и/или поверхностью 10 радиальной профилированной расточки 8 полости 9 ротора 7, и/или выполненный (дополнительный зазор 18) за счет уменьшения толщины материала лопатки 11 со стороны ее рабочей поверхности, взаимодействующей с сегментами 17 шарнира 14, и/или выполненный за счет уменьшения толщины материала со стороны поверхности 10 радиальной расточки 8 полости 9 ротора 7, взаимодействующей с поверхностью 15 сегментов 17 шарнира 14, и/или жесткость одного или обоих сегментов 17 каждого шарнира 14, по крайней мере, в их средней части снижена за счет выполненных в них одного или нескольких параллельных глухих и/или сквозных прорезей 19, и/или жесткость части ротора 7 в зоне радиальной расточки 8 полости 9 ротора 7, по крайней мере, в районе средней части одного или обоих сегментов 17 каждого шарнира 14 снижена за счет выполненных в ней одного или нескольких параллельных глухих и/или сквозных пазов прорезей 20.

Кроме того, в том числе и для повышения надежности роторно-лопастной машины за счет предотвращения заклинивания взаимодействующих между собой элементов роторно-лопастного механизма, уменьшения трения в рабочих поверхностях трения, уменьшения общих механических потерь в заявленном устройстве лопатки 11 уже априори размещены в пазах 13, выполненных в шарнирах 14, с зазором или без зазора, но с возможностью скольжения в этих пазах 13.

Наличие зазора или установка лопаток 11 с возможностью скольжения позволяет избежать проблем заклинивания лопаток 11 при возникновении, например, изгибных напряжений.

В роторно-лопастной машине внутренняя расточка 2 корпуса-статора 1 может быть выполнена цилиндрической, так же как и полый ротор 6 может быть выполнен цилиндрическим.

В роторно-лопастной машине противолежащие поверхности 10 радиальных профилированных расточек 8 полости 9 ротора 7 могут быть выполнены цилиндрическими, так же как, например, внешние поверхности 15 сегментов 17 шарниров 14 тоже могут быть выполнены цилиндрическими.

Роторно-лопастной механизм роторной машины может быть снабжен механическим уплотнением 21, установленным в месте дополнительного зазора 18 в средней части одного или обоих сегментов 17 шарнира 14 на поверхностях контакта с рабочей поверхностью лопатки 11 и/или на поверхностях контакта с цилиндрической расточкой 8 полости 9 ротора 7, и/или в сквозной и/или глухой прорези 19 одного или обоих сегментов 17 шарнира 14, и/или в сквозной и/или глухой прорези 20 одного или обоих частях ротора 7, прилегающих к цилиндрическим расточкам 8 полости 9 ротора 7.

Механическое уплотнение 21 роторно-лопастного механизма роторной машины может быть выполнено в виде эластичного элемента.

Механическое уплотнение 21 в одном из примеров выполнения роторно-пластинчатой машины может быть размещено в выемке 22, выполненной, например, в месте дополнительного зазора 18 в средней части одного или обоих сегментов 17 шарнира 14 на поверхностях контакта с рабочей поверхностью лопатки 11 и/или на поверхностях контакта с цилиндрической расточкой 8 полости 9 ротора 7, и/или в сквозной и/или глухой прорези 19 одного или обоих сегментов 17 цилиндрического шарнира 14, и/или в сквозной и/или глухой прорези 20 одного или обоих частях ротора 7, прилегающих к цилиндрическим расточкам 8 полости 9 ротора 7.

Роторно-пластинчатая машина работает следующим образом.

Рабочая среда перемещается от окна подвода 3 к окну отвода 4 (см. стрелки на фиг.1) лопатками 11, которые совершают возвратно-поступательные движения относительно ротора 7, при его вращении выдвигаясь и вдвигаясь из пазов 13 шарниров 14, в которых они размещены с зазором или без зазора, но с возможностью скольжения.

Для повышения надежности роторно-лопастной машины за счет предотвращения заклинивания взаимодействующих между собой элементов роторно-лопастного механизма, уменьшения трения в рабочих поверхностях трения, уменьшения общих механических потерь при возвратно-поступательном движении лопаток 11 в пазах 13 шарниров 14 на одном или двух сегментах 17 шарниров 14 и/или на прилегающих к ним поверхностях выполнены дополнительные зазоры 18, препятствующие заклиниванию шарнирно-лопастного механизма из-за наличия этого дополнительного зазора, демпфирующего технологические неточности изготовления и эксплуатационные износы конструкции.

Задача может быть дополнительно решена или решение ее может быть дополнительно обеспечено за счет снижения жесткости в одном или обоих сегментах 17 шарнира 14 или в прилегающей(их) к сегменту(ам) 17 части ротора 7 за счет выполнения одной или нескольких сквозных или глухих прорезей 19, так что заклинивание будет исключатся еще и из-за упругой деформации ослабленных частей конструкции.

Эта же задача может быть параллельно или одновременно с предыдущим техническим приемом решена за счет снижения жесткости части ротора 7 в зоне радиальной расточки 8 полости 9 ротора 7, по крайней мере, в районе средней части одного или обоих сегментов 17 каждого шарнира 14 за счет выполненных в ней одной или нескольких параллельных глухих и/или сквозных прорезей 20.

Как было указано выше, все технические приемы заявленного устройства направлены на решение проблемы заклинивания роторно-лопастного механизма машины.

Предотвращение заклинивания обеспечивается несколькими техническими приемами, которые могут быть использованы в конструкции как отдельно один от другого, так и совместно, т.е. одновременно.

Заклинивание предотвращается:

- размещением лопаток 11 априори в пазах 13 с зазором или без зазора, но с возможностью скольжения в этих пазах 13;

- за счет «организации» дополнительных зазоров 18 путем снятия материала:

- с плоской поверхности одного или обоих сегментов 17 каждого шарнира 14 со стороны лопаток 11;

- с поверхности одного или обоих сегментов 17 каждого шарнира 14 со стороны радиальной расточки 8 полости 9 ротора 7;

- с плоской поверхности лопаток 11;

- с поверхности радиальной профилированной расточки 8 полости 9 ротора 7, взаимодействующей с поверхности одного или обоих сегментов 17 каждого шарнира 14;

- за счет снижения жесткости в одном или обоих сегментах 17 шарнира 14 или в прилегающей (их) к сегменту(ам) 17 части ротора 7 путем:

- выполнения в сегментах 17 каждого шарнира 14, по крайней мере, в их средней части одной или нескольких параллельных глухих и/или сквозных прорезей 19;

- выполнения части ротора 7 в зоне радиальной расточки 8 полости 9 ротора 7, по крайней мере, в районе средней части одного или обоих сегментов 17 каждого шарнира 14 одной или нескольких параллельных глухих и/или сквозных прорезей 20.

Все перечисленные технические приемы направлены на то, чтобы так или иначе сдемпфировать погрешности изготовления элементов механизма и тем самым предотвратить его заклинивание при работе и, соответственно, достичь заявленного технического результата.

В случае потребности в герметизации сквозных прорезей 19 и дополнительных зазоров 18 могут быть установлены механические уплотнения 21 в выемках 22.

Возможность применения альтернативного или использование одновременно всех или нескольких конструктивных решений, направленных на предотвращение заклинивания взаимодействующих элементов роторно-лопастного механизма машины, так, как это указано в формуле изобретения, позволяет обеспечить работоспособность готового устройства в любых условиях с одновременным повышением общего КПД роторно-лопастной машины в соответствии с изобретением.

Роторно-лопастная машина изготовлена из традиционных конструктивных элементов и может быть изготовлена в условиях как экспериментального, так и серийного производства.