ES2776362T3 - Dispositivos de pistón y cilindro rotativos - Google Patents

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Abstract

Rotor para un dispositivo de pistón y cilindro rotativo, comprendiendo el dispositivo un rotor (2) y un estator que definen un espacio de cilindro anular, y comprendiendo el rotor al menos un pistón (4) que se extiende al interior del espacio de cilindro, y comprendiendo el dispositivo un disco de obturador (7) que está dispuesto para dividir el espacio de cilindro y para permitir el paso del pistón, caracterizado por que al menos parte de una superficie exterior (30) del rotor es una superficie de forma sustancialmente troncocónica, en el que la superficie exterior comprende una superficie que es opuesta a la superficie (13) del rotor que define en parte el espacio de cilindro.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivos de pistón y cilindro rotativos
Campo
La presente invención se refiere de manera general a dispositivos de pistón y cilindro rotativos.
Antecedentes
Los dispositivos de pistón y cilindro rotativos pueden configurarse para una variedad de aplicaciones, tales como un motor de combustión interna, una bomba de fluido tal como un sobrealimentado^ o como un expansor tal como un reemplazo de turbina o motor de vapor.
Un dispositivo de pistón y cilindro rotativo comprende un rotor y un estator, definiendo el estator al menos parcialmente un espacio de cilindro anular, pudiendo tener el rotor forma de anillo, y comprendiendo el rotor al menos un pistón que se extiende desde el anillo de rotor hasta el interior del espacio de cilindro anular, moviéndose en uso el al menos un pistón circunferencialmente a través del espacio de cilindro anular con la rotación del rotor con respecto al estator, sellándose el cuerpo de rotor con respecto al estator, y comprendiendo el dispositivo además medios de obturador de espacio de cilindro que pueden moverse con respecto al estator hasta una posición cerrada en la que los medios de obturador dividen el espacio de cilindro anular, y hasta una posición abierta en la que los medios de obturador permiten el paso del al menos un pistón, comprendiendo los medios de obturador de espacio de cilindro un disco de obturador.
El término “pistón” se usa en el presente documento en su sentido más amplio para incluir, cuando lo admita el contexto, un elemento de división que puede moverse con respecto a una pared de cilindro, y no es necesario que tal elemento de división tenga generalmente un grosor sustancial en la dirección del movimiento relativo sino que a menudo puede tener forma de álabe. El elemento de división puede tener un grosor sustancial o puede ser hueco. El disco de obturador puede presentar un elemento de división que se extiende de manera sustancialmente radial con respecto al espacio de cilindro anular.
Aunque en teoría los medios de obturador pueden tener un movimiento alternativo, se prefiere evitar el uso de componentes de movimiento alternativo, particularmente cuando se requieren altas velocidades, y los medios de obturador son preferiblemente al menos un disco de obturador rotativo dotado de al menos una abertura que en el estado abierto de los medios de obturador está dispuesta para situarse sustancialmente alineada con el agujero que se extiende circunferencialmente del espacio de cilindro anular para permitir el paso del al menos un pistón a través del disco de obturador.
La geometría de la superficie que interacciona con el disco del rotor para un dispositivo de cilindro rotativo se rige por la cara exterior curva del disco de obturador rotatorio que forma la cara de extremo del cilindro, y permite que el pistón (álabe) pase a través de una abertura en el disco de obturador al final de una carrera. Dependiendo de la configuración específica esta forma puede variar, pero en cualquier caso es sustancialmente curva. Por tanto, una solución evidente para un experto en la técnica será que la cara exterior del rotor sea sustancialmente similar y curva con respecto a la cara interior, dando como resultado un grosor de pared sustancialmente constante, tal como se muestra mediante el rotor en la figura 1, que tiene un eje de rotación A-A. El rotor tiene una forma sustancialmente convexa, y puede verse como un anillo acopado, que una abertura proporcionada en el vértice del mismo. Una solución de este tipo disminuye la inercia del rotor, y minimiza el volumen del fluido de trabajo contenido en el orificio de salida, un ejemplo de lo cual se describe a continuación y se muestra en la figura 3. Este volumen de orificio es el volumen que puede ocupar el fluido de trabajo dentro del orificio de salida del rotor, a través del cual pasa desde el cilindro hasta la salida del dispositivo, contenido en el estator. Una vez que el rotor pasa por la abertura de salida en el estator al final de la carrera, cualquier fluido de trabajo dentro del volumen del orificio se lleva más allá del disco hasta el inicio del ciclo. Este fluido representa tanto una pérdida de eficiencia volumétrica del dispositivo como una disminución de eficiencia de bombeo en la mayoría de configuraciones del dispositivo, ya que la potencia usada para realizar trabajo en el fluido se desaprovecha dado que vuelve a entrar en el cilindro mientras el orificio de entrada todavía está abierto.
Se ha observado que es significativamente más sencillo fabricar e inspeccionar la precisión de una superficie cónica ya que no requiere el uso de calibres implementados por el usuario, y disminuye significativamente la duración de la inspección digital.
El documento WO2010/023487 da a conocer un aparato de pistón y cilindro rotativo que comprende las características del preámbulo de la reivindicación 1.
El documento EP 0933500 da a conocer un ejemplo de un dispositivo de pistón y cilindro rotativo.
Sumario
Según un aspecto de la invención, se proporciona un rotor de un dispositivo de pistón y cilindro rotativo en el que al menos parte de una superficie exterior del rotor es una superficie de forma sustancialmente troncocónica, según la reivindicación 1.
Por superficie troncocónica se incluye el significado de la forma de la superficie de un cono truncado.
Por “superficie exterior” quiere decirse una superficie que es una superficie opuesta a la superficie del rotor que define (en parte) el espacio de cilindro.
Preferiblemente, la cara exterior del rotor no es curva, sino que en cambio está formada por al menos un elemento sustancialmente cónico.
Cuando al menos dos de las superficies troncocónicas están distanciadas en una dirección a lo largo de un eje rotacional del rotor por una superficie curva intermedia (231), que presenta una sección transversal curva, la superficie curva puede ser sustancialmente central con respecto a la altura del rotor.
Una parte principal de la superficie exterior puede comprender una única superficie troncocónica.
Un área de superficie principal de la superficie exterior del rotor puede comprender tres partes de superficie troncocónica.
La superficie exterior puede consistir sustancialmente en una parte curva y en una parte sustancialmente troncocónica.
Una superficie interior del rotor, que define al menos en parte un espacio de cilindro anular, puede comprender una superficie curva.
El rotor puede tener una forma sustancialmente cóncava.
El rotor puede comprender un anillo acopado.
Preferiblemente, se proporciona un espacio de cilindro anular, y el rotor está dotado del pistón que forma la cara de extremo del espacio de cilindro, y una parte de alojamiento que se extiende alejándose del espacio de cilindro anular, en un extremo distal (axialmente) del rotor (es decir, en una parte de extremo del rotor a lo largo del eje de rotación del rotor) que es sustancialmente coaxial con el eje de rotación del rotor, y la parte de alojamiento está conectada de manera rotacional a un conjunto de transmisión para transmitir la rotación desde el rotor hasta un obturador que puede rotar del dispositivo, y el conjunto de transmisión está encerrado al menos parcialmente por la parte de alojamiento.
La al menos una abertura del disco de obturador puede proporcionarse de manera sustancialmente radial en el disco de obturador.
Preferiblemente, el eje de rotación del rotor no es paralelo al eje de rotación del disco de obturador. Lo más preferiblemente el eje de rotación del rotor es sustancialmente ortogonal al eje de rotación del disco de obturador. Preferiblemente, el pistón está conformado de tal manera que pasará a través de una abertura en los medios de obturador en movimiento, sin obstáculos, a medida que la abertura pasa a través del espacio de cilindro anular. El pistón está conformado preferiblemente de modo que hay una holgura mínima entre el pistón y la abertura en los medios de obturador, de tal manera que se forma un sello a medida que el pistón pasa a través de la abertura. Se proporciona un sello preferiblemente en una superficie o borde de ataque o de salida del pistón. En el caso de un compresor puede proporcionarse un sello en una superficie de ataque y en el caso de un expansor puede proporcionarse un sello en una superficie de salida. El término sello se usa para incluir una disposición que reduce la holgura, minimizando la fuga, pero no necesariamente impidiendo la transferencia de fluido a través del sello.
El cuerpo de rotor se soporta preferiblemente de manera rotatoria por el estator en vez de basarse en la actuación conjunta entre el pistón y las paredes de cilindro para situar de manera relativa el cuerpo de rotor y el estator. Se apreciará que un dispositivo de pistón y cilindro rotativo es distinto de un dispositivo de pistón de movimiento alternativo convencional porque el pistón se mantiene coaxial con el cilindro mediante anillos de pistón adecuados que dan lugar a fuerzas de fricción relativamente altas.
El rotor se soporta preferiblemente de manera rotatoria por medios de cojinete adecuados portados por el estator. Preferiblemente, el estator comprende al menos un orificio de entrada y al menos un orificio de salida.
Preferiblemente, al menos uno de los orificios es sustancialmente adyacente a los medios de obturador.
Preferiblemente, la razón de la velocidad angular del rotor con respecto a la velocidad angular del disco de obturador es de 1:1, aunque son posibles otras razones.
El rotor puede comprender una o más características descritas en la descripción detallada a continuación y/o mostradas en los dibujos.
Breve descripción de los dibujos
Ahora se describirán diversas realizaciones de la invención, a modo de ejemplo solamente, con referencia a los siguientes dibujos, en los que:
la figura 1 es una vista en sección transversal de un rotor,
la figura 2 es una vista en perspectiva de un dispositivo de pistón y cilindro rotativo,
la figura 3 es una vista en perspectiva de un orificio de un rotor,
la figura 4 es una vista en sección transversal de un rotor,
la figura 5 es una vista en sección transversal de un rotor,
la figura 6 es una vista en sección transversal de un rotor,
la figura 7 es una vista en sección transversal de un rotor montado en un estator,
la figura 8 es una vista en sección transversal de un rotor,
las figuras 9 a 11 muestran ranuras conformadas de manera diferente proporcionadas en una superficie exterior troncocónica de un rotor,
las figuras 12 y 13 muestran superficies de estator y rotor que pueden hacerse coincidir.
Descripción detallada
Se hace referencia inicialmente a la figura 2, que muestra un dispositivo de pistón y cilindro rotativo 1 que comprende un rotor 2, un álabe de pistón 4 que está sujeto a una superficie interior del rotor, un orificio de fluido 5 formado en el rotor, un disco de obturador que puede rotar 7, que está formado con una abertura 7a. Se apreciará que el dispositivo 1 también comprende un estator, no ilustrado, que recibe el rotor y el disco de obturador, y, junto con la superficie interior del rotor, define el espacio de cilindro (anular). Debe observarse además que la representación del rotor está simplificada por motivos de claridad.
La figura 4 muestra una primera realización de un rotor en la que una superficie exterior curva (alrededor del eje de rotación) del rotor comprende una única superficie de rotor exterior sustancialmente troncocónica 30. La superficie 30 está configurada para reducir el volumen de orificio y sirve para aumentar la rigidez del rotor en su raíz debido al gran grosor de material en esa región. El rotor 22 también comprende una superficie interior 13.
La figura 5 muestra una segunda realización de rotor, con la referencia 122, en la que una cara de rotor exterior comprende tres superficies sustancialmente troncocónicas adyacentes (más pequeñas), 130, 131 y 132. Cada una de las superficies 130, 131 y 132 da la vuelta al rotor. Esta disposición reduce ventajosamente la masa y la inercia del rotor en comparación con la mostrada en la figura 1, lo que permite entonces velocidades de funcionamiento más rápidas del dispositivo, al tiempo que todavía proporciona caras en gran medida cónicas para obtener los beneficios de precisión de fabricación mejorada y facilidad de inspección. Naturalmente, se entenderá que en otras realizaciones pueden incluirse alternativamente otros números de caras cónicas en la cara exterior.
La figura 6 muestra una realización adicional que comprende un rotor 222, en la que la superficie exterior comprende tres partes identificables, 230, 231 y 232. Un segmento central 231 es sustancialmente curvo (en sección transversal) y se forma a partir de al menos un radio. La curvatura del segmento central 231 corresponde preferiblemente de manera sustancial a la de la superficie interior del rotor. Adyacente a, y flanqueando, la superficie 231, se proporcionan las superficies troncocónicas 230 y 232. Cada una tiene un ángulo de conicidad respectivo (y diferente). Aunque la inclusión de la superficie curva 231 puede reducir la certeza en la precisión de fabricación de esa cara, el volumen del orificio de escape se reduce para una resistencia dada del rotor. Esto sirve para mejorar la eficiencia volumétrica del dispositivo, y será la realización deseable para determinadas condiciones operativas. En una realización adicional, la superficie exterior del rotor comprende una parte troncocónica y una parte curva, que ocupan una parte principal del área de superficie de la superficie exterior del rotor. En esta realización, la parte troncocónica es adyacente a la parte curva.
La figura 7 muestra una realización adicional que comprende un rotor 322 y un estator 400, en la que están dispuestas partes de superficie exterior como rebordes 325 y 326 para mejorar así el rendimiento de sellado. Cada uno de los rebordes está ubicado en regiones de extremo distal del rotor, y en particular, adyacente a un extremo circunscrito respectivo, en una región de base y en una región de vértice, estando distanciadas esas regiones con respecto al eje si rotación del rotor. Los rebordes comprenden cada uno dos partes de superficie sobre la superficie exterior del rotor que están orientadas de manera sustancialmente ortogonal entre sí, tal como se observa de la mejor manera mediante las superficies 325a y 325b en la vista secundaria en despiece ordenado en la figura 7. Una de las superficies puede ser sustancialmente cilíndrica, y la otra puede ser plana. Una superficie plana anular puede considerarse una superficie troncocónica con un ángulo de conicidad de noventa grados, y una superficie cilindrica puede considerarse una superficie troncocónica con un ángulo de conicidad de cero grados. Es posible que ambas caras de cada reborde discurran cercanas para proporcionar un sellado con el estator, pero preferiblemente sólo una de las caras de cada reborde se usa como cara de sellado con el estator, dependiendo la elección de las características del rotor durante el funcionamiento.
Por ejemplo, cuando la expansión axial del rotor (es decir, una expansión sustancialmente en la dirección del eje rotacional del rotor) durante el servicio en la ubicación de un reborde particular es más significativa que la expansión radial, la cara de sellado preferida es la que es sustancialmente más cilíndrica, ya que la separación de sellado se verá menos afectada de manera adversa por la deformación del rotor. A la inversa, si la expansión radial es más significativa que la axial, se prefiere el sellado en la cara sustancialmente plana, ya que esa separación experimentará una variación menor durante el funcionamiento del dispositivo. Se entenderá que ambas de estas condiciones pueden experimentarse en diferentes ubicaciones en un único rotor.
La figura 8 muestra una realización adicional que comprende un rotor 42 que comprende una primera superficie troncocónica 44 y una segunda superficie troncocónica 45. De manera intermedia con respecto a las dos superficies troncocónicas se proporciona un filete o reborde 47 que sobresale generalmente hacia fuera del rotor. El reborde 47 se extiende alrededor del rotor, y comprende dos superficies 47a y 47b, que son sustancialmente ortogonales entre sí. Una u otra o ambas de las superficies están dispuestas para el sellado con una superficie interior de un estator (no ilustrado). Esto proporciona una disposición alternativa a la mostrada en la figura 7, en la que los rebordes están distanciados axialmente entre sí. En una realización alternativa, el reborde se reemplaza por un rebaje (anular) que se recibe por una formación complementaria en la superficie interior del estator. Los rebordes de este tipo también aportan rigidez al rotor.
Si el comportamiento del rotor durante el funcionamiento se entiende bien de tal manera que se conocen los efectos relativos, dependientes de la ubicación, de una deformación térmica, centrífuga y relacionada con la presión en el rotor así como cualquier desplazamiento, puede calcularse el ángulo preferido de una región de sellado sustancialmente cónica (entre el rotor y el estator) en cualquiera de los ejemplos anteriores. Expresado de otro modo, el ángulo de conicidad puede personalizarse según las condiciones operativas. En una realización, un ángulo particular de la cara sustancialmente cónica minimizará la variación de la separación de sellado en una posición particular durante el funcionamiento del dispositivo. Además, el ángulo puede establecerse para hacer variar de manera selectiva la separación (entre el rotor y el estator) durante el funcionamiento, tal como para o bien priorizar condiciones de funcionamiento frecuentes minimizando la separación de sellado (es decir, reduciendo el tamaño de la separación en comparación con cuando el dispositivo está estacionario) en esos puntos operativos, o bien reducir la potencia de entrada para condiciones transitorias tales como una puesta en marcha aumentando la separación de sellado en estas situaciones.
La figura 9 a la figura 11 muestran una realización adicional, en la que se cortan una serie de ranuras en una de las superficies troncocónicas del rotor para mejorar adicionalmente el sellado. Las ranuras pueden ser una pluralidad de ranuras circunferenciales, o ser una única ranura helicoidal, para formar así una estructura de tipo laberinto. Las ranuras pueden tener una gama de secciones transversales posibles (incluyendo rectangular, triangular, rectangular oblicua, por ejemplo) para mejorar el sellado para una aplicación particular.
Ha de observarse que son las caras sustancialmente exteriores de los resaltes (que definen las ranuras) las que son más significativas con fines de sellado, y que las superficies sustancialmente interiores de las ranuras pueden adaptarse a una pluralidad de secciones diferentes, incluyendo cónica, curva o irregular. Aunque es posible cortar ranuras para dar una geometría que proporciona una anchura de separación operativa constante y obtener los beneficios de un rendimiento de sellado de fuga axial mejorado con una separación de sellado controlada y sustancialmente constante, puede preferirse en cambio orientar la cara para maximizar el movimiento relativo a lo largo de la dirección normal. En este caso la deformación del rotor en la ubicación de la cara es en gran medida radial durante el funcionamiento, y menor que la holgura entre la cara exterior de laberinto y la cara de estator coincidente. De esta manera es posible controlar la separación de sellado en diferentes condiciones operativas, para o bien seleccionar como objetivo unas condiciones operativas específicas o bien reducir el consumo de potencia durante condiciones transitorias.
En una posible variante adicional, la deformación máxima del rotor en un punto particular es mayor que la holgura estática entre el mismo y el estator, y se aplica a la cara coincidente un material que puede eliminarse mediante desgaste por los resaltes. El material es un recubrimiento abrasible aplicado a la cara de estator (o alternativamente que puede aplicarse a la superficie cónica de rotor, con formaciones de resalte en el estator), y la estructura de laberinto está formada por una serie de ranuras circunferenciales en la cara de rotor exterior. El rotor puede ensamblarse de modo que las caras de sellado no entran en contacto entre sí o de tal manera que se tocan (y luego se hacen rotar para la abrasión en la holgura). Durante el funcionamiento, la deformación radial sustancialmente hacia fuera del rotor (hacia el estator) provoca que los resaltes corten el recubrimiento abrasible en la cara de sellado estacionaria coincidente del estator. Esto da como resultado una superficie de contacto de sellado en la que la separación se minimiza durante el funcionamiento tal como se muestra en la figura 12, y es mayor cuando el dispositivo se detiene posteriormente, tal como se muestra en la figura 13.
Se observará que también es posible ensamblar el dispositivo mientras se hace rotar el rotor, de tal manera que las ranuras desgastan el material abrasible durante el ensamblaje, dando como resultado inmediatamente una geometría similar a la mostrada en la figura 12. Puede usarse un método de ensamblaje de este tipo si las caras coincidentes consideradas en el rotor y el estator están diseñadas para tener una anchura de separación en gran medida constante durante el funcionamiento, con el fin de que la estructura de laberinto se enganche siempre con la geometría inversa del recubrimiento abrasible.
En una variante adicional, es posible crear una geometría de laberinto inversa coincidente en el estator usando un material que no se desgastará por las ranuras en el rotor. Aunque este enfoque reduce la incertidumbre de los patrones de desgaste del elemento abrasible, se entenderá que debe minimizarse la deformación del rotor con el fin de lograr anchuras de separación bajas en todo el laberinto durante el funcionamiento, sin permitir que las caras coincidentes se toquen.

Claims (18)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Rotor para un dispositivo de pistón y cilindro rotativo, comprendiendo el dispositivo un rotor (2) y un estator que definen un espacio de cilindro anular, y comprendiendo el rotor al menos un pistón (4) que se extiende al interior del espacio de cilindro, y comprendiendo el dispositivo un disco de obturador (7) que está dispuesto para dividir el espacio de cilindro y para permitir el paso del pistón, caracterizado por que al menos parte de una superficie exterior (30) del rotor es una superficie de forma sustancialmente troncocónica, en el que la superficie exterior comprende una superficie que es opuesta a la superficie (13) del rotor que define en parte el espacio de cilindro.
  2. 2. Rotor según la reivindicación 1, en el que la superficie troncocónica (30) se extiende por parte de la altura del rotor en una dirección a lo largo de un eje rotacional del rotor (2).
  3. 3. Rotor según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que se proporcionan una pluralidad de superficies sustancialmente troncocónicas (130; 132), y cada superficie troncocónica (130; 132) tiene preferiblemente un ángulo de conicidad respectivo diferente.
  4. 4. Rotor según la reivindicación 3, en que al menos dos de las superficies troncocónicas están distanciadas en una dirección a lo largo de un eje rotacional del rotor por una superficie curva intermedia (231), que presenta una sección transversal curva.
  5. 5. Rotor según la reivindicación 4, en el que la superficie curva intermedia (231) está dotada de un orificio de fluido.
  6. 6. Rotor según la reivindicación 3 o la reivindicación 4, en el que al menos dos de las superficies troncocónicas (130; 131; 132) son adyacentes entre sí.
  7. 7. Rotor según la reivindicación 4, en el que una única superficie sustancialmente troncocónica (230; 232) está ubicada a cada lado de una superficie curva sustancialmente central (231).
  8. 8. Rotor según la reivindicación 1, en que un área de superficie principal de la superficie exterior (30) del rotor (2) es troncocónica.
  9. 9. Rotor según cualquier reivindicación anterior, que comprende al menos un reborde (47a) dispuesto para el sellado con un estator (400), y se proporciona una superficie de sellado del reborde sobre la superficie exterior (30) del rotor (2).
  10. 10. Rotor según la reivindicación 9, en el que sólo una de dos caras que forman el reborde (47a) se usa como cara de sellado operativa, en uso.
  11. 11. Rotor según la reivindicación 9, en el que se proporciona un reborde (47a) en cada región de extremo distal del rotor (2), distanciados a lo largo de un eje de rotación del rotor (2).
  12. 12. Rotor según la reivindicación 9, en el que el al menos un reborde (47a) comprende una cara sustancialmente troncocónica, y una cara sustancialmente cilíndrica.
  13. 13. Rotor según la reivindicación 9, en el que al menos un conjunto de rebordes está ubicado a cada lado de una región en la que está ubicado un orificio de fluido.
  14. 14. Rotor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que se proporciona un orificio de fluido en la superficie de forma troncocónica.
  15. 15. Rotor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que se proporcionan una serie de ranuras en la superficie sustancialmente troncocónica.
  16. 16. Rotor según la reivindicación 15, en el que la superficie que está dotada de las ranuras está dispuesta de tal manera que el movimiento relativo en una dirección normal entre el rotor y la superficie de estator coincidente se minimiza para lograr una anchura de separación sustancialmente constante durante el funcionamiento.
  17. 17. Rotor según la reivindicación 15, en el que la superficie que contiene las ranuras se alinea de tal manera que en un momento durante o después del ensamblaje, un desplazamiento o deformación del rotor provoca que las ranuras corten un recubrimiento abrasible en una cara de sellado opuesta de un estator, o del rotor cuando se proporcionan las ranuras en el estator y se proporciona un recubrimiento abrasible en el rotor.
  18. 18. Rotor según cualquier reivindicación anterior, en el que se selecciona un ángulo de conicidad de la superficie sustancialmente troncocónica para crear una separación deseada entre caras opuestas del rotor y el estator en condiciones operativas particulares, o durante una gama particular de condiciones.
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