PL204509B1

PL204509B1 - Sprężarka rotacyjna

Info

Publication number: PL204509B1
Application number: PL352177A
Authority: PL
Inventors: Kenzo Matsumoto; Takashi Sunaga; Dai Matsuura; Yasuki Takahashi
Original assignee: Sanyo Electric Co
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2010-01-29
Also published as: ATE278108T1; CN1243186C; NO20020691L; JP2002242867A; DE60201360D1; TW536591B; KR100785369B1; DE60201360T2; EP1233186A2; KR20020066939A; EP1233186A3; JP3723458B2; DK1233186T3; CN1370930A; EP1233186B1; US20020150493A1; US6592347B2; NO335146B1; NO20020691D0

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sprężarka rotacyjna.

W szczególności, wynalazek dotyczy sprężarki rotacyjnej mającej taką konstrukcję wałka i łopatki, która zapobiega niewłaściwemu ścieraniu się wałka i łopatki, i jest odpowiednia dla zapewnienia niezawodności sprężarki rotacyjnej.

Znane sprężarki stosowane w chłodziarkach, automatach sprzedających, w sprężarkach do gablot chłodniczych lub w klimatyzatorach dla domu/przedsiębiorstwa, wykorzystują zwykle, w charakterze czynnika chłodzącego, dużą ilość dichlorodifluorometanu (R12) lub monochlorodifluorometanu (R22). Takie związki (R12 lub R22) są celowo kontrolowane, ponieważ chlorofluorowęglowodory (CFC) niszczą warstwę ozonową, kiedy wypuszcza się je w powietrze i docierają do warstwy ozonowej w górnych warstwach atmosfery nad ziemią. Niszczenie warstwy ozonowej jest wywoływane grupą chlorową (C1) w czynniku chłodzącym. Zatem, jako alternatywny czynnik chłodzący bierze się pod uwagę czynnik chłodzący niezawierający grupy chlorowej, na przykład czynnik chłodzący na bazie HFC taki jak R32, R125 lub R134a, czynnik chłodzący grupy węglowodorowej, jak propan lub butan, albo też naturalny czynnik chłodzący, jak dwutlenek węgla lub amoniak.

W japoń skich zgłoszeniach patentowych nr 141269/1998, nr 217665/1999, nr 73918/1993 i innych, ujawniono łopatkę, której powierzchnię poddaje się obróbce azotowania, za pomocą której formuje się tylko warstwę dyfuzyjną zawierającą Fe i N, jako składowe główne. Ujawniono też łopatkę, której najdalej wysuniętą powierzchnię poddaje się obróbce azotowania, za pomocą której formuje się warstwę związku zawierającego Fe i N, jako składowe główne, a pod warstwą związku formuje się warstwę dyfuzyjną zawierającą Fe i N, jako składowe główne. Ponadto, ujawniono łopatkę, której najdalej wysuniętą powierzchnię poddaje się obróbce azotowania, w za pomocą której formuje się warstwę związku zawierającego Fe i S, jako składowe główne, a pod warstwą związku formuje się warstwę dyfuzyjną zawierającą Fe-N, jako składową główną, skutecznie nadającą łopatce zdolność odporności na ścieranie. Jednakże, odporność na ścieranie nie jest wystarczająca przy czynniku chłodzącym HFC.

Sprężarki rotacyjne stosujące konstrukcję wałka i łopatki są znane, np. z opisów patentowych US 5 494 423 i US 5 951 273. Jednakże, w sprężarkach tych nie stosuje się dwutlenku węgla jako czynnika chłodzącego.

W opisie patentowym EP 1 134 418 została ujawniona sprężarka rotacyjna połączona kolejno ze sprężarką, skraplaczem, rozprężarką i parownikiem. Sprężarka rotacyjna składa się z: cylindra mającego wlot i wylot, wału obrotowego mającego część korbową współosiową z cylindrem wałka, który jest umieszczony między częścią korbową a cylindrem i obraca się mimośrodowo, skrzydełka poruszającego się ruchem postępowo-zwrotnym w rowku zapewnionym w cylindrze i ślizgowo stykającego się z zewnętrzną powierzchnią obwodową wałka. Promień krzywizny Rv łopatki w części styku ślizgowego, w stosunku do wałka jest określony następującym wyrażeniem

T < Rv < Rr gdzie T jest grubością łopatki, a Rr jest promieniem krzywizny zewnętrznego obwodu wałka, który styka się ślizgowo z łopatką.

Celem wynalazku jest opracowanie sprężarki rotacyjnej o dużej niezawodności, w której wykorzystuje się taki czynnik chłodzący oraz podstawowy olej smarny, które zapobiegają przedwczesnemu ścieraniu się wałka i łopatki.

Sprężarka rotacyjna połączona kolejno ze sprężarką, skraplaczem, rozprężarką i parownikiem, a zawierają ca cylinder mający wlot i wylot, wał rotacyjny z częścią korbową współosiową z cylindrem, wałek, który jest umieszczony między częścią korbową a cylindrem i obraca się mimośrodowo, skrzydełko poruszające się ruchem postępowo-zwrotnym w rowku zapewnionym w cylindrze i ślizgowo stykające się z zewnętrzną powierzchnią wałka, przy czym promień krzywizny Rv łopatki w części styku ślizgowego, w stosunku do wałka jest określony następującym wyrażeniem:

T < Rv < Rr Wyraż enie (1) gdzie T jest grubością w cm łopatki, a Rr jest promieniem krzywizny zewnętrznego obwodu wałka, który styka się ślizgowo z łopatką, według wynalazku jest charakterystyczna tym, że czynnikiem chłodniczym jest dwutlenek węgla, a olej smarny to olej poliglikolalkilenowy albo poli α-olefina albo olej mineralny.

PL 204 509 B1

Korzystnie, w celu zapewnienia ślizgowej powierzchni styku łopatki w części styku ślizgowego względem wałka, parametry T, Rv, Rr, E, α i ev spełniają zależności przedstawione przez następujące wyrażenia:

T > 2 Rv E/(Rv+Rr) sin α = E/(Rv+Rr) ev = Rv E/(Rv+Rr)

Wyrażenie (2) Wyrażenie (3) Wyrażenie (4) gdzie E oznacza mimośrodowość w cm środka obrotu wałka obrotowego i środka wałka, α oznacza kąt między linią prostą, łącząc ą środek promienia krzywizny Rv łopatki ze środkiem wałka, a drugą linią prostą, łączącą środek promienia krzywizny Rv łopatki ze środkiem obrotu wałka obrotowego, zaś ev oznacza odległość poślizgu między punktem, w którym linia prosta przecina się z zewnętrzną powierzchnią obwodową wałka a punktem, w którym druga linia prosta przecina się z zewnętrzną powierzchnią obwodową wałka.

Korzystnie, w celu zapewnienia ślizgowej powierzchni styku w części styku ślizgowego między łopatką a wałkiem, parametry T, Rv, Rr, E i d spełniają zależność, która jest opisana następującym wyrażeniem:

T > [2 Rv E/(Rv+Rr)]+d Wyraż enie (8) gdzie T, Rv, Rr i E oznaczają te same parametry, które występują w wyrażeniach (1) i (2), przy czym L w cm jest wysokością łopatki, a E1 i E2 w kG/cm² są modułami sprężystości wzdłużnej łopatki i wałka, odpowiednio, ν1 i v2 są współczynnikami Poissona łopatki i wałka, odpowiednio, ΔΡ w kG/cm²jest ciśnieniem znamionowym, p w cm jest promieniem ekwiwalentnym wyliczonym za pomocą wyrażenia (5), Fv w kG jest siłą docisku łopatki wyliczoną za pomocą wyrażenia (6), a d w cm jest długością sprężystej powierzchni stykowej wyliczoną za pomocą wyrażenia (7) przy wykorzystaniu wymienionych określeń.

1 1 — = — + — Wyrażenie (5) ρ R ν Rr gdzie ρ oznacza promień zastępczy w cm, Rv jest promieniem krzywizny łopatki w cm, a Rr jest promieniem krzywizny zewnętrznego obwodu wałka ślizgowo stykającego się z łopatką.

Fv = T-L-AP Wyrażenie (6) gdzie Fv oznacza siłę dociskającą w kG łopatki, T oznacza grubość w cm łopatki, L oznacza ₂ wysokość w cm łopatki, a ΔP jest ciśnieniem teoretycznym w kG/cm podczas pracy.

d=4

1- ν₁ ² nE1

- ν 2 nE2

- Fv -^P Wyrażenie (7) gdzie E1 jest modułem sprężystości wzdłużnej w kG/cm² łopatki, E2 jest modułem sprężystości wzdłużnej w kG/cm² wałka, ν1 jest współczynnikiem Poissona łopatki, ν2 jest współczynnikiem Poissona wałka, L jest wysokością w cm łopatki, Fv jest siłą dociskającą w kG łopatki, wyliczoną za pomocą wyrażenia (6), a ρ jest promieniem ekwiwalentnym w cm wyliczonym za pomocą wyrażenia (5).

Korzystnie, łopatka wykonana jest z materiału na bazie żelaza, o module sprężystości wzdłużnej wynoszącym od 1,96 x 10⁵ do 2, 45 x 10⁵ N/mm².

Korzystnie, najdalej wysunięta powierzchnia łopatki poddana została obróbce azotowania, w wyniku której jest uformowana warstwa związku zawierającego jako główne składniki Fe i N, a pod warstwą związku jest uformowana warstwa dyfuzyjna zawierająca jako główne składniki Fe i N.

Korzystnie, powierzchnia łopatki poddana została obróbce azotowania, w wyniku której jest uformowana tylko warstwa dyfuzyjna zawierająca jako główne składniki Fe i N.

Korzystnie, najdalej wysunięta powierzchnia łopatki poddana została obróbce azotowania, w wyniku której jest uformowana warstwa związku zawierającego jako główne składniki Fe i S a pod warstwą związku jest uformowana warstwa dyfuzyjna zawierająca jako główny składnik Fe-N.

Korzystnie, najdalej wysunięta powierzchnia łopatki poddana została obróbce azotowania, w wyniku której jest uformowana warstwa związku zawierającego jako główne składniki Fe i N a pod warstwą związku jest uformowana warstwa dyfuzyjna zawierająca jako główne składniki Fe i N, a war4

PL 204 509 B1 stwa związku zawierającego jako główne składniki Fe i N jest usunięta przynajmniej z powierzchni bocznych łopatki.

Korzystnie, najdalej wysunięta powierzchnia łopatki poddana została obróbce azotowania, w wyniku której jest uformowana warstwa związku zawierającego jako główne składniki Fe i S a pod warstwą związku jest uformowana warstwa dyfuzyjna zawierająca jako główny składnik Fe-N, a warstwa związku zawierającego jako główne składniki Fe i S jest usunięta przynajmniej z powierzchni bocznych łopatki.

Korzystnie, materiał wałka, stykającego się ślizgowo z łopatką, jest materiałem uformowanym na bazie żelaza o module sprężystości wzdłużnej wynoszącym od 9,81 x 10⁴ do 1,47 x 10⁵ N/mm².

Korzystnie, lepkość kinetyczna oleju podstawowego wynosi od 30 do 120 mm²/s przy temperaturze 40°C.

Zaletą sprężarki rotacyjnej, według wynalazku jest zastosowanie w charakterze czynnika chłodzącego dwutlenku węgla, który jest naturalnym czynnikiem chłodzącym, oraz zastosowanie poliglikolu alkilenowego albo poli α-olefiny, albo oleju mineralnego w charakterze czynnika smarnego.

Promień krzywizny powierzchni stykowej na końcu łopatki wchodzącym w kontakt z zewnętrzną powierzchnią obwodową wałka, zmieniono tak, że jest on w zasadzie równy szerokości łopatki. W szczególności, w sprężarce rotacyjnej, wykorzystującej dwutlenek węgla (naturalny czynnik chłodzący) jako alternatywny czynnik chłodzący, promień krzywizny ustala się na wartość większą od szerokości łopatki, w obszarze, który zapewnia powierzchnię styku ślizgowego w miejscu ślizgowego styku łopatki z wałkiem.

W konsekwencji zmniejsza się naprężenie Hertza, a droga ślizgu zwiększa. Ponadto naprężenie rozprasza się, a temperatura w miejscu ślizgowego styku łopatki i wałka zmniejsza się.

Zaletą sprężarki rotacyjnej według wynalazku jest jej duża niezawodność, także dzięki temu, że nieprawidłowe ścieranie powierzchni obwodowej wałka lub łopatki zostało zmniejszone przez zastosowanie niekosztownej obróbki azotowania (azotowanie NV, azotowanie z nasiarczaniem, azotowanie promieniowe), bez konieczności stosowania kosztownej obróbki powlekania łopatki.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia konstrukcję dwucylindrowej sprężarki rotacyjnej, w przekroju, według wynalazku; fig. 2 - przekrój ukazujący wzajemne powiązania między cylindrem, wałkiem, łopatką i pozostałymi częściami sprężarki rotacyjnej z fig. 1; fig. 3 - widok łopatki sprężarki rotacyjnej z fig. 1; fig. 4 - widok ukazujący wzajemne powiązania między wałkiem i łopatką sprężarki rotacyjnej z fig. 1; fig. 5 - widok ukazujący zależność między środkiem obrotu wału, środkiem wałka, środkiem promienia krzywizny łopatki i pozostałymi częściami sprężarki rotacyjnej z fig. 1, zaś fig. 6 przedstawia obwód chłodzenia sprężarki rotacyjnej z fig. 1.

Przedstawiona na fig. 1 sprężarka rotacyjna oznaczona jako całość odnośnikiem liczbowym 1 zawiera cylindryczny zamknięty pojemnik 10, silnik elektryczny 20 i sprężarkę 30 umieszczoną w zamkniętym pojemniku 10. Silnik elektryczny 20 ma stojan 22 i wirnik 24, osadzony na części wewnętrznej ściany zamkniętego pojemnika 10, a wał obrotowy 25 zamocowany w środku wirnika 24, jest podparty obrotowo przez dwie płyty 33 i 34, które zamykają części otworowe cylindrów 31 i 32. Część korbowa 26, która jest osadzona mimośrodowo, uformowana jest na części wału obrotowego 25. Cylindry 31 i 32 znajdują się między dwiema płytami 33 i 34. Cylindry 31 i 32 (dalszy opis będzie dotyczył głównie cylindra 32) mają oś wspólną z osią wału obrotowego 25. Wlot 23 i wylot 35 czynnika chłodzącego są usytuowane na części obwodowej ściany cylindra 32.

W cylindrze 32 jest umieszczony wałek pierścieniowy 38 (fig. 2), a wewnętrzna powierzchnia obwodowa 38B tego wałka 38 styka się z zewnętrzną powierzchnią obwodową 26A części korbowej 26. Zewnętrzna powierzchnia obwodowa 38A wałka 38 styka się z wewnętrzną powierzchnią obwodową 32B cylindra 32. Łopatka 40 jest ślizgowo zamontowana w stosunku do cylindra 32, a koniec łopatki 40 styka się z zewnętrzną powierzchnią obwodową 38A wałka 38. Kiedy do łopatki 40, w kierunku wałka 38 jest przyłożony bodziec, a sprężony czynnik chłodzący jest doprowadzony do tylnej powierzchni łopatki 40 zapewnione jest uszczelnienie między końcem łopatki a wałkiem 38. Komora sprężania 50 jest uformowana między łopatką 40, wałkiem 38, cylindrem 32 a łopatką 34 zamykającą cylinder 32, i pozostałymi częściami. W sprężarce rotacyjnej 1, na przykład, stosuje się ester alkoholu wielowodorotlenowego jako smar lub poliwinyloeter lub podobny, jako olej podstawowy.

Zatem, przy obrocie wału obrotowego 25 w kierunku przeciwnym do ruch wskazówek zegara na fig. 2, wałek 38 również obraca się mimośrodowo w cylindrze 32, a gaz chłodzący zasysany z wlotu 23

PL 204 509 B1 jest sprężany i wyrzucany przez wylot 35. Podczas suwu ssania-sprężania-wyrzutu, wytwarza się siła nacisku Fv w miejscu styku między wałkiem 38 a łopatką 40.

Konwencjonalnie, powierzchnia stykowa 40A na końcu łopatki 40, względem zewnętrznej powierzchni obwodowej 38A wałka 38 jest uformowana w kształcie kołowym o promieniu krzywizny Rv. Ten promień krzywizny Rv ma wartość, która jest w zasadzie równa szerokości T łopatki 40 i wynosi w przybliżeniu 1/10 do 1/3 promienia wałka 38. Korzystnie, wałek 38 jest wykonany z utwardzonego żeliwa lub żeliwa stopowego. Korzystnie, łopatka 40 jest wykonana ze stali nierdzewnej, stali narzędziowej lub stali otrzymanej przez zastosowanie wykańczania powierzchni materiału, takiego jak obróbka azotowania. W szczególności, preferuje się nadawanie wysokiej twardości i odporności na obciążenie dynamiczne materiałowi łopatki.

Jak to pokazano na fig. 4, stan styku między wałkiem 38 a łopatką 40 można zastąpić problemem styku między walcami o różnych krzywiznach. W sytuacji, kiedy dwie substancje sprężyste wałka 38 i łopatki 40 są dociskane do siebie siłą docisku Fv łopatki 40, zwykle tworzą one styk powierzchniowy zamiast styku punktowego, bądź liniowego. Długość powierzchni sprężystej styku d w tym momencie można obliczyć za pomocą wyrażenia (7), a naprężenie Hertza Pmax (kG/cm²), przedstawione przez wyrażenie (9) jest wytwarzane w miejscu styku (teoria Hertza styku sprężystego).

Pmax = 4/π Fv/L/d Wyrażenie (9) (parametry Fv, L i d w wyrażeniu (9) są równe tym parametrom z wyrażenia (7)).

Kiedy powierzchnia styku jest zapewniona, a naprężenie Hertza wzrasta w ten sposób, obróbkę azotowaniem dla poprawienia odporności na ścieranie albo obróbkę powierzchniową, taką jak powlekanie jonowe CrN, przeprowadza się na łopatce sprężarki rotacyjnej, która wykorzystuje czynnik chłodzący nie zawierający chloru w cząsteczkach, i wykorzystuje eter alkoholu wielowodorotlenowego jako smar lub eter poliwinylowy jako olej podstawowy. Jednakże, występują tu problemy polegające na tym, że azotowanie nie zapewnia dostatecznej odporności, a jonowe powlekanie CrN może prowadzić do złuszczania warstwy powlekanej i wzrostu kosztów produkcji.

Fig. 6 przedstawia przykład obwodu chłodzącego, który wykorzystuje się rury z czynnikiem chłodzącym do kolejnego łączenia sprężarki rotacyjnej (a), według wynalazku, do skraplacza (b), rozprężarki (c) i parownika (d). Sprężarka wykorzystuje poliglikol alkilenowy lub poli α-olefinę jako podstawowy olej smarny i spręża dwutlenek węgla w postaci na przykład gazowego kwasu węglowego, który nie zawiera cząsteczek chlorowych w cząsteczkach, na przykład, odparowanego czynnika chłodzącego na bazie HFC, a który jest naturalnym czynnikiem chłodzącym. Skraplacz b) kondensuje i przeprowadza w stan ciekły czynnik chłodzący, natomiast rozprężarka c) zmniejsza ciśnienie czynnika chłodzącego, a parownik d) odparowuje ciekły czynnik chłodzący itp.

Fig. 5 przedstawia widok obrazujący zależność między wałkiem i łopatką sprężarki rotacyjnej, według wynalazku

Na fig. 5, zakłada się, że promień mimośrodu w cm środka obrotu (O1) wału obrotowego 25 względem środka obrotu (O2) wałka 38 wynosi E, kąt utworzony przez linię prostą L1 łączącą środek (O3) promienia krzywizny Rv łopatki 40 ze środkiem (O2) wałka 38, a linią prostą L2 łączącą środek (O3) ze środkiem (O1) wału obrotowego 25 wynosi α, a droga ślizgu między punktem, w którym linia prosta L1 przecina się z zewnętrzną powierzchnią obwodową 38A wałka 38, a punktem, w którym wałek 38 przecina się z zewnętrzną powierzchnią obwodową 38A wynosi ev. Wartość ev można obliczyć z wyrażenia (4).

Przy założonym promieniu krzywizny Rv w miejscu ślizgowego styku łopatki 40 z wałkiem 38, grubości T łopatki 40, promieniu krzywizny obwodu zewnętrznego Rr wałka 8 stykającego się ślizgowo z łopatką 40, mimośrodowości E, module sprężystości wzdłużnej E1 łopatki 40, module sprężystości wzdłużnej E2 wałka 38, współczynniku Poissona v1 łopatki 40, współczynniku Poissona v2 wałka 38, i ciśnieniu teoretycznym ΔP, ekwiwalentny promień ρ można wyliczyć z wyrażenia (5), siłę docisku Fv łopatki 40 z wyrażenia (6), długość d powierzchni sprężystego styku z wyrażenia (7), a naprężenie Hertza Pmax z wyrażenia (9).

Na przykład, dla dwucylindrowej sprężarki rotacyjnej o średnicy wewnętrznej cylindrów 39 mm i wysokości 14 mm, mimośrodowości E 2,88 mm i objętości skokowej 2 x 4,6 cm³, w tabeli 2 przedstawiono wyniki obliczeń ρ, Fv, d, ev, (T-ev-d)/2, Pmax i inne, kiedy T, Rr, E1, E2, v1, v2, ΔP mają wartości podane w tabeli 1 a Rv (podobnie jak Rr) zmienia się w granicach 3,2 mm, 4 mm, 5 mm, 5,5 mm, mm, 8 mm, 10 mm i 16,6 mm (podobnie jak Rr).

PL 204 509 B1

T a b e l a 1

Wymiary, pozycje materiałowe

1. CYLINDER, wysokość H	mm	14,00	14,00	14,00	14,00	14,00	14,00	14,00	14,00
2. ŁOPATKA, grubość T	mm	3,20	3,20	3,20	3,20	3,20	3,20	3,20	3,20
3. ŁOPATKA, nos Rv	mm	3,20	4,00	5,00	5,50	6,00	8,00	10,00	16,00
4. WAŁEK, Rr	mm	16,60	16,60	16,60	16,60	16,60	16,60	16,60	16,60
5. Mimośrodowość E	Mm	2,880	2,880	2,880	2,880	2,880	2,880	2,880	2,880
6. ŁOPATKA, moduł Younga E1	kG/cm²	2.10E+06	2.10E+06	2,10E+06	2.10E+06	2.10E+06	2.10E+06	2.10E+06	2.10E+06
7. WAŁEK, moduł Younga E2	kG/cm²	1.10E +06	1.10E +06	1.10E +06	1.10E +06	1.10E +06	1.10E +06	1.10E +06	1.10E +06
8. ŁOPATKA, spółczynnik Poissona ν1	-	0,30	0,30	0,30	0,30	0,30	0,30	0,30	0,30
9. WAŁEK, współczynnik Poissona ν2	-	0,30	0,30	0,30	0,30	0,30	0,30	0,30	0,30
10. Maksymalna różnica ciśnień (ciśnienie teoretyczne) ΔP	kG/cm²	100,00	100,00	100,00	100,00	100,00	100,00	100,00	100,00

T a b e l a 2 Wyniki obliczeń

1. Sita docisku łopatki Fv	kG	44,800	14,00	14,00	14,00	14,00	14,00	14,00	14,00
2. Promień równoważ ny ρ	cm	0,26828	0,32233	0,38426	0,41312	0,44071	0,53984	0,62406	0,83000
3. Długość walka I	cm	1,4	1,4	1,4	1,4	1,4	1,4	1,4	1,4
4. Długość odkształcenia d	cm	0,00742	0,00814	0,00889	0,00921	0,00952	0,01053	0.01132	0,01306
5. Droga ślizgu ev	mm	0,93091	1,11845	1,33333	1,43348	1,52920	1,87317	2,15541	2.88000
[ev/T]		29,1%	35,0%	41,7%	44,8%	47,8%	58,5%	67,7%	90,0%
(T-ev-d)/2	mm	1,13417	1,04037	0.93289	0,88280	0,83492	0,66289	0,51673	0,15935
6. Pmax	kG/mm²	54,88	50,07	45,86	44,23	42,82	38,69	35,98	31,20

100% 91% 84% 81% 78% 70% 66% 57%

Zakładając, że naprężenie Hertza Pmax wynosi 100% przy T = Rv, według tabeli 1, to przy wzroście Rv naprężenie Hertza Pmax zmniejsza się. Z drugiej strony, wzrasta droga ślizgu ev. Kiedy Rv = 10 mm, naprężenie Hertza Pmax osiąga wartość 66%, ev rośnie w przybliżeniu 2,3-krotnie. Natomiast, kiedy Rv = 16,6 mm = Rr, to, chociaż naprężenie Hertza osiąga wartość 57%, uzyskuje się (T-ev-d)/2 « 0,16. Zatem, jest zrozumiałe, że na części ślizgowej łopatki i wałka zapewnienie powierzchni styku ślizgowego jest trudne.

Na podstawie opisanych wyżej wyników, można wywnioskować, że powierzchnię ślizgową w części styku ślizgowego łopatki i wałka można zapewnić przy zmniejszeniu naprężenia Hertza, przy zmniejszeniu Rv do zakresu T < Rv < Rr przedstawionego w wyrażeniu (1). Droga ślizgu ev wzrasta, naprężenie rozprasza się, a temperatura w części styku ślizgowego łopatki i wałka obniża się, zapobiegając w ten sposób nieodpowiedniemu ścieraniu wałka i łopatki.

Niekosztowna obróbka przez azotowanie (azotowanie NV, azotowanie nasiarczające, azotowanie rodnikowe) wpływa korzystnie na zmniejszenie ścierania zewnętrznej obwodowej powierzchni wałka lub łopatki, bez konieczności stosowania kosztownej obróbki powlekania łopatki, zapewniając dużą niezawodność sprężarki rotacyjnej.

PL 204 509 B1

Kiedy T spada do zakresu T > 2-Rv-E/ (Rv+Rr) przedstawionego w wyrażeniu (2), możliwe jest bezpieczne zapewnienie powierzchni ślizgu w części styku ślizgowego łopatki i wałka.

Kiedy T spada do zakresu T > [2-Rv-E/ (Rv+Rr) ]+d, przedstawionego w wyrażeniu (8), możliwe jest bezpieczne zapewnienie powierzchni ślizgu w części styku ślizgowego łopatki i wałka nawet przy pracy z dużym obciążeniem.

Łopatka jest wykonana z materiału na bazie żelaza, o module sprężystości wzdłużnej wynoszącym od 1,96 x 10⁵ do 2,45 x 10⁵ N/mm². Jednak, jeżeli moduł sprężystości jest zbyt mały, to odporność łopatki na ścieranie jest niewystarczająca. Kiedy jest zbyt duży, nie można oczekiwać odkształceń sprężystych, naprężenia nie można zmniejszyć i nie można uzyskać odpowiedniej odporności na ścieranie.

Jako środek zaradczy, w niniejszym wynalazku proponuje się obliczanie za pomocą wyrażeń (1) do (8) promienia krzywizny Rv łopatki w miejscu styku ślizgowego łopatki i wałka, a także zastosowanie opisanej wyżej obróbki do łopatki mającej kształt o takim promieniu krzywizny (Rv), a przez to uzyskanie większej odporności na ścieranie.

Ponadto, łopatka, której zewnętrzna powierzchnia poddana została obróbce azotowania, w wyniku której została uformowana warstwa związku zawierającego jako główne składniki Fe i N, a pod warstwą związku została uformowana warstwa dyfuzyjna zawierająca jako główne składniki Fe i N, a z której przynajmniej powierzchni bocznych usunięto warstwę związku zawierającego jako główne składniki Fe i N, poradzi sobie ze zmianą wymiarów spowodowaną zmianą struktury krystalicznej przy obróbce. Podobnie, łopatka, której zewnętrzna powierzchnia poddana została obróbce azotowania, w wyniku której została uformowana warstwa związku zawierającego jako główne składniki Fe i S a pod warstwą związku jest uformowana warstwa dyfuzyjna zawierająca jako główny składnik Fe-N, a z której przynajmniej powierzchni bocznych usunięto warstwę związku zawierającego jako główne składniki Fe i S, poradzi sobie ze zmianą wymiarów spowodowaną zmianą struktury krystalicznej przy obróbce. Nawet, jeżeli warstwa związku zostanie usunięta przez, na przykład, szlifowanie dla dostosowania wymiarów, można uzyskać dużą odporność na ścieranie.

Materiał wałka, który styka się ślizgowo z łopatką jest materiałem na bazie żelaza, o module sprężystości wzdłużnej wynoszącym od 9,81 x 10⁴ do 1, 47 x 10⁵ N/mm². Kiedy moduł sprężystości wzdłużnej jest zbyt mały, to odporność łopatki na ścieranie jest niewystarczająca. Kiedy jest zbyt duży, nie można oczekiwać odkształceń sprężystych, naprężenia między łopatką a wałkiem nie można zmniejszyć, i nie można osiągnąć odpowiedniej odporności na ścieranie.

Według wynalazku lepkość kinetyczna oleju podstawowego, którym jest poliglikol alkilenowy lub poli α-olefina lub olej mineralny, stosowane w sprężarce rotacyjnej wykorzystującej dwutlenek węgla w charakterze czynnika chłodzącego, nie jest ograniczona do jakiejś specjalnej wartości. Jednakowoż, korzystnym jest, jeżeli lepkość kinetyczna oleju podstawowego wynosi od 30 do 120 mm²/s przy 40°C. Kiedy lepkość kinetyczna oleju podstawowego jest mniejsza niż 30 mm²/s, nie da się zapobiec ścieraniu w miejscu styku ślizgowego. Kiedy lepkość kinetyczna przekracza 120 mm²/s można uzyskać wyniki nieekonomiczne, tj. wzrost pobieranej mocy.

Nawiasem mówiąc, ponieważ niniejszy wynalazek nie jest ograniczony do opisanego wyżej wykonania, możliwe jest dokonywanie różnych modyfikacji, bez wychodzenia poza zakres ochrony określony w zastrzeżeniach.

W sprężarce rotacyjnej według niniejszego wynalazku, nawet jeżeli stosuje się czynnik chłodzący nie zawierający chloru w cząsteczkach oraz stosuje się poliglikol alkilenowy jako czynnik smarny lub poli α-olefinę jako olej podstawowy, to można zmniejszyć naprężenie Hertza w miejscu styku ślizgowego łopatki i wałka. Droga ślizgu (ev) zwiększa się, naprężenie rozprasza się, a temperatur w miejscu styku ślizgowego łopatki i wałka obniża się, co zapobiega nadmiernemu ścieraniu wałka i łopatki.

W sprężarce rotacyjnej według wynalazku, uzyskuje się efekt dostatecznego zmniejszenia ścierania zewnętrznej powierzchni obwodowej wałka lub łopatki przez niekosztowną obróbkę azotowaniem (azotowaniem NV, azotowaniem z nasiarczaniem, azotowaniem rodnikowym), bez stosowania kosztownej obróbki powierzchownej łopatki, oraz osiągnięcie tym sposobem dużej niezawodności.

W sprężarce rotacyjnej według wynalazku, zapewnia się powierzchnię ślizgową w miejscu styku ślizgowego łopatki z wałkiem nawet przy pracy z dużym obciążeniem.

W sprężarce rotacyjnej według wynalazku, zmniejsza się naprężenie w związku z odkształceniem sprężystym, i wzrasta odporność łopatki na ścieranie.

W sprężarce rotacyjnej według wynalazku, zwiększa się odporność łopatki na ścieranie.

PL 204 509 B1

W sprężarce rotacyjnej według wynalazku, możliwe jest zmniejszenie ścierania przy utrzymaniu małego zużycia mocy i dużej niezawodności.

Claims

1. Sprężarka rotacyjna połączona kolejno ze sprężarką, skraplaczem, rozprężarką i parownikiem, a zawierająca cylinder (32) mający wlot (23) i wylot (35), wał obrotowy (25) z częścią korbową (26) współosiową z cylindrem (32), wałek (38), który jest umieszczony między częścią korbową (26) a cylindrem (32) i obraca się mimośrodowo, skrzydełko (40) poruszające się ruchem postępowozwrotnym w rowku zapewnionym w cylindrze (32) i ślizgowo stykające się z zewnętrzną powierzchnią (38A) wałka (38), przy czym promień krzywizny (Rv) łopatki (40) w części styku ślizgowego, w stosunku do wałka (38) jest określony następującym wzorem:

T < Rv < Rr Wyrażenie (1) gdzie T jest grubością w cm łopatki (40), a Rr jest promieniem krzywizny zewnętrznego obwodu wałka (38), który styka się ślizgowo z łopatką (40), znamienna tym, że w sprężarce (1 czynnikiem chłodniczym jest dwutlenek węgla, a podstawowy olej smarny to olej poliglikolalkilenowy albo poli α-olefina albo olej mineralny.

T < Rv < Rr

Wyrażenie (1)

2. Sprężarka rotacyjna według zastrz. 1, znamienna tym, że, w celu zapewnienia ślizgowej powierzchni styku (40A) łopatki (40) w części styku ślizgowego względem wałka (38), parametry (T), (Rv), (Rr), (E), (α) i (ev) spełniają zależności przedstawione przez następujące wyrażenia (2) do (4):

T > 2 Rv E/(Rv+Rr) Wyrażenie (2) sin α = E/(Rv+Rr) Wyrażenie (3) ev = Rv E/(Rv+Rr) Wyrażenie (4) gdzie E oznacza mimośrodowość w cm środka (O1) obrotu wałka obrotowego (25) i środka (O2) wałka (38), α oznacza kąt, między linią prostą (L1) łączącą środek (O3) promienia krzywizny (Rv) łopatki (40) ze środkiem (O2) wałka (38), a linią prostą (L2) łączącą środek (O3) ze środkiem (O1) obrotu, a (ev) oznacza odległość poślizgu między punktem, w którym linia prosta (L1) przecina się z zewnętrzną powierzchnią obwodową wałka (38) a punktem, w którym linia prosta (L2) przecina się z zewnętrzną powierzchnią obwodową wałka (38).

3. Sprężarka rotacyjna w zastrz. 1, znamienna tym, że w celu zapewnienia ślizgowej powierzchni styku (40A) w części styku ślizgowego między łopatką (40) a wałkiem (38), parametry T, Rv, Rr, E i d spełniają zależność, która jest opisana następującym wyrażeniem (8):

T > [2 Rv E/(Rv+Rr)]+d Wyrażenie (8) gdzie T, Rv, Rr i E reprezentują te same określenia, co określenia występujące we wzorach (1) i (2), przy czym L w cm jest wysokością łopatki (40), a każdy z parametrów E1 i E2 w kG/cm² jest modułem sprężystości wzdłużnej łopatki (40) i wałka (38), każdy z parametrów ν1 i v2 jest współczynnikiem Poissona łopatki (40) i wałkiem (38), ΔP (kG/cm²) jest ciśnieniem znamionowym, ρ jest promieniem zastępczym wyliczonym za pomocą wyrażenia (5), Fv (kG) jest siłą docisku łopatki (40) wyliczoną za pomocą wyrażenia (6), a d w cm jest długością sprężystej powierzchni stykowej wyliczoną za pomocą wyrażenia (7) przy wykorzystaniu wymienionych określeń.

111 — = — + — Wyrażenie (5) ρ Rv Rr [gdzie ρ oznacza promień zastępczy (cm), Rv jest promieniem krzywizny łopatki (40) w cm, a Rr jest promieniem krzywizny zewnętrznego obwodu (38A) wałka (38) ślizgowo stykającego się z łopatką (40).

Fv = T-L-AP

Wyrażenie (6)

PL 204 509 B1 gdzie Fv oznacza siłę dociskającą w kG łopatki (40), T oznacza grubość w cm łopatki (40), L oznacza wysokość w cm łopatki (40), a ΔP jest ciśnieniem znamionowym w kG/cm² podczas pracy d=4

1- ν₁ ² nE1

1 - ν 2 nE2

Wyrażenie (7) ₂ gdzie E1 jest modułem sprężystości wzdłużnej w kG/cm , łopatki (40), E2 jest modułem sprężystości wzdłużnej w kG/cm² wałka (38), ν1 jest współczynnikiem Poissona łopatki (40), v2 jest współczynnikiem Poissona wałka (38), L jest wysokością w cm łopatki (40), Fv jest siłą dociskającą w kG łopatki (40), wyliczoną za pomocą wyrażenia (6), a ρ jest promieniem zastępczym w cm wyliczonym za pomocą wyrażenia (5).

4. Sprężarka rotacyjna według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienna tym, że łopatka (40) wykonana jest z materiału na bazie żelaza, o module sprężystości wzdłużnej wynoszącym od 1,96 x 10⁵ do 2,45 x 10⁵ N/mm².

5. Sprężarka rotacyjna według zastrz. 4, znamienna tym, że najdalej wysunięta powierzchnia łopatki (40) poddana została obróbce azotowania, w wyniku której jest uformowana warstwa związku zawierającego jako główne składniki Fe i N, a pod warstwą związku jest uformowana warstwa dyfuzyjna zawierająca jako główne składniki Fe i N.

6. Sprężarka rotacyjna według zastrz. 4, znamienna tym, że powierzchnia łopatki (40) poddana została obróbce azotowania, w wyniku której jest uformowana tylko warstwa dyfuzyjna zawierająca jako główne składniki Fe i N.

7. Sprężarka rotacyjna według zastrz. 4, znamienna tym, że najdalej wysunięta powierzchnia łopatki (40) poddana została obróbce azotowania, w wyniku której jest uformowana warstwa związku zawierającego jako główne składniki Fe i S a pod warstwą związku jest uformowana warstwa dyfuzyjna zawierająca jako główny składnik Fe-N.

8. Sprężarka rotacyjna według zastrz. 5, znamienna tym, że najdalej wysunięta powierzchnia łopatki (40) poddana została obróbce azotowania, w wyniku której jest uformowana warstwa związku zawierającego jako główne składniki Fe i N a pod warstwą związku jest uformowana warstwa dyfuzyjna zawierająca jako główne składniki Fe i N, a warstwa związku zawierającego jako główne składniki Fe i N jest usunięta przynajmniej z powierzchni bocznych łopatki (40).

9. Sprężarka rotacyjna według zastrz. 7, znamienna tym, że najdalej wysunięta powierzchnia łopatki (40) poddana została obróbce azotowania, w wyniku której jest uformowana warstwa związku zawierającego jako główne składniki Fe i S a pod warstwą związku jest uformowana warstwa dyfuzyjna zawierająca jako główny składnik Fe-N, a warstwa związku zawierającego jako główne składniki Fe i S jest usunięta przynajmniej z powierzchni bocznych łopatki (40).

10. Sprężarka rotacyjna według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienna tym, że materiał wałka (38), stykającego się ślizgowo z łopatką (40), jest materiałem uformowanym na bazie żelaza o module sprężystości wzdłużnej wynoszącym od 9,81 x 10⁴ do 1,47 x 10⁵ N/mm².

11. Sprężarka rotacyjna według zastrz. 1 do 10, znamienna tym, że lepkość kinetyczna oleju podstawowego wynosi od 30 do 120 mm²/s przy 40°C.