PL231719B1 - Rotacyjna maszyna wyporowa - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest rotacyjna maszyna wyporowa, przeznaczona do stosowania jako sprężarka powietrza, pompa próżniowa lub silnik pneumatyczny.

W dotychczasowym stanie techniki znanych jest wiele rozwiązań technicznych dotyczących maszyn do przetłaczania cieczy i gazów, których jedna lub więcej ich części bezpośrednio oddziaływujących na ciecz lub gaz, wykonuje ruch obrotowy. Wśród znanych rozwiązań technicznych najwięcej znajduje się przy tym takich to rozwiązań, których podstawowy element roboczy w postaci tłoka wykonuje, podczas przetłaczania, ruch obrotowy wokół swojej osi wzdłużnej.

Z opisu patentowego EP2143878A1 znane jest urządzenie przeznaczone do stosowania jako sprężarka lub silnik pneumatyczny.

Znane to urządzenie ma w cylindrycznej obudowie osadzony wirnik z łopatkami, zamocowanymi na tym wirniku wahliwie.

Oś wirnika jest przy tym względem osi cylindrycznej obudowy usytuowana mimośrodowo, zaś obie te osie tworzą razem parę prostych równoległych. Mimośrodowe usytuowanie wirnika względem cylindrycznej obudowy jest jednocześnie tej wielkości, że zewnętrzna powierzchnia wirnika z jednej strony niemalże styka się z powierzchnią cylindrycznej obudowy tworząc niewielką tylko szczelinę, natomiast po stronie przeciwnej odległość powierzchni wirnika od powierzchni cylindrycznej obudowy jest wielokrotnie większa.

W rezultacie tak usytuowanego wirnika, między tym wirnikiem a cylindryczną obudową utworzona jest sierpowata komora, która przez łopatki jest podzielona na kilka segmentów.

W trakcie obrotu wirnika powietrze jest najpierw zasysane z kanału wlotowego, a następnie w miarę dalszego obrotu powietrze to jest sprężane w zwężającej się części komory, po czym w fazie ostatniej jest wypychane do kanału wylotowego.

W trakcie pracy urządzenia jego łopatki ślizgają się po powierzchni cylindrycznej obudowy, dociskane do tej powierzchni za pomocą sprężyn, jak również ciśnieniem sprężanego powietrza, przy czym chwilowe położenie kątowe danej łopatki względem wirnika jest funkcją szerokości komory sprężania w miejscu styku tej łopatki z powierzchnią cylindrycznej obudowy.

Z kolejnego opisu patentowego oznaczonego symbolem DE3234199A1 znane jest rozwiązanie techniczne silnika pneumatycznego, który może być wykorzystywany również jako sprężarka powietrza.

Zgodnie z tym rozwiązaniem w cylindrycznej obudowie jest ulokowany obrotowy tłok, z wahliwie zamocowanymi do niego łopatkami, przy czym łopatki te zbliżone są budową do dźwigni dwuramiennej.

Jak to już wspomniano wyżej łopatki zamocowane są wahliwie do tłoka w ich środkowym rejonie oraz jednocześnie zamocowane są wahliwie na wewnętrznej końcówce do kształtowego wału ulokowanego wewnątrz tłoka, przy czym oś tego wału jest usytuowana mimośrodowo do osi tłoka i osi cylindrycznej obudowy.

W rezultacie tak usytuowanego tłoka i wału, między tym tłokiem a cylindryczną obudową utworzona jest również sierpowata komora, która przez łopatki jest podzielona na kilka segmentów.

W trakcie pracy sprężania powietrza zewnętrzne końcówki łopatek ślizgają się po powierzchni cylindrycznej obudowy oraz jednocześnie są do tej powierzchni dociskane siłami, które pochodzą od sił ich tarcia, a także sił oporu sprężanego powietrza, pokonywanych przez moment obrotowy wału.

Inne rozwiązanie techniczne dotyczące wszakże wyłącznie budowy silnika spalinowego jest ujawnione w opisie patentowym oznaczonym symbolem DE102005038302A1.

W rozwiązaniu tym w cylindrycznej obudowie jest ulokowany obrotowy tłok zamocowany na wale, którego oś pokrywa się z osią cylindrycznej obudowy. Powierzchnia zewnętrzna tłoka uformowana jest wzdłuż dwóch identycznych walcowych powierzchni, których kierownicami są wycinki linii spiralnej, przy czym koniec jednej powierzchni przechodzi pionowym uskokiem na początek powierzchni drugiej.

Wspomniane uskoki powierzchni walcowych z powierzchnią cylindrycznej obudowy tworzą komory robocze, w których następują przemiany termodynamiczne, typowe dla silnika spalinowego.

Kolejne inne rozwiązanie techniczne silnika spalinowego z obrotowym tłokiem i cylindrem jest ujawnione w polskim opisie patentowym oznaczonym symbolem PL 213482B1.

Silnik według tego znanego rozwiązania wyposażony jest w zestaw złożony z obrotowego tłoka w postaci centralnego przegubu, umieszczonego wewnątrz obrotowego również cylindra, zaś cały ten zestaw ulokowany jest wewnątrz cylindrycznej obudowy.

PL 231 719 B1

Cechą charakterystyczną konstrukcji silnika jest to, że osie tłoka, cylindra, a także cylindrycznej obudowy pokrywają się, leżąc wzdłuż jednej i tej samej linii prostej. Łopatki tłoka są natomiast usytuowane wyłącznie promieniowo względem tłoka, cylindra i cylindrycznej obudowy, ich końcówki przemieszczać się mogą względem powierzchni wewnętrznej cylindra z różną prędkością kątową, przy czym przemieszczanie to i chwilowa prędkość kątowa zależna jest od fazy pracy silnika.

Istota wynalazku polega na tym, że rotacyjna maszyna wyporowa zawiera we wnętrzu cylindrycznego otworu w korpusie ulokowany współosiowo z tym korpusem obrotowy cylinder, zaś we wnętrzu tego cylindra usytuowany jest obrotowy tłok o osi równoległej do wspólnej osi korpusu i cylindra, przy czym w obrotowym tłoku są zamocowane wychylne łopatki, których wierzchołki wchodzą w przypór z wewnętrzną powierzchnią obrotowego cylindra i są względem tej powierzchni ślizgowo przesuwne.

Cechą istotną maszyny wyporowej według wynalazku jest także to, że obrotowy cylinder jest ulokowany we wnętrzu cylindrycznego korpusu na łożyskach tocznych i ma względem tego korpusu jeden stopień swobody ruchu obrotowego wokół wspólnej osi tego korpusu i cylindra.

Następną cechą istotną maszyny wyporowej według wynalazku jest także to, że cylindryczny jej korpus jest umieszczony i zaciśnięty między pokrywą przednią zaopatrzoną w otwór na wał obrotowego tłoka i pokrywą tylną z umieszczonym w niej otworem przelotowym dla wlotu i otworem przelotowym dla wylotu powietrza.

Kolejną cechą istotną wynalazku jest to, że łopatki są wychylne na zewnątrz obrotowego tłoka, a ich wierzchołki są przyparte do wewnętrznej powierzchni obrotowego cylindra za pomocą śrubowo nawiniętych sprężyn.

Kolejną cechą istotną wynalazku jest to, że wał obrotowego tłoka jest ulokowany i osadzony w łożyskach tocznych, które utwierdzone są w pokrywie przedniej i w pokrywie tylnej, zaś wspólna oś tych łożysk i wału pokrywa się z osią korpusu i obrotowego cylindra.

Dalszą cechą istotną wynalazku jest to, że wewnętrzne końcówki cylindrycznego otworu przelotowego dla wlotu i otworu przelotowego dla wylotu powietrza, usytuowanych w pokrywie tylnej, mają ujście we wnętrzu podłużnych wycięć, które są zakrzywione wzdłuż wycinka łuku.

Rozwiązanie techniczne rotacyjnej maszyny wyporowej według wynalazku pozwala na uzyskiwanie wielu różnorakich i jednocześnie nowych efektów technicznych.

Podstawowy efekt uzyskiwany ze stosowania rozwiązania technicznego wynalazku polega na kilkukrotnym zmniejszeniu szybkości zużywania się łopatek obrotowego tłoka w miejscu styku ich wierzchołków z wewnętrzną powierzchnią obrotowego cylindra.

Kilkukrotnie mniejsza prędkość ślizgowego przesuwu łopatek po powierzchni obrotowego cylindra, występująca przy tym jedynie w części każdego cyklu roboczego, zmniejsza siły tarcia, ogranicza wydzielanie się ciepła na skutek działania tych sił tarcia oraz obniża temperaturę miejsca styku wierzchołków łopatek z powierzchnią obrotowego cylindra.

Ograniczenie prędkości ślizgowego przesuwu łopatek względem wewnętrznej powierzchni cylindra eliminuje w rezultacie konieczność obfitego smarowania współpracujących ze sobą łopatek i cylindra, co zmniejsza także stopień nasycania cząsteczkami smaru powietrza przepływającego przez maszynę według wynalazku. Rotacyjna maszyna wyporowa według niniejszego wynalazku jest również mniej podatna na awarie, co zapewnia większą jej niezawodność poprawnego działania w trakcie eksploatacji.

Rozwiązanie techniczne maszyny według wynalazku jest nadto rozwiązaniem uniwersalnym, bowiem maszyna ta może być wykorzystywana jako sprężarka, pompa próżniowa lub silnik pneumatyczny.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest szczegółowo w opisie przykładu jego realizacji jako sprężarki oraz zilustrowany jest w ujęciu schematycznym na dołączonym rysunku.

Fig. 1 wspomnianego rysunku pokazuje sprężarkę według wynalazku w przekroju poprzecznym dokonanym płaszczyzną pionową, prostopadłą do osi korpusu, obrotowego cylindra i obrotowego tłoka.

Na fig. 2 rysunku pokazano sprężarkę z fig. 1 w przekroju wzdłużnym dokonanym płaszczyzną pionową przechodząca przez osie korpusu, obrotowego cylindra i obrotowego tłoka na całej ich długości.

Fig. 3 rysunku uwidacznia pokrywę tylną sprężarki według wynalazku, przy czym pokrywa ta pokazana jest w widoku od wnętrza tej sprężarki.

Na fig. 4 rysunku pokazano sprężarkę według wynalazku w rzucie aksonometrycznym ze szczególnym wyeksponowaniem widoku na ściankę zewnętrzną pokrywy tylnej i na fig. 5 pokazano tę samą sprężarkę w widoku z góry z wyrwaniem ukazującym otwór przelotowy dla wlotu i otwór przelotowy dla wylotu powietrza.

PL 231 719 B1

Jak to uwidoczniono na rysunku sprężarka ma użebrowany korpus 1 z przelotowym otworem o cylindrycznej powierzchni wewnętrznej, usytuowanym centralnie wzdłuż osi tego korpusu.

W otworze korpusu jest na łożyskach tocznych 2 osadzony obrotowy cylinder 3, który ma jeden stopień swobody ruchu obrotowego wokół swojej osi O2, zaś oś ta pokrywa się z osią otworu w korpusie.

We wnętrzu obrotowego cylindra ulokowany jest obrotowy tłok 4, którego wał 5 osadzony jest w łożyskach tocznych 6 i 7, przy czym jedno z nich jest wciśnięte w pokrywę przednią 8, natomiast drugie wciśnięte jest w pokrywę tylną 9.

W obrotowym tłoku zamocowane są wychylne łopatki 10a i 10b, których wierzchołki Wa i Wb są dociskane do wewnętrznej powierzchni cylindra 3 za pomocą śrubowo nawiniętych sprężyn 11.

W pokrywie tylnej 9 wykonane są dwa otwory, przy czym jeden z nich to otwór przelotowy 12 do zasysania powietrza, natomiast drugi to otwór przelotowy 13 do wytłaczania powietrza na zewnątrz, z zamocowanym w tym otworze zaworem 14 odcinającym, skąd sprężone powietrze jest tłoczone do zbiornika sprężonego powietrza lub do sieci tego sprężonego powietrza.

Wewnętrzna przestrzeń każdego z otworów przelotowych połączona jest przy tym z wewnętrzną przestrzenią podłużnego wycięcia 15 i 16, które uformowane są i rozciągają się wzdłuż krzywizny odcinka łuku.

Wymagane właściwe konstrukcyjnie położenie korpusu z pokrywami ustalone jest za pomocą kołków centrujących 17, zaś spoczynkowe połączenie korpusu z pokrywami osiągnięte jest za pomocą śrub 18, które z obu stron dociskają pokrywy te do korpusu.

W trakcie cyklu roboczego przedstawionego na fig. 1 do wału 5 przyłożony jest moment obrotowy, który powoduje obracanie się tego wału i obrotowego tłoka 4 w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara.

Odległość wierzchołka Wa od osi obrotu O1 równa się wówczas długości promienia Ra, zaś odległość wierzchołka Wb od osi obrotu O1 równa się przy tym długości promienia Rb.

Chwilowa prędkość liniowa wierzchołka Wa łopatki 10a wynosi wówczas

Va = 2xRa/T, natomiast chwilowa prędkość liniowa wierzchołka Wb łopatki 10b wynosi wówczas

Vb = 2nRb/T.

Wierzchołki łopatek dociskane są wówczas do powierzchni obrotowego cylindra na skutek działania siły pochodzącej od śrubowych sprężyn 11, a przede wszystkim na skutek działania siły odśrodkowej oznaczanej symbolem F, której wielkość dla wierzchołka Wa wynosi Fa= m V²a/Ra, a dla wierzchołka Wb wielkość tej siły odśrodkowej Fb wynosi Fb= mV²b/Rb.

Z uwagi na to, że odległość wierzchołka Wa od osi obrotu O1 i jednocześnie długość promienia Ra, jest znacznie większa od odległości wierzchołka Wb od osi O1 i długości promienia Rb, to stan taki powoduje w rezultacie to, iż prędkość Va jest znacznie większa od prędkości Vb, a jednocześnie siła odśrodkowa Fa jest znacznie większa od siły odśrodkowej Fb.

Stan taki powoduje to, iż nacisk wierzchołka Wa na powierzchnię obrotowego cylindra jest znacznie większy od nacisku na powierzchnię cylindra wierzchołka Wb.

Skutkiem tak znacznej różnicy w sile nacisku jest w rezultacie to, że wierzchołek Wa łopatki 10a wymusza obrót cylindra 3 z prędkością swojego obrotu, zaś w punkcie nacisku wierzchołka Wb łopatki 10b na powierzchnię cylindra, wierzchołek ten przesuwa się ślizgowo po powierzchni tego cylindra, ruchem względnym, do tyłu względem kolejnych punktów powierzchni cylindra.

Istnieje wszakże taki chwilowy stan pracy sprężarki kiedy to wierzchołki Wa i Wb znajdują się w położeniu zbliżonym do poziomego, a wówczas ich promienie Ra i Rb są sobie równe. W takim to chwilowym stanie pracy sprężarki równe są sobie także prędkości wierzchołków Wa i Wb, co daje ten skutek, iż żaden z nich nie ślizga się po powierzchni cylindra, a wierzchołki te i punkty powierzchni cylindra poruszają się wówczas z jednakową prędkością. Tak więc poślizg wierzchołków łopatek po powierzchni cylindra następuje tylko w górnym obszarze kąta półpełnego, zaś maksymalna prędkość poślizgu wierzchołka Wb po powierzchni cylindra równa się wówczas różnicy prędkości Va - Vb.

W trakcie sprężania powietrza, w chwilowym stanie pracy sprężarki przedstawionym na fig. 1, w komorze K1 następuje już sprężanie znajdującego się w niej powietrza, wywoływane sukcesywnym zmniejszaniem się jej objętości, po czym powietrze to wypychane jest do przestrzeni podłużnego wycięcia 16, a następnie przez otwór przelotowy 13 i zawór 14 jest tłoczone do zbiornika sprężonego powietrza.

Zawór 14 osadzony w otworze przelotowym 13 odcina okresowo zbiornik sprężonego powietrza od wnętrza komory sprężania, co w końcowym etapie tego sprężania, zapobiega cofaniu się sprężonego powietrza do wnętrza sprężarki.

PL 231 719 B1

W komorze K2 trwa natomiast w tej chwili jeszcze zasysanie powietrza, które do tej komory wpływa przez otwór przelotowy 12 i przestrzeń podłużnego wycięcia 15. Cykle pracy zasysania i sprężania powietrza powtarzają się przy tym z określoną częstotliwością zależną tylko od prędkości obrotowej wirującego tłoka 4.

Drugi przykład realizacji wynalazku

W drugim przykładzie realizacji wynalazku rotacyjna maszyna wyporowa pracuje jako pompa próżniowa.

Dla zrealizowania tego przykładu i przestawienia maszyny w stan pracy jako pompy próżniowej wystarczy tylko zdemontowanie zaworu 14 i zamontowanie podobnego zaworu w otworze przelotowym 12, przy czym zawór ten winien działać w odwrotnym kierunku, to znaczy winien odcinać okresowo pompę od przestrzeni opróżnianej z powietrza, zapobiegając w ten sposób cofaniu się tego powietrza do opróżnianej przestrzeni.

Trzeci przykład realizacji wynalazku

W trzecim przykładzie realizacji wynalazku rotacyjna maszyna wyporowa pracuje jako silnik pneumatyczny.

Dla zrealizowania tego przykładu i przestawienia maszyny w stan pracy jako silnika pneumatycznego wystarczy tylko zdemontować zawory z obu otworów przelotowych 12 i 13 i doprowadzenie sprężonego powietrza do otworu przelotowego 12.

W przypadku zastosowania rozwiązania technicznego wynalazku do pracy jako silnika pneumatycznego następuje zmiana kierunku obrotów tłoka 4, który zaczyna wirować wówczas w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Kolejne inne przykłady realizacji wynalazku charakteryzują się tym, że w obrotowym tłoku zamontowane są trzy lub więcej łopatek.

W optymalnych rozwiązaniach technicznych w obrotowym tłoku zamontowanych jest jednak nie więcej niż cztery łopatki.

Wykaz oznaczeń rysunkowych

- korpus

- łożysko toczne

- cylinder

- tłok

- wał

- łożysko toczne

- łożysko toczne

- pokrywa przednia

- pokrywa tylna 10a - łopatka 10b - łopatka

- sprężyna

- otwór przelotowy

- otwór przelotowy

- zawór

- wycięcie

- wycięcie

- kołek

- śruba

Wa - wierzchołek Wb - wierzchołek Ra - promień Rb - promień O1 - oś O2 - oś K1 - komora K2 - komora

PL 231 719 B1

Zastrzeżenia patentowe

Claims (6)

1. Rotacyjna maszyna wyporowa wyposażona w obrotowy tłok ulokowany wewnątrz cylindrycznego otworu w korpusie, którego oś z osią obrotowego tłoka tworzą parę prostych równoległych, znamienna tym, że we wnętrzu cylindrycznego otworu w korpusie (1) jest ulokowany współosiowo z tym korpusem obrotowy cylinder (3), zaś we wnętrzu tego cylindra usytuowany jest obrotowy tłok (4) o osi równoległej do wspólnej osi korpusu i cylindra, przy czym w obrotowym tłoku są zamocowane wychylne łopatki (10a) i (10b), których wierzchołki (Wa) i (Wb) wchodzą w przypór z wewnętrzną powierzchnią obrotowego cylindra i są względem tej powierzchni ślizgowo przesuwne.

2. Maszyna wyporowa według zastrz. 1, znamienna tym, że obrotowy cylinder (3) jest ulokowany we wnętrzu cylindrycznego korpusu (1) na łożyskach tocznych (2) i ma względem tego korpusu jeden stopień swobody ruchu obrotowego wokół wspólnej osi (O2) tego korpusu i cylindra.

3. Maszyna wyporowa według zastrz. 1 i 2, znamienna tym, że jej korpus (1) jest umieszczony i zaciśnięty między pokrywą przednią (8) zaopatrzoną w otwór na wał (5) obrotowego tłoka (4) i pokrywą tylną (9) z umieszczonym w niej otworem przelotowym (12) dla wlotu i otworem przelotowym (13) dla wylotu powietrza.

4. Maszyna wyporowa według zastrz. 1, 2 i 3, znamienna tym, że łopatki (10a) i (10b) są wychylne na zewnątrz obrotowego tłoka (4), a ich wierzchołki (10a) i (10b) są przyparte do wewnętrznej powierzchni obrotowego cylindra (3) za pomocą śrubowo nawiniętych sprężyn (11).

5. Maszyna wyporowa według zastrz. 1, 2, 3 i 4, znamienna tym, że wał (5) obrotowego tłoka (4) jest ulokowany i osadzony w łożyskach tocznych (6) i (7), które utwierdzone są w pokrywie przedniej (8) i pokrywie tylnej (9), zaś wspólna oś (O1) tych łożysk i wału tworzy z osią (O2) korpusu (1) i obrotowego cylindra (3) parę prostych równoległych.

6. Maszyna wyporowa według zastrz. 3, znamienna tym, że wewnętrzne końcówki cylindrycznego otworu przelotowego (12) i otworu przelotowego (13) dla wlotu i wylotu powietrza, usytuowanych w pokrywie tylnej (9), mają ujście we wnętrzu podłużnych wycięć (15) i (16), które są zakrzywione wzdłuż wycinka łuku.