CS235096B2 - Rotors with spiral ribs - Google Patents

Description

Vynález se týká rotoru se spirálovými žebry ' a s mezilehlými spirálovými drážkami, uloženého otočně kolem své osy a spolupracujícího s druhým rotorem, s nímž je v záběru, přičemž pracovní médium přiváděné do statoru vtéká do spirálových drážek a v důsledku pracovního záběru a otáčení rotorů dochází ke změně tlaku ve spirálových drážkách.

Je známa řada strojů, jejichž rotory jsou rozmanitě konstruovány, aby bylo dosaženo větší účinnosti profilů spolupracujících rotorů zlepšením úhlu jejich záběru a vymezením styčných ploch mezi hnacím a hnaným rotorem. Tak je tomu _ například u řešení popsaných ve spisech CS AO č. 194 716, CS AO 194 477, DE OS 21 22 145, CH PS číslo 484 367, Fr. č. 2 263 399, US č. 3 423 017 a US číslo 4 028 026.

Všem těmto řešením je společné, že boky jejich rotorů s různým počtem zubů, žeber a drážek jsou tvořeny rozmanitými vzájemně na sebe napojenými křivkami, přičemž každé z těchto řešení má proti druhému určitou výhodu, s níž je spojena opět jistá nevýhoda. Tak například je obvodová rychlost boků hnacího rotoru v důsledku polohy dotekových bodů vně roztečné kružnice hnaného rotoru menší než obvodová rychlost hnaného rotoru, plochy boků přenášejících kroutící moment jsou příliš veliké a dochází proto k značnému tření, čímž je nepříznivě ovlivněna rychlost otáčení, na niž se kladou z hlediska výrobního stále větší požadavky.

Cílem vynálezu je vyvinout co nejúčinnější profily spolupracujících rotorů za účelem dosažení vyššího výkonu stroje zdokonalením tvaru jednoho z rotorů, čímž by byly odstraněny nebo podstatně sníženy dosavadní nedostatky.

Podstata vynálezu rotoru ' shora zmíněného typu spočívá v tom, že každá ze spirálových drážek hnaného rotoru obsahuje vzhledem k danému směru otáčení tohoto rotoru vodicí bok a epitrochoidní část, které jsou konkávní, vodicí bok je tvořen kruhovým obloukem, na který je napojena evolventní část, na niž je napojena eliptická část souvislá s vrcholovým kruhovým obloukem. Epitrochoidní část napojená na vodicí bok je tvořena rovněž kruhovým obloukem. Evolventní část je napojena na kruhový oblouk vodícího boku a eliptickou část. Eliptická část a evolventní část jsou vzájemně na sebe napojeny. Eliptická část je napojena na kruhový oblouk, napojený přes další kruhový oblouk na epitrochoidní část další spirálové drážky, přičemž eliptická část probíhá na radiálním oblouku, který je alespoň dvojnásobkem radiálního oblouku vymezujícího druhý kruhový oblouk. Eliptická část probíhá na radiálním oblouku, který je alespoň dvojnásobkem radiálního oblouku vymezujícího druhý kruhový oblouk. Roztečná kružnice hnaného rotoru má střed v jeho ose otáčení, přičemž eliptická část leží vně roztečné kružnice. Evolventní část leží uvnitř roztečné kružnice. Kruhový oblouk . vodicího boku, evolventní část a eliptická část . jsou různě dlouhé, přičemž kruhový oblouk vodicího boku tvoří největší, eliptická část nejkratší a evolventní část středně dlouhou část vodicího boku. Celkový průměr rotoru podle vynálezu je určen vnější kružnicí a na každé ze spirálových drážek je bod ležící na vnitřní kružnici o stanoveném poloměru se středem v ose otáčení radiálně nejvnitřněji a vymezující na hnaném rotoru minimální průměr spirálové drážky.

Evolventní část probíhá ve vnějším směru po vodicím boku z výchozího bodu ležícího v podstatě uprostřed mezi vnější kružnicí a minimální vnitřní kružnicí. Vodicí bok spirálové drážky je napojen na vrcholový kruhový oblouk, jímž je ukončen vodicí bok, přičemž kruhový oblouk vodicího boku přesahuje do epitrochoidní části do bodu, jímž je . ukončen kruhový oblouk vodicího boku, a přímka protažená z koncového bodu vodicího boku ke koncovému bodu kruhového oblouku prochází počátečním bodem evolventní části. Epitrochoidní část obsahuje úsek mezi počátečním bodem a koncovým bodeb, eliptická část obsahuje úsek mezi počátečním bodem a koncovým bodem, . přičemž poloměr kruhového oblouku, jehož střed leží v počátečním bodu je přesným dvojnásobkem poloměru kruhového oblouku, jehož střed leží v počátečním bodu evolventní části a prochází koncovým . bodem eliptické části. Vodicí bok a epitrochoidní část každé spirálové drážky ležící před vodicím bokem v daném směru otáčení vytvářejí žebro, jehož šířka je na vrcholovém kruhovém oblouku menší než jedna třetina šířky žebra u výchozího bodu evolventní části.

Rotorem podle vynálezu se dosahuje zvýšení výkonu stroje a snížení spotřeby energie vhodným úhlem záběru mezi rotory a vymezením stykových těsnění, která jsou v podstatě bodová mezi hnaným a hnacím rotorem, který tlakem plynu v utěsněné dutině zatěžuje nebo natáčí hnaný rotor ve směru jeho otáčení.

Další význaky a výhody vynálezu vyplynou z následujícího popisu a jsou znázorněny na přiložených výkresech, na nichž obr.

je obrys profilu části hnaného rotoru, obr.

je dílčí obrys části profilu spolupracujícího hnacího rotoru, obr. 3 je obrys úplných profilů obou rotorů podle obr. 1 a obr. 2 při jejich vzájemném pracovním záběru, obr. 4 je diagram křivek výkonů šnekových kompresorů různých provedení.

Na obr. 1 je hnaný rotor 10 podle vynálezu opatřen šesti spirálovými žebry 12, z nichž jsou úplně znázorněna pouze dvě, a stejným počtem mezi nimi probíhajících spirálových drážek 14, které nejsou rovněž všechny plně znázorněny. Vzhledem ke spolupracujícímu hnacímu rotoru 38 podle obr.

6 má hnaný rotor 10 roztečnou kružnici 16 a osu 18 otáčení. Osa 18 otáčení leží přitom ve společné rovině 20 s osou otáčení hnacího rotoru 38 tak, aby · oba rotory, hnaný rotor 10 a hnací rotor 38, byly ve vzájemném pracovním záběru podle obr. 3.

Podle vynálezu je profil hnaného rotoru , 10 definován takto: Úsek B—C profilu hnaného rotoru 10 je tvořen kruhovým obloukem 22, jehož střed leží na roztečné kružnici 16. Tento kruhový oblouk 22 začíná pod rovinou 20 a probíhá na úseku o něco více než polovičním na vodicím boku 24 hnaného rotoru 10 Úsek C—D profilu hnaného rotoru 10 je tvořen evolventní částí 26, navazující na kruhový oblouk 22 v bodě C. Tato evolventní část 26 končí v průsečíku D s roztečnou kružnicí 16 hnaného rotoru 10. Úsek D—E profilu hnaného rotoru je tvořen eliptickou částí 28, zvolenou tak, aby v bodě D navazovala na evolventní část 26 a aby pak v bodě E navazovala na kružnici 30 vnějšího průměru hnaného rotoru 10. Úsek E—E‘ profilu hnaného rotoru 10 je tvořen částí vrcholového kruhového oblouku 32 o poloměru rovném poloměru kružnice 30 vnějšího průměru hnaného rotoru 10. Úsek B—A profilu hnaného rotoru 10 je tvořen epitrochoidní částí 34, vytvářenou bodem H hnacího rotoru 38 na obr. 2. Bod A leží přitom na roztečné kružnici 16 hnaného rotoru 10. Úsek A—E‘ profilu hnaného rotoru 10 je tvořen kruhovým obloukem 36, jehož střed leží na roztečné kružnici 16 hnaného rotoru 10 tak, aby oblouk 36 navazoval na vrcholový kruhový oblouk 32 a aby procházel bodem A.

Podle obr. 2 obsahuje hnací rotor 38 podle vynálezu pět spirálových zubů 40, z nichž je plně znázorněn jen jeden, a stejný počet mezi nimi probíhajících spirálových drážek 42, z nichž jsou plně znázorněny jen dvě. Vzhledem ke spolupracujícímu hnanému rotoru 10 na obr. 1 obsahuje hnací rotor 38 roztečnou kružnicí 44 a osu otáčení 46. Jak již bylo uvedeno, leží osy otáčení 18, 46 ve společné rovině 20 tak, aby hnaný rotor 10 a hnací rotor 38 byly ve vzájemném pracovním záběru.

Podle vynálezu je profil hnacího rotoru 38 definován takto:

Úsek H—I profilu hnacího rotoru je tvořen kruhovým obloukem 48, jehož střed leží na roztečné kružnici 44 hnacího rotoru 38. Tento kruhový oblouk 48 je identický s kruhovým obloukem 22 (B—C) hnaného rotoru 10. Úsek I—J profilu hnacího rotoru je tvořen odvozenou částí 50, vytvářenou evolventní částí 26 (C—D) hnaného rotoru 10. Úsek J—K profilu hnacího rotoru 38 je tvořen odvozenou částí 52, vytvářenou eliptickou částí 28 (D—E) hnaného rotoru 10. Úsek K—K‘ profilu hnacího rotoru 38 je tvořen kruhovým obloukem 54, identickým s kruhovým obloukem 32 (E—E‘J hnaného, rotoru 10. Úsek H—G profilu hnacího rotoru 38 je tvořen epicykloidou 56, vytvářenou bodem A hnaného rotoru 10. Úsek G—K‘ profilu hnacího .rotoru 38 je tvořen kruhovým obloukem 58, jehož střed leží na roztečné kružnici 44 hnacího rotoru 38.

Jak je znázorněno na obr. 3, jsou hnaný rotor 10 a hnací rotor 38 ve vzájemném pracovním záběru, přičemž evolventní část 26 (C—D) hnaného rotoru 10 vymezuje v podstatě těsnicí povrch 64 vůči jí vytvářené části 50 (I—J) hnacího rotoru 38. Mezi těsnicími plochami evolventní části 26 a odvozené části 50 vymezovaný úhel záběru má velikost asi 40°. Když eliptická část 28 (D—E) hnaného rotoru 10 je ve styku s jí vytvářenou částí 52 (J—KJ hnacího rotoru 38, jak je na obr. 3 vyznačeno čárkovaně, je úhel záběru . mezi plochami eliptické části 28 a odvozené části 52 v podstatě nezměněn.

Pro vymezení úhlů záběru jsou kritická umístění, tj. začátek, průběh a ukončení evolventní části 26 a eliptické části 28 profilu hnaného rotoru 10. Pro plné objasnění se vychází z výchozího bodu C evolventní části 26. Hnaný rotor 10 má vnější průměr vymezen kružnicí 30, přičemž minimální průměr vnitřní kružnice 60, vepsané kolem profilů spirálových drážek 14, je vymezen jejich radiálně nejvnitřnějšími body. Evolventní část 26 probíhá z jejího výchozího bodu C po vodicím boku 24 spirálové drážky 14 směrem ven, přičemž bod C leží na kružnici . ležící v podstatě uprostřed mezi vnější kružnicí 30 a vnitřní kružnicí 60, vymezující minimální průměr hnaného rotoru 10 pod spirálovými drážkami 14.

Evolventní část 26 končí na roztečné kružnici 16 a navazuje plynule na eliptickou část 28 v bodě D. Tato eliptická část 28 pak navazuje plynule na vrcholový kruhový oblouk 32 v bodě E.

V této soupravě 5/6 rotorů, to jest pětizubového hnacího rotoru a šestižebrového hnaného. rotoru, existuje další důležitá geometrie, která je funkcí minimálně přípustné šířky spirálového žebra 12, délky eliptické části 28 a . délky evolventní části 26, jakož i styku vytvářené epitrochoidní části 34 a kruhového oblouku 22. K tomuto styku dochází v bodě B, přičemž vodicí ukončení eliptické části 28 je v bodě E na vnější kružnici 30. Spojovací přímka 62 mezi body Β, E musí procházet bodem C začátku evolventní části 26.

Kromě vytváření již uvedených zlepšených úhlů záběru vytvářejí profily rotorů těsnicí místa 64, 66, 68 (obr. 3J, které ve vzájemné vazbě vymezují dutinu 70 stlačeného plynu v profilu spirálové drážky 14. Těsnicí místo 64 je v podstatě plošné těsnění o vysoké účinnosti, vytvářené mezi evolventní částí 26 hnaného rotoru 10 a z ní odvozenou částí 50 hnacího rotoru 38. Těsnicí místa 66, 68 jsou v . podstatě bodová styková těsnění s omezenou účinností. Těsnicí místo 66 je definováno stykem bodu H hnacího rotoru 38 a z něj odvozenou epitrochoidní částí 34 na hnaném rotoru 10. Těsnicí místo 68 je definováno stykem bodu A hnaného rotoru 10 se z něj odvozenou epicykloidou 56 na hnacím rotoru 38.

Tímto stykem těsnicích míst 64—66 nebo 64—68 dojde ke stavu, v němž profily obou rotorů spolupracují tak, že mezi sebou vymezí dutinu 70 takového tvaru a takového účinku, že na hnaný rotor 10 působí kladný točivý moment a že přitom dojde ke zvýšení utěsnění mezi méně účinnými těsnicími místy 66 nebo 68. Princip je vysvětlen v dalším textu.

Jak je vyznačeno na obr. 3, otáčejí se oba rotory ve směru zakreslených šipek tak, že hnaný rotor 10 se otáčí ve směru hodinových ručiček a do něj zabírající hnací rotor 38 se otáčí proti směru hodinových ručiček. Profily rotorů, vymezená dutina 70 má tvar zahnutého srpu tak, aby tím podstatná část tlaku plynu v dutině 70 působila na podstatnou část délky vodícího boku 24 spirálového žebra 12 hnaného rotoru 10, čímž jej působením kladného točivého mo‘ mentu nutí k otáčení ve směru hodinových ručiček.

Současně působí tlak plynu v dutině 70 stejnou silou na kruhový oblouk 48 a odvozenou část 50 spirálového zubu 40 hnacího rotoru 38. Důsledkem toho je natočení hnacího rotoru 38 tak, že méně účinná těsnicí místa 66, 68 jsou přestavena nebo stlačena do těsného styku, čímž je zvyšován jejich kritický těsnicí účinek.

To je podstatný výsledek, k čemuž ještě přistupují dílčí zlepšení. · A při prvním pohledu mohou mít dílčí úpravy profilů, úhlů záběru a geometrie profilů malý inovační význam, avšak i takové malé zlepšení úpravy, pokud skýtají prokazatelná zlepšení ve výkonu stroje a ve spotřebě energie, jsou účelná a znamenají pokrok proti danému stavu. A takové účelné zlepšení představují zde popsané nové profily rotorů.

V diagramu na obr. 4 je na vodorovné souřadnici vyznačena dodávka vzduchu v m³/ /min, na svislé souřadnici spotřeba energie v kW/m3/min. V diagramu jsou vyneseny křivky výkonnosti vzájemně porovnatelných šnekových kompresorů, přičemž křivky výkonnosti stávajících typů kompresorů jsou označeny písmeny G, K. Křivka I byla odvozena od prvého prototypového provedení šnekového kompresoru, definovaného obecně podle vynálezu. Křivka II byla odvozena od pozdějšího zdokonaleného prototypového provedení šnekového kompresoru, provedeného přesněji a pečlivěji podle vynálezu. Je třeba uznat, že nižší potřebný příkon a poměrná plochost křivky II zdokonaleného kompresoru znamenají podstatný pokrok v oboru, vyplývající z nových úprav profilů, zlepšených úhlů záběru a specifické geometrie profilů.

Kromě již uvedeného. může být hnaný rotor ID proveden se speciální geometrií, jíž se zvýší jeho účinnost. Tak například poloměr kruhového oblouku 72 .(obr. 1), jehož střed leží ve výchozím bodě B epitrochoidní části 34 a procházejícího bodem A — koncem epitrochoidní části 34, má být přesně dvojnásobný než poloměr kruhového oblouku 74, jehož střed leží ve výchozím bodě C evolventní části 26 a procházejícího výchozím bodem D eliptické části 28.

Eliptická část 28 má mezi body D, E probíhat v radiálním oblouku 76, který nemá být menší než dvojnásobek radiálního oblouku 78, v němž probíhá kruhový oblouk 36 mezi body E‘, A. Šířka profilu spirálového žebra 12 na radiálně vnějším povrchu mezi body E—E‘ má být menší než třetina šířky profilu spirálového žebra . 12 v místě výchozího bodu C evolventní části 26.

Tyto geometrie, poměrné vztahy a rozměry byly pečlivě odvozeny a definovány tak, aby byly získány profily o zlepšeném výkonu nové soupravy rotorů 10, 38.

I když princip vynálezu byl popsán s odvoláním na jeho specifickou realizaci, bylo toto provedení zvoleno jen jako příklad a nikoliv jako omezení předmětu vynálezu.

Claims (15)

1. Rotor se spirálovými žebry a mezilehlými spirálovými drážkami uložený otočně kolem své osy a spolupracující s druhým rotorem, s nímž je v záběru, přičemž . pracovní médium, přiváděné do statoru vtéká do spirálových drážek a v důsledku pracovního záběru a otáčení rotorů dochází ke změně tlaku v spirálových drážkách, vyznačující se tím, že každá ze spirálových drážek (14) obsahuje vzhledem k danému směru otáčení hnaného rotoru (10) vodicí bok (24) a epitrochoidní část (34), které jsou konkávní, vodicí bok (24) je tvořen kruhovým obloukem (22), který je napojen evolventní částí (26), na níž je napojena elip-

VYNALEZU tická část (28) souvislá s vrcholovým kruhovým obloukem (32).

2. Rotor podle bodu 1, vyznačující se tím, že epitrochoidní část (34) napojená na vodicí bok (24) je tvořena kruhovým obloukem.

3. Rotor . podle bodu 1, vyznačující se tím, že evolventní část (26) je napojena na kruhový oblouk (22) a eliptickou část (28).

4. Rotor podle bodu 1, vyznačující se tím, že eliptická část (28) a evolventní část (26) jsou vzájemně na sebe napojeny.

5. Rotor podle bodu 1, vyznačující se tím, že eliptická část je napojena na vrcholový kruhový oblouk (32), napojený přes druhý kruhový oblouk (36) na epitrochoidní část (34) další spirálové drážky (14), přičemž eliptická část (28) probíhá na radiálním oblouku (76), který je alespoň dvojnásobkem radiálního oblouku (78) a vymezujícího druhý kruhový oblouk (36).

6. Rotor podle bodu 1, vyznačující se tím, že eliptická část (28) probíhá na radiálním oblouku (76), který je alespoň dvojnásobkem radiálního oblouku (78) vymezujícího druhý kruhový oblouk (36).

7. Rotor podle bodu 1, vyznačující se tím, že jeho roztečná kružnice (16) má střed v ose (18) otáčení, přičemž eliptická část (28) leží vně roztečné kružnice (16).

8. Rotor podle bodu 7, vyznačující se tím, že evolventní část (26) leží uvnitř roztečné kružnice (16).

9. Rotor podle bodu 1, vyznačující se tím, že kruhový oblouk (22), evolventní část (26) a eliptická část (28) jsou různě dlouhé, přičemž kruhový oblouk (22) tvoří největší část vodícího boku (24).

10. Rotor podle bodu 4, vyznačující se tím, že eliptická část (28) tvoří nejkratší část vodícího boku (24).

11. Rotor podle bodu 4, vyznačující se tím, že evolventní část (26) tvoří středně dlouhou část vodícího boku (24).

12. Rotor podle bodu 1, vyznačující se tím, že jeho celkový průměr je určen vnější kružnicí (30) a na každé ze spirálových drážek (14) je bod (B) ležící na vnitřní kružnici (60) o stanoveném poloměru se středem v ose (18) otáčení radiálně nejvnitřněji a vymezující na hnaném rotoru (10) minimální průměr spirálové drážky (14), přičemž evolventní část (26) probíhá ve vnějším směru po vodicím boku (24) z výchozího bodu (C) ležícího v podstatě uprostřed mezi vnější kružnicí (30) a minimální vnitřní kružnicí (60).

13. Rotor podle bodu 12, vyznačující se tím, že vodicí bok (24) spirálové drážky (14) je napojen na vrcholový kruhový oblouk (32), jímž je ukončen vodicí bok (24), přičemž kruhový oblouk (22) vodícího boku (24) přesahuje do epitrochoidní části (34) do bodu (E), jímž je ukončen kruhový oblouk (22), a přímka (62) protažená z konečného bodu (EJ vodícího boku (24) ke koncovému bodu (B) kruhového oblouku (22) prochází počátečním bodem (C) evolventní části (26).

14. Rotor podle bodu 12, vyznačující se tím, že epitrochoidní část (34) obsahuje tašek mezi počátečním bodem (В) a koncovým bodem (A), eliptická část (28) obsahuje úsek mezi počátečním bodem (E) a koncovým bodem (D), přičemž poloměr kruhového oblouku (72), jehož střed leží v počátečním bodu (B) je přesným dvojnásobkem poloměru kruhového oblouku (74), jehož střed leží v počátečním bodu (C) evolventní části (26) a prochází koncovým bodem (D) eliptické části (28).

15. Rotor podle bodu 12, vyznačující se tím, že vodicí bok (24) a epitrochoidní část (34) každé spirálové drážky (14) ležící před vodicím bokem (24) v daném směru otáčení vytvářejí žebro (12), jehož šířka je na vrcholovém kruhovém oblouku (32) menší než jedna třetina šířky žebra (12) u výchozího bodu (C) evolventní části (26).