Роторно-поршневая машина для холодильной газовой установки

Роторно-поршневая машина для холодильной газовой установки

Реферат

 

Использование: в холодильном машиностроении, в частности в машинах для объемного вытеснения для холодильных газовых установок, например в роторно-поршневых машинах. Сущность изобретения: машина содержит сферический корпус с двумя впускными и двумя выпускными патрубками, размещенные в нем два ведущих и два ведомых роторных поршня, попарно закрепленных на валах, механизм синхронизации движения поршней, выполненный в виде планетарной передачи, кинематически связанной при помощи кулисы и рычагов с валами поршней. Каждый из поршней выполнен в виде шаровых секторов. В корпусе установлены разделители в виде полуколец из антифрикционного теплоизоляционного материала с образованием компрессорной и детандерной зон в полости корпуса. Поршни снабжены, по крайней мере, двумя упругими уплотнительными полукольцами из антифрикционного теплоизолирующего материала, размещенными в кольцевых проточках с радиальным зазором h относительно дна проточек. На внутреннюю сферическую поверхность корпуса, на контактирующие с ней поверхности продольных уплотнительных полуколец и на поверхности продольных уплотнительных планок, контактирующие с соответствующим валом, нанесен слой самосмазывающего материала типа пластмассы. Каждое уплотнительное полукольцо снабжено средствами регулирования усилия поджатия его поверхности корпуса в зависимости от скорости вращения поршней. 1 з.п.ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к машинам объемного вытеснения для холодильных газовых установок, в частности к роторно-поршневым машинам с вращающимися поршнями, и может быть использовано в системах кондиционирования воздуха на летательных аппаратах и на других транспортных средствах с двигателем внутреннего сгорания в различных отраслях народного хозяйства.

Проблема повышения производительности труда современных транспортных устройств неразрывно связана с улучшением условий работы обслуживающего персонала, в частности, путем создания комфортных условий в кабинах экипажа. Особенно остро эта проблема стоит для южных районов нашей страны, где зачастую в летнее время на солнце температура воздуха в кабинах может достигать 60-80^оС, нахождение при которой, а тем более производительная работа не представляются возможными. В связи с отсутствием на ряде типов отечественных транспортных устройств надежных и эффективных кондиционеров, их эксплуатация в жаркое время года становится затруднительной, что приводит к снижению производительности труда и существенному сокращению их дневной наработки. Так, например, при авиаобработке сельскохозяйственных угодий в районах Средней Азии самолетами и вертолетами сельхозавиации АН-2, КА-26, МИ-8, имеющими двигатели внутреннего сгорания и не имеющими кондиционеров, такие работы летом проводятся только в утренние и вечерние часы, что естественно приводит к сокращению суточной продолжительности работы сельхозавиации, уменьшению дневной выработки и к соответствующему удлинению сроков проведения авиаработ. А это в ряде случаев обуславливает снижение урожайности сельскохозяйственных культур из-за потерь, наносимых сельскохозяйственными вредителями. Приведенный пример иллюстрирует важность и актуальность проблемы кондиционирования воздуха в кабинах самолетов и вертолетов сельскохозяйственной авиации, в то же время примерно такие же проблемы существуют и для других видов транспортных устройств, не имеющих кондиционирования воздуха в кабинах экипажа, например, для карьерных экскаваторов, работающих на открытых разработках и т.п.

Возможность работы транспортных устройств в жаркое время года может быть обеспечена только путем использования кондиционеров, обеспечивающих охлаждение кабины экипажа и тем самым создающих нормальные климатические условия для работы людей в течение всего рабочего дня.

В качестве таких кондиционеров могут быть использованы кондиционеры с парокомпрессионным циклом фреоновые и с газовым циклом воздушные.

Хотя фреоновые кондиционеры, требующие для своего функционирования наименьших затрат мощности, получили наибольшее распространение на зарубежных транспортных устройствах, их эксплуатация на отечественных транспортных машинах связана с рядом трудностей, преодоление которых до сих пор не удалось успешно осуществить. Речь идет об их пониженной (на порядок ниже) надежности по сравнению с воздушными кондиционерами и необходимости постоянной дозаправки кондиционеров рабочим хладагентом каким-либо фреоном, обладающим высокой текучестью, вследствие чего при возникновении незначительной негерметичности жидкостного контура кондиционера фреон быстро вытекает из него и кондиционер приходится дозаправлять хладагентом. Обеспечение высокой степени герметичности жидкостного контура фреоновых кондиционеров транспортных устройств, работающих в условиях больших вибрационных и ударных нагрузок, задача чрезвычайно сложная и до настоящего времени не получила удовлетворительного решения. Опыт эксплуатации отечественных фреоновых кондиционеров показал их невысокую надежность, вследствие чего они не получили широкого распространения (в настоящее время фреоновые кондиционеры применяются на небольшом числе вертолетов, обслуживающих высшие правительственные органы страны). Необходимость постоянной дозаправки фреоновых кондиционеров в случае их применения на сельскохозяйственных машинах (тракторах, комбайнах и т. п. ) требует создания по всей стране широкой сети заправочных станций, организации снабжения их фреоном и организации технического обслуживания фреоновых кондиционеров, что в масштабах нашей страны требует значительных материальных затрат. Помимо данных вопросов применение фреонов связано с решением экологической проблемы защитой окружающей среды от загрязнения.

В отличие от фреоновых кондиционеров воздушные кондиционеры получили самое широкое распространение на авиавоздушном транспорте. В настоящее время все новые самолеты и вертолеты снабжены воздушными кондиционерами, практика эксплуатации которых доказала их высокую надежность и экономичность. Однако применение общепринятых воздушных кондиционеров (с турбохолодильными установками) на летательных аппаратах с двигателями внутреннего сгорания не представляется возможным вследствие отсутствия на этих объектах источника сжатого воздуха, имеющегося на летательных аппаратах с газотурбинными двигателями. Для транспортных устройств с двигателем внутреннего сгорания воздушные кондиционеры должны включать в свой состав компрессор первоначального сжатия воздуха, с помощью которого может быть реализован газовый холодильный цикл, включающий сжатие воздуха, отвод тепла в окружающую атмосферу и расширение сжатого и предварительно охлажденного в детандере воздуха для его окончательного охлаждения и получения заданной холодопроизводительности кондиционера. В случае создания такого воздушного кондиционера полностью решаются все проблемы, связанные с применением фреоновых кондиционеров на транспортных устройствах, что в масштабах страны дало бы значительный экономический эффект.

Известны воздушные кондиционеры, имеющие корпус, включающий раздельные камеры сжатия и расширения, в которых расположены роторы цилиндрической формы с подвижными разделительными пластинами. При совместном вращении обоих роторов рабочий воздух, проходя последовательно камеру сжатия и камеру расширения, а также соединенный с этими камерами теплообменник, охлаждается и поступает в кондиционируемый объем. Недостатками известных кондиционеров такого рода являются увеличение массогабаритных характеристик (из-за наличия двух раздельных рабочих камер и роторов) и пониженная термодинамическая эффективность (из-за потерь на трение в подвижных разделительных пластинах и больших перетеканий рабочего газа через пластины при вращении роторов).

Известны также воздушные кондиционеры, имеющие корпус овальной (трохоидальной) камерой, в которой размещается цилиндрический ротор с подвижными разделительными пластинами. При вращении ротора в овальной (трохоидальной) камере корпуса, имеющей компрессорную и детандерную зоны, объем рабочего газа, заключенного между подвижными разделительными пластинами, последовательно сжимается в компрессорной зоне, затем охлаждается в теплообменнике, соединенном с компрессорной и детандерной зонами, после чего окончательно охлаждается за счет расширения в детандерной зоне и поступает в кондиционируемый объект. Недостатками таких известных кондиционеров являются пониженная термодинамическая эффективность, обусловленная значительным трением в подвижных разделительных пластинах и перетеканием рабочего тела через пластины при вращении ротора, а также высокая стоимость изготовления, обусловленная использованием трохоидальной формы рабочей камеры корпуса.

Вместе с тем, известны роторно-поршневые двигатели, имеющие другое функциональное назначение, чем предложение автора, но имеющие в то же время подобное конструктивное исполнение как всего устройства, так и его отдельных узлов, в том числе поршневой группы и механизма синхронизации движения поршней.

Наиболее бизким к изобретению по технической сущности из рассмотренных выше является выбранная в качестве прототипа роторно-поршневая машина-двигатель, содержащая корпус с впускным и выпускным патрубками, размещенные в нем два ведущих и два ведомых роторных поршня, попарно закрепленных на индивидуальных соосно расположенных в корпусе валах, механизм синхронизации движения поршней, выполненный в виде планетарной передачи, кинематически связанной при помощи кулисы и рычагов с валами поршней, снабженных средствами уплотнения их поверхностей относительно корпуса и валов.

Основными преимуществами роторных машин по сравнению с цилиндро-поршневыми являются непрерывное вращение роторных поршней преимущественно в одном направлении, исключение возможности сообщения впускного и выпускного патрубков между собой, возможность достижения высоких скоростей вращения, небольшие габаритные размеры и т.п.

Однако в рассмотренных выше типах роторных машин, в том числе и в принятой в качестве прототипа, указанные преимущества реализуются лишь частично. Обусловлено это тем, что в машине (двигателе) прототипе корпус имеет цилиндрическую внутреннюю полость и закрыт с торцов крышками, а роторные поршни также представляют собой части цилиндрического тела (секторы), взаимодействующие с корпусом по цилиндрической поверхности и с крышками по поверхностям в плоскостях, перпендикулярных к оси вращения ротора и, следовательно, к образующим цилиндричеких поверхностей роторных поршней. Обеспечение герметичного уплотнения вращающихся роторных поршней одновременно по цилиндрической наружной поверхности и плоским торцевым поверхностям практически трудно осуществимо, что приводит к необратимым потерям энергии в рабочем цикле машины за счет перетекания рабочей среды (газа) между разделяемыми поршнями полостями в зонах стыка упомянутых поверхностей и тем самым к ухудшению термодинамической эффективности машины и снижению ее надежности.

Указанные недостатки и обуславливают ограниченное применение роторно-поршневых машин такого типа в промышленности лишь в качестве компрессоров или маломощных двигателей внутреннего сгорания.

Изобретение направлено на создание роторно-поршневой машины (воздушного кондиционера) для транспортных устройств с двигателем внутреннего сгорания, в которой указанные недостатки исключаются или в значительной степени устраняются.

Предлагаемая роторно-поршневая машина для холодильной газовой установки, содержащая корпус с впускным и выпускным патрубками, размещенные в нем два ведущих и два ведомых роторных поршня, попарно закрепленных на индивидуальных соосно расположенных в корпусе валах, механизм синхронизации движения поршней, выполненный в виде планетарной передачи, кинематически связанной при помощи кулисы и рычагов с валами поршней, снабженных средствами уплотнения их поверхностей относительно корпуса и валов, существенно отличается тем, что каждая пара роторных поршней выполнена в виде секторов, вырезанных из одного и того же шарового тела заданного радиуса двумя диаметральными продольными плоскостями, пересекающимися под заданным углом друг к другу по линии оси вращения валов, корпус машины выполнен в виде двух полусфер того же радиуса с диаметральным разъемом в плоскости, перпендикулярной оси вращения валов, и дополнительно снабжен вторыми впускными и выпускными патрубками и разделительными полукольцами из антифрикционного теплоизоляционного материала, установленными в стенке корпуса в диаметральной плоскости, перпендикулярной плоскости его разъема, с образованием в полости корпуса компрессорной зоны сверху и детандерной зоны снизу относительно упомянутых полуколец, причем по одну сторону от разделительных полуколец установлено по одному впускному и выпускному патрубку, а каждый поршень оборудован средствами уплотнения его наружной шаровой поверхности относительно контактирующей с ней внутренней сферической поверхности корпуса, которые выполнены в виде по крайней мере двух упругих полуколец из антифрикционного материала, размещенных на поверхности поршня подвижно в соответствующих кольцевых проточках с радиальным зазором относительно дна проточек, расположенных в диаметральных продольных плоскостях, проходящих вблизи торцев боковых поверхностей поршня, при этом на внутреннюю сферическую поверхность корпуса, на контактирующие с ней поверхности уплотнительных полуколец каждого поршня и на поверхности уплотнительных продольных планок, контактирующие с соответствующим валом, нанесен слой самосмазывающего материала типа пластмассы, а каждое уплотнительное полукольцо снабжено средствами регулирования усилия поджатия его к корпусу в зависимости от скорости вращения поршневых пар.

Другое отличие предлагаемой машины заключается в том, что угол раскрытия боковых поверхностей секторов ведущих поршней не превышает или равен 90^о, а угол раскрытия боковых поверхностей секторов ведомых поршней меньше угла ведущих поршней и равен величине, устанавливаемой из условий образования между смежными поршнями рабочей полости заданного объема, определяемого расчетным путем, исходя из заданных степени сжатия и производительности машины каждого типа.

Еще одним отличием этой машины является то, что средства регулирования усилия поджатия уплотнительных полуколец роторных поршней к корпусу выполнены в виде по меньшей мере двух противовесов на каждое полукольцо, шарнирно закрепленных в соответствующих внутренних нишах каждого роторного поршня и расположенных в плоскости соответствующего полукольца, при этом каждый из указанных противовесов кинематически связан посредством шарнирно-рычажного механизма с одним из свободных концов упомянутого уплотнительного полукольца.

Другие характерные особенности роторно-поршневой машины для холодильной газовой установки, обеспечивающие совместно с приведенными выше ожидаемый технический результат, будут ясны из дальнейшего описания конструкции машины и ее работы.

Из известного уровня техники не известно техническое решение, которое содержало бы существенные признаки, присущие заявляемому объекту и отличающие его от прототипа, поэтому заявляемый объект отвечает условию патентоспособности "новизна".

Существенные отличительные признаки заявляемого объекта обеспечивают ему достижение ожидаемого технического результата, заключающегося в повышении надежности, термодинамической эффективности и производительности путем удвоения рабочих циклов за один оборот роторно-поршневой группы и возможности увеличения скорости ее вращения, а также в расширении функциональных возможностей путем использования машины в составе холодильной газовой установки для системы кондиционирования воздуха. Данный технический результат для специалиста явным образом не следует из существующего уровня техники, следовательно, заявляемый объект отвечает условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Приведенное ниже описание со ссылками на прилагаемые чертежи раскрывает конструкцию и принцип действия роторно-поршневой машины, которая может быть использована в различных отраслях народного хозяйства в качестве воздушного кондиционера в составе холодильной газовой установки для транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания, что позволяет считать заявляемый объект отвечающим условию патентоспособности "промышленная применимость". Кроме того, с использованием данного изобретения изготовлен действующий макетный образец роторно-поршневой машины. Однако всесторонние испытания его не проводились в связи с отсутствием необходимой технической испытательной базы.

На фиг. 1 показана роторно-поршневая машина для холодильной газовой установки, продольный разрез (поршни условно не показаны); на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1 со снятым кожухом механизма синхронизации движения поршней; на фиг. 3 показан разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 узел I на фиг. 3; на фиг. 5 узел II на фиг. 3; на фиг. 6 показано сечение В-В (или Г-Г) на фиг. 3 (по плоскости уплотнительного полукольца) в исходном (нерабочем) положении и на номинальных оборотах ротора машины; на фиг. 7 то же, в рабочем положении на больших оборотах ротора машины; на фиг. 8 показано сечение Д-Д на фиг. 3 (по плоскости, разделяющей компрессорную и детандерную зоны); на фиг. 9-13 показаны положения роторных поршней в основных фазах рабочего цикла роторно-поршневой машины; на фиг. 9 фаза всасывания воздуха из атмосферы в рабочую полость; на фиг. 10 фаза максимального сжатия воздуха и нагнетания его в теплообменный аппарат; на фиг. 11 фаза возврата воздуха из теплообменного аппарата в рабочую полость и начала его расширения; на фиг. 12 промежуточная фаза расширения и окончательного охлаждения воздуха; на фиг. 13 фаза максимального расширения и выхода охлажденного рабочего воздуха к объекту охлаждения.

Роторно-поршневая машина (РПМ) для холодильной газовой установки содержит корпус 1, в котором на соосных валах 2 и 3 установлены попарно два ведущих 4 и два ведомых 5 роторных поршня, кинематически связанных между собой механизмом 6 синхронизации их движения.

Корпус 1 РПМ имеет сферическую внутреннюю поверхность 7 заданного радиуса R и разделен на две полусферы 8 и 9 диаметральным разъемом 10 в плоскости, перпендикулярной оси вращения валов 2 и 3. Во внутренней шаровой полости 11 корпуса 1 по обе стороны от диаметральной плоскости 12 (см. фиг. 3), перпендикулярной плоскости разъема 10, образованы компрессорная 13 (сверху плоскости 12) и детандерная 14 (снизу плоскости 12) зоны. В плоскости 12 в стенке корпуса 1 между компрессорной 13 и детандерной 14 зонами установлены разделительные полукольца 15 (см. фиг. 3 и 8), выполненные из антифрикционного теплоизоляционного материала. Корпус 1 снабжен впускными 16 и 17 и выпускными 18 и 19 патрубками (см. фиг. 2), соединяющими РПМ с источником воздуха (например, с атмосферой), с теплообменными аппаратами холодильной газовой установки и с объектом охлаждения. При этом компрессорная 13 и детандерная 14 зоны корпуса 1 имеют по одному впускному 16 (или 17) и выпускному 18 (или 19) патрубку, которые расположены соответственно по одну сторону от разделительных полуколец 15. В нижней части корпуса 1 имеется монтажная плита 20 для крепления РПМ стационарно или на подвижном транспортном средстве. Вся наружная свободная поверхность корпуса 1 (или только его компрессорная часть) выполнена оребренной с ребрами 21, расположенными вдоль оси вращения валов 2, 3.

Механизм 6 синхронизации движения поршней 4 и 5 закрыт кожухом 22, снабженным визуальным указателем 23 уровня масла, суфлирующим устройством 24 и сливной пробкой 25. Нижняя часть кожуха 22 является одновременно масляным картером 26 РПМ.

Каждая пара роторных поршней 4 (4а и 4б) и 5 (5а и 5б) выполнена в виде секторов, вырезанных из одного и того же шарового тела (см. фиг. 3, 9-13) заданного радиуса R' R двумя диаметральными продольными плоскостями соответственно 27, 28 и 29, 30, пересекающимися под заданным углом одна к другой по линии оси вращения валов 2, 3.

Ведущие поршни 4 закреплены на ведущем валу 2 и имеют в поперечном сечении угол , близкий или равный 90^о, а ведомые поршни 5 закреплены на ведомом валу 3 и имеют в поперечном сечении угол меньше угла ведущих поршней и равный величине, устанавливаемой из условий образования между смежными поршнями 4 и 5 рабочей полости 31 заданного объема, определяемого расчетным путем, исходя из заданных степени сжатия и производительности машины каждого типа.

Соосные валы 2 и 3 поршневых роторных пар 4 и 5 установлены в корпусе 1 на подшипниковых опорах 32, закрепленных с помощью крышек 33 и 34. Уплотнение внутренней полости 11 корпуса 1 РПМ от окружающей атмосферы осуществлено с помощью втулок 35 и 36 с уплотнительными кольцами 37 и 38. На свободном (правом по чертежу фиг. 1) конце ведущего вала 2 установлен шкив 39, предназначенный для привода РПМ от двигателя внутреннего сгорания или другого силового привода и выполняющий одновременно роль инерционного маховика. На этом же конце вала 2 крепится вентиляторное колесо 40 для принудительного охлаждения корпуса 1 РПМ путем продувки воздуха между ребрами 21 на его наружной поверхности.

Левые (по чертежу фиг. 1) концы соосных валов 2 и 3 кинематически связаны друг с другом механизмом 6 синхронизации их движения, который выполнен в виде планетарной передачи с центральной неподвижной шестерней 41, изготовленной заодно с крышкой 34, и двумя подвижными сателлитными шестернями 42 и 43 (см. фиг. 2), кинематически связанными между собой общим рычагом (кулисой) 44. Сателлитная шестерня 42 ведущих роторных поршней 4 установлена при помощи оси 45 на рычаге 46, закрепленном на ведущем валу 2. Сателлитная шестерня 43 ведомых роторных поршней 5 установлена при помощи оси 47 на рычаге 48, изготовленном заодно с втулкой 36, закрепленной на ведомом валу 3. Рычаги 46 и 48 имеют противовесы 49 и 50, предназначенные для устранения динамической неуравновешенности роторов и выполняющие также роль инерционного маховика. Рычаг (кулиса) 44 одним концом закреплен на сателлитной шестерне 43 ведомой пары роторных поршней 5 при помощи установочной оси 51, соосной с осью 47 этой шестерни, а другим концом на сателлитной шестерне 42 ведущей пары роторных поршней 4 посредством установочной оси 52, расположенной с эксцентриситетом к оси 45 этой шестерни.

Каждый роторный поршень 4 и 5 снабжен средствами уплотнения его сферической наружной поверхности 53 относительно контактирующей с ней внутренней шаровой поверхности 7 корпуса 1. Эти средства выполнены в виде двух упругих полуколец 54 из антифрикционного материала, размещенных на сферической поверхности 53 каждого поршня 4 и 5 подвижно в соответствующих кольцевых проточках 55 с кольцевым зазором h относительно их дна. Проточки 55 расположены в диаметральных продольных плоскостях, лежащих вблизи торцев боковых поверхностей 27, 28 и 29, 30 соответствующего поршня 4 или 5. Между уплотнительными полукольцами 54 на поверхности 53 каждого поршня 4 и 5 могут быть выполнены равномерно расположенные продольные кольцевые канавки 56, образующие с внутренней поверхностью 7 корпуса 1 лабиринтное уплотнение. Каждый роторный поршень, например 4, закреплен на своем валу 2 и уплотнен относительно вала 3 другой пары поршней 5 при помощи продольных планок 57 из антифрикционного материала.

На внутреннюю сферическую поверхность 7 корпуса 1 и на контактирующие с ней поверхности уплотнительных полуколец 54 каждого поршня 4 и 5 нанесен слой 58 и 59 соответственно самосмазывающего материала типа пластмассы (см. фиг. 4). На поверхности продольных уплотнительных планок 57, контактирующих с поверхностями соответствующих валов 2 или 3, также нанесен слой 60 (см. фиг. 5) самосмазывающего материала типа пластмассы.

Каждое уплотнительное полукольцо 54 поршней 4 и 5 снабжено средствами регулирования усилия поджатия его к поверхности 7 корпуса 1 в зависимости от скорости вращения роторных поршневых пар 4 и 5. Эти средства (см. фиг. 6 и 7) выполнены в виде двух противовесов 61 и 62 на каждое полукольцо 54, шарнирно закрепленных при помощи осей 63 и 64 в соответствующих внутренних нишах 65 и 66 каждого роторного поршня 4 и 5 и расположенных в плоскости соответствующего полукольца 54. Противовес 61 закреплен на одном плече двуплечего рычага 67, второе плечо которого посредством шарнира 68 соединено с одним из свободных концов уплотнительного полукольца 54. Противовес 62 закреплен на одном плече двуплечего рычага 69, второе плечо которого шарнирно соединено при помощи оси 70, шатуна 71 и оси 72 с ползуном 73, пропущенным через отверстие в поршне 4 или 5. Второй конец ползуна 73 посредством оси 74 шарнирно соединен с другим свободным концом того же уплотнительного полукольца 54. На поверхности вала 2 или 3 предусмотрены выемки 75 для размещения в них концов полуколец 54, занимающих положение, показанное на фиг. 7, под действием инерционных сил противовесов 61 и 62 на больших оборотах роторных поршней 4 и 5.

Для обеспечения нормальной работы РПМ впускные 16, 17 и выпускные 18, 19 патрубки оборудуются клапанами или другими средствами (на чертежах не показаны), исключающими обратный переток рабочих сред (воздуха). В трубопроводах на входах и выходах соответствующих впускных и выпускных патрубков РПМ устанавливаются соответствующие фильтры или другие очистные средства (на чертежах также не показаны) для очистки воздуха от возможных загрязнений продуктами отработки РПМ и теплообменных аппаратов холодильной газовой установки.

Работа роторно-поршневой машины в составе холодильной газовой установки осуществляется следующим образом.

С помощью приводного шкива 39 поршневая группа 2, 3, 4, 5 РПМ приводится во вращение от двигателя внутреннего сгорания подвижного транспортного средства. В процессе вращения ведущего вала 2 с закрепленными на нем роторными поршнями 4 ведомый вал 3 с поршнями 5 периодически отстает и догоняет вал 2 за счет планетарной передачи механизма 6 синхронизации движения поршней.

В момент максимального удаления поршней 4 (4а) и 5 (5а) друг от друга при вращении поршневой группы по стрелке С (см. фиг. 9-13), ограничиваемого рычагом (кулисой) 44, рабочая полость 31а имеет максимальный объем и располагается в зоне всасывания напротив впускного парубка 16 (см. фиг. 9) компрессорной зоны 13 корпуса 1. Через этот патрубок в рабочую полость 31а засасывается газ (воздух из атмосферы), который затем по мере вращения поршневой группы 2-5 под воздействием планетарной передачи 41-43, кулисы 44 и рычагов 46, 48 механизма 6 синхронизации сжимается. В момент максимального сжатия газа рабочая полость 31а располагается напротив выпускного патрубка 18 и газ (воздух) из нее выталкивается из компрессорной зоны 13 через этот патрубок в теплообменный аппарат (см. фиг. 10) холодильной газовой установки. В теплообменном аппарате обеспечивается отвод тепла сжатия рабочего газа (воздуха) в компрессорной зоне 13.

После охлаждения в теплообменном аппарате газ через впускной патрубок 17 детандерной зоны 14 повторно поступает в рабочую полость 31а (см. фиг. 11), в которой осуществляется его расширение (см. фиг. 12) и окончательное охлаждение. При дальнейшем вращении поршневой группы 2-5 по стрелке С охлажденный газ (воздух) через выпускной патрубок 19 детандерной зоны 14 поступает к объекту охлаждения (см. фиг. 13), т. е. поступает в кабину экипажа, где создает комфортные условия для членов экипажа.

Для предотвращения перегрева РПМ может быть использовано принудительное охлаждение корпуса 1 РПМ путем продувки атмосферного воздуха через продольные ребра 21 на корпусе 1 с помощью вентиляторного колеса 40, закрепляемого на валу 2.

Наличие на каждом поршне 4 и 5 РПМ уплотнительных полуколец 54, расположенных в кольцевых проточках 55 на их шаровой поверхности 53 и контактирующих с внутренней сферической поверхностью 7 корпуса 1, а также продольных уплотнительных планок 57, контактирующих с поверхностью соответствующего вала 2 или 3, обеспечивает надежную герметичность и изолирование одной от другой разделяемых поршнями рабочих полостей 31 и необходимую компрессию, что способствует повышению надежности работы РПМ в целом.

Разделение внутренней шаровой полости 11 корпуса 1 с помощью разделительных полуколец 15 на компрессорную 13 и детандерную 14 зоны с соответствующими впускными 16, 17 и выпускными 18, 19 патрубками обеспечивает возможность использования РПМ в составе холодильной газовой установки для системы кондиционирования воздуха на транспортном средстве с двигателем внутреннего сгорания и тем самым способствует расширению функциональных возможностей машины. При этом повышается производительность РПМ за счет удвоения рабочих циклов за один оборот роторно-поршневой группы: первый рабочий цикл всасывания, сжатия и выпуска газа (воздуха) осуществляется в компрессорной зоне 13, а второй рабочий цикл всасывания, расширения и выпуска охлажденного газа (воздуха) к объекту охлаждения осуществляется в детандерной зоне 14.

Уменьшение сил трения и тем самым снижение нагрева контактирующих поверхностей при вращении роторно-поршневой группы 2-5 достигается путем нанесения на трущиеся поверхности слоя самосмазывающего материала типа пластмассы. На внутреннюю поверхность 7 корпуса 1 нанесен слой 58 (см. фиг. 4), на поверхности полуколец 54 слой 59 (там же) и на поверхности продольных планок 57 слой 60 (см. фиг. 5). Это обеспечивает необходимую смазку трущихся поверхностей и исключает заклинивание поршневых пар 4 и 5 в корпусе 1.

На малых и номинальных оборотах роторных валов 2 и 3 с поршнями 4 и 5 уплотнительные полукольца 54 поджаты к внутренней поверхности 7 корпуса 1 под действием центробежных сил и упругости самих полуколец 54, обеспечивая необходимую компрессию и герметичность разделяемых поршнями 4 и 5 рабочих полостей 31.

Повышение производительности РПМ можно дополнительно достичь путем увеличения скорости вращения роторно-поршневой группы 2-5. Однако это может привести к увеличению сил трения и чрезмерному нагреву трущихся поверхностей, что может повлечь за собой заклинивание поршней в корпусе 1. В предлагаемой РПМ возможность возникновения такого положения исключается, что обусловлено следующим.

При дальнейшем увеличении скорости вращения роторных поршней 4 и 5 по стрелке С (см. фиг. 9-13) инерционные силы противовесов 61 и 62, преодолевая силу упругости полуколец 54 и их инерцию, приводят полукольца в положение, показанное на фиг. 7. При этом левый (по чертежу) конец каждого полукольца 54 перемещается по поверхности соответствующего вала 2 или 3 в направлении к поперечной плоскости симметрии ротора, а правый конец (по чертежу) того же уплотнительного полукольца 54 перемещается вниз в выемку 75 и в направлении к той же плоскости симметрии, занимая положение, показанное на фиг. 7, и, выбирая зазор h с образованием зазора h' между полукольцом 54 и внутренней поверхностью 7 корпуса 1. В этом положении значительно снижается трение между взаимодействующими поверхностями поршней 4, 5 и корпуса 1, что существенно уменьшает их нагрев и позволяет увеличить скорость вращения ротора, а следовательно, и производительность РПМ. Герметичность и необходимая компрессия РПМ в этом случае обеспечиваются за счет турбулизации слоя газа, проходящего в малом зазоре l (или h h') по канавкам 56 на поверхности 53 поршней 4 и 5, образующим с внутренней поверхностью 7 корпуса 1 лабиринтное уплотнение.

Как видно из описанной выше схемы, в предлагаемой РПМ выгодно используется уплотнение поршней по одной сферической (контакт по дуге окружности) поверхности (по аналогии с цилиндром) и в то же время исключается возможность сообщения впускных и выпускных патрубков между собой за счет непрерывного вращательного (но не возвратно-поступательного) движения поршней. Объединение в общем корпусе компрессорной и детандерной зон с общей для них роторно-поршневой группой способствует повышению производительности РПМ за счет удвоения рабочих циклов за один оборот ротора и обеспечивает возможность использования ее в составе холодильной газовой установки системы кондиционирования воздуха на транспортном средстве с двигателем внутреннего сгорания, что является расширением функциональных возможностей машины.

Формула изобретения

1. РОТОРНО-ПОРШНЕВАЯ МАШИНА ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ, содержащая корпус с впускным и выпускным патрубками, размещенные в нем два ведущих и два ведомых роторных поршня, попарно и диаметрально противоположно закрепленных на индивидуальных соосно расположенных в корпусе валах с образованием рабочей камеры между каждой парой смежных поршней, и механизм синхронизации движения поршней, выполненный в виде планетарной передачи, кинематически связанной при помощи кулисы и рычагов с валами поршней, снабженных средствами уплотнения их поверхностей относительно корпуса и соответствующих валов, отличающаяся тем, что каждая пара роторных поршней выполнена в виде шаровых секторов, корпус машины выполнен из двух полусфер с диаметральным разъемом в плоскости, перпендикулярной оси вращения валов, и дополнительно снабжен вторыми впускным и выпускным патрубками и разделительными полукольцами из антифрикционного теплоизоляционного материала, установленными в стенке корпуса в диаметральной плоскости, перпендикулярной плоскости его разъема, с образованием в полости корпуса компрессорной зоны сверху и детандерной зоны снизу относительно упомянутых полуколец, а по одну сторону от разделительных полуколец расположено по одному впускному и выпускному патрубку, при этом на внешних сферических поверхностях поршней выполнены кольцевые продольные проточки, расположенные в диаметральных плоскостях, проходящих вблизи торцов боковых поверхностей поршней, а средства уплотнения внешней поверхности каждого поршня относительно контактирующей с ней внутренней поверхности корпуса выполнены в виде по крайней мере двух упругих полуколец из антифрикционного материала, размещенных на поверхности поршня подвижно в соответствующих кольцевых проточках с радиальным зазором относительно дна проточек, причем на внутреннюю поверхность корпуса, на поверхности уплотнительных полуколец поршней и на поверхности средств уплотнения последних с валами нанесен слой самосмазывающего материала типа пластмассы, а каждое уплотнительное полукольцо снабжено средствами регулирования усилия поджатия его к корпусу.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что внутри каждого роторного поршня выполнены внутренние ниши, а средства регулирования усилия поджатия уплотнительных полуколец поршней к корпусу выполнены в виде по меньшей мере двух противовесов на каждое полукольцо, каждый из которых шарнирно закреплен в соответствующей внутренней нише поршня и расположен в плоскости соответствующего полукольца, причем каждый противовес кинематически связан с одним из свободных концов уплотнительного полукольца посредством шарнирно-рычажного механизма.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5,