[RU]

1. Вращающееся устройство передачи энергии текучей среды, содержащее: (a) корпус, содержащий: (1) центральную часть с отверстием; (2) концевую пластину с дугообразными входным и выходным проходами, каждый из которых имеет радиальную высоту и окружную протяженность; (b) наружный ротор, выполненный с возможностью вращения в отверстии центральной части корпуса и содержащий в радиальной части охватывающий зубчатый профиль со множеством впадин; (c) внутренний ротор с охватываемым зубчатым профилем, множество выступов которого функционально взаимодействуют с наружным ротором, при этом радиальный зазор между впадиной наружного ротора и соответствующим выступом внутреннего ротора вместе с концевыми пластинами образует камеру с концевой стороной, имеющей радиальную высоту, которая, по существу, равна радиальной высоте входного прохода у его переднего края.

2. Устройство по п.1, в котором концевая сторона камеры и входной проход имеют, по существу, одинаковое радиальное расположение.

3. Устройство по п.2, в котором передний край входного прохода, по существу, совпадает и выровнен с формой соответствующей зубчатой части наружного ротора у концевой пластины для обеспечения, по существу, мгновенного открывания входного прохода.

4. Устройство по п.2, в котором задний край входного прохода, по существу, совпадает и выровнен с формой соответствующей зубчатой части наружного ротора у концевой пластины для обеспечения, по существу, мгновенного закрывания входного прохода.

5. Устройство по п.1, в котором радиальная высота входного прохода, по существу, постоянна вдоль его окружной протяженности.

6. Устройство по п.1, в котором радиальная высота входного прохода переменна вдоль его окружной протяженности.

7. Устройство по п.6, в котором наружный край входного прохода ограничен дугой, образованной вращением дна впадины наружного ротора, и внутренний край входного прохода ограничен дугой, образованной вращением вершины выступа внутреннего ротора.

8. Устройство по п.1, в котором входной проход выполнен с окружной протяженностью до примерно 180°.

9. Устройство по п.1, в котором входной проход выполнен с окружной протяженностью до примерно окружного шага впадин наружного ротора.

10. Устройство по п.1, в котором профиль наружной стенки каждой впадины выполнен переменным в радиальном направлении и по глубине.

11. Устройство по п.10, в котором профиль наружной стенки выбран из группы, состоящей из прямолинейного, вогнутого и выпуклого.

12. Устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, профиль одной боковой стенки каждой впадины выполнен переменным в окружном направлении и по глубине.

13. Устройство по п.12, в котором, по меньшей мере, профиль одной боковой стенки выбран из группы, состоящей из прямолинейного, вогнутого и выпуклого.

14. Устройство по п.1, в котором профиль наружной стенки каждой впадины, по существу, постоянен в радиальном направлении и по глубине.

15. Способ изготовления устройства по п.1, при котором: (a) обеспечивают корпус, содержащий: (1) центральную часть с отверстием; (2) концевую пластину с дугообразными входным и выходным проходами, каждый из которых имеет радиальную высоту и окружную протяженность; (b) в отверстии центральной части корпуса устанавливают с возможностью вращения наружный ротор, содержащий в радиальной части охватывающий зубчатый профиль со множеством впадин; (c) устанавливают внутренний ротор с имеющим множество выступов охватываемым зубчатым профилем с радиальным зазором между впадиной наружного ротора и соответствующим выступом внутреннего ротор так, чтобы обеспечить их функциональное взаимодействие; (d) образуют камеры между концевыми пластинами, причем каждая камера имеет окружную протяженность, глубину и радиальную высоту у концевой стороны, по существу, равную радиальной высоте входного прохода у его переднего края.

16. Способ по п.15, при котором сторону камеры у концевой пластины и входной проход устанавливают, по существу, в одинаковом радиальном положении.

17. Способ по п.16, при котором сторону камеры у концевой пластины и входной проход дополнительно выполняют так, что открытая площадь, по существу, постоянна при вращении наружного ротора.

18. Способ по п.16, при котором ведущий край входного прохода выполняют, по существу, совпадающим и выровненным с формой соответствующей зубчатой части наружного ротора у стороны камеры возле концевой пластины для обеспечения, по существу, мгновенного открывания входного прохода, и задний край входного прохода выполняют, по существу, совпадающим и выровненным с формой соответствующей зубчатой части наружного ротора у стороны камеры возле концевой пластины для обеспечения, по существу, мгновенного закрывания входного прохода.

19. Способ по п.16, при котором входной проход дополнительно выполняют с окружной протяженностью для управления степенью расширения устройства.

20. Способ по п.16, при котором входной проход дополнительно выполняют с окружной протяженностью для управления пульсацией устройства.

21. Способ по п.16, при котором входной проход дополнительно выполняют с радиальной высотой для управления, по меньшей мере, потоком из входного прохода в объем камеры.

22. Способ по п.21, при котором наружный край входного прохода выполняют с дугой, образованной вращением дна впадины наружного ротора, и внутренний край входного прохода выполняют с дугой, образованной вращением вершины выступа внутреннего ротора.

23. Способ по п.15, при котором наружный ротор дополнительно модифицируют для управления объемом канала.

24. Способ по п.23, при котором модифицируют профиль наружной стенки каждой впадины наружного ротора.

25. Способ по п.24, при котором профиль каждой наружной стенки модифицируют в радиальном направлении и по глубине как один из линейного, вогнутого и выпуклого.

26. Способ по п.23, при котором модифицируют, по меньшей мере, профиль одной боковой стенки каждой впадины наружного ротора.

27. Способ по п.26, при котором профиль каждой боковой стенки модифицируют в окружном направлении и по глубине как один из линейного, вогнутого и выпуклого.

(57) Реферат / Формула:

1. Вращающееся устройство передачи энергии текучей среды, содержащее: (a) корпус, содержащий: (1) центральную часть с отверстием; (2) концевую пластину с дугообразными входным и выходным проходами, каждый из которых имеет радиальную высоту и окружную протяженность; (b) наружный ротор, выполненный с возможностью вращения в отверстии центральной части корпуса и содержащий в радиальной части охватывающий зубчатый профиль со множеством впадин; (c) внутренний ротор с охватываемым зубчатым профилем, множество выступов которого функционально взаимодействуют с наружным ротором, при этом радиальный зазор между впадиной наружного ротора и соответствующим выступом внутреннего ротора вместе с концевыми пластинами образует камеру с концевой стороной, имеющей радиальную высоту, которая, по существу, равна радиальной высоте входного прохода у его переднего края.

2. Устройство по п.1, в котором концевая сторона камеры и входной проход имеют, по существу, одинаковое радиальное расположение.

3. Устройство по п.2, в котором передний край входного прохода, по существу, совпадает и выровнен с формой соответствующей зубчатой части наружного ротора у концевой пластины для обеспечения, по существу, мгновенного открывания входного прохода.

4. Устройство по п.2, в котором задний край входного прохода, по существу, совпадает и выровнен с формой соответствующей зубчатой части наружного ротора у концевой пластины для обеспечения, по существу, мгновенного закрывания входного прохода.

5. Устройство по п.1, в котором радиальная высота входного прохода, по существу, постоянна вдоль его окружной протяженности.

6. Устройство по п.1, в котором радиальная высота входного прохода переменна вдоль его окружной протяженности.

7. Устройство по п.6, в котором наружный край входного прохода ограничен дугой, образованной вращением дна впадины наружного ротора, и внутренний край входного прохода ограничен дугой, образованной вращением вершины выступа внутреннего ротора.

8. Устройство по п.1, в котором входной проход выполнен с окружной протяженностью до примерно 180°.

9. Устройство по п.1, в котором входной проход выполнен с окружной протяженностью до примерно окружного шага впадин наружного ротора.

10. Устройство по п.1, в котором профиль наружной стенки каждой впадины выполнен переменным в радиальном направлении и по глубине.

11. Устройство по п.10, в котором профиль наружной стенки выбран из группы, состоящей из прямолинейного, вогнутого и выпуклого.

12. Устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, профиль одной боковой стенки каждой впадины выполнен переменным в окружном направлении и по глубине.

13. Устройство по п.12, в котором, по меньшей мере, профиль одной боковой стенки выбран из группы, состоящей из прямолинейного, вогнутого и выпуклого.

14. Устройство по п.1, в котором профиль наружной стенки каждой впадины, по существу, постоянен в радиальном направлении и по глубине.

15. Способ изготовления устройства по п.1, при котором: (a) обеспечивают корпус, содержащий: (1) центральную часть с отверстием; (2) концевую пластину с дугообразными входным и выходным проходами, каждый из которых имеет радиальную высоту и окружную протяженность; (b) в отверстии центральной части корпуса устанавливают с возможностью вращения наружный ротор, содержащий в радиальной части охватывающий зубчатый профиль со множеством впадин; (c) устанавливают внутренний ротор с имеющим множество выступов охватываемым зубчатым профилем с радиальным зазором между впадиной наружного ротора и соответствующим выступом внутреннего ротор так, чтобы обеспечить их функциональное взаимодействие; (d) образуют камеры между концевыми пластинами, причем каждая камера имеет окружную протяженность, глубину и радиальную высоту у концевой стороны, по существу, равную радиальной высоте входного прохода у его переднего края.

16. Способ по п.15, при котором сторону камеры у концевой пластины и входной проход устанавливают, по существу, в одинаковом радиальном положении.

17. Способ по п.16, при котором сторону камеры у концевой пластины и входной проход дополнительно выполняют так, что открытая площадь, по существу, постоянна при вращении наружного ротора.

18. Способ по п.16, при котором ведущий край входного прохода выполняют, по существу, совпадающим и выровненным с формой соответствующей зубчатой части наружного ротора у стороны камеры возле концевой пластины для обеспечения, по существу, мгновенного открывания входного прохода, и задний край входного прохода выполняют, по существу, совпадающим и выровненным с формой соответствующей зубчатой части наружного ротора у стороны камеры возле концевой пластины для обеспечения, по существу, мгновенного закрывания входного прохода.

19. Способ по п.16, при котором входной проход дополнительно выполняют с окружной протяженностью для управления степенью расширения устройства.

20. Способ по п.16, при котором входной проход дополнительно выполняют с окружной протяженностью для управления пульсацией устройства.

21. Способ по п.16, при котором входной проход дополнительно выполняют с радиальной высотой для управления, по меньшей мере, потоком из входного прохода в объем камеры.

22. Способ по п.21, при котором наружный край входного прохода выполняют с дугой, образованной вращением дна впадины наружного ротора, и внутренний край входного прохода выполняют с дугой, образованной вращением вершины выступа внутреннего ротора.

23. Способ по п.15, при котором наружный ротор дополнительно модифицируют для управления объемом канала.

24. Способ по п.23, при котором модифицируют профиль наружной стенки каждой впадины наружного ротора.

25. Способ по п.24, при котором профиль каждой наружной стенки модифицируют в радиальном направлении и по глубине как один из линейного, вогнутого и выпуклого.

26. Способ по п.23, при котором модифицируют, по меньшей мере, профиль одной боковой стенки каждой впадины наружного ротора.

27. Способ по п.26, при котором профиль каждой боковой стенки модифицируют в окружном направлении и по глубине как один из линейного, вогнутого и выпуклого.

---

Евразийское 026027 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2017.02.28
(21) Номер заявки 201490424
(22) Дата подачи заявки 2012.08.03
(51) Int. Cl. F04C2/08 (2006.01)
(54) УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
(31) 13/204,184
(32) 2011.08.05
(33) US
(43) 2014.07.30
(86) PCT/US2012/049567
(87) WO 2013/022770 2013.02.14
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
ЭНЕР-Джи-РОУТОРС, ИНК. (US)
(72) Изобретатель:
Ярр Джордж А. (US)
(74) Представитель:
Медведев В.Н. (RU)
(56) DE-A1-4107704 US-A-4025243 US-A-3907470 US-A-3910732
(57) Предложено вращающееся, разделенное на камеры устройство передачи энергии текучей среды, содержащее корпус с центральной частью, имеющей отверстие, образованное в ней, и концевой пластиной (414), образующей дугообразный входной проход (415), с радиальной высотой и окружной протяженностью. Устройство также включает в себя наружный ротор (120), выполненный с возможностью вращения в отверстии центральной части, с охватывающим зубчатым профилем, образованным в радиальной части, образующий множество впадин (424), и внутренний ротор (440) с охватываемым зубчатым профилем, образующим множество выступов (449) в функциональном взаимодействии с наружным ротором (420). Минимальное радиальное расстояние между впадиной наружного ротора (424) и соответствующим выступом (449) внутреннего ротора образует концевую сторону (441) канала вблизи от концевой пластины (414), причем концевая сторона (441) канала содержит радиальную высоту, по существу, эквивалентную радиальной высоте входного прохода (415) у ведущего края (480) входного прохода (415).
Область техники
Настоящее изобретение относится к устройствам передачи энергии, которые работают на принципе смещения текучей среды входящим в зацепление трохоидальным зубчатым колесом и, в частности, к улучшению потока текучей среды и открывания и закрывания входного прохода в таких системах.
Уровень техники
Насосы и двигатели смещения текучей среды с трохоидальным зубчатым колесом хорошо известны в данной области техники. В целом, разделенный на выступы, установленный эксцентрично, внутренний охватываемый ротор взаимодействует со стыкующимся разделенным на выступы охватывающим наружным ротором в камере с плотной посадкой, образованной в корпусе с цилиндрическим отверстием и двумя концевыми пластинами. Установленный эксцентрично внутренний зубчатый ротор имеет заданное количество выступов или зубьев и взаимодействует с окружающим наружным разделенным на выступы ротором, т.е. с кольцевым зубчатым колесом, имеющим на один выступ или зуб больше, чем внутренний ротор. Наружный зубчатый ротор содержится внутри цилиндрического кожуха с плотной посадкой.
Внутренний ротор обычно прикреплен к ведущему валу, и по мере того как он вращается на вале, он продвигается на одно пространство зуба за оборот относительно наружного ротора. Наружный ротор удерживается с возможностью вращения в корпусе, эксцентрично внутреннему ротору, и зацепляется с внутренним ротором на одной стороне. По мере того как внутренний и наружный роторы поворачиваются от их точки зацепления, пространство между зубьями внутреннего и наружного роторов постепенно увеличивается в размере на протяжении первых ста восьмидесяти градусов вращения внутреннего ротора, создавая расширяющееся пространство. На протяжении последней половины оборота внутреннего ротора, пространство между внутренним и наружным роторами уменьшается в размере по мере того, как зубья зацепляются.
Когда устройство работает как насос, перекачиваемая текучая среда втягивается из входного канала в расширяющееся пространство в результате вакуума, созданного в пространстве в результате его расширения. После достижения точки максимального объема, пространство между внутренним и наружным роторами начинает уменьшаться в объеме. После достижения достаточного давления из-за уменьшения объема, уменьшающееся пространство открывается к выходному каналу, и текучая среда выталкивается из устройства. Входной и выходной каналы изолированы друг от друга посредством корпуса и внутреннего и наружного роторов.
Для традиционных конфигураций, текучей среде может быть сложно заполнять желаемую камеру при многих желаемых рабочих состояниях, что приводит к сильно уменьшенной эффективности. Следовательно, существует потребность в улучшенном потоке текучей среды для создания более эффективного устройства.
Краткое описание изобретения
В некоторых вариантах осуществления настоящее изобретение направлено на решение недостатков в стандартных устройствах передачи энергии текучей среды через использование канала для способствования потоку текучей среды между желаемой камерой и входным проходом. Канал может позволять текучей среде быстро наполнять камеру из входного прохода, например посредством оптимизации площади, через которую текучая среда течет в камеру. Канал может также обеспечивать почти мгновенное открывание и закрывание входного прохода.
Согласно одному аспекту, настоящее изобретение относится к вращающемуся разделенному на камеры устройству передачи энергии текучей среды. Устройство включает в себя корпус с центральной частью, имеющей отверстие, образованное в ней, и с концевой пластиной, образующей дугообразный входной проход, с радиальной высотой и окружной протяженностью. Устройство также включает в себя наружный ротор, выполненный с возможностью вращения в отверстии центральной части, с охватывающим зубчатым профилем, образованным в радиальной части, образующим множество впадин, и внутренний ротор с охватываемым зубчатым профилем, образующим множество выступов в функциональном взаимодействии с наружным ротором. Минимальное радиальное расстояние между впадиной наружного ротора и соответствующего выступу внутреннего ротора образует концевую сторону канала вблизи от концевой пластины, причем концевая сторона канала содержит радиальную высоту, по существу, эквивалентную радиальной высоте входного прохода у ведущего края входного прохода.
Согласно одному конкретному варианту осуществления концевая сторона канала и входной проход расположены, по существу, у одинакового радиального положения. Ведущий край может, по существу, совпадать с формой соответствующей выровненной части наружного ротора у концевой стороны канала для обеспечения, по существу, мгновенного открывания входного прохода, и входной проход может иметь задний край, который, по существу, совпадает с формой соответствующей выровненной части наружного ротора у концевой стороны канала для обеспечения, по существу, мгновенного закрывания входного прохода.
В другом варианте осуществления радиальная высота входного прохода является, по существу, постоянной на протяжении окружной протяженности входного прохода. В других вариантах осуществления радиальная высота входного прохода изменяется на протяжении окружной протяженности входного прохода. Наружный край входного прохода может быть образован путем вращения впадины наружного
ротора, и внутренний край входного прохода образован путем вращения вершины выступа внутреннего ротора. В некоторых вариантах осуществления окружную протяженность входного прохода проходит в диапазоне до около 180° дуги, и окружную протяженность входного прохода может проходить в диапазоне до около окружной протяженности, образованного смежными впадинами наружного ротора.
В других вариантах осуществления наружная стенка каждой впадины изменяется в радиальном направлении как функция глубины. Наружная стенка может быть выбрана из группы, состоящей из прямолинейной, вогнутой и выпуклой. По меньшей мере одна боковая стенка каждой впадины может изменяться в окружном направлении как функция глубины, и по меньшей мере одна боковая стенка может быть выбрана из группы, состоящей из прямолинейной, вогнутой и выпуклой. В других вариантах осуществления наружная стенка каждой впадины является, по существу, постоянной в радиальном направлении как функция глубины. Устройство может быть выполнено с возможностью использования в качестве компрессора. Концевая пластина может образовывать выходной проход и входной проход, и выходной проход может быть выполнен с возможностью заданного сжатия текучей среды.
Согласно другому аспекту изобретения способ изготовления устройства передачи энергии с высокой степенью расширения включает обеспечение корпуса с центральной частью, имеющей отверстие, образованное в ней, и с концевой пластиной, образующей дугообразный входной проход с радиальной высотой и окружной протяженностью. Способ также включает обеспечение наружного ротора, выполненного с возможностью вращения в отверстии центральной части, причем наружный ротор имеет охватывающий зубчатый профиль, образованный в радиальной части, образующий множество впадин, и обеспечение внутреннего ротора с охватываемым зубчатым профилем, образующим множество выступов в функциональном взаимодействии с наружным ротором. Способ также включает образование канала посредством сохранения минимального радиального расстояния между впадиной наружного ротора и соответствующего выступу внутреннего ротора, причем канал имеет радиальную высоту, окружную протяженность, и глубину для образования объема канала. Радиальная высота канала у концевой стороны канала может быть, по существу, эквивалентной радиальной высоте входного прохода у ведущего края входного прохода.
В некоторых вариантах осуществления концевая сторона канала и входной проход расположены, по существу, у одинакового радиального положения. В других вариантах осуществления способ включает выполнение сопряжения между концевой стороной канала и входным проходом так, чтобы создать профиль открытой площади входного прохода как функцию вращения наружного ротора, который является, по существу, постоянным. Ведущий край входного прохода может, по существу, совпадать с формой соответствующей выровненной части наружного ротора у концевой стороны канала для обеспечения, по существу, мгновенного открывания входного прохода, и задний край может, по существу, совпадать с формой соответствующей выровненной части наружного ротора у концевой стороны канала для обеспечения, по существу, мгновенного закрывания входного прохода.
В одном варианте осуществления способ включает образование окружной протяженности входного прохода для управления степени расширения устройства, и может включать в себя образование окружной протяженности входного прохода для управления пульсации устройства. В других вариантах осуществления способ включает в себя образование радиальной высоты входного прохода для управления потока, по меньшей мере, в объем канала через входной проход. Этап образования радиальной высоты входного прохода может включать в себя образование наружного края входного прохода посредством пути вращения впадины наружного ротора и образование внутреннего края входного прохода посредством пути вращения вершины выступа внутреннего ротора.
В дополнительных вариантах осуществления способ включает в себя модификацию наружного ротора для управления объема канала. Модификация может включать в себя изменение наружной стенки каждой впадины наружного ротора, которая может быть модифицирована для изменения радиального направления как функции глубины и для того, чтобы быть одной из линейной, вогнутой, и выпуклой, и/или изменение по меньшей мере одной боковой стенки каждой впадины наружного ротора, которая может быть модифицирована для изменения в окружном направлении как функции глубины, и для того, чтобы быть одной из линейной, вогнутой, и выпуклой.
Краткое описание чертежей
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения, а также само изобретение, могут быть более полно поняты из последующего описания различных вариантов осуществления, при прочтении совместно с прилагаемыми чертежами, на которых
фиг. 1 представляет собой вид в перспективе с разнесением деталей обычного устройства с трохои-дальным зубчатым колесом;
фиг. 2 представляет собой вид в разрезе с торца обычного устройства с трохоидальным зубчатым колесом с удаленной концевой пластиной;
фиг. 3 представляет собой вид в поперечном разрезе обычного устройства с трохоидальным зубчатым колесом, взятом вдоль диаметра цилиндрического корпуса;
фиг. 4 представляет собой вид в перспективе с разнесением деталей устройства с трохоидальным зубчатым колесом, на котором проиллюстрировано использование предварительно нагруженных под
шипниковых узлов со ступицами как на внутреннем, так и на наружном роторах;
фиг. 5А представляет собой вид в поперечном разрезе устройства с трохоидальным зубчатым колесом, на котором проиллюстрировано использование на котором проиллюстрировано использование предварительно нагруженных подшипниковых узлов со ступицами как на внутреннем, так и на наружном роторах со схематичной иллюстрацией встроенного агрегата насоса конденсата, использующего вал внутреннего ротора в качестве вала насоса;
фиг. 5В представляет собой схематичный вид в поперечном разрезе другого варианта осуществления устройства с трохоидальным зубчатым колесом, на котором проиллюстрировано использование предварительно нагруженного подшипникового узла, расположенного внутри отверстия внутреннего ротора и использующего ступицу, прикрепленную к концевой пластине;
фиг. 5С представляет собой схематичный вид в поперечном разрезе другого варианта осуществления устройства с трохоидальным зубчатым колесом, на котором проиллюстрировано использование предварительно нагруженного подшипникового узла, расположенного внутри отверстия внутреннего ротора и использующего ступицу, образованную как единое целое с концевой пластиной;
фиг. 6 представляет собой вид в поперечном разрезе устройства с трохоидальным зубчатым колесом, на котором проиллюстрировано использование предварительно нагруженного подшипникового узла со ступицей на наружном роторе, тогда как внутренний ротор может плавать на ступице и роликовом подшипниковом узле, выступающем из концевой пластины корпуса;
фиг. 7 представляет собой вид в поперечном разрезе с торца устройства с трохоидальным зубчатым колесом, на котором проиллюстрированы внутренний и наружный роторы вместе с конфигурациями входного и выходного канала;
фиг. 8 представляет собой вид в поперечном разрезе устройства с трохоидальным зубчатым колесом, на котором проиллюстрирован предварительно нагруженный подшипниковый узел, связанный с наружным ротором и плавающим внутренним ротором. Поперечный разрез некоторых частей был исключен для ясности и в целях иллюстрирования;
фиг. 9 представляет собой вид в поперечном разрезе устройства с трохоидальным зубчатым колесом, на котором проиллюстрировано использование упорного подшипника для сохранения минимального зазора от внутреннего ротора до концевой пластины, ось отбора мощности от наружного ротора для использования с встроенным насосом, и перепускное дренирование и клапан регулировки давления. Поперечный разрез некоторых частей был исключен для ясности и в целях иллюстрирования;
фиг. 10 представляет собой вид с торца с частичным вырезом варианта осуществления с фиг. 9;
фиг. 11 представляет собой схематичный вид, на котором проиллюстрировано использование устройства с трохоидальным зубчатым колесом, использующего перепускное дренирование в качестве двигателя в цикле Ренкина;
фиг. 12А представляет собой схематичный вид в поперечном разрезе другого варианта осуществления устройства с трохоидальным зубчатым колесом в комбинации с обычной конфигурацией входного и выходного канала;
фиг. 12В представляет собой схематичный вид в поперечном разрезе с частичной прозрачностью варианта осуществления устройства с трохоидальным зубчатым колесом, изображенного на фиг. 12 А;
фиг. 13А представляет собой схематичный вид в поперечном разрезе с частичной прозрачностью варианта осуществления настоящего изобретения, на котором проиллюстрирован наружный ротор и конфигурации множества подключений;
фиг. 13В представляет собой схематичный, частичный, вид в поперечном разрезе сопряжения между входным проходом, внутренним ротором, и наружным ротором, изображенным на фиг. 13А;
фиг. 13С представляет собой схематичный, частичный, вид в поперечном разрезе сопряжения между внутренним ротором и наружным ротором с боковыми стенками внутреннего канала, которые изменяются в окружном направлении;
фиг. 13D представляет собой схематичный, частичный, вид в поперечном разрезе, взятом вдоль линии D-D на фиг. 13С;
фиг. 14А представляет собой график площади открытого окна как функции времени согласно устройству с трохоидальным зубчатым колесом, изображенному на фиг. 12А и 12В;
фиг. 14В представляет собой график площади открытого окна как функции времени согласно варианту осуществления изобретения, изображенному на фиг. 13А и 13В.
В описании варианта осуществления изобретения, который проиллюстрирован на чертежах, используется конкретная терминология для понятности. Тем не менее, изобретение не ограничено выбранными конкретными терминами, и следует понимать, что каждый конкретный термин включает в себя все технические эквиваленты, которые работают таким же образом для достижения такой же цели.
Несмотря на то, что в этом документе описаны предпочтительные и альтернативные варианты осуществления изобретения, следует понимать, что различные изменения и модификации проиллюстрированной и описанной конструкции могут быть осуществлены без отхода от основных принципов, которые лежат в основе изобретения. Следовательно, изменения и модификации этого типа являются охваченными, также как все функциональные и структурные эквиваленты.
Подробное описание изобретения
Как видно на чертежах и, в первую очередь, на фиг. 1-3, обычное устройство смещения текучей среды (насос или двигатель) с трохоидальным элементом, разновидностью которого является геротор, в целом отмечено как устройство 100 и включает в себя корпус 110 с цилиндрической частью 112, имеющей большое осевое цилиндрическое отверстие 118, обычно закрытое у противоположных концов любым подходящим образом, таким как посредством удаляемых неподвижных концевых пластин 114 и 116, для образования полости корпуса, по существу, идентичной цилиндрическому отверстию 118 корпуса.
Наружный ротор 120 свободно и с возможностью вращения стыкуется с полостью корпуса (осевым отверстием 118). Т.е. наружная периферийная поверхность 129 и противоположные концевые стороны (поверхности) 125 и 127 наружного ротора 120 находятся, по существу, в непроницаемом для текучей среды зацеплении с внутренними концевыми сторонами (поверхностями) 109, 117 и периферийной радиальной внутренней поверхностью 119, которая образует полость корпуса. Элемент 120 наружного ротора имеет известную конструкцию и включает в себя радиальную часть 122 с осевым отверстием 128, предусмотренным с охватывающим зубчатым профилем 121 с находящимися на равном и окружном расстоянии друг от друга продольными канавками (или впадинами) 124, проиллюстрированными в количестве семи, но следует понимать, что это количество может быть изменено, причем канавки 124 разделены продольными гребнями 126 изогнутого поперечного сечения.
С охватывающим зубчатым профилем 121 наружного ротора 120 центрирован внутренний ротор 140 с охватываемым зубчатым профилем 141, выполненным с возможностью вращения вокруг оси 152 вращения, параллельной и эксцентричной оси 132 вращения наружного ротора 120 и в функциональном взаимодействии с наружным ротором 120. Внутренний ротор 140 имеет концевые стороны 154, 156 в непроницаемом для текучей среды скользящем зацеплении с концевыми сторонами 109, 117 концевых пластин 116, 114 корпуса 110 и предусмотрен с осевым валом (не показан) в отверстии 143, выступающим через отверстие 115 концевой пластины 114 корпуса. Внутренний ротор 140, как наружный ротор 120, имеет известную конструкцию и включает в себя множество продольно проходящих гребней или выступов 149 изогнутого поперечного сечения, разделенных изогнутыми продольными желобами 147, причем количество выступов 149 составляет на одну меньше, чем количество канавок 124 наружного ротора. Противоположные периферийные края 158, 134 внутреннего и наружного роторов 140 и 120 имеют такую форму, что каждый из выступов 149 внутреннего ротора 140 находится в непроницаемом для текучей среды линейном продольном скользящем или катящемся зацеплении с противоположным внутреннем периферийным краем 134 наружного ротора 120 во время полного оборота внутреннего ротора 140.
Множество следующих друг за другом продвигающихся камер 150 очерчено концевыми пластинами 114, 116 корпуса и противоположными краями 158, 134 внутреннего и наружного роторов 140, 120 и разделены следующими друг за другом выступами 149. Когда камера 150 находится в ее самом верхнем положении, как видно на фиг. 2, она находится в ее полностью сжатом положении, и, по мере того, как она продвигается либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки, она расширяется до тех пор, пока не достигнет противоположного на 180° и полностью расширенного положения, после которого она сжимается при дальнейшем продвижении в ее исходное сжатое положение. Следует заметить, что внутренний ротор 140 продвигается на один выступ относительно наружного ротора 120 во время каждого оборота по причине того, что выступов 149 на один меньше, чем канавок 124.
Окно 160 образовано в концевой пластине 114 и сообщается с расширяющимися камерами 150а. Также в концевой пластине 114 образовано окно 162, достигаемое продвигающимися вперед камерами 150 после достижения их полностью расширенного положения, т.е. сжимающимися камерами 150b. Следует понимать, что камеры 150а и 150b могут быть расширяющимися или сжимающимися относительно окон 160, 162 в зависимости от направления вращения по часовой стрелке или против часовой стрелки роторов 120, 140.
При работе в качестве насоса или компрессора, движущая сила прилагается к внутреннему ротору 140 посредством подходящего ведущего вала, установленного в отверстии 143. Текучая среда втягивается в устройство через окно, например 160, посредством вакуума, созданного в расширяющихся камерах 150а и, после достижения максимального расширения, сжимающиеся камеры 150b производят давление на текучую среду, которая выдавливается под давлением из сжимающихся камер 150b в соответствующее окно 162.
При работе в качестве двигателя, текучая среда под давлением подается через окно, например 160, что приводит соответствующий вал во вращение, поскольку расширяющаяся текучая среда заставляет камеру 150 расширяться до ее максимального размера, после чего текучая среда выпускается через противоположное окно по мере того, как камера 150 сжимается.
В прошлом, обычным было устанавливать роторы 120 и 140 с малым зазором с корпусом 110. Таким образом, наружный радиальный край 129 наружного ротора 120 расположен с малым зазором с внутренней радиальной поверхностью 119 части 112 цилиндрического корпуса, тогда как концы (стороны) 125, 127 наружного ротора 120 расположены с малым зазором с внутренними сторонами 117, 109 концевых пластин 114 и 116. Радиальное сопряжение с жестким допуском между радиальным краем 129
наружного ротора 120 и внутренней радиальной поверхностью 119 корпуса 119 обозначено как сопряжение А, тогда как сопряжения с жестким допуском между концами 125, 127 наружного ротора 120 и сторонами 109, 117 концевых пластин 114 и 116 обозначены как сопряжения В и С. Подобным образом, сопряжения с жестким допуском между сторонами 154, 156 внутреннего ротора 140 и сторонами 109, 117 концевых пластин 114, 116 обозначены как сопряжения D и Е. Жесткий радиальный допуск сопряжения А, необходимый для образования оси вращения ротора 120, и жесткие допуски окончания сопряжений В, С, D, и Е, требуемые для герметизации текучей среды в камерах 150, приводят к большим потерям текучей среды при сдвиге, которые пропорциональны скорости роторов 120 и 140. К тому же, неуравновешенные гидравлические силы на сторонах 125, 127, 154,156 роторов 120 и 140 могут привести к близкому соприкосновению сторон 125, 127, 154, 156 ротора и внутренних сторон 109, 117 неподвижных концевых пластин 114, 116, вызывая очень большие потери на трение и даже заедание. Несмотря на то, что потери при сдвиге могут быть допустимы, когда устройство работает как насос, такие потери могут усреднить разницу между успехом и неудачей, когда устройство используется как двигатель.
Для того, чтобы преодолеть большие потери текучей среды при сдвиге и при соприкосновении, роторы были модифицированы для сведения к минимуму эти большие потери текучей среды при сдвиге и при соприкосновении. Для этого, вращающееся, разделенное на камеры, устройство передачи энергии текучей среды показано на фиг. 4-11 и в целом обозначено номером 10. Устройство 10 содержит корпус 11, имеющий центральную, обычно цилиндрическую, часть 12 с большим цилиндрическим отверстием 18, образованным в ней, и неподвижную концевую пластину 14, имеющую входной и выходной проходы, обозначенные как первый проход 15 и второй проход 17 (фиг. 4 и 7), причем следует понимать, что форма, размер, расположение и функция первого прохода 15 и второго прохода 17 будут изменяться в зависимости от применения, для которого используется устройство. Таким образом, когда устройство используется для перекачивания жидкостей, входное и выходное (выпускное) окна охватывают почти 180° каждой из дуг расширяющихся и сжимающих камер для предотвращения гидравлической блокировки или кавитации (фиг. 1, окна 160 и 162). Тем не менее, когда устройство используется как расширительный двигатель или компрессор, входное и выпускное окна, которые расположены слишком близко друг к другу, могут быть источником избыточных потерь перепускной утечки. Для сжимаемых текучих сред, таких как используемые, когда устройство используется как расширительная или сжимающая машина (фиг. 7, окна 15 и 17), разделение между входным и выпускным окнами 15 и 17 гораздо больше, посредством этого уменьшая утечку между окнами, причем утечка обратно пропорциональна расстоянию между окнами 15 и 17 высокого и низкого давления. Для сжимаемых текучих сред, усечение одного из окон, например окна 15, заставляет текучую среду быть захваченной в камерах 50, образованных наружным ротором 20 и внутренним ротором 40 без сообщения с окнами 15 или 17, что приводит к расширению или сокращению текучей среды (в зависимости от направления вращения роторов), способствуя вращению роторов, когда устройство используется как расширительная машина, или работа прилагается к роторам, когда устройство используется как сжимающая машина. К тому же, длина усеченного окна 15 определяет степень расширения или сжатия устройства, т.е. степень расширения или сжатия устройства 10 может быть изменена посредством изменения окружной длины соответствующего окна. Для расширительного двигателя, окно 15 представляет собой усеченное входное окно, тогда как окно 17 выполняет функцию выпускного или выходного окна. Для сокращающего устройства, роли окон 15 и 17 меняются, т.е. окно 15 выполняет функцию выпускного окна, тогда как окно 17 выполняет функцию входного окна. При работе в качестве сокращающей или сжимающей машины, направление вращения роторов 20 и 40 является противоположным тому, которое показано на фиг. 7. Части 15 и 17 сообщаются с трубопроводами 2 и 4 (фиг. 4).
Для того, чтобы исключить потери на сдвиг текучей среды и другие потери на энергию трения у сопряжения между наружным ротором и одной из концевых пластин (сопряжение В между ротором 120 и концевой пластиной 116 на фиг. 3), концевая пластина и наружный ротор могут быть образованы как единое целое или иначе подходящим образом прикреплены, как показано на фиг. 4 и 5А. Т.е. наружный ротор 20 содержит (1) радиальную часть 22, (2) охватывающий зубчатый профиль 21, образованный в радиальной части 22, (3) и конец 24, который накрывает охватывающий зубчатый профиль 21 и вращается как часть ротора 20 и который может быть образован как неотъемлемая часть радиальной части 22, и (4) концевую поверхность ротора или концевую сторону 26, которая подобно юбке окружает охватывающий зубчатый профиль 21.
Внутренний ротор 40, с охватываемым зубчатым профилем 41, расположен функциональном взаимодействии с наружным ротором 20. Наружный ротор 20 вращается вокруг оси 32 вращения, которая параллельна и эксцентрична оси 52 вращения внутреннего ротора 40.
Посредством прикрепления концевой пластины 24 к ротору 20 и выполнения ее как его части, она вращается с радиальной частью 22, содержащей охватывающий зубчатый профиль 21 и, таким образом, полностью исключает потери текучей среды при сдвиге, которые происходят, когда ротор 20 вращается против неподвижной концевой пластины (сопряжение В на фиг. 3). К тому же, поскольку концевая сторона 54 внутреннего ротора 40 вращается против вращающейся внутренней стороны 9 конца 24 ротора 20, а не против неподвижной поверхности, потери текучей среды при сдвиге в получающемся сопряже
нии X (фиг. 5А и 6) значительно уменьшены. В частности, поскольку относительная скорость вращения между внутренним ротором 40 и наружным ротором 20 составляет 1/N скорости наружного ротора 20, где N - количество зубьев на наружном роторе 20, скорость скольжения между концевой стороной 54 внутреннего ротора 40 и вращающейся внутренней стороной 9 концевой крышки 24 на наружном роторе 20 пропорционально уменьшается по сравнению с обычной конфигурацией установки, показанной на фиг. 1-3. Следовательно, для одинаковых условий текучей среды и зазора, потери в 1/N раз меньше. К тому же, из-за того, что вращающаяся концевая закрывающая пластина 24 прикреплена к наружному ротору, перепускная утечка из камер 50 за сопряжение между неподвижной концевой пластиной (сопряжение В на фиг. 3) к радиальным краям устройства, например к зазору у сопряжения V, полностью исключается.
В дополнение к сопряжению X, сопряжению между вращающейся внутренней стороной 9 конца 24 наружного ротора 20 и стороной 54 внутреннего ротора 40, могут быть выделены пять дополнительных сопряжений. Они включают в себя, 1) сопряжение V между внутренней радиальной поверхностью 19 части 12 цилиндрического корпуса и наружным радиальным краем 29 наружного ротора 20, 2) сопряжение W между концевой стороной 74 of элементом 72 корпуса и наружной стороной 27 конца 24 ротора 20, 3) сопряжение Y между концевой стороной 26 ротора 20 и внутренней концевой стороной 16 концевой пластины 14, и 4) сопряжение Z между стороной 56 внутреннего ротора 40 и внутренней концевой стороной 16 концевой пластины 14. Менее важно сопряжение U, сопряжение между внутренней стороной 9 конца 24 наружного ротора 20 и стороной 8 ступицы 7 концевой пластины 14. Благодаря относительно низким скоростям вращения в области внутренней стороны 9 рядом с ее осью 32 вращения, любой зазор, который предотвращает соприкосновение двух поверхностей, обычно является допустимым.
Посредством сохранения постоянного зазора между по меньшей мере одной из поверхностей одного из роторов и корпусом 11 или другим ротором, сдвиг текучей среды и другие силы трения могут быть значительно уменьшены, приводя к очень эффективному устройству, особенно полезному в качестве двигателя или первичного движителя. Для сохранения такого постоянного зазора, либо наружный ротор 20, либо внутренний ротор 40, или оба образованы с соосной ступицей (ступица 28 на роторе 20 или ступица 42 на роторе 40), причем по меньшей мере часть ступицы 28 или 42 образована как вал для подшипника качения и установлена в корпусе 11 с подшипниковым узлом качения (38 или 51 или оба), причем подшипниковый узел качения содержит подшипник качения, такой как шариковые подшипники 30, 31, 44 или 46. Подшипниковый узел 38 или 51 качения или оба комплекта устанавливают: 1) ось 32 вращения наружного ротора 20 или ось 52 вращения внутреннего ротора 40, или 2) осевое положение наружного ротора 20 или осевое положение внутреннего ротора 40, или 3) как ось вращения, так и осевое положение наружного ротора 20 или внутреннего ротора 40, или 4) как ось вращения, так и осевое положение как другого ротора 20, так и внутреннего ротора 40. Следует понимать, что подшипниковый узел 38 или 51 включает в себя элементы, которые прикреплены к корпусу 11 устройства или являются его частью. Таким образом, на фиг. 5А подшипниковый узел 38 включает в себя неподвижный корпус 72 подшипника, который также является частью корпуса 11. Подобным образом, подшипниковый узел 51 включает в себя неподвижный корпус 14 подшипника, который также выполняет функцию неподвижной концевой пластины 14 корпуса 11.
На фиг. 5А видно, что посредством установки оси вращения наружного ротора 20 со ступицей 28 и подшипниковым узлом 38, сохраняется постоянный зазор у сопряжения V, сопряжения между радиальной внутренней поверхностью 19 части 12 цилиндрического корпуса и наружным радиальным краем 29 или наружным ротором 20. Посредством установки осевого положения наружного ротора 20 с подшипниковым узлом 38, сохраняется постоянный зазор у сопряжения W, сопряжения между стороной 74 элемента 72 корпуса и наружной стороной 27 конца 24 наружного ротора 20, и сопряжения Y, сопряжения между стороной 26 ротора 20 и стороной 16 неподвижной концевой пластины 14. Посредством установки осевого положения внутреннего ротора 40 со ступицей 42 и подшипниковым узлом 51, сохраняется постоянный зазор у сопряжения Z, сопряжения между стороной 56 внутреннего ротора 40 и стороной 16 концевой пластины 14.
Для того, чтобы задать постоянный зазор у сопряжения X, как осевое положение наружного ротора 20, так и осевое положение внутреннего ротора 40 должны быть зафиксированы. Как показано на фиг. 5А, ступица 28 и подшипниковый узел 38 используются для того, чтобы задавать осевое положение наружного ротора 20, которое, в свою очередь, задает осевое положение внутренней стороны 9 конца 24. Ступица 42 и подшипниковый узел 51 задают осевое положение внутреннего ротора 40, которое также задает осевое положение стороны 54. Посредством задавания осевого положения стороны 54 (ротора 40) и стороны 9 (ротора 20), образуется постоянный зазор у сопряжения X.
Постоянные зазоры у сопряжений V и W задаются для уменьшения сил сдвига текучей среды настолько, насколько это возможно. Поскольку силы трения из-за вязкости текучей среды ограничены граничным слоем текучей среды, предпочтительно сохранять расстояние постоянного зазора настолько большим, насколько это возможно, чтобы исключить такие силы. Граничный слой может быть взят как расстояние от поверхности, в которой скорость потока достигает 99% от скорости свободного потока. Как таковой, постоянный зазор у сопряжения V и W зависит и определяется от вязкости текучей среды,
используемой в устройстве, и от скорости, с которой поверхности ротора перемещаются относительно поверхностей неподвижных компонентов. При данных параметрах вязкости и скорости, постоянные зазоры у сопряжений V и W предпочтительно задаются с величиной, большей, чем граничный слой рабочей текучей среды, используемой в устройстве.
Для постоянных зазоров у сопряжений X, Y и Z, следует рассматривать уменьшение как сил сдвига текучей среды, так и перепускной утечки между 1) расширяющимися и сжимающимися камерами 50 устройства, 2) входным и выходным проходами 15 и 17 и 3) расширяющимися и сжимающимися камерами 50 и входным и выходным проходами 15 и 17. Поскольку перепускная утечка пропорциональна зазору в третьей степени и сдвигающие силы обратно пропорциональны зазору, постоянный зазор этих сопряжений задан как, по существу, оптимальное расстояние как функция как перепускной утечки, так и потерь рабочей текучей среды при сдвиге, т.е. достаточно большим, чтобы, по существу, уменьшить потери текучей среды при сдвиге, но достаточно маленьким, чтобы исключить значительную перепускную утечку. Можно получить оптимальное рабочее расстояние зазора из одновременного решения уравнений для перепускной утечки и силы сдвига текучей среды для получения оптимального зазора для данного набора рабочих состояний. Для газов и паров жидкости, потери перепускной утечки преобладают, особенно при более высоких давлениях, поскольку зазоры оптимально задаются как минимальный практический механический зазор, например грубо около 0,001 дюйма (0,025 мм) для устройства с диаметром наружного ротора около 4 дюймов (0,1 м). Для жидкостей, одновременное решение уравнений утечки и сдвига обычно обеспечивает оптимальный зазор. Текучие среды в смешанной фазе не поддаются легко математическому решению из-за больших разностей физических свойств отдельных фаз и, таким образом, лучше всего определяются эмпирически.
Как видно на фиг. 6, наружный ротор 20 имеет соосную ступицу 28, проходящую нормально к концу 24 и снаружи его, с валовой частью ступицы 28, установленной в неподвижном корпусе 11 посредством подшипникового узла 38, который содержит неподвижный корпус 72 подшипника и по меньшей мере один подшипник качения. Как показано, предварительно нагруженные шариковые подшипники 30 и 31 используются как часть подшипникового узла 38 для задавания как осевого положения, так и оси вращения (радиального положения) наружного ротора 20. Ось 52 вращения внутреннего ротора 40 задана ступицей 7, которая проходит нормально в отверстие 18 части 12 цилиндрического корпуса от концевой пластины 14. Внутренний ротор 40 образован с осевым отверстием 43, посредством которого внутренний ротор 40 расположен в осевом направлении для вращения вокруг ступицы 7. Подшипник качения, такой как роликовый подшипник 58, расположен между валовой частью ступицы 7 и внутренним ротором 40 и служит для уменьшения трения между внутренней поверхностью отверстия 43 и валом ступицы 7.
Постоянный зазор сопряжения U, сопряжения между внутренней стороной 9 конца 24 и стороной 8 ступицы 7, сохраняется с подшипниковым узлом 38. Из-за меньших скоростей и соответствующих меньших сдвигающих сил в этой области относительно обнаруживаемых у наружных радиальных краев внутренней поверхности 9 концевой пластины 24, в целом достаточно сохранять постоянный зазор, чтобы исключать непосредственное соприкосновение двух поверхностей.
Подшипниковый узел 38 используется для сохранения оси 32 вращения наружного ротора 20 эксцентрично по отношению к оси 52 вращения внутреннего ротора 40 и также для сохранения постоянного зазора между радиальной наружной поверхностью (29) наружного ротора (20) и внутренней радиальной поверхностью (19) секции 12 корпуса, т.е. сопряжения V, предпочтительно на расстоянии больше, чем граничный слой рабочей текучей среды в приводе.
Подшипниковый узел 38 также используется для сохранения осевого положения наружного ротора 20. При использовании для сохранения осевого положения, подшипниковый узел 38 выполняет функцию сохранения постоянного зазора 1) у сопряжения W, сопряжения между стороной 74 подшипника и корпусом 12 устройства и наружной стороной 27 конца 24 наружного ротора 20, и 2) у сопряжения Y, сопряжения между концевой стороной 26 упомянутого наружного ротора 20 с внутренней стороной 16 концевой пластины 14 корпуса. Постоянный зазор у сопряжения W обычно задан как расстояние, большее, чем граничный слой рабочей текучей среды в устройстве 10, тогда как постоянный зазор у сопряжения Y задан как расстояние, которое сводит к минимуму как перепускную утечку, так и сил сдвига рабочей текучей среды, учитывая, что перепускная утечка является функцией зазора в третьей степени, тогда как силы сдвиг текучей среды обратно пропорциональны зазору.
Тогда как задан постоянный зазор сопряжения Y для сведения к минимуму как перепускной утечки, так и сил сдвига рабочей текучей среды, постоянные зазоры сопряжений X и Z не заданы. Поскольку сопряжения X и Z находятся в области осей вращения внутреннего и наружного ротора, и внутренний ротор вращается сравнительно медленнее относительно вращающейся концевой пластины наружного ротора 20, чем относительно концевой пластины 24, в первом приближении объединенные сопряжения X и Z могут быть заданы равными всему постоянному зазору сопряжения Y, т.е. X+Z=Y. Это удобно достигается посредством шлифования на совпадение концевых сторон внутреннего и наружного ротора для получения внутреннего и наружного роторов с идентичными осевыми длинами. Внутренний ротор может быть отшлифован немного короче или немного длиннее, чем наружный ротор; тем не менее, при использовании внутреннего ротора с осевой длиной, немного большей, чем наружный ротор, следует
проявлять осторожность, чтобы гарантировать, что длина внутреннего ротора меньше, чем длина наружного ротора плюс зазор сопряжения Y.
Различные типы подшипников качения могут быть использованы как часть подшипникового узла 38. Для управления и фиксации радиальной оси ротора 20, используется подшипник для высокой радиальной нагрузки, т.е. подшипник, разработанный, в принципе, для выдерживания нагрузки в направлении, перпендикулярном оси 32 ротора 20. Для управления и фиксации осевого положения ротора 20, используется упорный подшипник, т.е. подшипник, выдерживающий высокую нагрузку, параллельную оси 32 вращения. Для управления и фиксации как радиального, так и осевого положения ротора 20 относительно как радиальных, так и осевых тяговых (осевых) нагрузок, могут быть использованы различные комбинации шариковых, роликовых, упорных, конических, или сферических подшипников.
Особенно важным здесь является использование пары предварительно нагруженных подшипников. Такая конфигурация подшипников точно определяет ось вращения ротора 20 и точно фиксирует его осевое положение. В качестве примера и как показано на фиг. 8, подшипниковый узел 38 имеет корпус 72 подшипника, т.е. часть корпуса 11 устройства, и содержит пару предварительно нагруженных, радиаль-но-упорных шариковых подшипников 3 0 и 31, установленных на плечах 76 и 78 корпуса 72 подшипника. Зазор 80, образованный стороной 82 фланца 84, дорожкой 92 подшипника и концевой стороной 86 ступицы 28, позволяет плечам 88 и 89 фланца 84 и концу 24 ротора, соответственно, прилагать силу сжатия к внутренним дорожками 92 и 94 подшипников 30 и 31 в результате затягивания гайки и болта, 95 и
97.
По мере того как плечи 88 и 89 сжимают внутренние дорожки 92 и 94 друг к другу в пространстве 93 между дорожками 92 и 94, шарики 90 и 91 подшипника вдавливаются сжимающей силой в наружные дорожки 96 и 98. Кольцо 99, помещенное на ступицу 28, предотвращает приложение к подшипникам 30 и 31 избыточной нагрузки. Кольцо 99 немного короче, чем расстояние между плечами 76, 78 на корпусе подшипника.
На фиг. 5А, 6, и 9 проиллюстрирована другая конфигурация предварительно нагруженного подшипника, в которой предварительно нагружающая проставка 85 заменяет плечо 88 на фланце 84. Соприкосновение фланца 84 с концом ступицы 28 во время процесса предварительного нагружения предотвращает приложение к подшипникам 30 и 31 избыточной нагрузки и выполняет функцию, подобную функции кольца 99 на фиг. 8.
Предварительное нагружение использует преимущество факта того, что изгибание уменьшается по мере того, как увеличивается нагрузка, таким образом, предварительное нагружение ведет к уменьшенному изгибанию ротора, когда дополнительные нагрузки прилагаются к ротору 20 в дополнение к нагрузкам предварительно нагруженного состояния. Следует понимать, что может быть использовано широкое разнообразие конфигураций предварительно нагруженного подшипника, и что иллюстрации на фиг. 5А, 6, 8 и 9 являются иллюстративными и не ограничивают какой либо конкретной конфигурацией предварительно нагруженного подшипника.
Посредством использования пары предварительно нагруженных подшипников в подшипниковом узле 38, задаются как осевое положение, так и радиальное положение наружного ротора 20. В результате, возможно контролировать постоянные зазоры у сопряжений U, V, W и Y, т.е. 1) у сопряжения между концевой стороной 8 ступицы 7 и внутренней стороной 9 конца 24 (сопряжение U), 2) у сопряжения между наружной стороной 27 концевой пластины 24 и стороной 74 элемента 72 корпуса (сопряжение W), 3) у сопряжения между концевой стороной 26 ротора 20 и внутренней стороной 16 концевой пластины 14 (сопряжение Y), и 4) у сопряжения между радиальным краем 29 ротора 20 и внутренним радиальным краем 19 части 12 корпуса (сопряжение V).
Предпочтительно постоянные зазоры у сопряжений V и W сохраняются на расстоянии, большем, чем граничный слой рабочей текучей среды, используемой в устройстве 10. Постоянный зазор у сопряжения Y сохраняется на расстоянии, которое представляет собой функцию перепускной утечки и сил сдвига рабочей текучей среды. Зазор у сопряжения U является достаточным для предотвращения соприкосновения концевой стороны 8 ступицы 7 с внутренней стороной 9 наружного конца 24 ротора.
Как показано на фиг. 5А, устройство 10 может быть выполнено так, чтобы внутренний ротор 40 имел соосную ступицу 42, проходящую нормально и в направлении от зубчатой части ротора 40, причем валовая часть ступицы 42 установлена в корпусе 11 с подшипниковым узлом 51. Как показано, корпус подшипникового узла 51 также выполняет функцию неподвижной концевой пластины 14 корпуса 11. Подшипниковый узел 51 имеет подшипник качения, такой как шариковый подшипник 44 или 46, которые используются для установки оси 52 вращения или осевого положения ротора 40 или обоих. Установка осевого положения ротора 40 сохраняет постоянный зазор между одной из поверхностей внутреннего ротора 40 и другим ротором 20 или корпусом 11. В частности, подшипниковый узел 51 устанавливает расстояние постоянного зазора между 1) внутренней стороной 16 концевой пластины 14 и концевой стороной 56 внутреннего ротора 4 0 (сопряжение Z) или 2) расстояние между внутренней стороной 9 концевой пластины 24 ротора 20 и концевой стороной 54 внутреннего ротора 40 (сопряжение X). Предпочтительно расстояния постоянного зазора у сопряжения X или сопряжения Z или обоих сохраняются на оптимальном расстоянии так, чтобы сводить к минимуму как перепускную утечку, так и силы сдвига рабо
чей текучей среды.
Соответствующий подшипник 44 или 46 может быть выбран для задавания оси 56 вращения ротора 40, например радиально-упорный подшипник качения, или осевого положения ротора 40 в корпусе, например упорный подшипник качения. Пары подшипников с одним подшипником, устанавливающим ось 52 вращения, и другим подшипником, устанавливающим осевое положение, или конический подшипник качения могут быть использованы для управления как осевого положения ротора 40, так и для задавания его оси 52 вращения. Предпочтительно пара предварительно нагруженных подшипников используется для задавания как осевого, так и радиального положения внутреннего ротора 40 подобно тому, что описано выше для наружного ротора 20.
На фиг. 5А показана типичная конфигурация для пары предварительно нагруженных радиальных шариковых или радиально-упорных подшипников для внутренних роторов маленького размера или узкой осевой длины, которые не могут вмещать подшипники с адекватным размером/возможностью в отверстии ротора. Для роторов, которые являются достаточно большими, соосная ступица 42 может быть исключена, и вместо нее используется ступица 7, прикрепленная к концевой пластине 14. Ступенчатое отверстие 40а предусмотрено во внутреннем роторе 40, причем центральная ступень обеспечивает точки противодействия для сил предварительного нагружения подшипника. На фиг. 5В, ступица 7 имеет концевой фланец 7а, который противодействует силе предварительного нагружения от подшипника 44. Про-ставка 7b противодействует силе предварительного нагружения от подшипника 46 и образует постоянный зазор Z. Предварительно нагружающие шайбы могут быть предусмотрены между фланцем 7а и внутренней дорожкой подшипника 44. Болт 7с обеспечивает силу предварительного нагружения для подшипников и прикрепление ступицы 7 к концевой пластине 14. Показан единственный болт, но может быть использовано множество болтов или другая схема прикрепления.
На фиг. 5С изображен альтернативный вариант осуществления, в котором ступица 7 выполнена как неотъемлемая часть концевой пластины 14. Концевая крышка 7d с фланцем противодействует силе предварительного нагружения от внутренней дорожки подшипника 44. Болт 7е или другая схема прикрепления обеспечивает силу предварительного нагружения для подшипников.
Как показано на фиг. 5А, оптимальная конфигурация для уменьшения перепускной утечки и сил сдвига рабочей текучей среды включает в себя использование двух подшипниковых узлов 38 и 51, причем каждый из них использует пару предварительно нагруженных подшипников для задавания осей вращения и осевых положений внутреннего ротора 40 и наружного ротора 20. Такое устройство обеспечивает точное задавание постоянного зазора у сопряжений V, W, X, Y, и Z, с постоянным зазором у сопряжений V и W, заданным на расстоянии, большем, чем граничный слой рабочей текучей среды, используемой в устройстве 10, и с постоянным зазором у сопряжений X, Y, и Z, заданным, по существу, на оптимальном расстоянии для сведения к минимуму перепускной утечки и сил сдвига рабочей текучей среды. Конфигурация на фиг. 5А является предпочтительной относительно конфигурации фиг. 6 в том, что постоянные зазоры у сопряжений X, Y, и Z не подвержены воздействию неуравновешенных гидравлических сил на роторах 20 и 40. В качестве альтернативы, и как показано на фиг. 9, упорный подшипник 216 может быть встроен в основную конструкцию фиг. 6 для более точного управления зазора у сопряжений X и Z. По мере того как в устройстве увеличивается рабочее давление, неуравновешенные гидравлические силы на внутреннем роторе 40 стремятся прижать его к неподвижной пластине 14 окна. Если давление становится достаточно высоким. гидравлическая сила может превысить гидродинамическую силу пленки текучей среды между ротором 40 и концевой пластиной 14, приводя к возникновению соприкосновения. Добавление упорного подшипника 216 в канавку либо в концевой пластине 14, либо во внутреннем роторе 40, т.е. между внутренним ротором 40 и пластиной 14, исключает соприкосновение поверхностей и дополнительно задает минимальный постоянный зазор у сопряжения Z.
Вариант осуществления, показанный на фиг. 6 и 8, является, наверное, самой простой конфигурацией, использующей предварительно нагруженную пару подшипников качения на наружном роторе и игольчатый роликовый подшипник на внутреннем роторе. Он является практичным для комплектов ротора с малым количеством зубьев, где диаметр сплошной сердцевины внутреннего ротора является, по существу, маленьким, и где разность давлений на протяжении устройства является маленькой. При малых разностях давлений, зазоры X и Z выполняют функцию подшипников с гидродинамической пленкой и центрируют внутренний ротор в камере, ограниченной концевой пластиной 14 и концевой пластиной 24 наружного ротора.
Когда вариант осуществления, показанный на фиг. 9, используется как расширитель, при увеличенной разности на протяжении устройства сила давления текучей среды может преодолеть несущую способность гидродинамической пленки у зазора Z. Упорный подшипник 216 добавлен для противодействия нагрузке и сохранения должного зазора. Это, тем не менее, увеличивает сложность устройства, в дополнение к введению сложности изготовления точных глубоко просверленных отверстий. Также, если на протяжении устройства происходит реверс давления, например при прокрутке двигателя, осевые силы на внутреннем роторе реверсируют, и несущая способность гидродинамической пленки у зазора X преодолевается. Решение с упорным подшипником не жизнеспособно в этом сопряжении, поскольку обе подвижные части не являются соосными, несмотря на то, что относительная скорость между поверхностями
является маленькой.
Вариант осуществления, показанный на фиг. 4 и 5А, использует предварительно нагруженные подшипники качения как на внутреннем, так и на наружном роторах и решает возможные проблемы работы, встречающиеся в варианте осуществления, показанном на фиг. 6, 8, и 9. Вариант осуществления, показанный на фиг. 4 и 5А, является особенно подходящим для маленьких устройств и устройств с короткой длиной ротора. Силы давления текучей среды в камерах ротора создают нагрузку, перпендикулярную оси внутреннего ротора, которая получает противодействие как соединение на подшипниках 4 4 и 46. Это вызывает потребность в более прочных подшипниках и в адекватном расстоянии между ними, что требует, чтобы концевая пластина 14 была толще или чтобы была добавлена вытянутая выпуклость на наружной поверхности пластины 14 для вмещения подшипников. К тому же, пластина крышки, которая должна быть шире, чем подшипник 46, требуется для герметичного и содержащего высокое давление устройства. Поскольку подключаемые трубопроводы 2, 4 для камер ротора вводятся через концевую пластину 14 (фиг. 4), подшипники 44, 46 и пластина крышки соперничают за пространство с доступом к окну.
Поскольку устройства развиваются для более крупных энергий при более высоких давлениях и отношениях давлений, варианты осуществления, показанные на фиг. 5В и 5С, становятся практическим решением для всех упомянутых выше проблем. Предварительно нагруженная пара подшипников качения с достаточной несущей способностью может быть расположена в отверстии внутреннего ротора 40, посредством этого исключая вынужденное присоединение и введение подшипников в концевой пластине 14 и соответствующую пластину крышки, таким образом, обеспечивая всю область концевой пластины для подключения.
При использовании в качестве двигателя в конфигурациях цикла Ренкина, устройство, как описано в этом документе, обеспечивает несколько улучшений по сравнению с устройствами турбинного типа, в которых конденсированная текучая среда является разрушительной для конструкции лопаток турбины, и, в результате, необходимо предотвращать двухфазное образование при использовании устройств с лопатками. Фактически, двухфазные текучие среды могут быть использованы для преимущества, заключающегося в увеличении эффективности этого устройства. Таким образом, при использовании с текучими средами, которые склонны к перегреву, энтальпия перегрева может быть использована для испарения дополнительной рабочей жидкости, когда устройство используется как расширительный двигатель, таким образом увеличивая объем пара и обеспечения дополнительной работы по расширению. Для рабочих текучих сред, которые склонны к конденсации при расширении, максимальная работа может быть извлечена, если допущена некоторая конденсация в расширительном двигателе 10. При использовании текучих сред в смешанной фазе, расстояние постоянного зазора должно быть задано для сведения к минимуму потерь на перепускную утечку и сдвиг текучей среды при данном отношении жидкости и пара в двигателе 10.
На фиг. 9-11 показано настоящее устройство, используемое в типичном цикле Ренкина. Как видно на фиг. 11, пар высокого давления (включающий в себя некоторое количество перегретой жидкости) из испарителя 230 выполняет функцию движущей силы для приведения устройства 10 в качестве двигателя или первичного движителя и передается от испарителя 230 к входному окну 15 через трубопровод 2. Пар низкого давления покидает устройство через выпускное окно 17 и проходит к конденсатору 240 через трубопровод 4. Жидкость перекачивается из конденсатора 240 через трубопровод 206 посредством насоса 200 к испарителю 230 через трубопровод 208, после чего цикл повторяется.
Как видно на фиг. 9 и 10, насос 200 конденсата может быть приведен с вала 210, приводимого наружным ротором 20. Когда используется "неподвижный" агрегат внутреннего ротора (фиг. 5А), насос конденсата может быть приведен непосредственно валом 42 внутреннего ротора.
Использование встроенного насоса 200 конденсата способствует общей эффективности системы в виду факта того, что отсутствуют потери на преобразование энергии к насосу, отделенному от двигателя. Герметичное содержание рабочей текучей среды достигается легко, так как утечка вокруг вала 210 насоса 200 направлена в корпус 11 двигателя. Как показано, устройство 10 может быть легко герметизировано посредством добавления второго кольцевого элемент 5 корпуса и второй концевой пластины 6. В качестве альтернативы элемент 5 корпуса и концевая пластина 6 могут быть объединены во встроенный концевой колпачок (не показан). Герметизация на вале 210 насоса не требуется и потери на герметизацию исключены.
Поскольку насос 200 конденсата синхронизирован с двигателем 10, массовый расход текучей среды в циклах типа Ренкина является одинаковым на всем протяжении двигателя 10 и насоса 210 конденсата. С синхронизированными двигателем и насосом, производительность насоса конденсата является точной при любой скорости двигателя, посредством этого исключая потерянную мощность от использования насосов с избыточной производительностью.
В обычных применениях, некоторая перепускная утечка происходит у сопряжения Y (между стороной 26 внутреннего ротора и внутренней стороной 16 концевой пластины 14) в наружные границы внутренней части корпуса 11, например сопряжения V и W и пространства, такие как пустые пространства 212 и 214. Такое накопление текучей среды, особенно в постоянном зазоре у сопряжений V и W, ведет к
нежелательным потерям текучей среды при сдвиге. Для исключения таких потерь, используется простой проход, такой как трубопровод 204, для сообщения внутренней части корпуса 11 со стороной низкого давления устройства 10. Таким образом, для расширительного двигателя, внутренняя часть корпуса дренируется к выпускному трубопроводу 4 посредством трубопровода 204 (фиг. 11). Такое дренирование также сводит к минимуму нагрузку на корпус 11, которая является особенно проблематичной, когда неметаллические материалы используются для конструкции, по меньшей мере, частей корпуса 11, как, например, когда устройство 10 связано с наружным приводом посредством соединительного окна, например с использованием магнитного привода в пластине 84, т.е. присоединено к другой магнитной пластине (не показана) через немагнитное окно 6.
Обычно устройство 10 работает наиболее эффективно, когда давление во внутренней части корпуса (в камере кожуха) сохраняется между входным и выпускным давлениями. Положительное давление в кожухе сводит на нет часть перепускной утечки у сопряжения Y. Прокладки 218 корпуса используются должным образом. Клапан регулировки давления, такой как автоматический или ручной дроссельный клапан 220, позволяет оптимизировать давление корпуса для максимальной рабочей эффективности.
Размеры компонентов устройства 10 в целом продиктованы требованиями применения, в частности, диапазоном давления текучей среды. Боле конкретно, применения, использующие текучие среды под высоким давлением, требуют более грузоподъемные (и обычно более крупные) подшипники 44, 46 внутреннего ротора. Скорость ротора также является важным фактором для обеспечения того, чтобы катящиеся элементы в подшипниках катились и не скользили или волочились. Например, в одном варианте осуществления устройство с внутренним ротором с фиг. 5В или фиг. 5С может быть выполнено для использования в цикле извлечения энергии из неиспользуемого тепла потока текучей среды. Текучая среда может иметь входную температуру около 210°F под давлением примерно 250 фунтов на квадратный дюйм. Подшипники 44, 46 могут быть вставлены во внутренний ротор, имеющий диаметр отверстия примерно два дюйма, причем размер продиктован, в первую очередь, давлением текучей среды и соответствующей нагрузкой на подшипники. В этом варианте осуществления внутренний ротор 40 может иметь восемь выступов, и наружный ротор 20 может иметь девять выступов. Текучая среда входит во входной проход 15, приводит внутренний ротор 40 относительно наружного ротора 20, и выходит из выходного прохода 17 с, по существу, пониженной температурой, например от около 150°F до около 160°F, приводя к разности температур от около 50°F до около 60°F. Внутренний ротор 40 и наружный ротор 20 могут быть приведены во вращение около 3700 об/мин для грубого совпадения с синхронной скоростью 3600 двухполюсного электрического генератора плюс проскальзывание. Расход через устройство 10 может зависеть от используемой текучей среды. Устройство не ограничено этими размерами или рабочими параметрами, поскольку они представлены только для иллюстрирования одного возможного варианта осуществления.
Другой вариант осуществления устройства с трохоидальным зубчатым колесом изображен на фиг. 12А и 12В. В этом варианте осуществления устройство 310 включает в себя несколько таких же компонентов, как описано выше, с одинаковыми компонентами, обозначенными одинаковыми номерами. Устройство 310 может быть идентично устройству 10, с изменениями, как описано и изображено. Эти одинаковости могут включать в себя то, что устройство 310 имеет корпус 312 с центральной частью, образующей отверстие, и концевую пластину 314 с окнами 315 и 317. В зависимости от того, как выполнено устройство 310, окно 315 может быть входным проходом, и окно 317 может быть выходным проходом, или наоборот. Для этого описания, окно 315 будет описано как если бы оно было входным проходом.
Устройство 310 также может включать в себя наружный ротор 320, расположенный с возможностью вращения внутри отверстия центральной части, и внутренний ротор 340. Наружный ротор 320 может образовывать охватывающий зубчатый профиль 321. Охватывающий зубчатый профиль 321 образует впадины 32 4, находящиеся, по существу, на одинаковом расстоянии друг от друга вокруг оси наружного ротора 320 (с выступами между впадинами 324). Внутренний ротор 340 может образовывать охватываемый зубчатый профиль 341. Охватываемый зубчатый профиль 341 может включать в себя множество выступов 349, выполненных с возможностью зацепления наружного ротора 320 (с впадинами между выступами 349). В этом варианте осуществления наружный ротор 320 имеет пять впадин 324, тогда как внутренний ротор 340 имеет четыре выступа. Наружный край входного прохода 315 может быть образован путем вращения впадины 324 наружного ротора, и внутренний край входного прохода 315 может быть образован путем вращения диаметра впадины внутреннего ротора 340, как изображено на фиг. 12В. Ведущий край 380 и задний край 381 входного прохода 315 могут быть, по существу, прямыми.
Поскольку наружный ротор 320 и внутренний ротор 340 не расположены соосно, выступ 349 внутреннего ротора полностью зацеплен только с впадиной 324 наружного ротора в конкретной окружной ориентации. В некоторых вариантах осуществления это может происходить прямо перед тем, как впадина 324 пройдет над входом 315. По мере того как внутренний ротор 340 и наружный ротор 320 постепенно вращаются, вхождение текучей среды в каждый объем камеры ротора доступно только на небольшом угле K дуги, ограниченном соответствующим профилем выступа наружного ротора, соответствующим профилем впадины внутреннего ротора, и задним краем 381 входного прохода 315.
На фиг. 13А и 13В изображено устройство 410, подобное устройству 310, которое наиболее заметно
имеет входной проход 415 и наружный ротор 420 другой формы для создания последовательности каналов во впадинах 424 наружного ротора, которые сообщаются с объемами камеры ротора, образованными внутренним и наружным роторами 440, 420 и входным окном 415. Входной проход 415 может быть образован дугообразной формы в концевой пластине 414. Входной проход 415 может обнаруживать радиальную высоту Q, определенную радиальной разницей между внутренним краем и наружным краем входного прохода 415. Радиальная высота Q может быть наименьшей у ведущего края входного прохода 415. Когда роторы 420, 440 вращаются против часовой стрелки (как изображено на фиг. 13А), ведущим краем входного прохода 415 является край 480. Окончание входного прохода 415 может быть образовано задним краем 481, как изображено на фиг. 13А. Каждый из ведущего края 480 и заднего края 481 может, по существу, совпадать по форме или кривизне с соответствующими совмещенными частями наружного ротора 420 у концевой стороны 441 канала. Совпадающие формы обеспечивают, по существу, мгновенное открывание и закрывание входного прохода 415 соответственно, поскольку соответствующие геометрии помогают гарантировать то, что входной проход 415 не будет медленно открываться на основании формы ведущего края 480 (например, медленно открывая треугольник, как, например, при скольжении прямоугольника от вершины к основанию), или медленно закрываться на основании формы заднего края 481. Это описано более подробно со ссылкой на фиг. 14А и 14В ниже. Текучая среда может свободно течь в соответствующий объем камеры ротора между открыванием и закрыванием входного прохода
415.
Окружную протяженность R входного прохода 415 может быть образовано как окружная длина между ведущим краем 480 и задним краем 481. Радиальная высота Q может быть такой же у заднего края 481 как у ведущего края 480, и даже может быть, по существу, постоянной на всем протяжении окружной протяженности R входа. В качестве альтернативы, радиальная высота Q входа может изменяться на всем протяжении окружной протяженности R входа, как, например, имея наружный край, образованный путем вращения впадины 424 наружного ротора 420, и внутренний край, образованный путем вращения вершины выступа внутреннего ротора 440, приводя к переменному входному проходу 415', как изображено пунктирным продлением исходного входного прохода 415 на фиг. 13А. Изменение радиальной высоты Q входа может изменить поток через входной проход 415' и эффективность устройства 410. Окружную протяженность R может изменяться и может проходить в диапазоне до около 180°, или в диапазоне до около окружной протяженности, образованного расстоянием двух смежных впадин 424 наружного ротора. При этой окружной протяженности, входной проход 415 всегда будет сообщаться по меньшей мере с одной впадиной 424. Это может помочь предотвратить пульсацию устройства 410, которая может возникнуть, когда входной проход 415 герметизирован, посредством этого моментально останавливая поток текучей среды во входном проходе 415, пока следующий канал впадины наружного ротора не будет сообщаться с входным проходом 415.
Как с устройством 310, мертвый объем канала (или объем канала) определяется как пространство между выступом 449 внутреннего ротора и соответствующей впадиной 424 наружного ротора, когда они полностью зацеплены, что происходит, когда радиальное расстояние между соответствующими выступами 449 внутреннего ротора и впадиной 424 наружного ротора является минимальным. Этот канал включает в себя радиальную высоту S, окружную протяженность Т, и глубину U. Радиальная высота S и окружную протяженность Т изображены у концевой стороны канала на фиг. 13А. Радиальная высота Q входа может быть, по существу, равной радиальной высоте S канала у концевой стороны 441 канала, в частности у ведущего края 480 входа. Концевая сторона 441 канала может быть радиально расположена, по существу, в таком же радиальном положении, что и входной проход 415, чтобы, когда концевая сторона 441 канала и входной проход 415 совмещены в окружном направлении, между ними существовала достаточная величина перекрытия. В некоторых вариантах осуществления входной проход 415 может полностью перекрывать концевую сторону канала. Края входного прохода 415 могут, по существу, совпадать с концевой стороной 441 канала, как изображено на фиг. 13В. Большая часть канала может быть образована впадинами 424. Объем канала можно контролировать посредством изменения наружного ротора 420. наружные стенки впадин 424 у концевой стороны 441 канала могут быть расположены ради-ально на расстоянии от вершины выступа 449 внутреннего ротора 440 при полном зацеплении с наружным ротором 420 на радиальную высоту S канала, тогда как нижняя часть наружной стенки может находиться почти в соприкосновении с вершиной 449 выступа, опять же, как изображено на фиг. 13В. В этом варианте осуществления стенка впадины 424 изменяется в радиальном направлении как функция глубины U канала. Результатом изменения может являться множество разных форм наружных стенок, таких как прямолинейные, вогнутые, или выпуклые стенки. В других вариантах осуществления радиальная высота S мертвого объема может быть, по существу, постоянной для любой точки вдоль глубины U канала, приводя к впадине 424, по существу, с постоянной площадью поперечного сечения. В иных вариантах осуществления по меньшей мере одна боковая стенка канала (стенки выступов наружного ротора) может изменяться в окружном направлении как функция глубины U канала, как изображено на фиг. 13С и 13D. Результатом этого изменения может быть множество разных форм боковых стенок, таких как прямолинейные, вогнутые или выпуклые стенки.
Во время работы, для устройств 310, 410, текучая среда течет от входного прохода 315, 415 (или
415') через площадь открытого окна, которая может быть образована как площадь поперечного сечения входного прохода 315, 415 (или 415'), через которую текучая среда может течь в объем камеры ротора, образованный роторами 320, 340, 420, 440. На фиг. 14А и 14В изображены графические представления того, как площадь открытого окна могла бы изменяться для каждого устройства (устройство 310 на фиг. 14А, устройство 410 на фиг. 14В с альтернативным входным проходом 415') как функция вращательного положения наружного ротора 420. Изначально, для каждого устройства 310, 410, входной проход 315, 415' закрыт, и затем он разгерметизируется (окно открыто) для того, чтобы стать обнаженным для соответствующего объема камеры ротора. Для устройства 310, эта величина является минимальной, как обсуждено выше, и линия остается рядом с нулем. Тем не менее, для устройства 410, доступ к объему камеры ротора через канал значительно больше, и площадь открытого окна увеличивается, по существу, мгновенно до площади концевой стороны канала у сопряжения входного прохода 415' по мере того, как входной проход 415' открывается. Для каждого из устройств, площадь для вхождения текучей среды в объем камеры ротора, нормальная к сторонам ротора (или площадь открытого окна) медленно увеличивается по мере того, как выступ 349, 449 начинает выходить из впадины 324, 424. Сначала, это увеличение является маленьким, но быстро увеличивается по мере того, как выступ 349, 449 продолжает поворачиваться от впадины 324, 424, до тех пор, пока входной проход 315, 415' не начнет закрываться (сразу после максимумов на фиг. 14А и 14В). Изменение площади открытого окна является более резким на фиг. 14А, поскольку максимальная площадь открытого окна ограничена площадью, образованной пространством между выступом 321 наружного ротора, впадиной 340 внутреннего ротора, и краем 381 окна в устройстве 310; тогда как максимальная площадь открытого окна на фиг. 14В быстро достигается и остается эффективно постоянной на протяжении изменения камеры. Следовательно, график на фиг. 14В выглядит как имеющий, по существу, профиль постоянной открытой площади входного прохода.
Графики также отличаются, когда входной проход 315, 415' начинает закрываться. Для устройства 310, вход 315 герметизируется по мере того, как острый угол дуги, образованный между внутренним ротором 340 и наружным ротором 320 (обозначен как "K" на фиг. 12В), перемещается за конец 381 входного прохода. Несмотря на то, что площадь открытого окна уменьшается с большей скоростью, чем она увеличивается, все еще существует что-то вроде плавного наклона на графике во время опускания, поскольку входной проход 415' не герметизируется, по существу, мгновенно после максимальной площади открытого окна. С другой стороны, когда площадь открытого окна на фиг. 14В достигает максимума, входной проход 415' герметизируется (окно закрыто), по существу, мгновенно, так что площадь открытого окна возвращается к нулю. Это может быть достигнуто через использование соответствующих форм, как описано ранее. Когда входной проход 315, 415' закрывается, текучая среда расширяется в объеме камеры ротора до максимального расширенного объема, до тех пор, пока не будет выпущена из выхода 317, 417. Конечным результатом является то, что график на фиг. 14А представляет колоколообразную кривую с медианой, сдвинутой вправо, тогда как график на фиг. 14В представляет ступенчатую функцию, или вершину шляпы, с быстрым увеличением, выравниванием, и быстрым уменьшением.
Как подробно описано, устройство 410 создает, по существу, постоянную протяженность площади для каждого объема камеры ротора. Это, совместно с быстрым вхождением и отсечением потока текучей среды в камеру ротора, может помочь конструктору аккуратно определить степень расширения устройства 410. Для увеличения степени расширения устройства, длительность времени открытого окна (время от "окно открыто" до "окно закрыто") может быть уменьшена (что может быть достигнуто посредством уменьшения окружной протяженности R входа для данной рабочей скорости вращения). Как может быть понятно на фиг. 14А, уменьшение длительности времени открытого окна может сильно уменьшить площадь открытого окна для устройства, выполненного как устройство 310. С другой стороны, с использованием устройства, которое следует одной из кривых на фиг. 14В, такого как устройство 410, время открытого окна может быть уменьшено без принесения в жертву значительной площади открытого окна, что может привести к увеличенной степени расширения. Например, устройство 310 может иметь практическую степень расширения около 2,0, тогда как устройство 410 может иметь практическую степень расширения 10 или больше. В соответствующих вариантах осуществления устройство 310 может иметь степень расширения примерно 1,7 с тепловой эффективностью относительно органического цикла Рен-кина примерно 0,06, тогда как устройство 410 может иметь степень расширения примерно 5,6 с тепловой эффективностью относительно органического цикла Ренкина примерно 0,13. Максимальный расширенный объем может быть во много раз больше, чем объем канала, так, чтобы возможные потери эффективности из наличия дополнительного мертвого объема в устройстве 410 были учтены с запасом посредством улучшений в приведении роторов 420, 440. Величины графиков будут изменяться на основании разных параметров используемых устройств, но формы должны оставаться грубо такими же, как изображено тремя кривыми изменяющейся величины на каждой из фиг. 14А и 14B.
Возможно, что могут быть использованы изменения конфигураций на отличающиеся от показанных, но те, которые показаны, являются предпочтительными и типичными. Без отхода от сущности этого изобретения могут быть использованы различные средства прикрепления компонентов друг к другу.
Следовательно, понятно, что, несмотря на то, что настоящее изобретение было конкретно описано с предпочтительным вариантом осуществления и примерами, модификации конструкции, касающиеся
размеров и формы, будут понятны специалистам в данной области техники, и такие модификации и изменения считаются эквивалентными или лежащими в объеме раскрытого изобретения и прилагаемой формулы изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Вращающееся устройство передачи энергии текучей среды, содержащее:
(a) корпус, содержащий:
(1) центральную часть с отверстием;
(2) концевую пластину с дугообразными входным и выходным проходами, каждый из которых имеет радиальную высоту и окружную протяженность;
(b) наружный ротор, выполненный с возможностью вращения в отверстии центральной части корпуса и содержащий в радиальной части охватывающий зубчатый профиль со множеством впадин;
(c) внутренний ротор с охватываемым зубчатым профилем, множество выступов которого функционально взаимодействуют с наружным ротором, при этом радиальный зазор между впадиной наружного ротора и соответствующим выступом внутреннего ротора вместе с концевыми пластинами образует камеру с концевой стороной, имеющей радиальную высоту, которая, по существу, равна радиальной высоте входного прохода у его переднего края.
2. Устройство по п.1, в котором концевая сторона камеры и входной проход имеют, по существу, одинаковое радиальное расположение.
3. Устройство по п.2, в котором передний край входного прохода, по существу, совпадает и выровнен с формой соответствующей зубчатой части наружного ротора у концевой пластины для обеспечения, по существу, мгновенного открывания входного прохода.
4. Устройство по п.2, в котором задний край входного прохода, по существу, совпадает и выровнен с формой соответствующей зубчатой части наружного ротора у концевой пластины для обеспечения, по существу, мгновенного закрывания входного прохода.
5. Устройство по п.1, в котором радиальная высота входного прохода, по существу, постоянна вдоль его окружной протяженности.
6. Устройство по п.1, в котором радиальная высота входного прохода переменна вдоль его окружной протяженности.
7. Устройство по п.6, в котором наружный край входного прохода ограничен дугой, образованной вращением дна впадины наружного ротора, и внутренний край входного прохода ограничен дугой, образованной вращением вершины выступа внутреннего ротора.
8. Устройство по п.1, в котором входной проход выполнен с окружной протяженностью до примерно 180°.
9. Устройство по п.1, в котором входной проход выполнен с окружной протяженностью до примерно окружного шага впадин наружного ротора.
10. Устройство по п.1, в котором профиль наружной стенки каждой впадины выполнен переменным в радиальном направлении и по глубине.
11. Устройство по п.10, в котором профиль наружной стенки выбран из группы, состоящей из прямолинейного, вогнутого и выпуклого.
12. Устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, профиль одной боковой стенки каждой впадины выполнен переменным в окружном направлении и по глубине.
13. Устройство по п.12, в котором, по меньшей мере, профиль одной боковой стенки выбран из группы, состоящей из прямолинейного, вогнутого и выпуклого.
14. Устройство по п.1, в котором профиль наружной стенки каждой впадины, по существу, постоянен в радиальном направлении и по глубине.
15. Способ изготовления устройства по п.1, при котором:
(a) обеспечивают корпус, содержащий:
(1) центральную часть с отверстием;
(2) концевую пластину с дугообразными входным и выходным проходами, каждый из которых имеет радиальную высоту и окружную протяженность;
(b) в отверстии центральной части корпуса устанавливают с возможностью вращения наружный ротор, содержащий в радиальной части охватывающий зубчатый профиль со множеством впадин;
(c) устанавливают внутренний ротор с имеющим множество выступов охватываемым зубчатым профилем с радиальным зазором между впадиной наружного ротора и соответствующим выступом внутреннего ротор так, чтобы обеспечить их функциональное взаимодействие;
(d) образуют камеры между концевыми пластинами, причем каждая камера имеет окружную протяженность, глубину и радиальную высоту у концевой стороны, по существу, равную радиальной высоте входного прохода у его переднего края.
16. Способ по п.15, при котором сторону камеры у концевой пластины и входной проход устанав-
ливают, по существу, в одинаковом радиальном положении.
17. Способ по п.16, при котором сторону камеры у концевой пластины и входной проход дополнительно выполняют так, что открытая площадь, по существу, постоянна при вращении наружного ротора.
18. Способ по п.16, при котором ведущий край входного прохода выполняют, по существу, совпадающим и выровненным с формой соответствующей зубчатой части наружного ротора у стороны камеры возле концевой пластины для обеспечения, по существу, мгновенного открывания входного прохода, и задний край входного прохода выполняют, по существу, совпадающим и выровненным с формой соответствующей зубчатой части наружного ротора у стороны камеры возле концевой пластины для обеспечения, по существу, мгновенного закрывания входного прохода.
19. Способ по п.16, при котором входной проход дополнительно выполняют с окружной протяженностью для управления степенью расширения устройства.
20. Способ по п.16, при котором входной проход дополнительно выполняют с окружной протяженностью для управления пульсацией устройства.
21. Способ по п.16, при котором входной проход дополнительно выполняют с радиальной высотой для управления, по меньшей мере, потоком из входного прохода в объем камеры.
22. Способ по п.21, при котором наружный край входного прохода выполняют с дугой, образованной вращением дна впадины наружного ротора, и внутренний край входного прохода выполняют с дугой, образованной вращением вершины выступа внутреннего ротора.
23. Способ по п.15, при котором наружный ротор дополнительно модифицируют для управления объемом канала.
24. Способ по п.23, при котором модифицируют профиль наружной стенки каждой впадины наружного ротора.
25. Способ по п.24, при котором профиль каждой наружной стенки модифицируют в радиальном направлении и по глубине как один из линейного, вогнутого и выпуклого.
26. Способ по п.23, при котором модифицируют, по меньшей мере, профиль одной боковой стенки каждой впадины наружного ротора.
27. Способ по п.26, при котором профиль каждой боковой стенки модифицируют в окружном направлении и по глубине как один из линейного, вогнутого и выпуклого.
17.
17.
17.
17.
17.
17.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
026027
026027
- 1 -
- 1 -
(19)
026027
026027
- 1 -
- 1 -
(19)
026027
026027
- 1 -
- 1 -
(19)
026027
026027
- 4 -
- 3 -
026027
100
026027
- 15 -
- 16 -
026027
100
026027
- 15 -
- 16 -
026027
100
026027
- 17 -
- 16 -
026027
026027
- 18 -
- 18 -