1. Машина с тороидальными перекрещивающимися лопастями, которая содержит удерживающую структуру, имеющую внутреннюю поверхность, первый ротор и по меньшей мере один перекрещивающийся второй ротор, установленный с возможностью вращения на указанной удерживающей структуре, в которой:

(a) первый ротор имеет множество первых лопастей, расположенных радиально на внутренней периферийной поверхности первого ротора, с промежутками между указанными первыми лопастями, и внутренняя поверхность удерживающей структуры образует множество первичных камер;

(b) впускной канал, который обеспечивает подачу текучей среды в указанную первичную камеру, и выпускной канал, который обеспечивает выпуск текучей среды из указанной первичной камеры;

(c) второй ротор имеет множество вторых лопастей, расположенных радиально на наружной периферийной поверхности второго ротора, с промежутками между вторыми лопастями и внутренней поверхностью удерживающей структуры, образующей множество вторых камер;

(d) первая ось вращения указанного первого ротора и вторая ось вращения указанного второго ротора расположены так, что указанные оси вращения не пересекаются, причем первый ротор, второй ротор, первые лопасти и вторые лопасти расположены таким образом, что указанные первые лопасти и указанные вторые лопасти пересекаются только в одном месте во время их вращения; и

(e) в котором вторые лопасти непосредственно вытесняют текучую среду внутри первичных камер и создают давление текучей среды в первичных камерах, при этом текучая среда во вторичных камерах, по существу, не находится под давлением.

2. Машина по п.1, в которой указанный впускной канал, по существу, не находится в связи по текучей среде с выпускным каналом той же первичной камеры.

3. Машина по п.2, в которой ведущие поверхности по меньшей мере двух последовательных первых лопастей находятся в контакте с замыкающими поверхностями по меньшей мере двух последующих вторых лопастей.

4. Машина по п.2, содержащая множество вторых роторов, установленных радиально вокруг указанной первой оси вращения, в которой вторичные камеры не находятся одновременно в связи по текучей среде с впускным каналом и выпускным каналом.

5. Машина по п.2, в которой удерживающая структура содержит множество секторов клинообразной формы, при этом вторые роторы установлены между соседними секторами.

6. Машина по п.2, в которой соотношение осевой ширины вторых лопастей к осевой ширине первых лопастей меньше чем 1:1.

7. Машина по п.6, в которой соотношение осевой ширины вторых лопастей к осевой ширине первых лопастей меньше чем 0,5:1.

8. Машина по п.2, в которой вторые лопасти перемещаются по второй траектории, и указанный выпускной канал расположен на второй траектории.

9. Машина по п.2, в которой впускной канал расположен проксимально к точке пересечения первых лопастей и вторых лопастей.

10. Машина по п.2, в которой расстояние между каждым из указанных вторых роторов одинаковое.

11. Машина по п.2, в которой расстояние между каждым из указанных вторых роторов разное.

12. Машина по п.2, в которой расстояние между по меньшей мере одной парой вторых роторов отличается от расстояния между по меньшей мере одной другой парой вторых роторов.

13. Машина по п.2, в которой расстояние между по меньшей мере двумя из указанных вторых роторов в точке пересечения меньше, чем длина первичной камеры.

14. Машина по п.2, в которой расстояние между по меньшей мере двумя из указанных вторых роторов в точке пересечения больше, чем длина первичной камеры.

15. Машина по п.2, в которой расстояние между по меньшей мере двумя из указанных вторых роторов в точке пересечения меньше, чем длина первичной камеры, и в которой расстояние между по меньшей мере двумя из указанных вторых роторов в точке пересечения больше, чем длина первичной камеры.

16. Машина по п.2, в которой вторые роторы имеют количество вторых лопастей, равное количеству указанных первых лопастей указанного первого ротора, разделенное на передаточное отношение, где передаточное отношение равно количеству оборотов каждого из вторых роторов, отнесенное к количеству оборотов первого ротора.

17. Машина по п.16, в которой указанное передаточное отношение составляет по меньшей мере 1:1.

18. Машина по п.16, в которой указанное передаточное отношение составляет по меньшей мере 1,5:1.

19. Машина по п.2, в которой машина имеет компоновку компрессора или насоса с наружным средством подачи входной мощности, соединенным для привода первого и/или второго роторов, или выполнена в компоновке расширителя с наружным средством использования выходной мощности, соединенным с первыми и/или вторыми роторами или их комбинацией.

20. Машина по п.2, в которой общая скорость потока текучей среды через первичные камеры составляет по меньшей мере 250 кубических футов в минуту при первой скорости первого ротора, по меньшей мере 1700 об./мин.

21. Машина по п.20, в которой скорость вторых роторов составляет по меньшей мере 3000 об./мин при максимальной скорости потока текучей среды в первичных камерах.

22. Машина по п.21, в которой объем первичной камеры составляет по меньшей мере около 0,75 кубических дюймов.

23. Машина по п.21, в которой объем вторичной камеры меньше чем около 0,5 кубического дюйма.

24. Машина по п.2, в которой по меньшей мере один выпускной канал первой первичной камеры находится в связи по текучей среде с впускным каналом второй первичной камеры.

25. Машина с тороидальными перекрещивающимися лопастями, которая содержит удерживающую структуру, имеющую внутреннюю поверхность, первый ротор и по меньшей мере один перекрещивающийся второй ротор, установленный с возможностью вращения на удерживающей структуре, в которой:

(a) первый ротор имеет множество первых лопастей, расположенных радиально на внутренней периферийной поверхности первого ротора, с промежутками между первыми лопастями, и внутренняя поверхность удерживающей структуры образует множество первичных камер;

(b) второй ротор имеет множество вторых лопастей, расположенных радиально на наружной периферийной поверхности второго ротора, с промежутками между вторыми лопастями и внутренней поверхностью удерживающей структуры, образующей множество вторичных камер;

(c) впускной канал, который обеспечивает подачу потока текучей среды во вторичную камеру и выпускной канал, который обеспечивает выпуск текучей среды из вторичной камеры;

(d) первая ось вращения первого ротора и вторая ось вращения второго ротора расположены так, что оси вращения не пересекаются, причем первый ротор, второй ротор, первые лопасти и вторые лопасти расположены таким образом, что первые лопасти и вторые лопасти перекрещиваются только в одном месте во время их вращения; и

(e) в котором первые лопасти непосредственно вытесняют текучую среду внутри вторичных камер и создают давление текучей среды во вторичных камерах, при этом текучая среда в первичных камерах, по существу, не находится под давлением.

 

(57) Реферат / Формула:
Машина с тороидальными перекрещивающимися лопастями, которая содержит удерживающую структуру, имеющую внутреннюю поверхность, первый ротор и по меньшей мере один перекрещивающийся второй ротор, установленный с возможностью вращения на указанной удерживающей структуре, в которой:

(a) первый ротор имеет множество первых лопастей, расположенных радиально на внутренней периферийной поверхности первого ротора, с промежутками между указанными первыми лопастями, и внутренняя поверхность удерживающей структуры образует множество первичных камер;

(b) впускной канал, который обеспечивает подачу текучей среды в указанную первичную камеру, и выпускной канал, который обеспечивает выпуск текучей среды из указанной первичной камеры;

(c) второй ротор имеет множество вторых лопастей, расположенных радиально на наружной периферийной поверхности второго ротора, с промежутками между вторыми лопастями и внутренней поверхностью удерживающей структуры, образующей множество вторых камер;

(d) первая ось вращения указанного первого ротора и вторая ось вращения указанного второго ротора расположены так, что указанные оси вращения не пересекаются, причем первый ротор, второй ротор, первые лопасти и вторые лопасти расположены таким образом, что указанные первые лопасти и указанные вторые лопасти пересекаются только в одном месте во время их вращения; и

(e) в котором вторые лопасти непосредственно вытесняют текучую среду внутри первичных камер и создают давление текучей среды в первичных камерах, при этом текучая среда во вторичных камерах, по существу, не находится под давлением.

2. Машина по п.1, в которой указанный впускной канал, по существу, не находится в связи по текучей среде с выпускным каналом той же первичной камеры.

3. Машина по п.2, в которой ведущие поверхности по меньшей мере двух последовательных первых лопастей находятся в контакте с замыкающими поверхностями по меньшей мере двух последующих вторых лопастей.

4. Машина по п.2, содержащая множество вторых роторов, установленных радиально вокруг указанной первой оси вращения, в которой вторичные камеры не находятся одновременно в связи по текучей среде с впускным каналом и выпускным каналом.

5. Машина по п.2, в которой удерживающая структура содержит множество секторов клинообразной формы, при этом вторые роторы установлены между соседними секторами.

6. Машина по п.2, в которой соотношение осевой ширины вторых лопастей к осевой ширине первых лопастей меньше чем 1:1.

7. Машина по п.6, в которой соотношение осевой ширины вторых лопастей к осевой ширине первых лопастей меньше чем 0,5:1.

8. Машина по п.2, в которой вторые лопасти перемещаются по второй траектории, и указанный выпускной канал расположен на второй траектории.

9. Машина по п.2, в которой впускной канал расположен проксимально к точке пересечения первых лопастей и вторых лопастей.

10. Машина по п.2, в которой расстояние между каждым из указанных вторых роторов одинаковое.

11. Машина по п.2, в которой расстояние между каждым из указанных вторых роторов разное.

12. Машина по п.2, в которой расстояние между по меньшей мере одной парой вторых роторов отличается от расстояния между по меньшей мере одной другой парой вторых роторов.

13. Машина по п.2, в которой расстояние между по меньшей мере двумя из указанных вторых роторов в точке пересечения меньше, чем длина первичной камеры.

14. Машина по п.2, в которой расстояние между по меньшей мере двумя из указанных вторых роторов в точке пересечения больше, чем длина первичной камеры.

15. Машина по п.2, в которой расстояние между по меньшей мере двумя из указанных вторых роторов в точке пересечения меньше, чем длина первичной камеры, и в которой расстояние между по меньшей мере двумя из указанных вторых роторов в точке пересечения больше, чем длина первичной камеры.

16. Машина по п.2, в которой вторые роторы имеют количество вторых лопастей, равное количеству указанных первых лопастей указанного первого ротора, разделенное на передаточное отношение, где передаточное отношение равно количеству оборотов каждого из вторых роторов, отнесенное к количеству оборотов первого ротора.

17. Машина по п.16, в которой указанное передаточное отношение составляет по меньшей мере 1:1.

18. Машина по п.16, в которой указанное передаточное отношение составляет по меньшей мере 1,5:1.

19. Машина по п.2, в которой машина имеет компоновку компрессора или насоса с наружным средством подачи входной мощности, соединенным для привода первого и/или второго роторов, или выполнена в компоновке расширителя с наружным средством использования выходной мощности, соединенным с первыми и/или вторыми роторами или их комбинацией.

20. Машина по п.2, в которой общая скорость потока текучей среды через первичные камеры составляет по меньшей мере 250 кубических футов в минуту при первой скорости первого ротора, по меньшей мере 1700 об./мин.

21. Машина по п.20, в которой скорость вторых роторов составляет по меньшей мере 3000 об./мин при максимальной скорости потока текучей среды в первичных камерах.

22. Машина по п.21, в которой объем первичной камеры составляет по меньшей мере около 0,75 кубических дюймов.

23. Машина по п.21, в которой объем вторичной камеры меньше чем около 0,5 кубического дюйма.

24. Машина по п.2, в которой по меньшей мере один выпускной канал первой первичной камеры находится в связи по текучей среде с впускным каналом второй первичной камеры.

25. Машина с тороидальными перекрещивающимися лопастями, которая содержит удерживающую структуру, имеющую внутреннюю поверхность, первый ротор и по меньшей мере один перекрещивающийся второй ротор, установленный с возможностью вращения на удерживающей структуре, в которой:

(a) первый ротор имеет множество первых лопастей, расположенных радиально на внутренней периферийной поверхности первого ротора, с промежутками между первыми лопастями, и внутренняя поверхность удерживающей структуры образует множество первичных камер;

(b) второй ротор имеет множество вторых лопастей, расположенных радиально на наружной периферийной поверхности второго ротора, с промежутками между вторыми лопастями и внутренней поверхностью удерживающей структуры, образующей множество вторичных камер;

(c) впускной канал, который обеспечивает подачу потока текучей среды во вторичную камеру и выпускной канал, который обеспечивает выпуск текучей среды из вторичной камеры;

(d) первая ось вращения первого ротора и вторая ось вращения второго ротора расположены так, что оси вращения не пересекаются, причем первый ротор, второй ротор, первые лопасти и вторые лопасти расположены таким образом, что первые лопасти и вторые лопасти перекрещиваются только в одном месте во время их вращения; и

(e) в котором первые лопасти непосредственно вытесняют текучую среду внутри вторичных камер и создают давление текучей среды во вторичных камерах, при этом текучая среда в первичных камерах, по существу, не находится под давлением.

 

---

010005
Сущность изобретения
В соответствии с этим целью настоящего изобретения является создание машины с тороидальными перекрещивающимися лопастями, в которой используются перекрещивающиеся роторы, для формирования первичной и вторичной камер в комбинации с каналами, в которых уменьшено трение и повышена эффективность. В частности, цель изобретения состоит в создании машины с тороидальными перекрещивающимися лопастями, включающей, но без ограничений, машину с самосинхронизирующимися тороидальными перекрещивающимися лопастями, в которой существенно уменьшены потери на трение в перекрещивающихся поверхностях, без необходимости использования наружных зубчатых передач. Это обеспечивается путем модификации функции одного или другого из роторов от "переключения текучей среды" до "клапанного управления", уменьшая, таким образом, нагрузку давления и ассоциированную с ней неэффективность на границе перехода перекрещивающихся поверхностей. Описанные здесь изобретения относятся к этим улучшениям.
Таким образом, изобретение включает машину с перекрещивающимися лопастями, содержащую удерживающую структуру, имеющую внутреннюю поверхность, первый ротор и по меньшей мере один перекрещивающийся второй ротор, предпочтительно множество вторых роторов, установленных с возможностью вращения на указанной удерживающей структуре, в которой:
(a) первый ротор имеет множество первых лопастей, расположенных радиально на внутренней периферийной поверхности первого ротора, с промежутками между первыми лопастями, и внутренняя поверхность удерживающей структуры образует множество первичных камер;
(b) впускной канал, который обеспечивает подачу текучей среды в первичную камеру, и выпускной канал, который обеспечивает выпуск отработанной текучей среды из первичной камеры;
(c) второй ротор имеет множество вторых лопастей, расположенных радиально на наружной периферийной поверхности второго ротора, с промежутками между вторыми лопастями и внутренней поверхностью удерживающей структуры, образующей множество вторичных камер;
(d) первая ось вращения указанного первого ротора и вторая ось вращения указанного второго ротора расположены так, что оси вращения не пересекаются, причем первый ротор, второй ротор, множество первых лопастей и вторых лопастей расположены таким образом, что указанные первые лопасти и указанные вторые лопасти (или примыкания) перекрещиваются только в одном месте во время их вращения; и
(e) в котором вторые лопасти непосредственно вытесняют первичные камеры и создают давление текучей среды в первичных камерах, при этом текучая среда во вторичных камерах, по существу, не находится под давлением.
Изобретение предпочтительно представляет собой машину с тороидальными перекрещивающимися лопастями. В одном варианте выполнения изобретение представляет собой машину с самосинхронизирующимися перекрещивающимися лопастями. Однако свойства, описанные здесь, можно применять к другим машинам с перекрещивающимися лопастями, и они также включают, например, машину с цилиндрическими перекрещивающимися лопастями.
В одном варианте выполнения вторые роторы расположены радиально вокруг первой оси вращения первого ротора. Удерживающая структура обычно содержит множество секторов клинообразной формы, причем вторые роторы установлены между соседними секторами. Секторы могут иметь одинаковый размер или разный размер, и в них может содержаться второй ротор или нет. Секторы при их комбинировании полностью заполняют круговую плоскость, параллельно плоскости вращения, созданной первым ротором. Сумма углов, образующих каждый клин, составляет 360°. Такая компоновка позволяет получить легко регулируемую машину, обладающую возможностью изменения скорости потока, разности давлений и т.д.
Таким образом, расстояние между каждым из вторых роторов (или каждой пары роторов) может быть одинаковым или разным. В одном варианте выполнения расстояние между по меньшей мере двумя вторыми роторами в точке пересечения с первым ротором меньше, чем длина первой лопасти и/или камеры. Такая компоновка позволяет использовать меньший объем первичной камеры, заполненной через впускной канал, чем объем камеры, в которой полностью отсутствует вторая лопасть. В другом варианте выполнения расстояние между по меньшей мере двумя вторыми роторами в точке пересечения с ротором больше, чем длина первой лопасти и/или камеры. Это обеспечивает максимальный объем текучей среды, которая может быть подана в первичную камеру. Еще один вариант выполнения может включать комбинации этих компоновок.
Поскольку первый и второй роторы пересекаются, пути передвижения (или траектория) первой и второй лопастей пересекаются. Выпускной канал может быть расположен проксимально к точке пересечения. В качестве альтернативы выпускной канал может быть расположен дистально к точке пересечения. В одном варианте выполнения выпускной канал может быть расположен вдоль пути перемещения вторых лопастей. Кроме того, впускной канал может быть расположен проксимально к точке пересечения первых лопастей и вторых лопастей или к точке пересечения путей перемещения. В случае, когда выпускные каналы и впускные порты расположены в каждой точке пересечения, выпускной канал может входить в контакт с перемещающейся первой лопастью до того, как первая лопасть войдет в контакт с
- 1 -
010005
впускным каналом. Выпускные каналы не имеют связи по текучей среде с впускными каналами.
Машина может быть скомпонована как компрессор, насос, расширитель или их комбинация. Она может включать внешний входной источник энергии, соединенный с приводом первого и/или второго роторов, или она может включать внешний выходной источник энергии. Она также может быть выполнена в компоновке двигателя внутреннего сгорания.
В одном варианте выполнения ведущие поверхности или кромка лопасти одного ротора осуществляют привод замыкающей поверхности или кромки лопасти другого ротора или торца с таким промежутком между лопастями, что они (лопасти) геометрически синхронизированы, что устраняет необходимость использования наружной зубчатой передачи. Например, ведущие поверхности по меньшей мере двух последовательных первых лопастей находятся в контакте с замыкающими поверхностями по меньшей мере двух последовательных вторых лопастей. Этот вариант выполнения основан на конструктивной особенности, присущей механизму с перекрещивающимися лопастями, которая обеспечивает взаимосвязанную их работу. Исключение внешнего устройства для наружной зубчатой передачи, таким образом, позволяет уменьшить сложность и снизить стоимость.
В одном варианте выполнения машина с самосинхронизирующимися тороидальными перекрещивающимися лопастями выполнена как компрессор, насос или расширитель или их комбинация, в то время как наружное средство подачи исходной входной мощности соединено со средством соединения центрального вала первого или второго роторов.
Машина может иметь широкий диапазон передаточных чисел. В одном варианте выполнения вторые роторы имеют количество вторых лопастей, равное количеству первых лопастей на первом роторе, разделенному на передаточное отношение, где передаточное отношение равно количеству оборотов каждого из указанных вторых роторов на оборот указанного первого ротора. Предпочтительно передаточное отношение составляет по меньшей мере 1:1, предпочтительно по меньшей мере 1,5:1 и более предпочтительно приблизительно 2:1.
Кроме того, машина может работать в широком диапазоне скорости потока текучей среды и/или скорости вращения каждого ротора. Конечно, скорость потока текучей среды будет зависеть от объема каждой камеры и скорости вращения роторов. Например, скорость потока текучей среды может быть больше, чем 0,005 кубических футов в минуту (CFM), например по меньшей мере приблизительно 30 кубических футов в минуту, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 250 кубических футов в минуту, или, по меньшей мере, приблизительно 1000 кубических футов в минуту. В общем случае скорость потока текучей среды будет составлять меньше, чем 5 миллионов кубических футов в минуту. Скорость вращения роторов также может изменяться в широком диапазоне. Например, первый ротор может вращаться со скоростью меньше, чем 1 об./мин (RPM). Однако обычно он вращается с гораздо более высокими скоростями, такими как, по меньшей мере, приблизительно 500 об./мин, предпочтительно по меньшей мере приблизительно 1000 об./мин, более предпочтительно по меньшей мере приблизительно 1500 об./мин. Аналогично вторые роторы могут вращаться со скоростью меньше, чем 1 об./мин (RPM). Однако он обычно вращается с гораздо более высокими скоростями, такими как по меньшей мере приблизительно 500 об./мин, предпочтительно по меньшей мере приблизительно 1000 об./мин, более предпочтительно по меньшей мере приблизительно 2000 об./мин.
В одном варианте выполнения суммарная скорость потока текучей среды через первичные камеры может составлять по меньшей мере 250 кубических футов в минуту с первой скоростью первого ротора, по меньшей мере 1700 об./мин. В одном варианте выполнения скорость вторых роторов может составлять по меньшей мере 3000 об./мин. В такой предпочтительной компоновке отношение осевой ширины вторых лопастей к осевой ширине указанных первых лопастей может быть меньше, чем 1:1, предпочтительно меньше, чем 0,5:1. Объем первичной камеры может составлять по меньшей мере около 0,75 кубических дюймов, предпочтительно по меньшей мере 1,5 кубических дюймов, более предпочтительно около 2 кубических дюйма, и/или объем вторичной камеры может быть меньше, чем около 0,5 кубических дюйма.
В другом варианте выполнения используется обратная компоновка каналов по сравнению с описанной выше. Таким образом, каналы размещены во вторичных камерах так, что они обеспечивают давление во вторичных камерах, и при этом каналы в первичных камерах не используются, и в них отсутствует давление.
Краткое описание чертежей
Указанные выше и другие цели, свойства и преимущества изобретения будут очевидны из следующего более конкретного описания предпочтительных вариантов выполнения изобретения, как это представлено на прилагаемых чертежах, на которых ссылочные позиции относятся к одинаковым деталям на разных видах. Чертежи не обязательно представлены в масштабе, при этом основное внимание уделяется иллюстрации принципов изобретения.
На фиг. 1A и 1B схематично показан предшествующий уровень техники изобретения, согласно которому как первичные, так и вторичные камеры выполнены с каналами.
На фиг. 2 - вариант выполнения настоящего изобретение, в котором только первичная камера выполнена с каналами.
- 2 -
010005
На фиг. 3 - показан вариант выполнения настоящего изобретения, в котором выпускной канал имеет расположение в пределах траектории перемещения вторых лопастей. На этой схеме также показано, что расстояние между роторами одинаково и превышает длину первичной камеры.
На фиг. 4 - показан вариант выполнения настоящего изобретения, в котором два ротора расположены на меньшем расстоянии, чем длина первичной камеры, и эти два ротора расположены на расстоянии, большем, чем длина первичной камеры.
На фиг. 5 показана схема варианта выполнения настоящего изобретения с многокаскадным компрессором, воздух в котором сжимают в двух каскадах.
Подробное описание изобретения
Здесь раскрыто изобретение, которое обеспечивает значительно усовершенствованную машину с тороидальными перекрещивающимися лопастями. В одном варианте выполнения изобретение представляет собой машину с самосинхронизирующимися тороидальными перекрещивающимися лопастями. Изобретение имеет два или больше роторов, установленных с возможностью вращения на удерживающей структуре так, что лопасти каждого из роторов проходят через общую область или пересечение. Между лопастями каждого первого ротора расположены камеры, которые содержат рабочую текучую среду и которые обеспечивают ее обмен. Объем камер может изменяться в результате взаимодействия лопастей. Поскольку роторы и их лопасти постоянно вращаются, они создают циклическое перекачивающее воздействие с принудительным вытеснением, которое позволяет обрабатывать рабочую текучую среду, например, как в насосе, компрессоре или расширителе. Если к процессу добавлять тепло, тогда машину можно использовать как двигатель. Если тепло удаляют из процесса, тогда машину можно использовать, как устройство охлаждения.
Тороидальная структура, на которой основано настоящее изобретение и его следующие варианты выполнения, обеспечивает очень гибкую конструкцию платформы. Она позволяет не только получить очень компактную механическую компоновку, но также обеспечивает множество атрибутов, которые можно регулировать для оптимизации перекачивающего действия и способствования термодинамическим циклам, которые можно использовать в изобретении. Ключевым свойством этого изобретения является его способность обеспечить компонуемые объемные соотношения между исходным и конечным объемом рабочей текучей среды. Например, в случае двигателя, одно из свойств обеспечивает возможность существенного повышения тепловой эффективности.
На фиг. 1A схематично показано изобретение, в соответствии с предшествующим уровнем техники, с каналами, которые обслуживают первичные камеры 208 и вторичные камеры 202. Вторые лопасти 120 пересекаются с первыми лопастями 122; вторичная камера 202 связана по текучей среде с впускным каналом 240 для текучей среды; первичная камера 208 связана по текучей среде с выпускным каналом 232 для текучей среды.
На фиг. 1B показана схема предшествующего уровня техники изобретения с впускным каналом 230 для текучей среды для первичной камеры 208 и выпускным каналом 242 для текучей среды для вторичных камер 202.
На фиг. 2 схематично показан вариант выполнения настоящего изобретения, в котором каналы используются только в первичной камере, что устраняет, таким образом, выбранные каналы. При этом сохранена система обозначений, представленная на фиг. 1A и 1B.
На фиг. 3 схематично показан вариант выполнения настоящего изобретения, в котором выпускной канал 232 установлен в пределах траектории движения вторых лопастей 120. На этой схеме также представлено расстояние А между роторами, как расстояние, равное или превышающее длину первичной камеры.
На фиг. 4 схематично показан вариант выполнения настоящего изобретения, в котором два ротора расположены на расстоянии В, которое меньше, чем длина первичной камеры, и два ротора расположены на расстоянии А, которое больше, чем длина первичной камеры.
Изобретение можно использовать, например, в машинах и двигателях, описанных в американском патенте № 5233854, который приведен здесь в качестве ссылочного материала.
Чтобы обеспечить хорошее перекрещивание и улучшенное уплотнение, внутренняя периферийная поверхность первого ротора и первых лопастей выполнены вогнутыми в поперечном направлении, и наружные периферийные поверхности вторых роторов и вторых лопастей выполнены выпуклыми в поперечном направлении, как описано в патенте США 5233954.
Машина может быть разработана с любым количеством вторых роторов в пределах геометрических ограничений, накладываемых первым ротором. Предпочтительно располагать вторые роторы в радиальной ориентации вокруг оси вращения первого ротора. Вытеснение машины можно изменять либо путем изменения размеров роторов, либо путем изменения количества используемых роторов. Количество вторых лопастей в каждом роторе равно количеству первых лопастей на первом роторе, разделенному на передаточное отношение.
В варианте выполнения с самосинхронизацией работа машины начинается либо с помощью приводного вала, предпочтительно, но не обязательно, расположенного по центру с одним из роторов, либо путем подачи потока текучей среды тангенциально в систему. Приводной вал может представлять собой
- 3 -
010005
один или больше роторов. Кроме того, приводной вал может быть расположен на первом или втором роторах.
В одном варианте выполнения выделяемая энергия машины представляет собой сжатый воздух в системе компрессора. В другом варианте выполнения энергию выводят через приводной вал в системе расширителя. В еще одном варианте выполнения комбинация систем сжатия и/или расширения установлена на одном первом роторе и может использоваться, например, в многокаскадном устройстве сжатия или расширения.
Машина может быть скомпонована как многокаскадный компрессор. Типичное применение такого устройства состоит в сжатии воздуха для множества вариантов промышленного использования. Как обычно в этих системах, воздух сжимают в первом каскаде от исходного давления 1 атм до промежуточного давления, например, приблизительно 3 атм. Воздух в случае необходимости охлаждают с помощью промежуточного средства охлаждения и затем сжимают от 3 атм промежуточного давления до, например, 9 атм конечного давления и затем выпускают в последующую воздушную систему, которая может включать сепараторы, средства сушки, фильтры и т. д. В этом примере перепад давления для каждого каскада установлен равным 3:1, однако машина может работать также с другими перепадами давления.
На фиг. 5 показана машина с девятью секторами, обозначенными S1-S9 в направлении против часовой стрелки. Секторы S1-S6 используются для сжатия в 1-ом каскаде сектора. Секторы S7 и S8 используются для сжатия во 2-ом каскаде. Такой седьмой и восьмой используются на 2-ой ступени сжатия. В таком воплощении машины может также использоваться буфер, девятый сектор, который применяется для снижения максимального перепада давления между секторами 1-ой ступени и 2-ой ступени сжатия. Использование буфера является необязательным, однако снижение перепада давления между секторами
1- ой и 2-ой ступеней сжатия является предпочтительным с точки зрения обеспечения герметизации и предотвращения утечек.
В данном воплощении воздух поступает в машину под давлением 1 атм. Входной фильтр, в случае необходимости, может устанавливаться для удаления твердых частиц из потока воздуха. Воздух проходит через входное отверстие 1-ой ступени и распределяется по впускным каналам каждого из секторов от первого до шестого. Воздух сжимается до промежуточного давления 3 атм в каждом из соответствующих секторов 1-ой ступени, выходит через выпускные каналы и собирается на выходе 1-ой ступени. Таким образом, выпускной канал первой первичной камеры находится в соединении по текучей среде с впускным каналом второй первичной камеры. Обычно воздух пропускают через промежуточное средство охлаждения для снижения его температуры, уменьшая, таким образом, количество работы, необходимой для сжатия воздуха во 2-ой ступени. Воздух проходит через входное отверстие 2-ой ступени и поступает во впускные каналы седьмого и восьмого секторов, и здесь снова сжимается с перепадом давления 3:1 для получения конечного давления 9 атм в каждом из этих двух секторов. Воздух выходит из секторов через их соответствующие выпускные каналы, и уходит из машины через выходное отверстие
2- ой ступени, где его пропускают через последующий участок системы сжатия воздуха.
Максимальный перепад давлений между первым и шестым секторами 1-ой ступени составляет 2 атм с учетом того, что выходное давление равно 3 атм и входное давление равно 1 атм. Максимальный перепад давлений между седьмым и восьмым секторами 2-ой ступени составляет 6 атм, при выходном давлении 9 атм и входном давлении 3 атм. Максимальный перепад давлений между шестым и седьмым секторами составляет 0 атм в случае, когда выходное давление шестого сектора равно 3 атм, и входное давление седьмого сектора равно 3 атм. Максимальный перепад давлений между восьмым и девятым секторами составляет 6 атм, когда выходное давление восьмого сектора равно 9 атм и входное давление девятого сектора равно 3 атм. Максимальный перепад давлений между девятым и первым секторами составляет 2 атм, когда выходное давление девятого сектора равно 3 атм, и входное давление первого сектора равно 1 атм.
Если девятый сектор не был предусмотрен как буфер, тогда первый сектор может быть расположен между восьмым сектором, и в этом случае максимальный перепад давлений между первым и восьмым секторами может составлять 8 атм, когда выходное давление восьмого сектора равно 9 атм, и входное давление первого сектора равно 1 атм. Девятый сектор, как буфер, уменьшает максимальный перепад давлений в пределах машины от 8 до 6 атм. В буфер подают промежуточный воздух под давлением 3 атм через входное отверстие 2-ой ступени. Воздух в буфере не подвергается сжатию в результате удаления средств уплотнения, необходимых для сжатия.
Как будет понятно для специалиста в данной области, можно использовать более чем две ступени; при этом могут использоваться дополнительные буферы, и ступени могут работать с равными отношениями давления, или каждая ступень может иметь свое собственное независимое отношение давления. Как будет понятно, машина также может быть представлена в компоновке многоступенчатого детандера или, возможно, многоступенчатого компрессора и детандера, наряду с различными другими очевидными компоновками.
В одном варианте выполнения все роторы машины могут действовать как система сжатия. В другом варианте выполнения все роторы могут действовать как система детандера. В еще одном варианте выполнения по меньшей мере одна система сжатия может быть соединена по меньшей мере с одной систе
- 4 -
010005
мой детандера, с обеспечением потока энергии между двумя системами. Поток энергии может быть однонаправленным или двунаправленным. В еще одном варианте выполнения между двумя такими системами может быть помещено устройство сгорания, комбинируя их в одну систему, предпочтительно самосинхронизирующуюся систему.
Ступени термодинамического цикла в двигателе описаны в патенте США 5233954, который приведен здесь в качестве ссылочного материала. Описанная здесь усовершенствованная лопастная машина в соответствии с настоящим изобретением может быть легко адаптирована к двигателю.
Герметизацию лопастей роторов необходимо поддерживать только на фазах сжатия и расширения, и на участках траектории, где требуется обеспечить сжатие или расширение. Поскольку эти фазы возникают в относительно короткие периоды времени и в пределах небольшой части действительного поворота ротора, можно существенно уменьшить трение, создаваемое средствами уплотнения. Большая часть поворота ротора может происходить без препятствий, создаваемых уплотнительными устройствами.
Когда в камере не требуется поддерживать давление или герметизировать ее, предпочтительно, чтобы траектория и/или лопасть были изготовлены так, чтобы текучая среда могла протекать по траектории или ее можно было пропускать к другой лопасти на этой траектории для предотвращения создания давления. В одном варианте выполнения высота и/или ширина траектории больше, чем высота или ширина лопасти (с учетом средства уплотнения, которое может быть расположено в ней или на ней), это позволяет перепускать текучую среду между лопастями при движении лопастей по траектории. В другом варианте выполнения верхняя поверхность лопасти выполнена так, что в ней выполнена канавка вдоль ее длины, которая позволяет перепускать текучую среду через лопасть.
Машина может быть адаптирована для работы с одной текучей средой или множеством текучих сред. Слова "текучая среда", используемые здесь, предназначены для обозначения любой жидкости или газа. Примеры текучей среды включают, без ограничений, воздух, воду и топливо. В случае, когда используется множество текучих сред, их можно пропускать через один или разные впускные и выпускные каналы, через одни и те же или разные вторые роторы или первые роторы.
Описанные здесь усовершенствования можно применять к вариантам выполнения машин, описанных в американском патенте № 5233954, выданном 10 августа 1993 г., и в публикации заявки 2003/0111040 на американский патент автора Tomcyzk, опубликованной 19 июня 2003 г., и к другим машинам с тороидальными лопастями. Содержание патента и публикации приведено здесь полностью в качестве ссылочного материала.
Размеры и диапазоны, описанные здесь, предназначены исключительно для иллюстрации типичных размеров устройства. Действительные размеры устройства, построенного в соответствии с принципами настоящего изобретения, очевидно, могут выходить за пределы представленных диапазонов с отклонением от описанных здесь основных принципов. Кроме того, для специалистов в данной области техники должно быть очевидным, что могут быть выполнены различные изменения по форме и деталям изобретения в том виде, как оно здесь представлено и описано. Предполагается, что такие изменения будут включены в сущность и объем приложенной формулы изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Машина с тороидальными перекрещивающимися лопастями, которая содержит удерживающую структуру, имеющую внутреннюю поверхность, первый ротор и по меньшей мере один перекрещивающийся второй ротор, установленный с возможностью вращения на указанной удерживающей структуре, в которой:
(a) первый ротор имеет множество первых лопастей, расположенных радиально на внутренней периферийной поверхности первого ротора, с промежутками между указанными первыми лопастями, и внутренняя поверхность удерживающей структуры образует множество первичных камер;
(b) впускной канал, который обеспечивает подачу текучей среды в указанную первичную камеру, и выпускной канал, который обеспечивает выпуск текучей среды из указанной первичной камеры;
(c) второй ротор имеет множество вторых лопастей, расположенных радиально на наружной периферийной поверхности второго ротора, с промежутками между вторыми лопастями и внутренней поверхностью удерживающей структуры, образующей множество вторых камер;
(d) первая ось вращения указанного первого ротора и вторая ось вращения указанного второго ротора расположены так, что указанные оси вращения не пересекаются, причем первый ротор, второй ротор, первые лопасти и вторые лопасти расположены таким образом, что указанные первые лопасти и указанные вторые лопасти пересекаются только в одном месте во время их вращения; и
(e) в котором вторые лопасти непосредственно вытесняют текучую среду внутри первичных камер и создают давление текучей среды в первичных камерах, при этом текучая среда во вторичных камерах, по существу, не находится под давлением.
2. Машина по п.1, в которой указанный впускной канал, по существу, не находится в связи по текучей среде с выпускным каналом той же первичной камеры.
3. Машина по п.2, в которой ведущие поверхности по меньшей мере двух последовательных первых
- 5 -
010005
лопастей находятся в контакте с замыкающими поверхностями по меньшей мере двух последующих вторых лопастей.
4. Машина по п.2, содержащая множество вторых роторов, установленных радиально вокруг указанной первой оси вращения, в которой вторичные камеры не находятся одновременно в связи по текучей среде с впускным каналом и выпускным каналом.
5. Машина по п.2, в которой удерживающая структура содержит множество секторов клинообразной формы, при этом вторые роторы установлены между соседними секторами.
6. Машина по п.2, в которой соотношение осевой ширины вторых лопастей к осевой ширине первых лопастей меньше чем 1:1.
7. Машина по п.6, в которой соотношение осевой ширины вторых лопастей к осевой ширине первых лопастей меньше чем 0,5:1.
8. Машина по п.2, в которой вторые лопасти перемещаются по второй траектории, и указанный выпускной канал расположен на второй траектории.
9. Машина по п.2, в которой впускной канал расположен проксимально к точке пересечения первых лопастей и вторых лопастей.
10. Машина по п.2, в которой расстояние между каждым из указанных вторых роторов одинаковое.
11. Машина по п.2, в которой расстояние между каждым из указанных вторых роторов разное.
12. Машина по п.2, в которой расстояние между по меньшей мере одной парой вторых роторов отличается от расстояния между по меньшей мере одной другой парой вторых роторов.
13. Машина по п.2, в которой расстояние между по меньшей мере двумя из указанных вторых роторов в точке пересечения меньше, чем длина первичной камеры.
14. Машина по п.2, в которой расстояние между по меньшей мере двумя из указанных вторых роторов в точке пересечения больше, чем длина первичной камеры.
15. Машина по п.2, в которой расстояние между по меньшей мере двумя из указанных вторых роторов в точке пересечения меньше, чем длина первичной камеры, и в которой расстояние между по меньшей мере двумя из указанных вторых роторов в точке пересечения больше, чем длина первичной камеры.
16. Машина по п.2, в которой вторые роторы имеют количество вторых лопастей, равное количеству указанных первых лопастей указанного первого ротора, разделенное на передаточное отношение, где передаточное отношение равно количеству оборотов каждого из вторых роторов, отнесенное к количеству оборотов первого ротора.
17. Машина по п.16, в которой указанное передаточное отношение составляет по меньшей мере 1:1.
18. Машина по п.16, в которой указанное передаточное отношение составляет по меньшей мере
1,5:1.
19. Машина по п.2, в которой машина имеет компоновку компрессора или насоса с наружным средством подачи входной мощности, соединенным для привода первого и/или второго роторов, или выполнена в компоновке расширителя с наружным средством использования выходной мощности, соединенным с первыми и/или вторыми роторами или их комбинацией.
20. Машина по п.2, в которой общая скорость потока текучей среды через первичные камеры составляет по меньшей мере 250 кубических футов в минуту при первой скорости первого ротора, по меньшей мере 1700 об./мин.
21. Машина по п.20, в которой скорость вторых роторов составляет по меньшей мере 3000 об./мин при максимальной скорости потока текучей среды в первичных камерах.
22. Машина по п.21, в которой объем первичной камеры составляет по меньшей мере около 0,75 кубических дюймов.
23. Машина по п.21, в которой объем вторичной камеры меньше чем около 0,5 кубического дюйма.
24. Машина по п.2, в которой по меньшей мере один выпускной канал первой первичной камеры находится в связи по текучей среде с впускным каналом второй первичной камеры.
25. Машина с тороидальными перекрещивающимися лопастями, которая содержит удерживающую структуру, имеющую внутреннюю поверхность, первый ротор и по меньшей мере один перекрещивающийся второй ротор, установленный с возможностью вращения на удерживающей структуре, в которой:
(a) первый ротор имеет множество первых лопастей, расположенных радиально на внутренней периферийной поверхности первого ротора, с промежутками между первыми лопастями, и внутренняя поверхность удерживающей структуры образует множество первичных камер;
(b) второй ротор имеет множество вторых лопастей, расположенных радиально на наружной периферийной поверхности второго ротора, с промежутками между вторыми лопастями и внутренней поверхностью удерживающей структуры, образующей множество вторичных камер;
(c) впускной канал, который обеспечивает подачу потока текучей среды во вторичную камеру и выпускной канал, который обеспечивает выпуск текучей среды из вторичной камеры;
(d) первая ось вращения первого ротора и вторая ось вращения второго ротора расположены так, что оси вращения не пересекаются, причем первый ротор, второй ротор, первые лопасти и вторые лопасти расположены таким образом, что первые лопасти и вторые лопасти перекрещиваются только в одном
- 6 -
010005
месте во время их вращения; и
(e) в котором первые лопасти непосредственно вытесняют текучую среду внутри вторичных камер и создают давление текучей среды во вторичных камерах, при этом текучая среда в первичных камерах, по существу, не находится под давлением.
Фиг. 1B
гоъ гъг iZo гзг
Фиг. 2
- 7 -
010005
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
- 8 -