ВОЛНОВАЯ МАШИНА Российский патент 1995 года по МПК F04C5/00 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к гидромашинам объемного вытеснения, и может найти применение в промышленных объектах, где требуются насосы объемного вытеснения для перекачки рабочего тела повышенной плотности и вязкости, в том числе имеющего механические включения, преимущественной областью использования является нефтяная промышленность, где изобретение может быть применено при перекачке вязких нефтепродуктов из транспортных цистерн и танков.

Известна гидромашина объемного вытеснения, содержащая корпус с всасывающим и нагнетательным патрубками, гибкую обойму с профилированной внутренней поверхностью, размещенную в корпусе вдоль его продольной оси и закрепленную на концах с возможностью изгиба в одной плоскости. Гибкая обойма выполняет функцию волнового поршня, по этому в дальнейшем будем ее называть волновой поршень. Кроме того в состав гидромашины входит пространственно изогнутый вал, установленный в овальной формы отверстия волнового поршня с возможностью перемещения круговых поперечных сечений пространственно изогнутого вала вдоль большой оси сечения овальной формы отверстия волнового поршня и образования всасывающей и нагнетательной полостей гидромашины, ограниченных внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью волнового поршня, а также внутренней поверхностью волнового поршня и наружной поверхностью пространственно изогнутого вала. Последняя полость названа дополнительной. При этом пространственно изогнутый вал установлен в подшипниках и связан с приводом. А гибкий поршень выполнен в виде пакета уплотненных между собой плоских рамок, установленных с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оси вращения вала. При этом всасывающий и нагнетательный патрубки размещены в торцах корпуса.

Недостатком аналога является низкая производительность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой волновой машине является волновая машина Варварина, содержащая корпус, снабженный всасывающим и нагнетательным патрубками, волновой поршень, размещенный в корпусе вдоль его продольной оси и закрепленный на концах с возможностью изгиба в одной плоскости, пространственно изогнутый вал, установленный в продольном овальном сечении отверстии волнового поршня с возможностью перемещения круговых поперечных сечений пространственно изогнутого вала вдоль большой оси овального сечения отверстия волнового поршня и образования всасывающих и нагнетательных полостей волновой машины, ограниченных поверхностями корпуса и волнового поршня, а также поверхностями волнового поршня и пространственно изогнутого вала. Пространственно изогнутый вал соединен с приводом и выполнен в виде участков, проекции которых на любую из плоскостей, параллельных оси вращения вала, имеют вид по крайней мере трех фаз волны типа бризера. Волновой поршень выполнен в виде по крайней мере трех отрезков, размещенных по длине вала и дополнительно закрепленных фиксаторами, установленными в местах соединения отрезков волнового поршня, длина которых соответствует длине участков пространственно изогнутого вала (авт. св. N 1769782, кл. F 04 C 5/00, 1992).

Недостатком прототипа является низкая производительность волновой машины. Этот недостаток как у аналоговой, так и прототипа обусловлен одной и той же причиной, а именно, тем что гидромашина объемного вытеснения, как и волновая машина Варварина являются однопроточными. Они имеют один всасывающий и один нагнетательный патрубки, размещенные на противоположных торцах корпуса. Поэтому производительность аналога и прототипа ограничена объемом жидкости, отсекаемым от всасывающего патрубка и переносимого к моменту подачи к нагнетательному патрубку.

Технической задачей изобретения является повышение производительности волновой машины.

Технический результат достигается тем, что в волновой машине, включающей корпус, волновой поршень и пространственно изогнутый вал, последний выполнен в виде участков с правой и левой закруткой, а корпус снабжен дополнительными всасывающими и нагнетательными патрубками. Эти дополнительные патрубки размещены на образующей поверхности корпуса в местах расположения фиксаторов. Проекции участков пространственно изогнутого вала на любую из плоскостей параллельных оси вращения вала, имеют вид чередующихся противофаз волны типа бризера. А волновой поршень выполнен в виде пакетов модулей подвижных относительно друг друга и уплотненных между собой рамок с овальными отверстиями. Пакеты модулей подвижных рамок закреплены по концам фиксаторами на корпусе. При этом длина каждого участка пространственно изогнутого вала равна длине соответствующего модуля волнового поршня, который размещен в корпусе вдоль его продольной оси с возможностью изгиба в одной плоскости. Пространственно изогнутый вал установлен в продольном отверстии волнового поршня, имеющего в сечении форму овала. Пространственно изогнутый вал установлен с возможностью перемещения круговых поперечных сечений вала вдоль большой оси овального отверстия волнового поршня. Такая установка вала позволила образовать всасывающие и нагнетательные полости, ограниченные поверхностями корпуса и волнового поршня, а также поверхностями волнового поршня и пространственно изогнутого вала. Кроме этого волновая машина имеет привод.

Волновая машина предназначена для использования в промышленных объектах в качестве насоса объемного вытеснения для перекачки рабочего тела повышенной вязкости и плотности, а также в нефтяной промышленности в случаях, когда при ограниченных массогабаритах необходимо использовать насос большой производительности и относительно малого напора, в частности при перекачке (перегрузке) вязких нефтепродуктов (мазута) и транспортных средств доставки.

Волновая машина при ее осуществлении обеспечивает повышение производительности. Объясняется это тем, что выполнение пространственно изогнутого вала в виде участков с правой и левой закруткой и организация дополнительных всасывающих и нагнетательных патрубков на поверхности корпуса в местах, соответствующих местоположению фиксаторов (между участками пространственно изогнутого вала с встречной закруткой), позволили преобразовать известную однопроточную волновую машину и многопроточную и тем самым увеличить ее производительность, сохраняя при этом прежние массогабариты.

На фиг. 1 изображен продольный разрез волновой машины по малой оси овального отверстия волнового поршня, разрез В-В на фиг. 3; на фиг. 2 продольный разрез заявляемой волновой машины по большой оси овального отверстия волнового поршня, разрез Г-Г на фиг. 3; на фиг. 3 разрез А-А и Б-Б на фиг. 1.

Волновая машина содержит корпус 1, выполненный, например, из трубы (металлической), снабженный основными и дополнительными всасывающими 2 и нагнетательными 3 патрубками. В состав волновой машины входит также волновой поршень 4, который представляет собой гибкую обойму с профилированной внутренней поверхностью, набранную из пакетов модулей подвижных относительно друг друга и уплотненных между собой плоских рамок 6 с отверстиями овальной формы 7. Уплотнение рамок между собой достигается установкой подвижных или деформируемых манжет или колец овальной формы (на фиг. не показаны). Рамки 6 установлены с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оси вращения вала 5. Волновой поршень 4 размещен внутри корпуса 1 вдоль его продольной оси с возможностью изгиба в одной плоскости. Каждый пакет модулей подвижных рамок закреплен на концах на корпусе с помощью фиксаторов.

Пространственно изогнутый вал 5 установлен в продольном овальной формы отверстии 7 волнового поршня 4 с возможностью перемещения круговых поперечных сечений вдоль большой оси 8 овального отверстия 7 и с образованием всасывающих 9, 10 и нагнетательных 11, 12 полостей волновой машины, ограниченных внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью волнового поршня 4, а также внутренней поверхностью волнового поршня 4 и наружной поверхностью пространственно изогнутого вала 5. При этом вал 5 выполнен в виде участков 13, 14, 15 с правой и левой закруткой. Пунктиром на фиг. обозначены места соединения участков 13, 14 и 15 вала 5 между собой. Проекция этих участков вала 5 на любую из плоскостей, параллельных продольной оси насоса 17, служащей одновременно и осью вращения вала 5 и продольной осью корпуса 1, имеют вид чередующихся противофаз волны типа бризера (на фиг. 1, 2 приведен пример выполнения пространственно изогнутого вала из трех отрезков). При этом длина каждого модуля волнового поршня 4 равна длине соответствующего ему участка 13, 14 или 15 пространственно изогнутого вала 5. Каждый пакет модулей рамок волнового поршня 4 крепится концевыми рамками к фиксаторам 18, выполненным с отверстиями и установленным на корпусе 1. Крепление может осуществляться, например, болтами. Фиксаторы 18 в свою очередь жестко скреплены (например, болтами) с корпусом 1. А в рамках 6 выполнены пазы, в которых вложены на всю длину волнового поршня уплотнители 19, выполненные, например, из термопластических материалов. Уплотнители 19 могут быть армированы нитями (углеродными, металлическими или текстильными).

Возможность перемещения рамок в направлении, перпендикулярном оси 17 вращения вала 5, обеспечивается за счет выполнения минимального размера овального отверстия 7 в волновом поршне 4, равного диаметру вала 5, а максимального не менее удвоенной амплитуды последнего. Под удвоенной амплитудой понимается расстояние, равное сумме удвоенного эксцентриситета вала и диаметра вала, а движение (скольжение) рамок 6 в корпусе 1 ограничивается вкладышами 20, размещенными в корпусе 1, на образующей поверхности которого в местах расположения фиксаторов выполнены дополнительные всасывающие 2 и нагнетательные 3 патрубки. Кроме этого корпус 1 снабжен верхней 21 и нижней 22 крышками, выполненными с возможностью установки в них подшипников. В случае одновременной перекачки двух разнородных рабочих тел отверстия в фиксаторах 18 выполняются таким образом, чтобы всасывающие 9, 10 и нагнетательные 11, 12 полости, образованные поверхностью корпуса и наружной поверхностью волнового поршня с одной стороны, и поверхностью пространственно изогнутого вала и внутренней поверхностью волнового поршня с другой стороны, были герметично разделены между собой, что обеспечивает автономное перемещение двух разнородных рабочих тел. При этом в качестве привода (на фиг. не изображен) может быть использовано рабочее тело под напором внешнего источника энергии, что позволяет применять заявляемую волновую машину в качестве насоса и в осадочных трубах и как погружной насос.

Волновой насос работает следующим образом. Под действием крутящего момента, передаваемого от привода (например, электродвигателя, турбины или ДВС), наружная поверхность пришедшего в движение пространственно изогнутого вала 5 приходит в соприкосновение с внутренней поверхностью волнового поршня 4, прикрепленного на концах к фиксаторам 18, жестко соединенным с верхней 21 и нижней 22 крышками корпуса 1. При этом вал 5 имеет такую пространственно изогнутую форму, что его проекции на любую плоскость, параллельную оси вращения 17 вала 5, имеют вид чередующихся противофаз волны типа бризера.

Каждый участок вала имеет левую или правую закрутку. Гибкая обойма при соприкосновении с валом 5 также начинает изгибаться по форме фаз волны типа бризера, вызывая колебания рамок 6 в плоскости, перпендикулярной оси вращения 17 вала 5. Направление распространения колебаний рамок 6 в каждом пакете модулей определяется направлением закрутки соответствующего участка вала 5. Осуществление колебаний рамок именно в этой плоскости стало возможным благодаря выполнению профилированной внутренней поверхности волнового поршня 4 в виде продольного отверстия 7 овальной формы. А поскольку овальное отверстие 7 имеет минимальный размер, равный диаметру вала 5, а максимальный не менее удвоенной амплитуды, то при вращении пространственно изогнутого вала 5 в насосе образуются всасывающие 9, 10 и нагнетательные 11, 12 полости, ограниченные внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью волнового поршня 4, а также внутренней поверхностью волнового поршня 4 и наружной поверхностью пространственно изогнутого вала 5. При этом всасывающие 9, 10 и нагнетательные полости 11, 12 полостях, образованных как внутренней поверхностью корпуса 1 и внешней поверхностью волнового поршня 4, так и внутренней поверхностью волнового поршня 4 и наружной поверхностью вала 5.

Поскольку пространственно изогнутый вал 5 выполнен из участков (в данном примере из трех участков 13, 14 и 15), проекции которых на любую из плоскостей, параллельных оси вращения 17 вала 5, имеют вид чередующихся противофаз волны типа бризера, то участки вала могут быть подобраны таким образом, что их разворот обеспечит устойчивое положение пространственно изогнутого вала без использования подшипников. В общем случае количество участков вала определяется величиной требуемой производительности. В случае перемещения двух разнородных рабочих тел герметизация полостей обеспечивается за счет установки торцовых уплотнений рамок 6 и уплотнителей 19, а также за счет обеспечения плотного прилегания торцов рамы 6 к фиксаторам 18, в которых отверстия выполняются таким образом, что можно разделить потоки рабочих тел, перетекающих в полости, образованной поверхностью корпуса и поверхностью волнового поршня и в полости, образованной поверхностью волнового поршня и поверхностью вала. В этом случае в качестве привода может быть использовано рабочее тело под напором внешнего источника энергии.

Использование: при перекачке нефтепродуктов из транспортных систем и танков. Сущность: волновой поршень с продольным отверстием размещен вдоль продольной оси корпуса с возможностью изгиба в одной плоскости. Поршень состоит из пакетов модулей, подвижных относительно друг друга и уплотненных между собой рамок с овальными отверстиями. Каждый пакет закреплен на корпусе своими концами посредством фиксаторов. Пространственно изогнутый вал установлен в продольном отверстии поршня, имеющим в сечении форму овала, с возможностью перемещения круговых поперечных секций вала вдоль большой оси отверстия поршня с образованием всасывающих и нагнетательных полостей, ограниченных поверхностями корпуса и поршня и поверхности поршня и вала. Длина каждого участка вала равна длине модуля поршня, проекции которых на любую плоскость, параллельную оси вращения вала, имеет вид чередующихся противофаз волны типа бризера. Участки вала выполнены с правой и левой закруткой. Корпус снабжен дополнительными всасывающими и нагнетательными патрубками, размещенными на образующей поверхности корпуса в местах расположения фиксаторов. 3 ил.

ВОЛНОВАЯ МАШИНА, содержащая корпус со всасывающим и нагнетательным патрубками, волновой поршень с продольным отверстием, размещенный в корпусе вдоль его продольной оси с возможностью изгиба в одной плоскости и состоящий из пакетов модулей, подвижных относительно друг друга и уплотненных между собой с овальными отверстиями, а каждый пакет модулей закреплен на корпусе своими концами посредством фиксаторов, пространственно изогнутый вал, установленный в продольном отверстии волнового поршня, имеющим в сечении форму овала, с возможностью перемещения круговых поперечных сечений изогнутого вала вдоль большой оси овального отверстия поршня и образованием всасывающих и нагнетательных полостей, ограниченных поверхностями корпуса и волнового поршня, а также поверхностями волнового поршня и пространственно изогнутого вала, выполненного в виде участков, каждый длиной, равной длине соответствующего модуля волнового поршня, проекции которых на любую плоскость, параллельную оси вращения вала, имеют вид чередующихся противофаз волны типа бризера, а также приводной механизм, отличающаяся тем, что пространственно изогнутый вал выполнен в виде участков с правой и левой закруткой, а корпус снабжен дополнительными всасывающими и нагнетательными патрубками, размещенными на образующей поверхности корпуса в местах расположения фиксаторов.