РОТОРНАЯ ОБЪЕМНАЯ ГИДРОПНЕВМОМАШИНА Российский патент 1997 года по МПК F04C2/344 F04C27/00 

Изобретение относится к гидропневмомашиностроению и может быть использовано в качестве гидро- и пневмонасоса и двигателя, компрессора, в приводах машин многих отраслей промышленности, например, нефтяной, нефтехимический, автомобильной, сельскохозяйственной, станкостроительной, горнодобывающей.

Известны роторные объемные машины, содержащие статор с входным и выходным отверстиями, эксцентрично установленный цилиндрический ротор, обладающий в осевой плоскости одним или несколькими пазами для шиберов (пластин), перемещающихся в этих пазах, взаимодействующих с внутренней поверхностью статора и образующих рабочие полости (Авт. свид. СССР N 1463967, 1988).

Общим недостатком таких машин является недостаточное уплотнение между лопастями и внутренним профилем статора в зоне контакта из-за их малой площади соприкосновения. Контакт трущихся пар в основном представляет линейное соприкосновение (линейный контакт), что приводит к недостаточной герметичности между рабочими полостями всасывания, нагнетания и соответственно к снижению объемной производительности. Линейный контакт между трущимися парами не позволяет значительно снизить контактные нагрузки и исключить быстрый износ кромок пластин и внутреннего профиля статора, уменьшить потери на трение и повысить надежность машин.

Известна роторная машина, принятая за прототип, которая содержит корпус с входным и выходным отверстиями, статорное кольцо, эксцентрично установленный ротор, в радиальных пазах которого имеются шиберы (пластины) на концах с подвижными уплотнительными элементами в виде роликов определенного диаметра (Авт. свид. N 1359484, 1987).

Но известная роторная машина также имеет недостатки, влияющие на поддержание высоких параметров по производительности давлению и надежности из-за ограничения в принятии большего эксцентриситета, зависимого от диаметров роликов и ротора шиберный насос заведомо имеет малую производительность; наличие в конструкции только подпружиненных шиберов ограничивает применение такого шиберного насоса на высоких рабочих давлениях; применение ролика на конце шибера предусматривает его качение по профилю статора, что возможно при определенных заданных условиях работы насоса, а различные отклонения от номинального режим работы, например, большое содержание абразивосодержащих примесей или резкое импульсивное изменение давления, неизбежно приведут к отсутствию качения ролика и неравномерному износу его цилиндрической поверхности, а следовательно потере уплотнения между полостями всасывания и нагнетания, в результате чего снижается надежность машины по большинству рабочих параметров.

Целью изобретения является максимальное устранение перечисленных выше недостатков и повышение функциональных качеств создаваемых объемных роторных машин в широком колебательном диапазоне числа оборотов ротора, в том числе в реверсивном режиме за счет надежного радиального уплотнения между шиберами и внутренним профилем статора.

Это достигается в роторно-шиберной объемной гидропневмомашине, состоящей из корпуса с входным и выходным отверстиями статора, эксцентрично установленного в нем цилиндрического ротора с одним или несколькими диаметрально ориентированными в осевой плоскости пазами, в которых выполнены шиберы с подвижными уплотнительными элементами на концевых контактных кромках в виде вкладышей, которые при вращении ротора обеспечивают постоянную герметизацию между полостями всасывания и нагнетания. В качестве уплотнительного элемента в отличие от прототипа используется вкладыш, представляющий в сечении профиль, ограниченный двумя выпуклыми дугами разных радиусов, меньший из которых равен радиусу концевого цилиндрического паза шибера, а больший равен радиусу окружности или неизменяемому радиусу дуг, составляющих кривизну профиля внутренней поверхности статора в зонах наибольшего перепада давления рабочей среды и/или наибольших контактных нагрузок между вкладышами и внутренней боковой поверхностью статора, при этом дуга большего радиуса профиля вкладыша проходит через центр дуги меньшего радиуса, расположенного на центральной линии шибера, равноудаленной от его боковых поверхностей. В результате две соединенные цилиндрические поверхности вкладыша постоянно контактируют: с одной стороны с цилиндрическим концевым пазом шибера, а с другой стороны с внутренней боковой поверхностью статора. При этом взаимодействие вкладыша с другими элементами отмечается зависимостью, при которой его центр профиля малой дуги всегда лежит на центральной линии шибера и практически контактирует с профилем статора, и одновременно при полном обороте ротора вкладыш производит относительно центра его малой дуги маятниковое, плавающее движение в цилиндрическом пазу шибера, отклоняясь в обе стороны на равное расстояние от центральной плоскости шибера, неизменно сохраняя постоянное расстояние, равное радиусу малой дуги между шибером по его центральной линии и профилем статора. Такая самоустанавливающаяся способность вкладыша позволяет использовать предлагаемую роторную машину не только с подпружиненными шиберами (пластинами), подобно прототипу, но и проектировать машины с цельными сквозными шиберами, имеющими на своих концах плавающие вкладыши и сохраняющими линейный размер по центральной линии шибера практически постоянным независимо от угла поворота ротора, для чего необходимо, чтобы центральная плоскость шибера, равноудаленная от его боковых поверхностей, совпадала с осевой плоскостью ротора, а любое множество секущих перпендикулярных к внутреннему профилю статора, совпадающему с центральной плоскостью шибера и осевой плоскостью ротора, были по существу равны длине шибера по его центральной плоскости между точками касания вкладышей с профилем статора, который выбирается таким образом, чтобы кроме окружности как в прототипе, он состоял, в основном, из полуокружностей и/или дуг одного радиуса, и располагались эти дуги преимущественно в зона наибольшего перепада давления рабочей среды и/или наибольших контактных нагрузок, а любая другая точка кривой, образующая внутренний профиль статора соединяющих дуги и лежащая на одной секущей внутреннего профиля статора должна быть равноудалена на полную длину шибера по его центральной линии, включая в эту длину два радиуса малой дуги, равных концевых вкладышей, при этом длина радиуса равна или меньше половины толщины шибера.

В свою очередь толщина шибера, практически равная ширине паза ротора, выбирается из конструктивных требований проектируемых машин, по правилу: чем выше параметры, более напряженные и сложные условия работы, тем больше выбирается толщина шибера и соответственно принимается большим радиус малой дуги вкладыша. Это увеличивает длину дуги большего радиуса вкладыша и соответственно площадь цилиндрической поверхности вкладыша, контактирующей с внутренней поверхностью статора.

Так решается основная задача изобретения создание объемных роторно-шиберных машин с большой заданной площадью идеальных беззазорных контактирующих поверхностей между шибером и статором, что позволяет значительно снизить контактные нагрузки, действующие изнашивающие силы, сократить перетоки в зонах нагнетания и всасывания и, в целом, создать машины с высокими параметрами по давлению, вакууму, объемной производительности при гарантированной надежности и долговечности также и при малых оборотах ротора, в том числе в реверсивном и колебательном режимах.

Цилиндрические поверхности вкладыша позволяют ему действующим равновесием сил и моментов самоустанавливаться между шибером и статором независимо от угла поворота и направления вращения ротора и сохранять радиальное уплотнение при изменяющихся режимах работы машин, что значительно расширяет область применения объемных машин с использованием предлагаемого изобретения не только на чистых средах, но и газожидкостных смесях, жидкостях с высокой вязкостью и механическими примесями.

Упрочнение рабочих поверхностей и/или изготовление таких деталей, как шибер, вкладыш из композиционных, твердых или сверхтвердых материалов расширяет область применения машин на работу с агрессивными с ложными средами.

На фиг. 1 и 2 изображена объемная роторно-шиберная машина в разрезе соответственно с одним и тремя шиберами; на фиг. 3 концевая часть шибера с вкладышем в соприкосновении с ротором и внутренним профилем статора; на фиг. 4 профиль поперечного сечения статора с двумя шиберами.

Объемная роторно-шиберная машина содержит статор 1, являющийся одновременно корпусом, имеющим внутренний профиль 2 с впускным 8 и выпускным 9 отверстиями. В корпусе статора 1 с эксцентриситетом ε размещен ротор 3 с одним или несколькими равнораспределенными по окружности диаметральными пазами 4, в которых выполнены плоские шиберы 5 прямоугольного сечения с концевыми цилиндрическими пазами 6 и расположенными в этих пазах вкладышами 7, имеющими две цилиндрические выпуклые поверхности ответные соответственно пазу шибера 6 и радиусу кривизны R_c внутреннего профиля 2.

Поперечное сечение профиля 2 статора 1 имеет форму фигуры ограниченной в зависимости от назначения машины: или окружностью с центром О_c, или двумя равными касающимися дугами одного радиуса R_c(еkа, в, с) и (с, d, е, k, аbcde), или несколькими, как равными, так и неравными дугами одного радиуса R_c, касающимися своими концами, например, в точках abcdeka, в, с, d, е, k₁ или сочетаниями дуг одного радиуса R_c и отрезков кривых, отвечающих во всех случаях требованию, при котором длина L шибера 5 вместе с двумя вкладышами 7 при любом вращательном положении ротора 3, оставаясь неизменной, равна любой секущей, например, аа₁вв₁сс₁dd₁ее₁kk₁, перпендикулярной внутреннему профилю 2, совпадающему с центральной плоскостью шибера 5 и осевой плоскостью ротора 3.

В предлагаемой машине с одним диаметральным пазом 4 шибер 5 может иметь как цельную неразрезную конструкцию, так и разрезную подпружиненную в средней части, причем ротор 3 устанавливается с возможностью касания внутреннего профиля 2 в точке а, а у машин, имеющих несколько цельных сквозных шиберов 5, в средней части имеются прямоугольные вырезы, размеры которых определяются в зависимости от геометрических размеров и расположения ротора 3 в корпусе статора 1 с расчетом, что при вращении ротора 3 и одновременном скольжении шиберов 5 в пазах 4 не происходит взаимного заклинивания шиберов 5, причем касание ротора 3 с внутренним профилем 2 в точке а необязательно, что важно для машин, работающих на средах с механическими примесями.

Чтобы исключить заклинивания и касания боковых кромок шиберов 5 с внутренним профилем 2 выбирается угол a исходящий из центра О_r вкладыша 7, ограничивающий максимальную длину боковых кромок шиберов 5 при любом вращательном положении ротора 3, при этом чем больше принимается эксцентриситет e ротора 3, тем больше угол a и, соответственно, получается больший срез боковых кромок шибера 5.

Объемная роторно-шиберная машина работает следующим образом. При вращении ротора 3 шиберы 5 скользят возвратно-поступательно в пазах 4, при этом концевые вкладыши 7 постоянно самоустанавливаются, тем самым уплотняя радиальный зазор между шибером 5 и профилем 2 статора 1.

Подбирается кривизна профиля 2, и саморегулируемый постоянный линейный размер шиберов с вкладышами не допускает заклинивания или выпадания вкладышей 7 при любом вращательном положении ротора 3, в том числе в реверсивном режиме, поэтому функции машины обратимы. При работе машины в качестве насоса и вращении ротора 3 по часовой стрелке происходит процесс передачи рабочей среды от впускного отверстия 8 к выпускному 9, а при изменении вращения ротора против часовой стрелки рабочая среда перекачивается в противоположную сторону от отверстия 9 к отверстию 8. При работе машины в качестве гидропневмодвигателя шиберы движутся под действием рабочей среды под давлением, а ротором машины передается момент на рабочий орган в любую сторону в зависимости от направления подачи рабочей среды.

Так как функции машины обратимы, то появляется возможность использования предлагаемой машины в качестве привода различных механизмов.

Использование: в гидропневмомашиностроении. Сущность изобретения: роторная объемная гидропневмомашина включает корпус с входным и выходным отверстиями, статор, эксцентрично расположенный в нем цилиндрический ротор с одним или несколькими диаметральными пазами, в которых выполнены шиберы с концевыми цилиндрическими пазами, в которых установлены вкладыши. Поверхность вкладышей составлена из двух выпуклых пересекающихся цилиндрических поверхностей, образующие роторы представляют дуги разных радиусов. Профиль статора представляет окружность или кривую, имеющую в зонах наибольшего перепада давления рабочей среды и/или наибольших контактных нагрузок радиус кривизны, равный большему радиусу образующих дуг вкладыша. 4 ил.

Роторная объемная гидропневмомашина, включающая корпус с входным и выходным отверстиями, статор, эксцентрично расположенный в нем цилиндрический ротор с одним или несколькими диаметральными пазами, в которых выполнены шиберы с концевыми цилиндрическими пазами и установленными в них вкладышами, отличающаяся тем, что боковые поверхности вкладышей составлены из двух выпуклых пересекающихся цилиндрических поверхностей, образующие которых представляют дуги с разными радиусами, меньший из которых равен радиусу концевого цилиндрического паза шибера, а больший равен радиусу окружности или радиусу кривизны внутренней поверхности статора в зонах наибольшего перепада давления рабочей среды и/или наибольших контактных нагрузок между вкладышами и внутренней боковой поверхностью статора, при этом дуга вкладыша большего радиуса проходит через центр дуги меньшего радиуса, расположенного на центральной линии шибера, равноудаленной от его боковых поверхностей.