РОТАЦИОННО-ЛОПАСТНОЙ НАСОС Российский патент 1998 года по МПК F04C2/00 F04C2/356 F04C11/00 

Изобретение относится к гидравлическим машинам, а именно к насосам ротационно-лопастного типа.

Известен ротационно-лопатсной насос патент Японии N 54-39042, кл. F 04 C 1/16, 1980 г. снабженный двумя диаметральное расположенными лопатками, установленными в пазах неподвижного корпуса. Ротор имеет в сечении треугольную форму со скругленными вершинами и вращается в цилиндрическом отверстии корпуса. При вращении ротора, за счет непрерывно изменяющихся объемов камер, образованных лопатками и вершинами ротора, обеспечивается всасывание и нагнетание жидкости. К недостаткам необходимо отнести наличие ротора треугольной формы, что создает пульсацию подачи (шесть пиков подачи за один оборот треугольного ротора).

Наиболее серьезным недостатком является наличие между нагнетательной и всасывающей полостями насоса только одной пластины, выполняющей роль лопатки.

Погрешности сборки пластин и ротора обуславливают наличие некоторого зазора между ними по торцу, кроме того, пластина имеет возможность перемещаться вдоль паза, поэтому неизбежны и с боков пластины.

Это обстоятельство приводит к значительным утечкам через эти зазоры из нагнетательной во всасывающую полость насоса и отрицательно влияет на объемный КПД насоса. Недостатком данной конструкции является также пружинный прижим лопатки к поверхности ротора, обеспечивающий необходимое контактное давление прижима. При работе насоса пружины испытывает многие тысячи циклов при знакопеременных нагрузках, что приводит к снижению упругих свойств материала пружины, снижению усилий прижима лопатки к поверхности ротора, что в свою очередь вызовет дополнительные утечки через рабочую кромку лопатки и снижение объемного КПД насоса. По причине большой нагруженности пружин довольно часты их поломки.

Известна также конструкция ротационно-лопастного насоса Башта Т.М. "Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем", в котором ротор треугольной формы заменен на ротор, имеющий форму эллипса или близкую к ней. Это позволило улучшить условия работы пружин - вместо трех циклов за один оборот ротора пружины сжимаются - разжимаются только дважды. За счет того, что данная конструкция насоса состоит из двух секций, внутри которых вращаются два ротора, имеющих более плавную эллипсообразную форму и насаженных на один вал с разворотом друг относительно друга на 90^o, снижены пики пульсации подачи. Однако и в этом случае, разъединяющим полости элементом остается единичная пластинка, поджимая пружиной. Как и в первом случае, недостатком является недостаточно высокая стойкость пружин и значительная утечка через зазоры вокруг пластины.

Рядом задач, на решение которых направлено настоящее изобретение: разработка новой конструкции лопатки насоса, разработка способа прижима лопатки к поверхности ротора насоса, а также гидросхемы, обеспечивающей функционирование лопаток в насосе.

Решение указанных задач с помощью предлагаемого изобретения позволит повысить КПД насоса, увеличить его ресурс и надежность, обеспечить работу насоса в режиме холостого хода (т.е. отсутствие подачи при вращающемся вале насоса), получить управляемую лопатку, что в свою очередь создаст возможность управления подачей насоса в соответствии с циклограммой работы гидросистемы.

Лопатка состоит из нескольких отдельных пластин различной длины, прижатых друг к другу по боковым поверхностям. Поверхность пластин со стороны ротора должна быть скошенной для создания пространства - камеры между пластиной и ротором. Поверхность пластин с противоположной стороны может иметь любую форму, например плоскую.

Оптимальное количество пластин - три, хотя их может быть две или более трех.

Все пластины располагаются в ступенчатом пазу корпуса, стенки которого параллельны плоскости, проходящей через ось ротора или могут составлять с ней некоторый угол. На пазу корпуса над торцами пластин предусмотрены две камеры. Эти камеры соединены каналами с пространством - камерами между пластинами и ротором.

Со стороны торцов пластин, противоположных ротору, предусмотрены поршневые толкатели для прижима пластин к ротору. Над поршневыми толкателями расположена крышка, образующая полость, связанную каналом с первой камерой над пластинами. Во второй камере (со стороны всасывающей камеры насоса) над торцем пластины размещен прижимной упругий элемент.

На фиг. 1 изображен продольный разрез предлагаемого роторно-лопастного насоса, состоящего из двух секций 1 и 2, в цилиндрических отверстиях корпусов которых вращаются два эллипсообразных ротора 3 и 4, насаженных с разворотом друг относительно друга на 90^o на вал. 5.

В корпусах секций 6 и 7 расположена система поршневых толкателей 8, 9, 10 и 11 обеспечивающих прижим пластин, контактирующих с роторами 3 и 4. Секции 1 и 2 образованы фланцами 12, 13 и 14.

На фиг. 2 представлен поперечный разрез секции 1 ротационно-лопастного насоса. На валу 5 насажен эллипсообразный ротор 3. Поршневые толкатели 9, 11 и 15, 16, расположенные в отверстиях корпуса 6 под крышками 17 и 18, обеспечивают прижим пластин 19, 20, 21, 22, 23, 24. Нагнетательные полости секций насоса обозначены буквой "H", а всасывающие буквой "B". Корпус 6 имеет два диаметрально расположенных паза 25 и 26 (в 2-х корпусах насоса - четыре паза), в которых установлены лопатки. Каждая из двух лопаток (в двух корпусах - четыре лопатки) состоит их трех пластин 19, 20, 21 и с противоположной стороны 22, 23, 24. Пластины 19, 20 (23, 24 соответственно) расположены со стороны нагнетательной полости "H" вплотную друг к другу, а третья пластина 21 (и соответственно 22) расположена со стороны всасывающей полости "B" вплотную к соседней пластине 20 (и 24 соответственно. Со стороны верхних торцов пластин 21 и 22 в корпусе расположены камеры 27 и 28, со стороны верхних торцов пластин 19, 20 и 23, 24 расположены камеры 29 и 30 соответственно. Над поршневыми толкателями 9, 16 и 11, 11, 15 расположены крышки 17 и 18 с полостями 31 и 32, в которые выходят отверстия этих толкателей.

Полости 31 и 32 соединены каналами 33 и 34 с камерами 29 и 30. Для отвода утечек служат дренажные камеры 35 и 36, которые соединены каналами 37 и 38 со всасывающими полостями насоса.

На фиг. 3 показан узел лопатки в увеличенном масштабе. Торец ротора 3 контактирует с нижними торцами пластин 19, 20, 21. Со стороны верхних торцов этих пластин, в корпусе расположены соответственно камеры 29 и 28. Камера 29 соединена каналом 33 с полостью 31 в крышке 17. Поршневые толкатели 9 и 16, имеющие со стороны полости 31 большую площадь, чем у торцов пластин 19 и 20, контактирование с которыми обеспечивают их прижим к поверхности ротора 3. В камере 28 находится упругий элемент 39 (например, пружина, эластичный вкладыш и др.), который контактирует торцом пластины 21, обеспечивает предварительный прижим этой пластины к поверхности ротора 3, необходимый для перевода (запуска) насоса с режима холостого хода в рабочий режим. Торцы пластин 19 и 20 выполнены со скосом и образуют вместе с поверхностью ротора камеру 40. Торец пластины 21 также выполнен со скосом с набегающей стороны вращения ротора 3 (направление вращения ротора обозначено стрелкой). Указанный скос с частью задней поверхности пластины 20 и поверхностью ротора 3 образуют камеру 41. На пластине 21 со стороны всасывающей полости и противоположной скосу выполнена ступенька 42, создающая разность площадей между верхним торцом, имеющим большую площадь, и нижним - меньшую, что обеспечивает полный прижим пластины 21 к поверхности ротора 3. На внутренних поверхностях пластины 21 и 20 выполнены пазы 43 и 44, имеющие гидравлическое сопротивление и соединяющие камеры 41 и 40 с камерами 28 и 29 соответственно. Дренажная камера 35 соединена каналом 37 со всасывающей полостью насоса (на фиг. не показана).

На фиг. 4 показана гидросхема, обеспечивающая функционирование лопаток и поршневых толкателей при работе насоса. В секциях 1 и 2 расположены лопатки 45, 46 и 47, 48 соответственно
Камеры 29 и 30 соединены с полостями 31 и 32 каналами 33 и 34, а камеры 50 и 51 - каналами 55 и 56. Камеры 27 и 49 соединены между собой каналом 60, а камеры 28 и 52 - каналом 59. Кроме того, все четыре камеры 27, 28 и 49, 52 также соединены между собой каналом 62, который каналом 64 через обратный клапан 66 и гидрораспределитель 68 соединяется со всасывающей полостью "B" насоса". Таким же образом полости 31, 32 и 53, 54 соответствующими каналами 57, 58 и 61, 63 соединяются между собой и через обратный клапан 67 посредством гидрораспределителя 68 с полостью "B" насоса.

Обратные клапаны 66 и 67, а также каналы, соединяющие соответствующие полости и камеры в каждой секции насоса и между ними образуют два разделительных замкнутых контура, обеспечивающие постоянный прижим к поверхностям роторов пластин, из которых состоят лопатки при работе насоса. Буквами "в" и "б" обозначены позиции переключения гидрораспределителей 68.

Каналы 61 и 62 соединены с гидроаккумуляторами 69 и 70 соответственно.

Перед пуском насоса все его полости и камеры должны быть заполнены жидкостью.

Всасывающая полость "B" соединена трубопроводом с гидробаком. Нагнетательная полость "H" через обратный клапан соединена трубопроводом с гидросистемой. Обратный клапан служит для предотвращения обратного тока жидкости. При вращении вала 5 (по стрелке) ротор 3 отталкивает от своей поверхности пластины 19, 20 и 23, 24, которые в свою очередь отодвигают поршневые толкатели 9, 16 и 11, 15. Вытесненный пластинами и поршневыми толкателями объем жидкости из камер 29, 30 и полостей 31, 32 по каналам 33, 34 и 57, 58 поступает в каналы 61 и 63, которые через гидрораспределитель 68 соединены с полостью "B".

Пластины 21 и 22 прижаты к поверхности ротора 3 упругим элементом 39. Объем жидкости, заключенный между поверхностью ротора 3 и пластинами 21 и 22, со стороны полости "H" уменьшается, а со стороны полости "B" увеличивается. За счет обратного клапана на выходе насоса и упругого элемента 39, прижимающего пластины 21 и 22, в нагнетательной полости создается некоторое давление жидкости. Давление отжимает пластины 21 и 22 от поверхности ротора 3 и часть жидкости поступит непосредственно в полость насоса "B". Другая часть жидкости по пазам 43 и 44 поступит в камеры 38, 30 и 27, 28 и далее по соответствующим каналам и гидрораспределитель 68, также поступит в полость "B". Секция 2 насоса работает аналогично.

Данный режим работы, когда жидкость из нагнетательной полости непосредственно поступает во всасывающую, является режимом холостого хода. Давление жидкости в нагнетательной полости при этом режиме имеет минимальную величину (меньше давления открытия обратного клапана на выходе насоса (на схеме не показан). При переключении гидрораспределителя 68 из позиции "а" в позицию "б" каналы 63 и 64 отсекаются от всасывающей полости - начало рабочего режима. Таким образом поступление жидкости в эту полость из камер 27, 28, 29, 30 и полостей 31, 32 секции 1 насоса и камер 49, 50, 51, 52, а также полостей 53, 54 секции 2 прекращается и соответствующие камеры и полости будут соединены только между собой (система замкнута). Имеющееся перед пластинами 21 и 22 давление жидкости по пазу 43 пройдет в камеры 27 и 28. В результате появившегося со стороны камер дополнительного усилия, обеспеченного разностью площадей, образуемой ступенькой 42, пластины 21 и 22 прижмутся к поверхности ротора 3. Таким образом произойдет разъединение полостей "H" и "B" насоса. Основной поток жидкости из нагнетательной полости перестанет поступать во всасывающую. В результате давление жидкости перед пластинами 21 и 22 начнет возрастать и, пройдя по пазу 44, появится в камерах 29 и 30. Так как площади торцов пластин 19, 20 и 23, 34 равны, пластины будут иметь одинаковые усилия как со стороны ротора, так и со стороны камеры, т.е. уравновешены. Из камер 29 и 30 по каналам 33 и 34 давление, пройдя в полости 31 и 32, воздействует на поршневые толкатели 16, 9 и 15, 11, которые помещаясь за счет разницы площадей прижмут к ротору 3 пластины 19, 20 и 23, 24. Таким образом, все пластины в секции 1 и соответственно секции 2 насоса будут прижаты к роторам 3 и 4.

Этим обеспечивается начало подачи жидкости через обратный клапан и нагнетательный трубопровод в гидросистему.

При этом давление перед пластинами 19 и 23 (со стороны полости "H") достигает своего номинального значения. Это вызовет соответствующую утечку жидкости через пластины 19, 20, 21 и 22, 23, 24 (по боковым поверхностям пластин, имеющих зазоры с поверхностями паза, а также по их рабочим кромкам, скользящим по поверхности ротора) во всасывающую полость насоса. Утечка жидкости через пластины будет способствовать росту давления в камерах 40 и 29 и в полости 31, а также в камерах 41 и 28 (фиг. 3). В свою очередь повышение давления в этих камерах снизит начальную величину утечки прямо пропорционально давлению в камерах. Кроме того, возросшее и установившееся давление в камерах 31 и 28 обеспечивает дополнительно усилие прижима к поверхности ротора. Таким образом, для прижима пластин 19, 20 и 21 к поверхности ротора 3 используется давление жидкости в камерах 40 и 41, созданное в них утечкой жидкости через эти пластины из нагнетательной во всасывающую полость насоса, вызванную разность (перепадом) давлений в этих полостях. Аналогично прижимаются пластины и в остальных лопатках. При работе насоса пластины и поршневые толкатели совершают возвратно-поступательные движения относительно оси ротора. В результате этого объема камер 28, 29, 31 (фиг. 3) будут изменяться, уменьшаясь при движении пластин и поршневых толкателей в направлении от поверхности ротора в сторону камер и наоборот. Так как роторы 3 и 4 (фиг. 1) развернуты на 90^o, то пластины и поршневые толкатели в секциях 1 и 2 находятся в крайних положениях относительно оси роторов. Если в секции 1 при повороте ротора 3 (фиг. 2) пластины 19, 20, 21, и 22, 23, 24, а также поршневые толкатели 9, 16, и 11, 15 двигаются по направлению от центра ротора в сторону камер 28, 29, 31 и 27, 30, 32, вытесняя из них объем жидкости, то в секции 2 пластины и поршневые толкатели будут двигаться из камер к центру ротора, увеличивая объем в камерах 50, 52, 53 и 49, 51, 54 (фиг.4). При этом жидкость из камер 29 и 30 поступит по каналам 33 и 34 в камеры 31 и 32, а из этих камер секции 1 насоса по каналам 57 и 58 в камере 53 и 54 секции 2 и далее по каналам 55 и 56 в камере 50 и 51. Одновременно жидкость из камер 27 и 28 секции 1 по каналам 60 и 59 поступит в камере 49 и 52 секции 2 насоса. При движении пластин в секциях 1 и 2 в противоположном направлении жидкости из камер секции 2 по соответствующим каналам будет перетекать в камеры секции 1 и т.д. Несмотря на то, что перекачиваемые соответствующими пластинами объемы жидкости равны, что обеспечивается геометрией ротора в целях компенсации погрешностей изготовления предусмотрены гидроаккумуляторы 69 и 79, также обеспечивающие более плавное движение пластин и поршневых толкателей при вращении роторов 3 и 4 насоса.

Предлагаемая конструкция насоса по сравнению с аналогами обеспечивает следующие преимущества:
1. Значительное повышение объемного КПД.

2. Значительное увеличение ресурса и надежности.

3. Возможность управления подачей жидкости, т.е. без остановки вала насоса осуществлять его перевод из рабочего режима на холостой ход и обратно в соответствии с циклограммой работы гидросистемы, на которую работает насос.

Ротационно-лопастной насос может быть использован в машиностроении и относится к гидравлическим машинам. Для создания гидравлического прижима лопаток к ротору предлагается новая конструкция самих лопаток, системы прижима их поршневыми толкателями с помощью давления жидкости, образованного за счет утечки из нагнетательной полости во всасывающую. Для осуществления гидроприжима лопатки, состоящие из трех пластин каждая, образуют между собой, роторами, пазами корпуса и камерами замкнутые гидравлические системы, позволяющие обеспечить постоянный гидравлический прижим пластин и управление ими. Это обеспечивает значительное повышение объемного КПД насоса, повышение его ресурса и надежности. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Ротационно-лопастной насос, состоящий из двух секций, образованных фланцами и двумя корпусами с диаметрально расположенными четырьмя пазами, по два паза в каждом корпусе, установленными в них лопатками с пружинным прижимом, цилиндрическими отверстиями, внутри которых расположены два эллипсообразных ротора, насаженных на один вал и развернутых относительно друг друга на 90^o, отличающийся тем, что каждая из четырех лопаток выполнена гидравлически управляемой из трех пластин, две из которых расположены со стороны нагнетательной полости вплотную друг к другу с образованием своими скошенными торцами с поверхностью ротора камеры, соединенной с камерой над пазом, в которой расположены противоположные торцы этих пластин, взаимодействующие с торцами поршневых толкателей, торцы которых с противоположной стороны выполнены большей площади, сами толкатели расположены в отверстиях корпуса, выходящих в полость над ними, соединенную также с камерой над пазом и с аналогичными полостями остальных трех лопаток, образуя замкнутый контур и обеспечивая постоянный прижим к поверхностям роторов всех четырех пар пластин давлением жидкости в четырех камерах, образованных на поверхностях роторов, созданным за счет утечки жидкости из нагнетательных во всасывающие полости насоса, третья пластина расположена вплотную к одной их соседних пластин со стороны
всасывающей полости насоса с образованием следующей камеры своим скошенным торцом, поверхностями соседней платины и ротором, соединенной с камерой, образованной поверхностью соседней пластины и пазом в корпусе, в этой камере расположен имеющий большую площадь другой торец этой пластины, над которым установлена поджимная пружина, обеспечивающая начальный прижим при запуске насоса, все эти четыре камеры соединены между собой с образованием своего замкнутого контура, обеспечивающего постоянный прижим к роторам этих четырех пластин давлением жидкости в камерах, образованных поверхностями пластин и роторов, созданных также за счет утечки жидкости. 2. Насос по п.1, отличающийся тем, что оба замкнутых контура снабжены обратными клапанами, разделяющими эти контуры, гидравлическим распределителем, причем в каждом контуре перед обратным клапаном имеется гидроаккумулятор.