ШЕСТЕРЕНЧАТЫЙ НАСОС ДЛЯ НАГНЕТАНИЯ ВЫСОКОВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 2004 года по МПК F04C2/08 

Настоящее изобретение относится к устройству для нагнетания высоковязких жидкостей и, в частности, к шестеренчатым насосам.

Шестеренчатые насосы используют для прокачивания высоковязких сред, таких как расплавы полимеров. Например, шестеренчатые насосы используют для подачи вязкого полимерного расплава из емкости, в которой осуществляют удаление летучих компонентов, в установку, такую как гранулятор. В большинстве случаев высоковязкий полимерный расплав подают на вход в насос под действием силы тяжести по существу без избыточного давления. Известные шестеренчатые насосы имеют эксплуатационные недостатки. В частности, при любых заданных конфигурациях известные насосы имеют предельно ограниченный диапазон изменения допустимых значений вязкости прокачиваемых жидкостей. В основном при увеличении вязкости жидкости производительность насоса уменьшается, часто определяя производственную мощность технологического оборудования. Также в основном при увеличении скорости вращения (об/мин) шестеренчатого насоса его производительность сначала возрастает, но при определенных условиях достигается предельный уровень, при котором дальнейшее увеличение скорости вращения насоса не приводит к какому-либо существенному росту производительности, что является “узким местом” в производственном процессе. Следовательно, в основном можно преодолеть ограничение производительности такого вида, когда достигнут предельный уровень, при котором зависимость скорости вращения насоса от расхода среды осуществляется только посредством замены имеющегося насоса насосом большего размера. Однако устройство для удаления летучих компонентов обычно специально проектируют с возможностью стыковки с шестеренчатым насосом определенного размера, причем в основном невозможно переключиться на шестеренчатый насос большей производительности обычного типа без замены или существенной модификации устройства для удаления летучих компонентов. Соответственно, необходимо создать шестеренчатый насос, который работает более эффективно, исключая ограничение производительности и исключая необходимость замены или значительной модификации устройства для удаления летучих компонентов.

Были предприняты различные попытки создать конструкцию шестеренчатых насосов, способных эффективно работать в расширенных диапазонах вязкости среды и скорости вращения насосов. Эти попытки в первую очередь были сфокусированы на геометрии насоса, в частности на входной стороне насоса, см., например, патент США № 3476481. Однако конструкции известных насосов не полностью удовлетворяют требованиям, поэтому необходимо выполнить дальнейшие их усовершенствования.

Настоящее изобретение относится к шестеренчатому насосу усовершенствованной формы, которая обеспечивает снижение ограничения по вязкости прокачиваемых сред и по скорости вращения насоса. В частности, конструкция камеры с шестернями была изменена таким образом, чтобы получить компрессионные зоны, обеспечивающие сжатие большего количества текучей среды, которая перемещается по более длинной траектории в зубьях шестеренчатых насосов, и, следовательно, обеспечивается более высокая производительность при повышенной степени заполнения. Усовершенствованная геометрия позволяет шестеренчатым насосам согласно настоящему изобретению функционировать более эффективно в относительно более широком диапазоне изменения скорости вращения насоса и в относительно более широком диапазоне изменения вязкости среды.

Шестеренчатый насос согласно настоящему изобретению содержит корпус, имеющий внутренние стенки, образующие входной канал, выходной канал и камеру с шестернями, расположенную между входным каналом и выходным каналом, первую и вторую нагнетающие шестерни, установленные с возможностью вращения в камере с шестернями, причем первая и вторая нагнетающие шестерни имеют зубья, зацепленные между собой, и компрессионные зоны, расположенные между каждой нагнетающей шестерней и внутренними стенками камеры с шестернями, при этом каждая компрессионная зона имеет переменную толщину вдоль продольного направления нагнетающих шестерен, причем эта непостоянная толщина уменьшается от места между аксиально противоположными торцами нагнетающих шестерен по направлению к каждому из торцов нагнетающих шестерен.

Предпочтительно толщина компрессионных зон непрерывно уменьшается от места, расположенного по центру между аксиально противоположными торцами, по направлению к каждому из торцов нагнетающих шестерен.

Предпочтительно также, чтобы толщина компрессионных зон непрерывно и плавно уменьшалась от места, расположенного по центру между аксиально противоположными торцами, по направлению к каждому из торцов нагнетающих шестерен.

При этом толщина каждой компрессионной зоны выполнена наибольшей в месте, расположенном рядом с впускным каналом, причем она непрерывно убывает по направлению к выходному каналу.

Предпочтительно также, чтобы толщина компрессионных зон плавно убывала от входного канала к выходному каналу.

На фиг.1 схематически показан в поперечном разрезе известный шестеренчатый насос, причем поперечное сечение расположено перпендикулярно осям вращения нагнетающих шестерен.

На фиг.2 схематично показан поперечный разрез насоса, показанного на фиг.1, вид по линии II-II на фиг.1.

На фиг.3 схематично показан в поперечном разрезе шестеренчатый насос согласно настоящему изобретению, причем поперечное сечение перпендикулярно осям вращения нагнетающих шестерен.

На фиг.4 схематично показан в поперечном разрезе шестеренчатый насос, показанный на фиг.3, причем этот вид дан по линии IV-IV на фиг.3.

На фиг.5 показан вид сверху шестеренчатого насоса, показанного на фиг.3, причем шестерни насоса и входная сторона насоса сняты.

На фиг.6 показан в поперечном разрезе шестеренчатый насос, показанный на фиг.3-5 со снятыми нагнетающими шестернями, причем разрез проходит по линии VI-VI на фиг.5.

На фиг.7 показан в поперечном разрезе насос, показанный на фиг.3-6, причем нагнетающие шестерни установлены на местах, как показано по линии VII-VII на фиг.4.

На фиг.8 показан вид сверху насоса, показанного на фиг.3-7, причем шевронные нагнетающие шестерни установлены на своих местах, а входная сторона насоса снята.

На фиг.9 показан вид сверху другого варианта реализации настоящего изобретения, в котором используются косозубые шестерни, причем входная сторона насоса и шестерни сняты.

На фиг.10 показан в поперечном разрезе насос, показанный на фиг.9, причем шестерни и входная сторона насоса находятся на местах, как показано по линии Х-Х на фиг.9.

На фиг.11 показан вид сверху насоса, показанного на фиг.9 и 10, причем шестерни установлены на местах, а входная сторона насоса удалена.

На фиг.12 показан вид сверху второго варианта реализации настоящего изобретения, в котором используются прямозубые шестерни, причем входная сторона насоса удалена, а прямозубые шестерни установлены на местах.

На фиг.13 показан вид сверху насоса, показанного на фиг.12, из которого удалены входная сторона насоса и прямозубые шестерни.

Типичный шестеренчатый насос согласно прототипу схематично показан на фиг.1 и 2. Известный шестеренчатый насос 10 содержит корпус 12, образующий внутренние стенки 14. Шестеренчатый насос 10 включает входной канал 16, выходной канал 18 и камеру 20 с шестернями, расположенную между входным и выходным каналами. Нагнетающие шестерни 22, 23 установлены в камере 20 с возможностью вращения. Направления вращения нагнетающих шестерен 22, 23 показаны стрелками 24, 25. Нагнетающие шестерни 22, 23 имеют зубья, находящиеся в зацеплении между собой, например шевронные зубья. Компрессионные зоны 26, 27 образованы между нагнетающими шестернями 22, 23 и внутренней стенкой 14 камеры 20 с шестернями. Компрессионные зоны 26, 27 имеют максимальную толщину вблизи входного канала 16. Толщина компрессионных зон 26, 27 уменьшается в направлении к выходному каналу 18, при этом минимальная толщина имеет место приблизительно около расположения на плоскости, определяемой параллельными осями нагнетающих шестерен 22, 23. Толщина компрессионной зоны определяется расстоянием от наружных поверхностей зубьев нагнетающих шестерен до ближайшей поверхности внутренних стенок камеры с шестернями.

Как показано на фиг.2, толщина компрессионных зон 26, 27 не меняется в направлении, параллельном осям вращения нагнетающих шестерен 22, 23.

Шестеренчатый насос, конструкция которого выполнена согласно настоящему изобретению, представлен на фиг.3 и 4. Шестеренчатый насос 110 имеет корпус 112 с внутренними стенками 114, образующими входной канал 116, выходной канал 118 и камеру 120 с шестернями, расположенную между входным каналом 116 и выходным каналом 118. Нагнетающие шестерни 122, 123 установлены в камере 120 с возможностью вращения. Нагнетающие шестерни 122, 123 имеют зубья, находящиеся в зацеплении между собой, которые в варианте, представленном на фиг.3-8, являются шевронными. Направление вращения нагнетающих шестерен 122, 123 показано стрелками 124, 125. Камера 120 с шестернями разделена в основном на две компрессионные зоны 126, 127 и две уплотнительные зоны 128, 129. Компрессионные зоны 126, 127 представляют собой части внутреннего объема камеры 120 с шестернями, которые расположены между зубьями шестерен 122, 123 и внутренними стенками камеры 120 с шестернями, причем они расположены над уплотнительными зонами 128, 129. Уплотнительные зоны 128, 129 относятся к той части внутреннего объема камеры 120 с шестернями, в которой зазор между зубьями шестерен 122, 123 настолько мал, что эффективно препятствует любой существенной протечке текучей среды через полость между зубьями шестерен 122, 123 и внутренними стенками камеры 120 с шестернями, тем самым обеспечивая эффективное уплотнение против протечки текучей среды по наружным поверхностям зубьев шестерен 122, 123. Каждая компрессионная зона 126, 127 имеет толщину переменной величины. Толщина каждой компрессионной зоны 126, 127, которая представляет собой расстояние от наружных поверхностей зубьев шестерен 122, 123 до поверхности внутренних стенок камеры с шестернями, имеет максимальное значение в месте рядом с входным каналом 116. Толщина каждой компрессионной зоны 126, 127 непрерывно уменьшается от входного канала 116 в сторону выходного канала 118. Предпочтительно толщина компрессионных зон 126, 127 плавно уменьшается от входного канала 116 к выходному каналу 118. Выражение “плавно уменьшается” используется в данном случае для того, чтобы обозначить, что внутренние стенки 114, образующие компрессионные зоны 126, 127, не имеют резких или острых кромок, образованных пересекающимися плоскостями, а вместо этого имеют непрерывную кривизну.

Как показано на фиг.4, компрессионные зоны 126, 127 имеют непостоянную толщину вдоль продольного направления шестерен 122, 123, причем эта толщина наибольшая в центральной части между аксиально противоположными торцами в осевом направлении нагнетающих шестерен 122, 123, и эта толщина наименьшая в местах рядом с каждым из концов нагнетающих шестерен 122, 123. Предпочтительно толщина компрессионных зон непрерывно уменьшается от места посередине между аксиально противоположными торцами нагнетающих шестерен 122, 123 в сторону каждого из торцов нагнетающих шестерен 122, 123. Кроме того, предпочтительно, чтобы толщина компрессионных зон 126, 127 непрерывно и плавно уменьшалась от средней части между аксиально противоположными торцами нагнетающих шестерен 122, 123 в сторону каждого из торцов нагнетающих шестерен 122, 123.

Компрессионные зоны 126, 127 и уплотнительные зоны 128, 129 предпочтительно должны отвечать следующим критериям: площадь компрессионной зоны в наибольшей степени должна быть ограничена таким образом, чтобы площади уплотнительных зон 126, 127 были достаточными для поддержания надежного уплотнения между зубьями шестерен 122, 123 и внутренними стенками камеры 120 с шестернями. Увеличение до максимума площади поверхности компрессионной зоны обуславливает максимальное заполнение объема, ограниченного соседними зубьями и внутренними стенками камеры 120 с шестернями в местах расположения уплотнительных зон 126, 127, что, в свою очередь, в значительной степени увеличивает эффективность нагнетания. Это означает, что расход среды, прокачиваемой шестеренчатым насосом данного размера, можно увеличить. Повышение эффективности нагнетания для насоса данного размера приводит к существенной экономии затрат, поскольку отпадает необходимость замены или существенной модификации связанного с насосом оборудования, например установки для удаления летучих компонентов для использования насоса большего размера. Вариант, связанный с заменой обычного шестеренчатого насоса усовершенствованным шестеренчатым насосом, который в соответствии с принципами настоящего изобретения обеспечивает повышение эффективности наполнения, а также расход среды в насосе данного размера, также приводит к снижению трудозатрат, связанных с модификацией или заменой оборудования, подключенного к насосу данного размера, а также к уменьшению продолжительности периодов отключения оборудования.

Показанный шестеренчатый насос 110 имеет двойную компрессионную зону, в которой нагнетаемая текучая среда сжимается в двух направлениях: в направлении вращения нагнетающих шестерен 122, 123, а также в направлении, параллельном осям вращения нагнетающих шестерен 122, 123. Геометрия двойных компрессионных зон 126, 127 обеспечивает механизм, благодаря которому текучая среда вовлекается в движение посредством вращения нагнетающих шестерен 122, 123 через постепенно суживающийся зазор, в котором генерируется повышение давления в направлении вращения шестерен 122, 123, которое заканчивается плавной отсечкой в начале уплотнительных зон 128, 129. Принципиальное различие между настоящим изобретением и известными решениями состоит в том, что непрерывное и плавное изменение границы компрессионной зоны в обоих (в осевом и радиальном) направлениях обеспечивает больший промежуток времени для заполнения полости между зубьями, и тем самым повышается объем текучей среды, который подвергается сжатию при движении текучей среды по более длинной траектории в пространство, занимаемое зубьями нагнетающих шестерен 122, 123, благодаря чему обеспечивается повышение расхода среды, а также повышение эффективности наполнения.

Как было отмечено выше, важно, чтобы у компрессионных зон 126, 127 обеспечивалось надежное уплотнение между зубьями шестерен 122, 123 и внутренними стенками камеры 120 с шестернями. Это в основном означает, что размеры, форма и очертание уплотнительных зон 128, 129 должны быть такими, чтобы, по меньшей мере, один зуб каждой шестерни 122, 123 по всей длине был достаточно близко расположен к соответствующей уплотнительной зоне, поддерживая эффективное уплотнение между компрессионной зоной и выходом насоса. Однако, как показано на фиг.7, в основном предпочтительно, чтобы размеры, форма и очертание уплотнительных зон 128, 129 были такими, чтобы, по меньшей мере, два соседних зуба на каждой шестерне 122, 123 были достаточно близко расположены к их соответствующим уплотнительным зонам, поддерживая эффективное уплотнение (т.е. очень маленький, если имеет место, расход текучей среды может проходить между зубьями и стенками камеры с шестернями в месте расположения уплотнительных зон) по всей длине двух соседних зубьев. Это будет предотвращать мелкие повреждения, связанные с чрезмерным абразивным износом любого зуба, который может в значительной степени влиять на параметры насоса, тем самым обеспечивая увеличение срока службы насоса без значительного снижения эффективности нагнетания и производительности.

Поскольку уплотнительные зоны 128, 129 выполнены в соответствии с длиной, по меньшей мере, одного зуба и предпочтительно двух соседних зубьев шестерен 122, 123, то форма уплотнительных зон 128, 129 определяется профилем зубьев на шестернях 122, 123. Для шевронных шестерен зубья навиты вокруг шестерен 122, 123 по спирали в первом направлении (например, по часовой стрелке) от первого торца шестерен до средней части шестерни, а затем они резко поворачиваются и навиваются вокруг шестерни по спирали в направлении, противоположном первому направлению (например, в направлении против часовой стрелки) от средней части шестерни ко второму торцу шестерни, который расположен напротив первого торца, как это показано на фиг.8. Таким образом, для насоса 110, который имеет двойной выходной канал с двумя выходными проходами 130, 131 (фиг.5 и 6) и в котором установлены шевронные шестерни 122, 123, обеспечение максимальной величины площади компрессионной зоны с образованием уплотнительных зон 128, 129 и поддерживанием эффективного уплотнения между, по меньшей мере, двумя зубьями и частью внутренних стенок камеры 120 с шестернями приводит к образованию V-образной уплотнительной зоны, как показано на фиг.5, посредством границ 132, 133. Следует отметить, что границы уплотнительной зоны 132, 133 представлены только иллюстративно, поскольку имеет место плавный переход от компрессионной зоны к уплотнительной зоне, который трудно визуально различить, если это вообще возможно различить.

Предпочтительно выполнить двойной выходной канал (как показано на фиг.5 и 6), поскольку он обеспечивает больше места для компрессионной зоны на всасывающей стороне насоса 110 без нарушения требования, что, по меньшей мере, один зуб и более предпочтительно два зуба каждой шестерни 122, 123 будут уплотнены относительно части камеры с шестернями, образуя уплотнительную зону. Двойной выходной канал также обеспечивает увеличение угла поворота шестерен 122, 123 до нарушения уплотнения зубьями.

На фиг.9-11 показан другой вариант реализации изобретения, в котором используется косозубая шестерня. Так же, как шестеренчатый насос 110, шестеренчатый насос 210 содержит корпус 212 с внутренними стенками 214, входным каналом 216, выходным каналом 218 и камерой 220 с шестернями, расположенной между входным каналом и выходным каналом. Шестерни 222, 223 установлены в камере 220 с возможностью вращения. Шестерни 222, 223 имеют взаимно зацепленные зубья, проходящие по спирали по всей их длине. Так же, как в насосе 110, компрессионные зоны 226, 227, а также уплотнительные зоны 228, 229 определяются посредством создания двойной компрессионной зоны, в которой текучая среда сжимается в двух направлениях: в направлении вращения шестерен 222, 223, а также в направлении, параллельном осям вращения нагнетающих шестерен 222, 223, а компрессионные зоны 226, 227 обеспечивают механизм, посредством которого текучая среда вовлекается в движение вращением шестерен 222, 223 через постепенно суживающийся зазор в направлении вращения, обеспечивая повышение давления, которое заканчивается плавной отсечкой в начале уплотнительных зон 228, 229. Применяя одни и те же принципы к насосу 210, как к насосу 110, можно отметить, что толщина каждой компрессионной зоны 226, 227 непрерывно убывает от входного канала 216 к выходному каналу 218, а каждая компрессионная зона имеет переменную толщину вдоль продольного (осевого) направления шестерен 222, 223. Однако, как показано на фиг.9, толщина компрессионной зоны наибольшая в месте рядом с одним торцом каждой шестерни 222, 223, причем она непрерывно убывает в сторону противоположного торца. Такая модификация обеспечивается, чтобы применить принцип данного изобретения к насосу 210, имеющему косозубые шестерни 222, 223, а не шевронные шестерни. Аналогично, уплотнительные зоны 228, 229, а также компрессионные зоны 226, 227 определяются границами уплотнительной зоны 232, 233, которые соответствуют контуру спиральных зубьев шестерен 222, 223. Соответственно, уплотнительные зоны 228, 229 приблизительно имеют треугольную форму.

Принципы данного изобретения можно также применить к шестеренчатому насосу 310 (фиг.12 и 13), в котором используются прямозубые шестерни 322, 323, зубья которых проходят вдоль прямых линий, параллельных направлениям осей шестерен 322, 323, как показано на фиг.12. Насос 310 аналогичен насосу 110 в отношении формы корпуса 312, причем основное отличие состоит в том, что уплотнительные зоны 328, 329, а также компрессионные зоны 326, 327 определяются граничными линиями уплотнительной зоны 332, 333, которые являются прямыми и проходящими параллельно оси вращения шестерен 322, 323, обеспечивая максимальный размер компрессионных зон 326, 327, одновременно обеспечивая уплотнение между, по меньшей мере, одним зубом, более предпочтительно двумя зубьями каждой шестерни 322, 323 и внутренними стенками корпуса 312 в месте расположения уплотнительной зоны 328, 329.

Настоящее изобретение прошло испытания в лабораторных условиях и оценено применительно к производству полистирола в отношении наполнения конкретным материалом при заданном перепаде давления (между входом и выходом насоса). Эффективность (отношение объема нагнетаемого продукта к исходному объему насоса, который определяется объемом зуба) как функция скорости вращения насоса (об/мин), как было показано, остается относительно высокой (более 85%) в более широком диапазоне изменения скорости вращения насоса по сравнению с обычными шестеренчатыми насосами.

Понятно, что различные модификации предпочтительного варианта реализации настоящего изобретения, как было представлено выше, возможны в его рамках, определенных прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к устройствам для нагнетания высоковязких жидкостей, в частности к шестеренчатым насосам. Шестеренчатый насос повышенной эффективности с расширенным диапазоном вязкости жидкости и скорости вращения насоса содержит компрессионную зону, расположенную между каждой парой нагнетающих шестерен и внутренними стенками камеры с шестернями, причем компрессионные зоны имеют переменную толщину вдоль продольного направления шестерен. Геометрия компрессионных зон определяет механизм, посредством которого осуществляется прокачивание вязкой текучей среды, вовлекая ее в движение вращением нагнетающих шестерен через постепенно суживающийся зазор в направлении вращения, которое заканчивается плавной отсечкой в начале уплотнительной зоны. Геометрия компрессионной зоны обеспечивает максимальный расход и сжатие вязкой текучей среды, нагнетаемой в область зубьев шестерен, обеспечивая полное заполнение области зубьев. В результате увеличивается эффективность заполнения в расширенном диапазоне скоростей вращения насоса и в расширенном диапазоне вязкости текучей среды. 4 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Шестеренчатый насос (110), содержащий корпус (112), имеющий внутренние стенки (114), образующие входной канал (116), выходной канал (118) и камеру (120) с шестернями, расположенную между входным каналом и выходным каналом, первую и вторую нагнетающие шестерни (122, 123), установленные с возможностью вращения в камере с шестернями, причем первая и вторая нагнетающие шестерни имеют зубья, зацепленные между собой, и компрессионные зоны (126, 127), расположенные между каждой нагнетающей шестерней и внутренними стенками камеры с шестернями, отличающийся тем, что каждая компрессионная зона (126, 127) имеет переменную толщину вдоль продольного направления нагнетающих шестерен, причем эта непостоянная толщина уменьшается от места между аксиально противоположными торцами нагнетающих шестерен по направлению к каждому из торцов нагнетающих шестерен.2. Насос по п.1, отличающийся тем, что толщина компрессионных зон (126, 127) непрерывно уменьшается от места, расположенного по центру между аксиально противоположными торцами, по направлению к каждому из торцов нагнетающих шестерен.3. Насос по п.1, отличающийся тем, что толщина компрессионных зон (126, 127) непрерывно и плавно уменьшается от места, расположенного по центру между аксиально противоположными торцами, по направлению к каждому из торцов нагнетающих шестерен.4. Насос по п.3, отличающийся тем, что толщина каждой компрессионной зоны (126, 127) выполнена наибольшей в месте, расположенном рядом с впускным каналом, причем она непрерывно убывает по направлению к выходному каналу.5. Насос по п.4, отличающийся тем, что толщина компрессионных зон (126, 127) плавно убывает от входного канала к выходному каналу.