РОТОРНАЯ ГИДРОМАШИНА Российский патент 2013 года по МПК F04C2/08 F04C2/324 

Изобретение относится к гидромашинам объемного вытеснения с вращающимися рабочими органами. Оно может найти применение в насосах, компрессорах и двигателях.

В настоящее время для нагнетания и напорного перемещения вязких жидкостей, обладающих смазывающими свойствами, широко применяют шестеренные насосы с внутренним или внешним зацеплением [Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. - М.: Машиностроение, 1974. - 606 с. (С.311)]. Эти насосы просты по конструкции, неприхотливы в эксплуатации, однако их серьезным недостатком является относительно малый полезный объем, который ограничен пространством между впадинами зубьев и корпусом. Подобные шестеренные насосы эффективны только при достаточно больших скоростях вращения ротора и только для жидкостей.

В вакуумной технике известны насосы пластинно-статорные [В.И.Кузнецов, Механические вакуумные насосы, Госэнергетическое издание, М., 1959, стр.61-63, а также патент RU 2155277, кл. F04C 2/00, кл. F04C 2/44, 11.02.1999], содержащие корпус с впускным и выпускным окнами, размещенный в нем вал с эксцентриком и пластину, установленную в направляющих корпуса, которая прижимается к ротору-эксцентрику усилием пружины. Эта пластина разделяет полости всасывания и нагнетания.

Известны вакуумные плунжерные насосы, например насос [SU 1564391, кл. F04C 2/00, 15.05.1990], содержащий корпус с цилиндрической рабочей полостью, снабженной впускным и выпускным окнами, ведущий вал с эксцентриком, установленный на эксцентрике плунжер с цилиндрической частью и хвостовиком, причем цилиндрическая часть плунжера расположена в корпусе с возможностью контакта с ним, а хвостовик связан с корпусом направляющим устройством, отделяющим всасывающую полость насоса от нагнетающей. Направляющее устройство состоит из двух вкладышей, выполненных в виде сегментов цилиндра.

Оба упомянутых насоса имеют достаточно большой полезный объем, однако герметичность рабочих полостей требует повышенной точности изготовления деталей, а неизбежный износ этих деталей приводит к потере необходимых характеристик насосов.

Существует роторный насос [патент Великобритании №1158638, кл. F1F, опубл. 1966]. Он содержит корпус, неподвижное эпициклическое колесо с внутренними зубьями, солнечное колесо с наружными зубьями и два плавающих сателлита, взаимодействующих с солнечным и эпициклическим колесами, а также торцовые крышки с каналами подвода и отвода рабочей среды. Солнечное колесо шарнирно закреплено на ведущем эксцентрике. В проекции на торцовую плоскость центры сателлитов в исходном положении механизма расположены на одной прямой с совпадающими в этом положении центрами эпициклического и солнечного колес.

Достоинствами этого насоса являются его большой полезный объем, а также устойчивость к износу. В кинематических парах, образуемых зубчатыми звеньями, при ограниченном износе сопрягаемых поверхностей нарушения герметичности не происходит, т.е. износ компенсируется зубчатыми зацеплениями.

Недостаток гидромашины, используемой в таком насосе, заключается в том, что в определенных положениях ведущего эксцентрика сателлит не может «самостоятельно» выйти из «мертвого» положения.

Наиболее близкой (прототип) предлагаемой является роторная гидромашина [патент СССР №699229, кл. F04 C1, опубл. 1979], содержащая статор в виде венца с внутренними зубьями, связанный через сателлиты с наружными зубьями ротора, установленного на вращающемся эксцентрике. Ротор изготовлен полым и на его внутренней поверхности выполнены зубья. Устройство дополнительно содержит шестерню с внешними зубьями, жестко связанную со статором, и паразитную шестерню, шарнирно закрепленную на эксцентрике, взаимодействующую с неподвижной шестерней и внутренними зубьями ротора.

Достоинство данной конструкции по сравнению с предыдущей состоит в том, что сателлит беспрепятственно проходит «мертвые» положения.

Недостатками этой гидромашины являются: технологическая сложность эксцентрика, большие потери на трение и неблагоприятные условия передачи движения, обусловленные наличием вращательных кинематических пар (между ротором и эксцентриком, осью эксцентрика и паразитной шестерней), которые по условиям компоновки устройства не могут быть снабжены подшипниками качения.

Для устранения указанных недостатков прототипа, а также для обеспечения беспрепятственного прохождения сателлитами «мертвых» положений предлагается следующая конструкция гидромашины.

Роторная гидромашина содержит корпус, эпициклическое колесо с внутренними зубьями, солнечное колесо с наружными зубьями, шарнирно закрепленное на корпусе, пару одинаковых плавающих сателлитов, взаимодействующих с эпициклическим и солнечным колесами, центры которых в исходном положении механизма расположены на одной прямой с совпадающими в этом положении центрами эпициклического и солнечного колес, а также неподвижные относительно корпуса торцовые крышки с плоскими рабочим поверхностями, в которых выполнены впускное и выпускное окна. Отличия состоят в том, что эпициклическое колесо взаимодействует с корпусом посредством поводка, лишающего эпициклическое колесо возможности вращения относительно корпуса, и контактирует с корпусом непосредственно, образуя с ним высшую кинематическую пару силового замыкания, для осуществления которого гидромашина снабжена нажимным устройством.

Предлагаемая конструкция обеспечивает правильное прохождение сателлитами «мертвых» точек. Вместе с тем, она технологичнее и надежнее прототипа, так как в ней отсутствуют наиболее «проблемные» элементы, расположенные внутри ротора.

Наиболее прост по конструкции вариант гидромашины, в котором упомянутую высшую кинематическую пару образуют внутренняя поверхность направляющего кольца, жестко связанного с эпициклическим колесом, и внешняя поверхность ролика, шарнирно закрепленного относительно корпуса. При этом необходимо, чтобы разность диаметров контактирующих поверхностей направляющего кольца и ролика равнялась максимальному эксцентриситету эпициклического и солнечного колес. В простейшем конструктивном варианте поводок, лишающий эпициклическое колесо возможности вращения относительно корпуса, выполнен в виде коромысла, связанного с корпусом и эпициклическим колесом вращательными парами, а нажимное устройство, обеспечивающее силовое замыкание высшей кинематической пары, выполнено в виде пружины, связанной с коромыслом.

В другом конструктивном исполнении гидромашины упомянутую ранее высшую кинематическую пару образуют цилиндрическое отверстие корпуса и внешняя цилиндрическая поверхность эпициклического колеса, причем разность диаметров этих поверхностей равна максимальному эксцентриситету эпициклического и солнечного колес.

Такая конструкция создает предпосылки для радикального повышения технических возможностей гидромашины за счет использования дополнительных рабочих полостей, заключенных между корпусом, эпициклическим колесом и поводком, снабженных собственным впускным и выпускным окнами.

Необходимая герметичность дополнительных рабочих полостей обеспечена в гидромашине, содержащей пару поводков, каждый из которых выполнен в виде плавающей шестерни, взаимодействующей со специальным внутренним зубчатым сектором, принадлежащим корпусу, и зубчатым выступом, жестко связанным с эпициклическим колесом. Нажимное устройство, обеспечивающее силовое замыкание контакта эпициклического колеса с корпусом, включает пружину сжатия и шток, опирающийся на зубчатый выступ.

Для повышения разности давлений, создаваемых гидромашиной, дополнительные рабочие полости соединены с основными последовательно, через перепускные каналы.

Для дополнительного повышения производительности или рабочего давления гидромашина состоит из двух или более гидромашин, имеющих общий корпус и солнечные колеса, закрепленные на общем валу, разделенных плоскими перегородками. При соединении нескольких гидромашин создается возможность для их более полного динамического уравновешивания.

В любом конструктивном варианте для уменьшения чувствительности машины к погрешностям изготовления и монтажа зубчатых колес сателлиты выполнены сборными. Они состоят из нескольких шестерен, одновременно взаимодействующих с эпициклическим и солнечным колесами.

Примеры реализации изобретения иллюстрируются чертежами.

На фигуре 1 показана наиболее простая конструкция роторной гидромашины, на фигуре 2 - ее осевой разрез, а на фигуре 3 - работа этой гидромашины.

На фигуре 4 изображена схема гидромашины с измененным положением направляющего кольца, на фигуре 5 - гидромашина, имеющая дополнительные рабочие полости.

На фигуре 6 показана гидромашина с «зубчатыми поводками», на фигуре 7 - ее осевой разрез, на фигуре 8 - ее разрез по «зубчатым поводкам».

На фигуре 9 изображена гидромашина, состоящая из нескольких гидромашин, соединенных последовательно.

Гидромашина, показанная на фиг.1, 2, содержит сборный корпус, центральную часть которого составляет разомкнутое кольцо 1. Эпициклическое колесо 2 с внутренними зубьями является подвижным. Солнечное колесо 3 с наружными зубьями насажено на вал 4, шарнирно закрепленный относительно корпуса, и удерживается от проворота шпонкой 5. Пара одинаковых плавающих сателлитов 6 взаимодействуют с эпициклическим и солнечным колесами. Сборка механизма выполнена таким образом, что центры сателлитов 6 (в проекции на торцовую плоскость) в исходном положении механизма расположены на одной прямой с совпадающими в этом положении центрами эпициклического 2 и солнечного 3 колес. На эпициклическом колесе 2 закреплен рычаг 7, заканчивающийся направляющим кольцом 8, которое своей внутренней поверхностью взаимодействует с роликом 9, шарнирно закрепленным относительно корпуса. При этом разность диаметров контактирующих поверхностей направляющего кольца 8 и ролика 9 равна максимальному эксцентриситету эпициклического 2 и солнечного 3 колес. Поводок, лишающий эпициклическое колесо 2 возможности вращения относительно корпуса, выполнен в виде коромысла 10, шарнирно связанного с корпусом и рычагом 7, закрепленным на эпициклическом колесе 2. Силовое замыкание кинематических пар системы обеспечивается пружиной 11 через коромысло 10. Торцовые крышки 12 и 13, стянутые между собой через разомкнутое кольцо 1 шпильками 14 и гайками 15, образуют корпус гидромашины, установленный на лапах 16. Крышки 12, 13 плотно прилегают своими плоскими рабочим поверхностями к торцам сателлитов 6 и солнечного колеса 3. В крышке 12 выполнены впускное 17 и выпускное 18 окна. Сателлиты 6 выполнены сборными, состоящими из нескольких шестерен, одновременно взаимодействующих с эпициклическим и солнечным колесами - это снижает чувствительность конструкции к погрешностям ее изготовления.

Роторная гидромашина работает следующим образом (см. фиг.3).

При вращении солнечного колеса 3 взаимодействующие с ним сателлиты 6 обкатываются по внутреннему венцу эпициклического колеса 2. При этом колесо 2 лишено возможности вращения относительно корпуса коромыслом 10. Пружина 11 (фиг.1) через коромысло 10 обеспечивает силовое замыкание высшей кинематической пары ролик 9 - направляющее кольцо 8 в нижних положениях эпициклического колеса 2 и помогает системе правильно выйти из «мертвой точки» в верхнем положении эпициклического колеса 2. Расположение направляющего кольца 8 на конце рычага 7 (как показано на фиг.1) обеспечивает движение центра эпициклического колеса 2 по траектории, близкой к круговой. В результате система звеньев движется таким образом, что объемы рабочих полостей, заключенных между торцовыми крышками и поверхностями всех зубчатых колес, циклически изменяются. При этом полезное изменение объема составляет около половины всего объема, заключенного внутри эпициклического колеса 2. Перекрытие впускного 17 и выпускного 18 окон осуществляют сателлиты, поэтому клапаны для данной конструкции гидромашины не нужны.

Гидромашина может работать как в режиме насоса (или компрессора), так и в режиме гидро- или пневмодвигателя. Усилие, создаваемое пружиной 11, должно соответствовать давлению рабочей среды.

Роторная гидромашина, схема которой изображена на фиг.4, отличается от предыдущей тем, что в ней направляющее кольцо 8 закреплено на эпициклическом колесе 2 со стороны, противоположной расположению оси шарнира, связывающего это колесо с коромыслом 10. При этом траектория (изображена пунктиром) центра эпициклического колеса 2 имеет форму не окружности, а вытянутого эллипса. Влияние такого изменения на работу гидромашины сводится к более резкому началу и концу сжатия. Изменяя положение направляющего кольца 8 на звене, связанном с эпициклическим колесом 2, можно получить и обратную модификацию цикла сжатия (на фигурах не показано).

В гидромашине, схема которой показана на фиг.5, эпициклическое колесо 2 контактирует с корпусом 1 непосредственно, образуя с ним высшую кинематическую пару силового замыкания. Разность диаметров внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 и внешней цилиндрической поверхности эпициклического колеса 2 равна максимальному эксцентриситету эпициклического 2 и солнечного 3 колес. Поводок, лишающий эпициклическое колесо 2 возможности вращения относительно корпуса 1, выполнен в виде ползуна 19, установленного в направляющих корпуса 1 и связанного с эпициклическим колесом шарниром 20. Силовое замыкание кинематических пар системы обеспечивается пружиной 11, нагружающей ползун 19. Полости, заключенные между торцовыми крышками, корпусом 1, эпициклическим колесом 2 и поводком 19, имеют впускной 21 и выпускной 22 каналы, снабженные соответствующими клапанами. Они используются в качестве дополнительных рабочих полостей гидромашины. Дополнительные рабочие полости соединены с основными (расположенными внутри эпициклического колеса) последовательно, через перепускные каналы (на фигуре не показаны), или параллельно.

Работа «внутренней» части такой гидромашины (основные полости) подобна работе машины, показанной на фигурах 1-3. «Внешняя» часть машины (дополнительные полости) работает как обычная пластинчато-статорная гидрообъемная машина, кольцевой поршень (плунжер) которой перемещается эксцентриком. Особенность состоит в том, что контакт эпициклического колеса 2 с корпусом 1 происходит не с зазором, как в других коловратных насосах, а силовым замыканием. В зависимости от фазы движения это замыкание обеспечивают: сила, приложенная к системе со стороны пружины 11, силы реакции, возникающие в зацеплениях, или силы давления среды во внутренних (основных) полостях гидромашины. Силовое замыкание, с одной стороны, повышает герметичность дополнительных рабочих полостей, а с другой - сопровождается трением скольжения. Поэтому такая гидромашина предназначена для работы со средами, обладающими смазочным действием, либо с газообразными средами в присутствии смазки.

Роторная гидромашина, показанная на фиг.6, 7, 8, отличается от предыдущей устройством системы поводков, лишающей эпициклическое колесо возможности вращения относительно корпуса и обеспечивающей герметичность дополнительных рабочих полостей. Эта система содержит пару поводков, каждый из которых выполнен в виде плавающей шестерни 23, взаимодействующей со специальным внутренним зубчатым сектором 24, принадлежащим корпусу 1, и зубчатым выступом 25, жестко связанным с эпициклическим колесом 2. Система зубчатых элементов 23, 24, 25, подобно основной системе зубчатых звеньев гидромашины 2, 3, 6, собрана с соблюдением условия, согласно которому центры шестерен 23 в исходном положении механизма расположены на одной прямой с совпадающими в этом положении центрами зубчатых элементов 24, 25. Нажимное устройство содержит пружину сжатия 11 и шток 26, опирающийся на зубчатый выступ 25.

Работа такой гидромашины подобна работе машины, описанной выше, но система зубчатых поводков снижает потери на трение, износ и повышает герметичность по сравнению с другими конструкциями устройств, выполняющих аналогичные функции.

На фигуре 9 показана гидромашина, которая состоит из двух гидромашин-секций, имеющих общий корпус, но разделенных плоской перегородкой 28. Внутри этой перегородки 28 выполнено перепускное окно (на фигуре не показано), т.е. секции соединены последовательно. Солнечные колеса 3 обеих секций закреплены на общем валу 4. Будучи установлены в противофазах, секции обеспечивают динамическое уравновешивание системы и сглаживают колебания рабочего давления.

Представляется перспективным использование изобретения:

в масляных насосах и насосах для перекачки предварительно очищенной нефти. Технический эффект - повышение износостойкости оборудования;

в вакуумных насосах. Технический эффект - повышение производительности за счет увеличения полезного объема;

в тепловых двигателях внешнего сгорания, в геотермальной энергетике. Технический эффект - повышение удельной мощности за счет увеличения полезного объема гидромашины.

Изобретение относится к гидромашинам объемного вытеснения с вращающимися рабочими органами. Оно может найти применение в насосах, компрессорах и двигателях. Роторная гидромашина содержит корпус 1, эпициклическое колесо 2 с внутренними зубьями, солнечное колесо 3 с наружными зубьями, шарнирно закрепленное на корпусе, пару одинаковых плавающих сателлитов 6, взаимодействующих с эпициклическим и солнечным колесами, а также неподвижные относительно корпуса торцовые крышки с плоскими рабочими поверхностями, в которых выполнены впускное 17 и выпускное 18 окна. Эпициклическое колесо 2 взаимодействует с корпусом 1 посредством поводка, например ползуна 19, лишающего эпициклическое колесо 2 возможности вращения относительно корпуса 1, и контактирует с корпусом 1 непосредственно, образуя с ним высшую кинематическую пару силового замыкания, для осуществления которого гидромашина снабжена нажимным устройством-пружиной 11. Изобретение направлено на увеличение производительности и удельной мощности гидромашины за счет увеличения полезного объема, увеличение ресурса ее работы за счет автоматической компенсации износа взаимодействующих поверхностей. 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Роторная гидромашина, содержащая корпус, эпициклическое колесо с внутренними зубьями, солнечное колесо с наружными зубьями, шарнирно закрепленное на корпусе, пару одинаковых плавающих сателлитов, взаимодействующих с эпициклическим и солнечным колесами, центры которых в исходном положении механизма расположены на одной прямой с совпадающими в этом положении центрами эпициклического и солнечного колес, а также неподвижные относительно корпуса торцовые крышки с плоскими рабочим поверхностями, в которых выполнены впускное и выпускное окна, отличающаяся тем, что эпициклическое колесо взаимодействует с корпусом посредством поводка, лишающего эпициклическое колесо возможности вращения относительно корпуса, и контактирует с корпусом непосредственно, образуя с ним высшую кинематическую пару силового замыкания, для осуществления которого гидромашина снабжена нажимным устройством.

2. Роторная гидромашина по п.1, отличающаяся тем, что высшую кинематическую пару образуют внутренняя поверхность направляющего кольца, жестко связанного с эпициклическим колесом, и внешняя поверхность ролика, шарнирно закрепленного относительно корпуса, при этом разность диаметров контактирующих поверхностей направляющего кольца и ролика равна максимальному эксцентриситету эпициклического и солнечного колес.

3. Роторная гидромашина по п.2, отличающаяся тем, что поводок, лишающий эпициклическое колесо возможности вращения относительно корпуса, выполнен в виде коромысла, связанного с корпусом и эпициклическим колесом вращательными парами, а нажимное устройство, обеспечивающее силовое замыкание высшей кинематической пары, выполнено в виде пружины, связанной с коромыслом.

4. Роторная гидромашина по п.1, отличающаяся тем, что высшую кинематическую пару образуют цилиндрическое отверстие корпуса и внешняя цилиндрическая поверхность эпициклического колеса, причем разность диаметров этих поверхностей равна максимальному эксцентриситету эпициклического и солнечного колес.

5. Роторная гидромашина по п.4, отличающаяся тем, что полости, заключенные между корпусом, эпициклическим колесом и поводком, имеют впускное и выпускное окна и используются в качестве дополнительных рабочих полостей гидромашины.

6. Роторная гидромашина по п.5, отличающаяся тем, что дополнительные рабочие полости соединены с основными последовательно, через перепускные каналы.

7. Роторная гидромашина по п.5, отличающаяся тем, что содержит пару поводков, каждый из которых выполнен в виде плавающей шестерни, взаимодействующей со специальным внутренним зубчатым сектором, принадлежащим корпусу, и зубчатым выступом, жестко связанным с эпициклическим колесом, а нажимное устройство включает пружину сжатия и шток, опирающийся на зубчатый выступ.

8. Роторная гидромашина по пп.1-7, отличающаяся тем, что сателлиты выполнены сборными, состоящими из нескольких шестерен, одновременно взаимодействующих с эпициклическим и солнечным колесами.