ШЕСТЕРЕННЫЙ НАСОС С ПРИВОДОМ Российский патент 2019 года по МПК F04C2/08 F04C2/18 F04C11/00 F04C15/00 

Область техники

Изобретение касается шестеренного насоса с механическим приводом, предназначенного для транспортировки рабочей жидкости с точным расходом, работающего при высоких величинах давления, снабженного приводом с внутренним контуром охлаждения.

Предшествующий уровень техники

Известны шестеренные насосы для гидравлических систем, снабженные двумя шестернями. Зубья шестерен находятся в постоянном зацеплении друг с другом, при вращении они захватывают рабочую жидкость из полости всасывания в полость нагнетания, причем зацепление зубьев сделано как можно более плотным, чтобы рабочая жидкость не могла просачиваться между ними обратно из полости нагнетания в полость всасывания. Шестерни вместе со втулками пальцев установлены в корпусе насоса, одна из шестерней является ведомой, а другая - ведущей. Ведущая шестерня соединена с приводом посредством вала, проходящего через корпус, стационарно прикрепленного к корпусу шестеренного насоса при помощи фланца. Выделяемое тепло отводится от привода при помощи встроенного контура охлаждения. Шестеренные насосы широко представлены в различных областях техники, кроме прочего в авиации, где они используются в том числе для перекачивания топлива авиационных турбинных двигателей, например так называемых вспомогательных силовых блоков APU (Auxiliary Power Unit), которые служат для питания электрических и пусковых систем самолетов. К данным шестеренным насосам предъявляются высокие требования в отношении бесперебойной эксплуатации и стабильности мощностных, а также транспортных параметров.

Недостаток шестеренных насосов заключается в том, что в ходе их работы при высоком давлении рабочей жидкости она просачивается между подвижными и неподвижными частями насоса. Также необходимо обеспечить надлежащее смазывание контактных поверхностей подвижных и неподвижных деталей, поскольку шестерни работают на высоких оборотах. Высокие обороты также приводят к выделению тепла внутри корпуса шестеренного насоса, и этот корпус нагревается. Перегрев корпуса ведет к изменению объема материала, что в свою очередь может приводить к неисправностям или к нестабильности рабочих параметров. Привод, соединенный с корпусом шестеренного насоса, также нагревается, требуя при этом смазывания и охлаждения в местах трения подвижных и неподвижных частей. Теряемый объем образован за счет рабочей жидкости, которая под воздействием высокого давления просачивается между подвижными и неподвижными частями шестеренного насоса, например, между пальцами шестерней и их втулками.

Проблема потери объема рабочей жидкости решается, например, благодаря патентному документу US 4470776 В; в нем описывается шестеренный насос, теряемая жидкость которого проходит как минимум через одно приспособление для отвода этой жидкости. Приспособление образовано мелкими каналами вокруг пальцев и подшипников для их промазывания и уменьшения трения, после чего теряемая жидкость отводится обратно в пространство всасывания насоса, т.е. на впуск.

Проблематику охлаждения привода можно решить за счет отдельного контура охлаждения, снабженного собственным хладагентом, оснащенного собственным насосом и встроенного в систему привода и шестеренного насоса. Недостатки отдельного блока охлаждения состоят в том, что этот блок делает систему привода и шестеренного насоса с точки зрения конструкции более сложной, тяжелой, объемной, а также затратной по финансам. Если шестеренный насос с приводом, снабженный отдельным охлаждением, используется в авиации, то значительный вес системы ведет к сложностям и является значительным недостатком.

В другом патентном документе GB 1133737 В описывается изобретение, в котором теряемый объем жидкости насоса используется для охлаждения вала шестерен насоса. При этом отпадает необходимость охлаждения шестеренного насоса извне, поскольку рабочая жидкость заменяет хладагент. Недостаток указанного выше решения заключается в отсутствии охлаждения приводного блока, который должен быть снабжен охлаждением извне или охлаждаться каким-либо другим способом.

Задачей изобретателей является создание такого шестеренного насоса с приводом, у которого бы отсутствовали все указанные выше недостатки и который бы отличался простой и надежной в эксплуатации системой охлаждения привода при полном исключении необходимости внешних отдельных контуров или устройств. Такой шестеренный насос можно было бы использовать в области высоких величин давления, с его минимальными размерами и весом при сохранении надежности и стабильности рабочих параметров.

Сущность изобретения

Поставленная задача решена путем создания шестеренного насоса с приводом на основе данного изобретения.

Шестеренный насос с приводом состоит из корпуса с полостью всасывания со стороны ведущей шестерни и полости нагнетания со стороны ведомой шестерни. Пальцы шестерен установлены во втулках на подшипниках. Насос также включает в себя привод, снабженный как минимум одним встроенным контуром охлаждения и присоединенный к корпусу с фланцем с проходом для приводного вала. Приводной вал соединяет привод с ведущей шестерней шестеренного насоса. Он также включает в себя приспособление для отвода теряемой рабочей жидкости как минимум одной шестерни в полость всасывания.

Сущность изобретения заключается в том, что впуск встроенного контура охлаждения привода выведен в корпус через впускное отверстие во фланце и соединен с приспособлением для отвода теряемой рабочей жидкости как минимум одной шестерни. Выпуск встроенного контура охлаждения привода выведен в корпус через проход во фланце и соединен с полостью всасывания шестеренного насоса.

Потеря рабочей жидкости - это явление, присущее всем шестеренным насосам. При обычной эксплуатации это явление считается отрицательным, снижающим эффективность работы насоса. Однако при отводе теряемой рабочей жидкости во встроенный контур охлаждения привода вместо отвода обратно в резервуар для рабочей жидкости или в полость всасывания это явление находит позитивное применение. Рабочая жидкость хорошо поглощает тепло, она постоянно находится в движении, распределяется по агрегату, в котором у нее достаточно возможностей отдать полученное тепло. Рабочая жидкость выполняет функцию смазки, функцию среды теплообмена, а также рабочую функцию, относящуюся к передаче сил в рамках гидравлического агрегата. При целенаправленном движении теряемой жидкости происходит уменьшение объема утечки рабочей жидкости, снижение сопротивления среды, улучшение эффективности работы системы привода и шестеренного насоса.

В следующем обладающем преимуществами варианте исполнения шестеренного насоса с приводом согласно данному изобретению устройство для отвода теряемой рабочей жидкости из области ведомой шестерни снабжено как минимум одним отводящим пазом, расположенным как минимум в одном подшипнике установленного во втулке пальца ведомой шестерни. Отводящий паз параллелен пальцу ведомой шестерни и он длиннее ее пальца. Он также снабжен как минимум одной пластинкой для направления потока теряемой рабочей жидкости, установленной между торцевой стороной пальца ведомой шестерни и фланцем корпуса. Составной частью приспособления также является отверстие, проходящее через палец ведомой шестерни и соединенное с входным отверстием для направления теряемой рабочей жидкости в интегрированный контур охлаждения. Приспособление создает для теряемой рабочей жидкости путь самого низкого сопротивления, поэтому ее поток не давит наружу из пространства насоса в другом направлении. При придании направления потоку теряемой рабочей жидкости, проходящему через центр шестерни к входному отверстию, происходит ее плавное поступление во встроенный контур охлаждения. При работе шестеренного насоса одновременно происходит движение потока теплообменной среды-носителя в контуре охлаждения.

В следующем обладающем преимуществами варианте исполнения шестеренного насоса с приводом согласно данному изобретению устройство для отвода теряемой рабочей жидкости из области ведущей шестерни снабжено как минимум одним отводящим пазом, расположенным как минимум в одном подшипнике установленного во втулке пальца ведущей шестерни. Отводящий паз параллелен пальцу ведущей шестерни и он длиннее ее пальца. Он также снабжен как минимум одной пластинкой для направления потока теряемой рабочей жидкости, установленной между торцевой стороной пальца ведомой шестерни и крышкой корпуса. Отверстие, проходящее через палец ведущей шестерни и соединенное с проходом, также является составной частью приспособления. Также на фланце у торцевой стороны пальца ведущей шестерни имеется выходной паз, соединяющий проход и полость всасывания. У ведущей шестерни также имеет место протекание теряемой рабочей жидкости. Эта теряемая жидкость при помощи приспособления отводится в полость всасывания, при этом к данной жидкости присоединяется рабочая жидкость, вливающаяся обратно из контура охлаждения в насос через проход для ведущего вала. Через выходной паз теряемая рабочая жидкость отводится в полость всасывания.

В следующем обладающем преимуществами варианте исполнения шестеренного насоса с приводом согласно данному изобретению в крышке корпуса и во фланце напротив пластинок выбраны пазы для установки упругого уплотнения. Упругое уплотнение не только герметизирует насос, но наряду с этим создает заранее определенный прижим, который через пластинки передается на втулки зубчатых колес. Одновременно ведущий вал проходит внутри привода как минимум через часть встроенного контура охлаждения для смазывания вала рабочей жидкостью. Если рабочая жидкость обтекает ведущий вал, она остается на валу и служит в качестве смазки между подвижной и неподвижной составными частями.

В следующем обладающем преимуществами варианте исполнения шестеренного насоса с приводом согласно данному изобретению привод образован электродвигателем и управляющей электроникой. Электродвигатели, снабженные управляющей электроникой, способны работать на стабильных оборотах для сохранения неизменной величины давления на выходе шестеренного насоса. Колебания числа оборотов, прежде всего в авиационной промышленности, с точки зрения безопасности работы агрегата недопустимы.

В следующем обладающем преимуществами варианте исполнения шестеренного насоса с приводом согласно данному изобретению управляющая электроника и корпус привода снабжены собственным встроенным контуром охлаждения, вход для рабочей жидкости которого находится в области полости нагнетания рабочей жидкости шестеренного насоса, а выход рабочей жидкости выведен в ее выпуск из насоса. Если объем теряемой рабочей жидкости недостаточен для охлаждения управляющей электроники, то ее можно снабдить собственным встроенным контуром охлаждения.

В следующем обладающем преимуществами варианте исполнения шестеренного насоса с приводом согласно данному изобретению выход рабочей жидкости собственного встроенного контура охлаждения снабжен трехходовым электромагнитным клапаном. Согласно заданному режиму работы шестеренного насоса с приводом рабочая жидкость из собственного встроенного контура охлаждения может быть отведена обратно в полость всасывания или выведена за пределы шестеренного насоса с приводом. Клапан легко управляется при помощи электронной системы управления.

Преимущества шестеренного насоса с приводом, снабженного как минимум одним встроенным контуром охлаждения, заключаются в использовании теряемой рабочей жидкости для охлаждения привода, равно как и в конструкции шестеренного насоса, которая компактна, легка и надежна, а также в предварительно заданной силе прижима пластинок к втулкам пальцев и в упрощении движения рабочей жидкости обратно в полость всасывания при помощи выходного паза.

Пояснения к чертежам

Указанное изобретение лучше всего пояснить при помощи следующих чертежей, где:

фиг. 1 сечение шестеренного насоса с приводом,

фиг. 2 подробный вид сечения шестеренного насоса с приводом,

фиг. 3 сечение шестеренного насоса с приводом - вид сверху,

фиг. 4 сечение шестеренного насоса с приводом - вид сбоку, на котором

для лучшей видимости выходного паза отсутствует ведущая

шестерня

фиг. 5 схема использования собственного встроенного контура охлаждения для управляющей электроники привода.

Примеры реализации изобретения

Описанные и изображенные ниже конкретные случаи реализации изобретения представлены в качестве иллюстрации, но использование изобретения ни в коем случае не ограничивается только приведенными примерами. Специалисты, компетентные в области состояния техники, при помощи обычного экспериментирования найдут или будут способны обеспечить большее или меньшее количество эквивалентов описанным здесь специфическим случаям применения. И эти эквиваленты будут включены в состав следующих патентных заявок.

На фиг. 1 изображен шестеренный насос 1, соединенный с приводом 2. Привод 2 - это электродвигатель 22, он снабжен интегрированным контуром охлаждения 10, встроенным в корпус привода 2. Шестеренный насос 1 перекачивает рабочую жидкость под высоким давлением. Например, рабочей жидкостью является гидравлическое масло, топливо. Шестеренный насос 1 состоит из стационарного корпуса 3, с одной стороны снабженного фланцем 11, а с другой стороны снабженного съемной стенкой, образующей крышку 21. В пространстве корпуса 3 находятся две шестерни 5 и 7, делящие пространство корпуса 3 на две части. Полость 4 всасывающая, в ней происходит всасывание рабочей жидкости, она развернута в сторону ведущей шестерни 5, а полость 6 нагнетания рабочей жидкости повернута к ведомой шестерне 7. Ведущая шестерня 5 через отверстие 14 во фланце 11 соединена с ведущим валом 13 привода 2.

На фиг. 2 и фиг. 3 наглядно показано подробное изображение шестеренного насоса 1. Шестерни 5 и 7 снабжены продолговатым пальцем 8, установленным во втулках 9. Во втулках 9 имеется полукруглый отводящий паз подшипника 15, образующий часть приспособления для отвода теряемой рабочей жидкости. Корпуса шестерней 5 и 7 полые, через них проходит отверстие 17. Для направления потока теряемой рабочей жидкости в торцевые стороны ведомой шестерни 7 вставлены направляющие пластинки 16. Поток теряемой рабочей жидкости протекает через отводящий паз в подшипнике скольжения 15 между втулкой 9 и ведомым зубчатым колесом 7 к направляющей пластинке 16, после чего направляющая пластинка 16 отводит поток теряемой рабочей жидкости 17, находящейся внутри ведомой шестерни 7. Поток теряемой рабочей жидкости проходит через ведомую шестерню 7, через входное отверстие 14 во фланце 11 и попадает во встроенный контур охлаждения 10 привода 2.

Ведущая шестерня 5 также полая, поскольку и здесь возникает поток теряемой рабочей жидкости, который должен отводиться. Однако у ведущей шестерни 5 поток теряемой рабочей жидкости отводится обратно в полость всасывания 4. Из контура охлаждения 10 рабочая жидкость возвращается обратно через проход 12 для вала 13 во фланце 11 по выходному пазу 18 в полость всасывания 4.

Во фланце 11 и в крышке 21 напротив направляющих пластинок 16 имеются пазы 19 для уплотнения 20, снабженные упругим уплотнением 20.

Направляющие пластинки 16 одной стороной соприкасаются с упругим уплотнение 20 или пружиной, а другой стороной со втулкой 9, благодаря чему определяется прижим втулок 9 к шестерням 5 и 7.

На фиг. 4 изображен фланец 11, вид изнутри пространства корпуса 3 насоса 1. От прохода 12 для вала 13 во фланце 11 выбран выходной паз 18, по которому рабочая жидкость протекает из контура охлаждения 10 привода 2 в полость 4 всасывания.

На фиг. 5 схематически показан следующий возможный пример конструкции шестеренного насоса 1 с приводом 2. Привод 2 образован электродвигателем 22 и его управляющей электроникой 23. Поскольку управляющая электроника 23 в ходе своей работы выделяет тепло, то ее необходимо охлаждать. Охлаждение обеспечивается ее собственным интегрированным контуром охлаждения 24, у которого впуск рабочей жидкости расположен в области полости нагнетания 6. Рабочая жидкость поступает в собственный контур охлаждения 24 и выходит из него в трехходовой электромагнитный клапан 25. Трехходовой электромагнитный клапан 25 в зависимости от настройки определяет, куда будет отводиться рабочая жидкость. Будет ли она отведена в полость 4 всасывания или за пределы шестеренного насоса 1. Максимальное давление рабочей жидкости в шестеренном насосе 1 с приводом 2 отслеживается клапаном 26, который в случае необходимости выпускает рабочую жидкость под давлением обратно в полость 4 всасывания.

В не показанном на рисунке варианте исполнения шестеренного насоса 1 с приводом 2 единственный встроенный контур охлаждения 10 присутствует как в электродвигателе 22, так и в блоке электроники 23. Поток теряемой рабочей жидкости достаточен для отвода выделяемого тепла электродвигателем 22 и управляющей электроникой 23; этот поток с принятым теплом возвращается в полость 4 всасывания шестеренного насоса 1.

Промышленное применение

Шестеренный насос с приводом согласно замыслу изобретателя найдет свое применение в различных областях техники, кроме прочего в авиации, где шестеренные насосы используются, например, для перекачивания топлива.

Перечень обозначений на чертежах

1 шестеренный насос

2 привод шестеренного насоса

3 корпус шестеренного насоса

4 полость всасывания

5 ведущая шестерня

6 полость нагнетания

7 ведомая шестерня

8 палец шестерни

9 втулка

10 встроенный контур охлаждения

11 фланец

12 проход

13 ведущий вал

14 впускное отверстие

15 подшипник

16 пластинка

17 отверстие

18 выходной паз

19 паз уплотнения

20 упругое уплотнение

21 крышка

22 электродвигатель

23 управляющая электроника

24 встроенный контур охлаждения управляющей электроники

25 трехходовой электромагнитный клапан

26 клапан максимального давления

Изобретение относится к шестеренному насосу с механическим приводом, предназначенному для транспортировки рабочей жидкости. Шестеренный насос (1) содержит корпус (3), ведущую и ведомую шестерни (5, 7), привод (2) с как минимум одним встроенным контуром охлаждения (10), соединенный с шестерней (5) ведущим валом (13), устройство для отвода потока теряемой рабочей жидкости от шестерней (5, 7) в полость всасывания (4) насоса (1), в которой поток теряемой рабочей жидкости отводится во встроенный контур (10) привода (2), а после этого отводится в полость (4) всасывания. Изобретение направлено на улучшение эффективности работы насоса. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Шестеренный насос (1) с приводом (2), содержащий корпус (3) с полостью всасывания (4) и полостью нагнетания (6), закрытый с одной стороны крышкой (21), ведущую шестерню (5) и ведомую шестерню (7), причем пальцы (8) шестерен (5, 7) установлены на подшипниках (15) во втулках (9), привод (2), снабженный как минимум одним встроенным контуром охлаждения (10, 24) и присоединенный к корпусу (3) фланцем (11) с проходом (12) для ведущего вала (13), соединяющего привод (2) с ведущей шестерней (5), и устройство для отвода потока теряемой рабочей жидкости как минимум от одной шестерни (5, 7) в полость всасывания (4), причем вход встроенного контура охлаждения (10) привода (2) выведен в корпус (3) через впускное отверстие (14) во фланце (11) и соединен с устройством для отвода потока теряемой рабочей жидкости как минимум от одной шестерни (5, 7), а выход встроенного контура охлаждения (10) привода (2) выведен в корпус (3) через проход (12) во фланце (11) и соединен с полостью всасывания (4) шестеренного насоса (1), отличающийся тем, что

устройство для отвода потока теряемой рабочей жидкости от ведомой шестерни (7) снабжено как минимум одним отводящим пазом, имеющимся в подшипнике (15), установленном как минимум в одной втулке (9) пальца (8) ведомой шестерни (7), при этом отводящий паз в подшипнике (15) параллелен пальцу (8) ведомой шестерни (7) и длиннее пальца (8) ведомой шестерни (7), а также как минимум одной пластинкой (16) для направления потока теряемой рабочей жидкости, установленной между торцевой стороной пальца (8) ведомой шестерни (7) и фланцем (11) корпуса (3), отверстием (17) в пальце (8) ведомой шестерни (7), соединенным с впускным отверстием (14) для попадания потока теряемой рабочей жидкости во встроенный контур охлаждения (10),

и/или устройство для отвода потока теряемой рабочей жидкости от ведущей шестерни (5) снабжено как минимум одним отводящим пазом, имеющимся в подшипнике (15), установленном как минимум в одной втулке (9) пальца (8) ведущей шестерни (5), при этом отводящий паз в подшипнике (15) параллелен пальцу (8) ведущей шестерни (5) и длиннее пальца (8) ведущей шестерни (5), а также как минимум одной пластинкой (16) для направления потока теряемой рабочей жидкости, установленной между торцевой стороной пальца (8) ведущей шестерни (5) и крышкой (21) корпуса (3), отверстием (17) в пальце (8) ведущей шестерни (5), соединенным с проходом (12), при этом на фланце (11) у торцевой стороны пальца (8) ведущей шестерни (5) имеется выходной паз (18), соединяющий проход (12) с полостью всасывания (4).

2. Шестеренный насос с приводом по п. 1, отличающийся тем, что в крышке (21) и во фланце (11) напротив пластинок (16) имеются пазы (19) для установки упругого уплотнения (20).

3. Шестеренный насос с приводом по пп. 1 или 2, отличающийся тем, что приводной вал (13) проходит внутри привода (2) как минимум через часть встроенного контура охлаждения (10) для смазывания вала рабочей жидкостью.

4. Шестеренный насос с приводом по пп. 1 или 2, отличающийся тем, что привод (2) состоит из электродвигателя (22) и управляющей электроники (23).

5. Шестеренный насос с приводом по п. 4, отличающийся тем, что управляющая электроника (23) снабжена собственным встроенным контуром охлаждения (24), вход для рабочей жидкости которого находится в области полости нагнетания (6) рабочей жидкости шестеренного насоса (1), а выход рабочей жидкости выведен в полость (4) всасывания или за пределы шестеренного насоса (1).

6. Шестеренный насос с приводом по п. 5, отличающийся тем, что выход рабочей жидкости собственного встроенного контура охлаждения (24) снабжен трехходовым электромагнитным клапаном (25).