Шестерённая машина объёмного действия Российский патент 2023 года по МПК F01C1/08 F03C2/08 F04C2/08 F04C11/00 

Изобретение относится к шестеренным многоступенчатым машинам объемного действия с вращающимися рабочими органами, находящимися во взаимном зацеплении, и может использоваться в качестве насоса, например, глубинного насоса для подъема жидкости из нефтяных скважин, а также в качестве гидро- или пневмодвигателя.

Известна роторная гидромашина, которая относится к роторным шестеренным машинам объемного вытеснения (RU135021, фиг.4). Машина содержит цилиндрический корпус, четыре неподвижных эпициклических колеса внутреннего зацепления, расположенных последовательно друг за другом в параллельных плоскостях. Оси в каждой паре этих колес смещены относительно центральной оси корпуса в противоположные стороны. Солнечная шестерня с четырьмя венцами внешних зубьев связана с ведущим валом. С каждым эпициклическим колесом и венцом солнечной шестерни взаимодействуют по два плавающих сателлита. В корпусе установлены торцевые перегородки, жестко связанные с корпусом и разделяющие весь объем на ступени. В крайних торцевых перегородках выполнены впускное и выпускное окно, а в центральных перегородках - перепускные окна. Длина каждого окна в окружном направлении превышает диаметр сателлита. Эта роторная гидромашина из-за наличия эпициклических колес внутреннего зацепления сложна в изготовлении, и имеет высокие требования к точности изготовления зубчатых зацеплений.

Известен шестеренный насос для перекачки жидкости (RU 2 563 736), который, по сути, является машиной объемного действия. Машина выполнена многоступенчатой в виде отдельных секций, расположенных последовательно друг за другом вдоль одной оси. Каждая секция содержит отдельный корпус с зонами всасывания и нагнетания. В цилиндрических пересекающихся расточках корпуса каждой ступени размещены ведущая и две ведомых прямозубых шестерни внешнего зацепления. Секции разделяются неподвижными перегородками, выполненными в виде дисков. Причем перегородка на выходе предыдущей секции служит входной перегородкой для последующей секции. Диски имеют центральное отверстие для прохождения вала ведущих шестерен. Каждая перегородка выполнена с осями для посадки ведомых шестерен последующей секции, а также с отверстиями для базирования осей предыдущей секции. Ведущие шестерни всех секций посажены на ведущий вал, а ведомые шестерни всех секций свободно вращаются на осях, которые выполнены на перегородке предыдущей секции. В результате друг относительно друга нужно базировать перегородки так, чтобы оси для ведомых шестерен в перегородке предыдущей секции совпадали с отверстиями для них в последующей. Перегородки выполнены с перепускными каналами, которые представляют собой сквозные отверстия в дисках перегородок. Шестерни смежных секций, а, следовательно, и перегородки ориентированы друг относительно друга с угловым смещением. Перепускные каналы в перегородках соседних ступеней смещены друг относительно друга по углу. Основными недостатками этого устройства, выбранного за прототип, являются повышенные требования к точности расположения осей для ведомых шестерен одной секции и отверстий для них в перегородке следующей секции. Неточности в базировке этих осей в отверстиях, могут вызвать проблемы при сборке. Кроме того, в насосе имеет место пульсация потока жидкости, вызывающая вибрацию, повышенный шум и ускоренный износ оборудования.

Техническим результатом изобретения является упрощение изготовления и сборки шестеренной машины, а также более равномерная ее работа, без высоких пульсаций давления.

Для достижения указанного результата шестеренная машина, как и прототип выполнена многоступенчатой в виде отдельных, расположенных последовательно вдоль оси, секций. Каждая секция образована корпусом секции, в цилиндрических пересекающихся расточках которого размещены шестерни внешнего зацепления. Ведущие шестерни всех секций сидят на ведущем валу. Секции ограничены торцевыми крышками - перегородками, которые установлены с зазорами относительно торцевых поверхностей шестерен. Перегородки выполнены с отверстиями для ведущего вала, причем перегородка на выходе одной секции, является входной для другой, для чего перегородки снабжены перепускными каналами для совмещения зоны высокого и низкого давлений соседних ступеней. В отличие от прототипа ведомые шестерни всех секций сидят на одном ведомом валу, и все шестерни выполнены косозубыми. В каждом корпусе секции на его внутренней поверхности с противоположных торцов выполнены входные и выходные каналы. Перепускные каналы в перегородках образованы канавкой на боковой поверхности перегородки, канавка с помощью отверстий на противоположных торцах перегородки совмещена с выходным каналом в корпусе предыдущей секции и с входным каналом корпуса последующей секции.

Для устранения осевой нагрузки углы наклона зубьев шестерен, сидящих на одном валу в смежных секциях выполнены противоположными друг другу.

Изобретение иллюстрируется на примере одного из вариантов шестеренной машины, работающей в режиме насоса, в которой компенсированы осевые нагрузки за счет противоположного наклона зубьев в соседних секциях. На фиг. 1 дан общий вид шестеренного насоса в разрезе. На фиг.2 и 3 показаны две смежные секции в разобранном виде в разных ракурсах. На фигуре 4 представлено продольное сечение шестеренной машины на фиг.1, а на фиг.5 сечение по Б-Б фигуры 4. Фиг. 6 это сечение по АА (см. фиг.4), а фиг. 7 сечение по СС (см. фиг.5). На фиг. 8 представлен общий вид перегородки между секциями, на фиг.9 вид на корпус секции вдоль оси. На фиг. 10 приведено сечение по ВВ фиг. 9.

Многоступенчатая шестеренная машина образована секциями 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 (см. фиг 1 и фиг.4), расположенными последовательно друг за другом вдоль одной оси. Общий корпус 2 шестеренной машины образован отдельными цилиндрическими корпусами секций 2.1, 2.2. 2.3, 2.4. Корпуса секций соединяются друг с другом с помощью шпилек 9 в отверстиях 10. В корпусе каждой секции выполнены цилиндрические пересекающиеся расточки 3 и 4 (см. фиг. 2 и 6). В расточках 3 расположены ведущие шестерни 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, сидящие на одном валу 6, который является ведущим. В расточках 4 расположены ведомые шестерни 7.1,7.2,7.3,7.4 сидящие на одном ведомом валу 8. Все шестерни всех секций выполнены косозубыми, причем соседние шестерни на одном валу имеют противоположный наклон зубьев. Такое выполнение шестерен позволяет компенсировать осевые усилия, возникающие при взаимодействии ведущих и ведомых шестерен с косыми зубьями.

Секции шестерен отделяются друг от друга перегородками 11 (см. фиг.8), сквозь отверстия 12 и 13 которых проходят ведущий и ведомый валы 6 и 8. Перепускными каналами в каждой перегородке 11 служит канавка 14 на ее боковой поверхности, и каналы, которые представляют собой не сквозные отверстия 15 и 16 на противоположных ее торцевых поверхностях. В каждом корпусе секции на его внутренней поверхности с противоположных торцов выполнены входные и выходные каналы 17 и 18, которые образуют полости всасывания и нагнетания в корпусах смежных секций. Отверстия 15 и 16 в перегородке 11 соединяют канавку 14 с входным и выходным каналами смежных секций. Торцы общего корпуса 2 закрыты входным 19 и выходным 20 фланцами, в которых на подшипниках установлены ведущий 6 и ведомый 8 валы. Во входном фланце 19 выполнен канал 21 подачи среды в полость всасывания 22 первой секции 1.1. В выходном фланце 20 выходной канал 23 соединен с полостью нагнетания 24 четвертой секции 1.4 (см. фиг. 5).

Работает вышеописанный шестеренный насос следующим образом. При вращении ведущего вала 6 против часовой стрелки, как показано на фиг.6 вращаются ведущие шестерни 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 всех четырех секций 1.1, 1.2, 1.3, 1.4. Благодаря взаимодействию ведущих шестерен 5 с ведомыми 7, последние также начинают вращаться в противоположном направлении. Рассмотрим процессы, протекающие отдельно в каждой секции, обращаясь к фиг. 5. Объемы между зубьями шестерен 5.1 и 7.1, первоначально открытые со стороны полости всасывания 22 начинают замыкаться стенками цилиндрических расточек 3 и 4 и линией контакта зубьев шестерен 5.1 и 7.1. Косые зубья шестерен 5.1 и 7.1 обеспечивают непрерывный процесс захвата объемов среды. Этот объем при вращении колес перемещается к полости нагнетания 18 первой секции, и выталкивается в нее, создавая повышенное давление. Затем перекачиваемая среда через отверстие 15 на торцевой поверхности перегородки 11 поступает в канавку 14 на ее боковой поверхности. Из канавки 14 через отверстие 16 на противоположном торце перегородки 11 среда поступает в полость всасывания 17 следующей секции 1.2. В этой секции, которая является второй ступенью шестеренного насоса, повторяются те же процессы, и давление в камере нагнетания 18 второй секции 2.2 еще более повышается. Аналогично работают секции 1.3 и 1.4. Из полости нагнетания 24 последней секции 1.4. перекачиваемая среда под высоким давлением выходит через канал 23 в выходном фланце 20. При работе шестеренной машины в режиме двигателя, вход и выход, как всей машины, так и каждой секции меняются местами. Рабочая среда под высоким давлением через канал 23 поступает в полость высокого давления 24 секции 1.4. Она заполняет объемы между зубьями со стороны полости высокого давления. Поскольку давление между зубьями с другой стороны шестерен минимально, то возникает избыточное давление, которое вызывает вращение шестерен 5.4 и 7.4 в противоположные стороны. Затем среда через отверстия на противоположных торцах перегородки 11 и канавку 14 на ее боковой поверхности поступает в секцию 1.3. Здесь остаточное давление среды преобразуется во вращение шестерен 5.3 и 7.3. Аналогичные процессы происходят в секциях 1.2 и 1.1. Отбор момента вращения может происходить от любого из валов 6 и 8, а также и от обоих валов одновременно.

Таким образом, предлагаемая шестеренная машина, как и прототип, является многоступенчатой, работающей при более высоких давлениях. Но при этом базировка отдельных ступеней - секций друг относительно друга, осуществляется за счет крепления и ориентации корпусов каждой секции друг относительно друга. В варианте, который изображен на прилагаемых фигурах, это шпильки 9 проходящие через отверстия 10 сквозь все корпуса отдельных секций. Базировка отдельных секций насоса возможна и с помощью установки корпусов отдельных секций в одном общем корпусе. Сборка деталей с такой базировкой значительно проще, чем в прототипе. Косые зубья шестерен в каждой секции обеспечивают равномерную подачу среды в режиме насоса и более равномерное вращение в режиме двигателя.

Изобретение относится к шестеренным многоступенчатым машинам объемного действия. Машина содержит отдельные расположенные последовательно вдоль одной оси секции (1.1, 1.2, 1.3, 1.4). Общий корпус образован отдельными цилиндрическими корпусами секций (2.1, 2.2, 2.3, 2.4). В корпусе каждой секции (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) выполнены цилиндрические пересекающиеся расточки, в которых расположены ведущие шестерни (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) на ведущем валу (6) и ведомые шестерни (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) на ведомом валу (8). Все шестерни всех секций выполнены косозубыми. Секции ограничены перегородками (11) с отверстиями для валов (6, 8). Перегородки (11) снабжены перепускными каналами для совмещения зоны нагнетания предыдущей ступени с зоной всасывания последующей. В каждом корпусе секций (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) на его внутренней поверхности с противоположных торцов выполнены входные и выходные каналы. Перепускные каналы в перегородках (11) образованы канавкой (14) на боковой поверхности перегородки (11). Канавка (14) с помощью отверстий на противоположных торцах перегородки (11) совмещена с выходным каналом в корпусе предыдущей секции и с входным каналом корпуса последующей секции. Изобретение направлено на упрощение изготовления и сборки машины, а также на обеспечение более равномерной ее работы без высоких пульсаций давления. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Шестеренная машина объемного действия, выполненная многоступенчатой в виде отдельных расположенных последовательно вдоль одной оси секций, каждая из которых образована корпусом секции, в цилиндрических пересекающихся расточках корпуса каждой секции размещены шестерни внешнего зацепления, ведущие шестерни всех секций сидят на одном ведущем валу, секции ограничены торцевыми крышками – перегородками, которые установлены с зазорами относительно торцевых поверхностей шестерен, перегородки выполнены с отверстиями для ведущего вала, причем перегородка на выходе одной секции является входной для другой, для чего перегородки снабжены перепускными каналами для совмещения зоны высокого и низкого давлений соседних ступеней, отличающаяся тем, что ведомые шестерни всех секций сидят на одном ведомом валу, все шестерни выполнены косозубыми, в каждом корпусе секции на его внутренней поверхности с противоположных торцов выполнены входные и выходные каналы, перепускные каналы в перегородках образованы канавкой на боковой поверхности перегородки, канавка с помощью отверстий на противоположных торцах перегородки совмещена с выходным каналом в корпусе предыдущей секции и с входным каналом корпуса последующей секции.

2. Шестеренная машина по п. 1, отличающаяся тем, что углы наклона зубьев шестерен, сидящих на одном валу в смежных секциях, выполнены противоположными друг другу.