Роторная объемная гидропневмомашина

 

Использование: в гидропневмомашиностроении. Сущность изобретения: роторная объемная гидропневмомашина включает корпус с входным и выходным отверстиями, статор, эксцентрично расположенный в нем цилиндрический ротор с одним или несколькими диаметральными пазами, в которых выполнены шиберы с концевыми цилиндрическими пазами, в которых установлены вкладыши. Поверхность вкладышей составлена из двух выпуклых пересекающихся цилиндрических поверхностей, образующие роторы представляют дуги разных радиусов. Профиль статора представляет окружность или кривую, имеющую в зонах наибольшего перепада давления рабочей среды и/или наибольших контактных нагрузок радиус кривизны, равный большему радиусу образующих дуг вкладыша. 4 ил.

Изобретение относится к гидропневмомашиностроению и может быть использовано в качестве гидро- и пневмонасоса и двигателя, компрессора, в приводах машин многих отраслей промышленности, например, нефтяной, нефтехимический, автомобильной, сельскохозяйственной, станкостроительной, горнодобывающей.

Известны роторные объемные машины, содержащие статор с входным и выходным отверстиями, эксцентрично установленный цилиндрический ротор, обладающий в осевой плоскости одним или несколькими пазами для шиберов (пластин), перемещающихся в этих пазах, взаимодействующих с внутренней поверхностью статора и образующих рабочие полости (Авт. свид. СССР N 1463967, 1988).

Общим недостатком таких машин является недостаточное уплотнение между лопастями и внутренним профилем статора в зоне контакта из-за их малой площади соприкосновения. Контакт трущихся пар в основном представляет линейное соприкосновение (линейный контакт), что приводит к недостаточной герметичности между рабочими полостями всасывания, нагнетания и соответственно к снижению объемной производительности. Линейный контакт между трущимися парами не позволяет значительно снизить контактные нагрузки и исключить быстрый износ кромок пластин и внутреннего профиля статора, уменьшить потери на трение и повысить надежность машин.

Известна роторная машина, принятая за прототип, которая содержит корпус с входным и выходным отверстиями, статорное кольцо, эксцентрично установленный ротор, в радиальных пазах которого имеются шиберы (пластины) на концах с подвижными уплотнительными элементами в виде роликов определенного диаметра (Авт. свид. N 1359484, 1987).

Но известная роторная машина также имеет недостатки, влияющие на поддержание высоких параметров по производительности давлению и надежности из-за ограничения в принятии большего эксцентриситета, зависимого от диаметров роликов и ротора шиберный насос заведомо имеет малую производительность; наличие в конструкции только подпружиненных шиберов ограничивает применение такого шиберного насоса на высоких рабочих давлениях; применение ролика на конце шибера предусматривает его качение по профилю статора, что возможно при определенных заданных условиях работы насоса, а различные отклонения от номинального режим работы, например, большое содержание абразивосодержащих примесей или резкое импульсивное изменение давления, неизбежно приведут к отсутствию качения ролика и неравномерному износу его цилиндрической поверхности, а следовательно потере уплотнения между полостями всасывания и нагнетания, в результате чего снижается надежность машины по большинству рабочих параметров.

Целью изобретения является максимальное устранение перечисленных выше недостатков и повышение функциональных качеств создаваемых объемных роторных машин в широком колебательном диапазоне числа оборотов ротора, в том числе в реверсивном режиме за счет надежного радиального уплотнения между шиберами и внутренним профилем статора.

Это достигается в роторно-шиберной объемной гидропневмомашине, состоящей из корпуса с входным и выходным отверстиями статора, эксцентрично установленного в нем цилиндрического ротора с одним или несколькими диаметрально ориентированными в осевой плоскости пазами, в которых выполнены шиберы с подвижными уплотнительными элементами на концевых контактных кромках в виде вкладышей, которые при вращении ротора обеспечивают постоянную герметизацию между полостями всасывания и нагнетания. В качестве уплотнительного элемента в отличие от прототипа используется вкладыш, представляющий в сечении профиль, ограниченный двумя выпуклыми дугами разных радиусов, меньший из которых равен радиусу концевого цилиндрического паза шибера, а больший равен радиусу окружности или неизменяемому радиусу дуг, составляющих кривизну профиля внутренней поверхности статора в зонах наибольшего перепада давления рабочей среды и/или наибольших контактных нагрузок между вкладышами и внутренней боковой поверхностью статора, при этом дуга большего радиуса профиля вкладыша проходит через центр дуги меньшего радиуса, расположенного на центральной линии шибера, равноудаленной от его боковых поверхностей. В результате две соединенные цилиндрические поверхности вкладыша постоянно контактируют: с одной стороны с цилиндрическим концевым пазом шибера, а с другой стороны с внутренней боковой поверхностью статора. При этом взаимодействие вкладыша с другими элементами отмечается зависимостью, при которой его центр профиля малой дуги всегда лежит на центральной линии шибера и практически контактирует с профилем статора, и одновременно при полном обороте ротора вкладыш производит относительно центра его малой дуги маятниковое, плавающее движение в цилиндрическом пазу шибера, отклоняясь в обе стороны на равное расстояние от центральной плоскости шибера, неизменно сохраняя постоянное расстояние, равное радиусу малой дуги между шибером по его центральной линии и профилем статора. Такая самоустанавливающаяся способность вкладыша позволяет использовать предлагаемую роторную машину не только с подпружиненными шиберами (пластинами), подобно прототипу, но и проектировать машины с цельными сквозными шиберами, имеющими на своих концах плавающие вкладыши и сохраняющими линейный размер по центральной линии шибера практически постоянным независимо от угла поворота ротора, для чего необходимо, чтобы центральная плоскость шибера, равноудаленная от его боковых поверхностей, совпадала с осевой плоскостью ротора, а любое множество секущих перпендикулярных к внутреннему профилю статора, совпадающему с центральной плоскостью шибера и осевой плоскостью ротора, были по существу равны длине шибера по его центральной плоскости между точками касания вкладышей с профилем статора, который выбирается таким образом, чтобы кроме окружности как в прототипе, он состоял, в основном, из полуокружностей и/или дуг одного радиуса, и располагались эти дуги преимущественно в зона наибольшего перепада давления рабочей среды и/или наибольших контактных нагрузок, а любая другая точка кривой, образующая внутренний профиль статора соединяющих дуги и лежащая на одной секущей внутреннего профиля статора должна быть равноудалена на полную длину шибера по его центральной линии, включая в эту длину два радиуса малой дуги, равных концевых вкладышей, при этом длина радиуса равна или меньше половины толщины шибера.

В свою очередь толщина шибера, практически равная ширине паза ротора, выбирается из конструктивных требований проектируемых машин, по правилу: чем выше параметры, более напряженные и сложные условия работы, тем больше выбирается толщина шибера и соответственно принимается большим радиус малой дуги вкладыша. Это увеличивает длину дуги большего радиуса вкладыша и соответственно площадь цилиндрической поверхности вкладыша, контактирующей с внутренней поверхностью статора.

Так решается основная задача изобретения создание объемных роторно-шиберных машин с большой заданной площадью идеальных беззазорных контактирующих поверхностей между шибером и статором, что позволяет значительно снизить контактные нагрузки, действующие изнашивающие силы, сократить перетоки в зонах нагнетания и всасывания и, в целом, создать машины с высокими параметрами по давлению, вакууму, объемной производительности при гарантированной надежности и долговечности также и при малых оборотах ротора, в том числе в реверсивном и колебательном режимах.

Цилиндрические поверхности вкладыша позволяют ему действующим равновесием сил и моментов самоустанавливаться между шибером и статором независимо от угла поворота и направления вращения ротора и сохранять радиальное уплотнение при изменяющихся режимах работы машин, что значительно расширяет область применения объемных машин с использованием предлагаемого изобретения не только на чистых средах, но и газожидкостных смесях, жидкостях с высокой вязкостью и механическими примесями.

Упрочнение рабочих поверхностей и/или изготовление таких деталей, как шибер, вкладыш из композиционных, твердых или сверхтвердых материалов расширяет область применения машин на работу с агрессивными с ложными средами.

На фиг. 1 и 2 изображена объемная роторно-шиберная машина в разрезе соответственно с одним и тремя шиберами; на фиг. 3 концевая часть шибера с вкладышем в соприкосновении с ротором и внутренним профилем статора; на фиг. 4 профиль поперечного сечения статора с двумя шиберами.

Объемная роторно-шиберная машина содержит статор 1, являющийся одновременно корпусом, имеющим внутренний профиль 2 с впускным 8 и выпускным 9 отверстиями. В корпусе статора 1 с эксцентриситетом ε размещен ротор 3 с одним или несколькими равнораспределенными по окружности диаметральными пазами 4, в которых выполнены плоские шиберы 5 прямоугольного сечения с концевыми цилиндрическими пазами 6 и расположенными в этих пазах вкладышами 7, имеющими две цилиндрические выпуклые поверхности ответные соответственно пазу шибера 6 и радиусу кривизны R_c внутреннего профиля 2.

Поперечное сечение профиля 2 статора 1 имеет форму фигуры ограниченной в зависимости от назначения машины: или окружностью с центром О_c, или двумя равными касающимися дугами одного радиуса R_c(еkа, в, с) и (с, d, е, k, аbcde), или несколькими, как равными, так и неравными дугами одного радиуса R_c, касающимися своими концами, например, в точках abcdeka, в, с, d, е, k₁ или сочетаниями дуг одного радиуса R_c и отрезков кривых, отвечающих во всех случаях требованию, при котором длина L шибера 5 вместе с двумя вкладышами 7 при любом вращательном положении ротора 3, оставаясь неизменной, равна любой секущей, например, аа₁вв₁сс₁dd₁ее₁kk₁, перпендикулярной внутреннему профилю 2, совпадающему с центральной плоскостью шибера 5 и осевой плоскостью ротора 3.

В предлагаемой машине с одним диаметральным пазом 4 шибер 5 может иметь как цельную неразрезную конструкцию, так и разрезную подпружиненную в средней части, причем ротор 3 устанавливается с возможностью касания внутреннего профиля 2 в точке а, а у машин, имеющих несколько цельных сквозных шиберов 5, в средней части имеются прямоугольные вырезы, размеры которых определяются в зависимости от геометрических размеров и расположения ротора 3 в корпусе статора 1 с расчетом, что при вращении ротора 3 и одновременном скольжении шиберов 5 в пазах 4 не происходит взаимного заклинивания шиберов 5, причем касание ротора 3 с внутренним профилем 2 в точке а необязательно, что важно для машин, работающих на средах с механическими примесями.

Чтобы исключить заклинивания и касания боковых кромок шиберов 5 с внутренним профилем 2 выбирается угол a исходящий из центра О_r вкладыша 7, ограничивающий максимальную длину боковых кромок шиберов 5 при любом вращательном положении ротора 3, при этом чем больше принимается эксцентриситет e ротора 3, тем больше угол a и, соответственно, получается больший срез боковых кромок шибера 5.

Объемная роторно-шиберная машина работает следующим образом. При вращении ротора 3 шиберы 5 скользят возвратно-поступательно в пазах 4, при этом концевые вкладыши 7 постоянно самоустанавливаются, тем самым уплотняя радиальный зазор между шибером 5 и профилем 2 статора 1.

Подбирается кривизна профиля 2, и саморегулируемый постоянный линейный размер шиберов с вкладышами не допускает заклинивания или выпадания вкладышей 7 при любом вращательном положении ротора 3, в том числе в реверсивном режиме, поэтому функции машины обратимы. При работе машины в качестве насоса и вращении ротора 3 по часовой стрелке происходит процесс передачи рабочей среды от впускного отверстия 8 к выпускному 9, а при изменении вращения ротора против часовой стрелки рабочая среда перекачивается в противоположную сторону от отверстия 9 к отверстию 8. При работе машины в качестве гидропневмодвигателя шиберы движутся под действием рабочей среды под давлением, а ротором машины передается момент на рабочий орган в любую сторону в зависимости от направления подачи рабочей среды.

Так как функции машины обратимы, то появляется возможность использования предлагаемой машины в качестве привода различных механизмов.

Формула изобретения

Роторная объемная гидропневмомашина, включающая корпус с входным и выходным отверстиями, статор, эксцентрично расположенный в нем цилиндрический ротор с одним или несколькими диаметральными пазами, в которых выполнены шиберы с концевыми цилиндрическими пазами и установленными в них вкладышами, отличающаяся тем, что боковые поверхности вкладышей составлены из двух выпуклых пересекающихся цилиндрических поверхностей, образующие которых представляют дуги с разными радиусами, меньший из которых равен радиусу концевого цилиндрического паза шибера, а больший равен радиусу окружности или радиусу кривизны внутренней поверхности статора в зонах наибольшего перепада давления рабочей среды и/или наибольших контактных нагрузок между вкладышами и внутренней боковой поверхностью статора, при этом дуга вкладыша большего радиуса проходит через центр дуги меньшего радиуса, расположенного на центральной линии шибера, равноудаленной от его боковых поверхностей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4