Обратимый двигатель-насос-счетчик

 

Использование: в насосо- и компрессоростроении, а также в качестве счетчика расхода жидкости. Сущность изобретения: на основании расположен цилиндрический корпус со сплошным валом и пустотелыми валами и с лопастями. Сплошной вал имеет сцепляющие углубления, а лопасти снабжены упорами, отверстиями, стопорными стержнями, установочной шайбой и пружинами. В лопастях шарнирно закреплены нажимные рычаги. Цилиндрический корпус имеет стопорные пазы, патрубки. Лопасти образуют впускную и выпускную камеры. На сплошном валу расположен маховик. Для работы в режиме счетчика к маховику крепится груз дисбаланса. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к насосостроению и силовым установкам.

Известны устройства, содержащие корпус, каналы отвода и подвода рабочей среды, валы с секторными поршнями, механизмом фиксации поршней (SU, N 1574866, F 02 B 53/00, 1990).

Недостатком компрессоров и насосов является сложность и большие массы подвижных частей, а также недостаточно полное использование рабочего объема. Кроме того, они не позволяют точно дозировать перекачиваемую среду и считать расход перекачиваемой жидкости (воды, бензина, дизельного топлива и др.).

Наиболее близким техническим решением из известных является насосная установка, содержащая основание, цилиндрический корпус, лопасти с упорами, валы, впускной и выпускной патрубки с клапанами (SU, N 1760168, F 04 C 2/00, 1991).

Недостатком последней установки является сложность ее конструкции и невозможность использования в качестве гидродвигателя и счетчика расхода жидкости.

В предлагаемом устройстве обратимый двигатель-насос-счетчик, содержащий основание, цилиндрический корпус, лопасти с упорами, валы, впускной и выпускной патрубки с клапанами, выполнен в виде сплошного с углублениями и двух пустотелых с лопастями и с отверстиями под стопорные стержни валов, соосно установленных в корпусе, выполненном со стопорными пазами, с установленными в лопастях стопорными стержнями и пружинами, причем каждый стержень снабжен установочной шайбой и двумя пружинами, нажимной и стопорной, лопасти снабжены нажимными рычагами, маховик закреплен на сплошном валу, расположен вне корпуса двигателя-насоса, для работы в режиме счетчика расхода жидкости оборудуется грузом дисбаланса, расстояние между впускным и выпускным отверстиями патрубков согласовано с расстоянием между лопастями при их соприкосновении упорами, толщина лопасти равновелика диаметру отверстия, впускное и выпускное отверстия равновелики между собой, угол, образуемый створками упоров лопасти, равен углу между осевыми линиями соприкасающихся лопастей. Противоположный маховику конец сплошного вала оборудован приводом счетчика.

На фиг.1 изображен продольный разрез двигателя-насоса-счетчика; на фиг.2 поперечный разрез; на фиг. 3 временные и угловые диаграммы вращающихся частей.

Двигатель-насос-счетчик содержит основание 1, цилиндрический корпус 2, сплошной вал 3 со сцепляющими углублениями 4, пустотелые валы 5 и 6 с лопастями 7 и 8. Лопасти снабжены упорами 9, отверстиями 10 под стопорные стержни 11 и пружины: нажимную (сцепляющую) 12 и стопорную 13. Обе пружины установлены на стержне, разделены установочной шайбой 14, неподвижно закрепленной на стержне. В лопастях шарнирно закреплены нажимные рычаги 15. Цилиндрический корпус имеет стопорные пазы 16 для стержней и патрубки: впускной 17 и выпускной 18 с обратными клапанами. Лопасти 7 и 8 образуют впускную 19 и выпускную 20 камеры. На сплошном валу вне корпуса двигателя-насоса расположен маховик 21. Маховик может быть снабжен зубчатым венцом, ручьем под ремень или муфтой сцепления. Для работы в режиме счетчика маховик дополнительно снабжен грузом дисбаланса 22, а противоположный маховику конец сплошного вала имеет привод 23.

Обратимый двигатель-насос в режиме гидродвигателя работает следующим образом.

На фиг.2 показано исходное положение, когда лопасть 7 левого пустотелого вала 5 находится в вертикальном положении, а стопорный стержень 11 под воздействием стопорной пружины 13 в стопорном пазу 16 рабочего цилиндра 2 и вышел из сцепляющего углубления 4 сплошного вала 3. Лопасть 7 застопорена (неподвижна). Правая лопасть 8 пустотелого вала 6 в этот момент через свой стопорный стержень и сцепляющее углубление 4 соединена со сплошным валом 3. При подаче среды (жидкости) через впускной патрубок 17 во впускную камеру 19 давление передается на лопасть 8 правого пустотелого вала 6, которая передает движение (вращает) на сплошной вал 3 и маховик 21.

Лопасть 8 воздействует на рабочую среду в выпускной камере 20, выталкивая ее через выпускной патрубок 18. При этом объем камеры 19 увеличивается, а камеры 20 уменьшается.

В конце поворота 8 при соприкосновении ее упора 9 с нажимным рычагом 15 лопасти 7 последний через пружину 12 и шайбу 14 воздействует на стержень 11. При дальнейшем перемещении лопасти 8 (показано пунктиром) до соприкосновения упоров 9 обеих лопастей сцепляющее углубление 4 сплошного вала 3 совмещается со стопорным стержнем 11. Нажимная пружина 12, преодолевая усилие пружины 13, перемещает стержень 11 в сцепляющее углубление 4 сплошного вала 3, выводя стержень из стопорного паза корпуса 2, и сцепляет лопасть 7 с валом 3.

Сейчас правый 6 и левый 5 пустотелые валы с лопастями одновременно соединены со сплошным валом 3 и совместно переместятся на угол ϕ Как только правая лопасть 8 окажется на месте левой лопасти, т.е. в вертикальном положении, под воздействием стопорной пружины 13 стопорный стержень войдет в стопорный паз 16 корпуса 2, она отсоединится от сплошного вала и остановится (застопорится). Цикл повторяется. Стопорная пружина 13 установлена шайбой 14 (прокладками) так, что стопорный стержень 11 всегда стремится войти в стопорный паз 16 корпуса 2.

В режиме гидронасоса обратимый двигатель работает следующим образом.

В исходном положении (фиг. 2) вращение от маховика 21 через сплошной вал 3, сцепляющее углубление 4, стопорный стержень 11 передается на правый пустотелый вал 6 и лопасть 8, которая перемещается, создает разрежение во впускной камере 19 и через впускной патрубок 17 с обратным клапаном поступает в нее рабочая среда. В это же время в выпускной камере 20 создается давление и рабочая среда вытесняется из нее через выпускной патрубок 18. При нажатии упора 9 движущейся правой лопасти на нажимной рычаг 15 левой лопасти ее стопорный стержень выводится из стопорного паза 16 корпуса и соединяется со сцепляющим углублением 4 сплошного вала 3, обе лопасти продолжают двигаться совместно, поворачиваясь на угол v (аналогично работе в режиме гидродвигателя). Далее правая лопасть стопорится в вертикальном положении и цикл повторяется.

Для работы в режиме счетчика расхода жидкости (воды, бензина, дизельного топлива, масла.) обратимый двигатель-насос-счетчик дополнительно оборудуется грузом дисбаланса 22, который закрепляется на маховике 21, а к противоположному маховику концу сплошного вала 3 в его приводе 23 закрепляется счетчик числа его оборотов, отградуированный в единицах объема перекачиваемой жидкости.

В режиме счетчика расхода жидкости обратимый двигатель-насос-счетчик работает аналогично режиму гидродвигателя. Разница только в том, что для вывода сплошного вала из "мертвого" положения, если лопасти 7 и 8 перекрыли впускное 17 и выпускное 18 отверстия, то груз 22 дисбаланса устанавливает лопасти (и все вращающиеся элементы) в исходное положение (фиг. 2).

Счетчик, приводимый в действие противоположным маховику концом вала 3, считает число его оборотов в единицах объема перекачиваемой жидкости.

На фиг. 3 представлена временная диаграмма положения вращающихся элементов двигателя-насоса-счетчика, приведенная к углу поворота вала 3, позволяющая определить положение элементов, их число, величины параметров и их соотношение в любой момент времени от исходного положения.

В исходном положении (фиг. 1, 2) лопасть 7 только что застопорена и находится в вертикальном положении, а лопасть 8 находится к ней под углом v и стрежнем 11 через вал 6 и углубление 4 сцеплена с валом 3 и продолжает поворачиваться одна до положения, показанного пунктиром, не доходя до вертикального положения на угол v, ϕ это также угол между упорами одной (каждой) лопасти, угол между впускным и выпускным патрубками. Последнее требование должно быть выполнено для того, чтобы впускное 17 и впускное 18 отверстия закрывались и открывались одновременно, исключая перекачивание жидкости (при работе двигателем) через одну камеру, т.е. чтобы они оба не могли оказаться в одной камере 19 или 20.

Величина угла v теоретически может быть принята любой, кратной 360^o, например, 2^o, 3^o, 4^o, 5^o, 6^o, 8^o, 9^o, 10^o, 12^o, 15^o, 18^o, 20^o, 24^o, 30^o 36^o, 40^o, 45^o, 60^o, 72^o, 90^o и т.д. желательно четной, а практически зависит от размером двигателя-насоса, толщины лопастей, диаметров валов, прочности конструкционных материалов и соотношения (кратности) g объемов V₁₉ и V₂₀ камер 19 и 20, то есть (так как после одновременного поворота лопастей 7 и 8, соприкоснувшихся упорами, на угол ϕ они меняются местами, то есть лопасть 8 становится в вертикальное положение, а лопасть 7 продолжает поворот).

Для более рационального использования объема двигателя-насоса кратность объемов g желательно сделать максимальной, но конструктивно это не всегда возможно. Принимаем, например, g = 11.

Для упрощения расчетов сделаем допущение, не будем учитывать объем, занимаемый валами и лопастями с упорами. Тогда объем рабочего цилиндра V_раб определится выражением: где S площадь основания цилиндра; L длина цилиндра; D диаметр цилиндра; R радиус цилиндра; C длина окружности цилиндра.

Длину окружности цилиндра можно выразить: C = 2πR, где 2π = α полный угол (один оборот) в радианах. C = αR. Длины частей дуг окружности цилиндра, образующие впускную 19 и выпускную 20 камеры в исходном положении C_min и C_max выразим через углы в радианах и радиус
C_min= ϕR, C_max= (2π-ϕ)R,
тогда объемы камеры будут

а кратность

Отсюда выразим угол v через кратность объемов
(в радианах),
(в градусах).

В нашем примере при γ = 11 угол
Зная кратность объемов γ и их изменение при повороте лопастей 7 и 8 от исходного положения, можно определить интегральный расход жидкости, что и показано на фиг. 3.

Лопасть 7 находится в застопоренном (неподвижном) состоянии до тех пор, пока лопасть 8 не сделает от исходного положения поворот на угол, равный 360^o-2ϕ и их упоры не соприкоснутся. Лопасть 7 остается неподвижной при повороте вала 3 на угол 360^o -2·30^o=300^o (см. фиг. 3). Далее она, сцепившись с валом 3 (фиг. 2), будет продолжать поворот на 360^o до следующего вертикального положения, когда она снова застопорится.

Таким образом, сцепные углубления 4 на валу 3 для стопорного стержня 11 лопасти 7 должны располагаться по окружности в сечении А-А (фиг. 2) через угол, равный 360^o 300^o 60^o, то есть число углублений равно 360^o 60^o 6. Число углублений должно быть четным, то есть кратным 2, для обеспечения технологичности изготовления. Сцепные углубления для стопорного стержня лопасти 8 должны располагаться по своей окружности сечения вала 3 со сдвигом на 30^o (на угол v ).

При g = 11 минимальный объем камеры V_min составляет 1 часть рабочего объема цилиндра V_раб, а максимальный объем V_max составляет 11 частей. V_раб 12 частей. При повороте только одной лопасти объем перекачиваемой жидкости V_лоп выразится: V_лоп V_max - V_min (фиг. 3). Представим все эти объемы в виде нижеследующей таблицы.

Формула изобретения

Обратимый двигатель-насос-счетчик, содержащий основание, цилиндрический корпус, лопасти с упорами, валы, впускной и выпускной патрубки с клапанами, отличающийся тем, что он выполнен в виде сплошного с углублениями и двух пустотелых с лопастями и с отверстиями под стопорные стержни валов, соосно установленных в корпусе, выполненном со стопорными пазами, с установленными в лопастях стопорными стержнями и пружинами, причем каждый стержень снабжен установочной шайбой и двумя пружинами, нажимной и стопорной, лопасти снабжены нажимными рычагами, маховик закреплен на сплошном валу, расположен вне корпуса и снабжен грузом дисбаланса, при этом расстояние между впускным и выпускным отверстиями патрубков согласовано с расстоянием между лопастями при их совместном соприкосновении упорами, толщина лопасти равновелика диаметру отверстия, впускное и выпускное отверстия равновелики между собой, угол, образуемый сторонами упоров лопасти, равен углу между осевыми линиями соприкасающихся лопастей, а противоположный маховику конец сплошного вала снабжен приводом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4