ОБЪЕМНАЯ НУТАЦИОННАЯ МАШИНА
VOLUMETRIC NUTATION MACHINE

Изобретение относится к области производства гидронасосов, компрессоров, вакуумных насосов, а также гидравлических и пневматических двигателей на их основе.
Из патентной литературы известна объемная машина, работающая за счет колебательных движений диска (нутаций), которая содержит диск с шаровой опорой, установленной на Z-образный вал, внешняя окружность диска установлена в сфере, причем диск в корпусе установлен диагонально и обеими сторонами примыкает к внутренней стороне корпуса по линиям смыкания. В диске между внешней окружностью и шаровой опорой с противоположных сторон содержатся два сквозных радиальных выреза, совмещаемых с выступами в корпусе при волнообразных колебательных движениях диска (см. US 5251594 А, 12.10.1993).
Недостатком данного технического решения является то, что для использования его в качестве, например, гидронасоса требуется использование клапанов, т.к. оно имеет дополнительные впускные и выпускные окна и соответственно два выреза в диске. Поэтому когда между окнами нет линии смыкания, то окна сообщаются между собой и вытесненная жидкость из других объемов возвращается через эти окна обратно. Все это существенно усложняет конструкцию и уменьшает рабочий объем за счет дополнительного радиального выреза в диске и выступов в корпусе. Диск конического сечения требует большой ширины вырезов, чтобы они могли взаимодействовать с выступами в корпусе, что, кроме уменьшения рабочего объема, не обеспечивает и должной герметичности. Привод диска с шаровой опорой Z-образным валом так же является недостатком из-за неэффективного и более сложного приложения сил в колебательном приводе диска, свойственным кривошипам вообще, и большей сложности изготовления.
Из патентной литературы известна объемная роторная машина, содержащая корпус с выполненными в нем сферой и конусами, диск, жестко связанный с шаровой опорой и примыкающий своей внешней окружностью к сфере, а по линиям смыкания - к конусам, лопатку, радиально закрепленную в конусах и установленную в вырезе диска, шаровую опору, примыкающую к внутренней окружности лопатки и конусам, впускные и выпускные окна, вал и подшипники (см. RU 2084640 С1, 20.07.1997).
Недостатком данного технического решения является то, что колебательный привод диска осуществляется диагонально расположенной на внутренней поверхности сферы канавкой путем вращения этой сферы относительно диска и конусов. Кроме трудностей обеспечения герметичности в стыках между сферой и конусами вращение сферы приводит и к значительным механическим потерям. Недостатком, усложняющим конструкцию, является и то, что диск с лопаткой взаимодействует через поворотное соединение, что требует дополнительных впускных и выпускных окон, примыкающих к обоим концам лопатки в корпусе. Это решение принято за прототип.
Изобретение направлено на решение задачи устранения недостатков аналогов, а также повышения эффективности работы, упрощения конструкции и увеличения рабочего ресурса.
Техническим результатом от использования изобретения является упрощение конструкции объемной машины, дающее возможность высокоэффективного ее использования для работы как с жидкостями, так и с газами в качестве насосов и компрессоров, в качестве гидравлических и пневматических двигателей, вакуумных насосов. Значительно уменьшается потребление энергии на привод объемной машины, особенно по сравнению с шестеренными насосами. Объемная машина не ухудшает структуры перекачиваемых жидкостей, не имеет мертвых точек, обеспечивает равномерный поток вытесняемых жидкости или газа и соответственно равномерный и высокий крутящий момент в качестве двигателя. Эти качества объемной машины, а также незначительные механические потери позволяют во многих случаях заменить механические трансмиссии гидравлическими, а также использоваться вместо поршневых компрессоров, шестеренных и других типов насосов и иметь при этом более продолжительный рабочий ресурс.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в объемной нутационной машине, содержащей корпус с выполненными в нем сферой и конусами, диск, жестко связанный с шаровой опорой и примыкающий своей внешней окружностью к сфере, а по линиям смыкания - к конусам, лопатку, радиально закрепленную в конусах и установленную в вырезе диска, шаровую опору, примыкающую к внутренней окружности лопатки и конусам, впускные и выпускные окна, вал и подшипники, согласно изобретению, шаровая опора установлена на подшипниках вала с углом наклона, соответствующим углу наклона диска, причем в диске по обе стороны от лопатки выполнены примыкающие к ней впускное и выпускное окна с возможностью совмещения с впускным и выпускным окнами, выполненными в корпусе, а длина торцов диска с обеих сторон лопатки выполнена совпадающей с впускными и выпускными окнами, примыкающими к лопатке, с возможностью контакта обеих торцов диска с лопаткой при максимальном угле поворота диска относительно лопатки.
Кроме того, машина снабжена направляющим элементом, установленным в канавке, выполненной на рабочей поверхности сферы, примыкающей к лопатке, а ось направляющего элемента закреплена над выпускным окном на торце диска.
Объемная нутационная машина содержит корпус с выполненными в нем сферой и конусами, с радиально закрепленной в них лопаткой, с шаровой опорой, примыкающей к внутренним окружностям лопатки и конусам, с диском, примыкающим своей внешней окружностью к сфере, а по линиям смыкания к конусам, и жестко связанным с шаровой опорой. Это позволяет образовывать с каждой стороны диска по два рабочих объема, которые с одной стороны ограничены неподвижной лопаткой, а с другой стороны перемещающимися линиями смыкания диска с конусами. Линии смыкания, разнесенные на пол-оборота с каждой стороны диска, совершают круговые перемещения, вслед за которыми образуются объемы разрежения, а перед этими линиями объемы сжатия (при использовании в качестве насоса).
Шаровая опора торцами установлена на подшипниках вала с углом наклона, соответствующим углу наклона диска. Это позволяет за счет наклонно установленных подшипников между валом и торцами шаровой опоры равномерно распределить колебательную нагрузку, передаваемую вращением вала на оба торца шаровой опоры, перемещать линии смыкания от впускных окон к выпускным, уравновесить шаровую опору и диск между подшипниками, в результате чего уменьшить трение между шаровой опорой и внутренними поверхностями конусов и лопатки, между диском и сферой. Примыкающие к лопатке в вырезе диска и в корпусе выполнены впускные и выпускные окна, что позволяет каждое впускное и выпускное окно в корпусе использовать для работы двух объемов с каждой стороны диска. При этом нет необходимости использовать клапаны, т.к. благодаря единственной лопатке линии смыкания всегда находятся между впускными и выпускными окнами и не допускают рабочему телу напрямую сообщаться с впускным и выпускным окнами. К тому же вытеснение или заполнение двух объемов с разных сторон диска одновременно происходит с переменным нарастанием при заполнении с одной стороны лопатки при впуске, и с переменным убыванием при вытеснении с другой стороны лопатки при выпуске, так что при наложении этих объемов образуется равномерный поток. Это обеспечивает равномерную работу объемной машины без пульсаций и мертвых точек. Ось направляющего элемента закреплена над выпускным окном на торце диска, а направляющий элемент установлен в канавку, выполненную на рабочей поверхности сферы, примыкающей к лопатке. Это позволяет не допускать осевого перемещения торцов диска к лопатке, сохранять соотношение площадей впускного и выпускного окон в диске. В моменты совпадения линий смыкания с плоскостью лопатки торцы диска, обозначающие кромки впускных и выпускных окон, совмещаются с окнами в корпусе, отсекая тем самым рабочее тело от прямого сообщения между впускными окнами и выпускными. Длина торцов диска с обеих сторон лопатки выполнена совпадающей с шириной впускных и выпускных окон, примыкающих к лопатке, с возможностью контакта обеих торцов диска с лопаткой при максимальном угле поворота диска относительно лопатки. Это позволяет использовать выступы диска, равные ширине впускного и выпускного окна, вместо направляющего элемента для скольжения по лопатке во время работы объемной машины, тем самым упростить конструкцию для тех объемных машин, где такое упрощение допустимо.
На фиг.1 изображена объемная нутационная машина - продольный разрез.
На фиг.2 изображен вид слева со стороны впускного и выпускного окон.
На фиг.3 изображен поперечный разрез диска в зоне совмещения с лопаткой.
Объемная нутационная машина содержит корпус 1 с выполненными в нем сферой 2 и конусами 3. В корпусе 1 и конусах 3 жестко закреплена лопатка 4, примыкающая своей внутренней окружностью 5 к шаровой опоре 6. Шаровая опора 6 жестко связана с диском 7, примыкающим своей внешней окружностью 8 к рабочей поверхности сферы, а по линиям смыкания 9 к конусам 3. Торцы 10 шаровой опоры установлены на подшипниках 11 вала 12 с углом наклона, соответствующим углу наклона диска 7. В диске 7 выполнен вырез 13 с расположенной в нем лопаткой 4, по обе стороны от которой выполнены впускное 14 и выпускное 15 окна. Окна 14 и 15 в диске 7 выполнены совмещаемыми с окнами 16 и 17, выполненными в корпусе 1. На торце диска 18 закреплена ось 19 направляющего элемента 20, установленного в канавку 21, выполненную на рабочей поверхности сферы 2.
Объемная нутационная машина работает следующим образом.
При вращении вала 12 и воздействии крутящего момента на наклонно установленные подшипники 11 между валом и торцами шаровой опорой 6 последняя, не имея возможности вращаться, начинает совершать колебательные движения. Диск 7, жестко связанный с шаровой опорой и примыкающий по линиям смыкания 9 к конусам 3, волнообразно перемещает эти линии от впускного окна 14 в диске 7 и от впускного окна 16 в корпусе 1, создавая в образуемых объемах разрежение. Рабочее тело через окна 14 и 16 начинает заполнять образуемые объемы по обе стороны диска. А так как линии смыкания разнесены на 180 градусов, то заполнение объемов с каждой стороны диска происходит с ускорением и замедлением попеременно, в сумме образуя равномерный поток. Совершив полный оборот линии смыкания, перемещаясь к неподвижной лопатке 4 и к выпускным окнам 15 и 17 в диске 7 и в корпусе 1, начинают вытеснять рабочее тело из заполненных прежде объемов в указанные окна. Далее все повторяется.