ВИНТОВАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к области производства и конструирования гидравлических машин в различных отраслях промышленности. В частности, она может быть использована в нефтяной промышленности при создании гидравлических забойных двигателей для бурения скважин.
Известна винтовая машина, содержащая корпус с входом и выходом, секционную обойму с винтообразными каналами и винтообразный ротор, эксцентрично размещенный в обойме, с возможностью радиального смещения обоймы относительно ротора, размещенного на опорах. Обойма выполнена по форме спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке корпуса, с возможностью образования внутри корпуса следующих друг за другом спиралевидных камер, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями. Обойма выполнена из отдельных секций, следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций друг относительно друга и каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, выполненным на роторе (RU 124931, 2012).
Недостатком известного устройства является ускоренный износ опор и деталей щелевого уплотнения при работе винтовой машины на загрязненных жидкостях.
Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является винтовая машина, содержащая корпус с входом и выходом, секционную обойму с винтообразными каналами и винтообразный ротор, эксцентрично размещенный в обойме, с возможностью радиального смещения обоймы относительно ротора, размещенного на опорах. Обойма выполнена по форме спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке корпуса, с возможностью образования внутри корпуса следующих друг за другом спиралевидных камер, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями. Обойма выполнена из отдельных секций, следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций друг относительно друга и каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, выполненным на роторе (RU 165039, 2016).
Недостатком известного устройства является ускоренный износ деталей опор при работе винтовой машины на загрязненных жидкостях, в частности, при наличии твердых частиц в потоке.
Технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение ресурса работы винтовой машины при работе на загрязненных жидкостях за счет увеличения наработки опор, на которых размещен ротор.
Указанная проблема решается тем, что винтовая машина, содержащая корпус с входным и выходным каналами, секционную обойму с винтообразными каналами и винтообразный ротор, эксцентрично размещенный в обойме с возможностью радиального смещения обоймы относительно ротора, размещенного на опорах, секции обоймы установлены друг за другом с возможностью углового смещения их относительно друг друга, и каждая из них выполнена по форме спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке корпуса, с возможностью образования внутри корпуса следующих друг за другом спиралевидных камер, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями, при этом каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, выполненным на роторе, согласно полезной модели корпус выполнен из установленных друг за другом секций, количество которых соответствует количеству секций обойм, при этом каждая секция корпуса оснащена опорой для размещения ротора, в котором выполнены перепускные каналы, гидравлически связывающие спиралевидные камеры.
Достигаемый технический результат достигается за счет снижения контактных напряжений в парах трения опор, на которых размещен ротор.
Достижение указанного технического результата обеспечит в свою очередь расширение области применения предлагаемой конструкции винтовой машины и возможность создания более универсальных и более мощных винтовых машин.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, на которых с применением приемов трехмерного моделирования представлена заявляемая винтовая машина и ее отдельные узлы и детали.
На фигуре 1 представлен продольный разрез винтовой машины с секциями обоймы в форме плоского шибера.
На фигуре 2 в изометрии представлен винтообразный ротор.
На фигуре 3 представлена одна секция обоймы в форме плоского шибера.
На фигуре 4 представлен секционный корпус.
На фигуре 5 представлена одна секция корпуса.
На фигуре 6 представлен поперечный разрез винтовой машины с секциями обоймы в форме плоского шибера.
На фигуре 7 представлен продольный разрез винтовой машины с секциями обоймы в форме профилированного шибера.
На фигуре 8 представлен поперечный разрез винтовой машины с секциями обоймы в форме профилированного шибера.
Винтовая машина содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 каналами, секционную обойму 4 с винтообразными каналами и винтообразный ротор 5, эксцентрично размещенный в обойме 4, с возможностью радиального смещения обоймы 4 относительно ротора 5, размещенного на опорах 6 и 7. Обойма 4 выполнена по форме спиральной пружины, концентрично размещенной в расточках 8 корпуса 1. Ротор 5 размещен вблизи от поверхностей расточек 8 корпуса 1 с образованием щелевых уплотнений 9 в зазоре между наружной поверхностью ротора 5 и поверхностями расточек 8 в корпусе 1, с возможностью образования внутри корпуса 1 следующих друг за другом спиралевидных камер 10, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями 9. Ротор 5 оснащен стопорными элементами 11, ограничивающими перемещение обоймы 4 относительно ротора 5. Обойма 4 выполнена из отдельных секций 12, следующих друг за другом. Каждая секция 12 обоймы 4 оснащена стопорным элементом 11, выполненным на роторе 5. Стопорный элемент 11 может представлять собой плоскую опорную поверхность, выполненную на роторе 5. Секции 12 в обойме 4 расположены вдоль винтовой линии 13 с образованием ступенчатой структуры, подобно ступеням на винтовой лестнице.
Корпус 1 выполнен из установленных друг за другом секций 14, количество которых соответствует количеству секций обойм 4, и каждая секция корпуса 14 оснащена опорой 6 для размещения ротора 5. В роторе 5 выполнены перепускные каналы 15, 16, гидравлически связывающие спиралевидные камеры 10, при этом в каждой секции корпуса 14 размещено по одной секции обоймы 4.
Секции корпуса 14 расположены вдоль винтовой линии 17 и шаг винтовой линии 17 секционного корпуса 1 равен шагу винтовой линии 13 ротора 5. Секции корпуса 14 могут быть зафиксированы с использованием шпонок 18, которые исключают поворот секций 14 относительно друг друга.
Ротор 5 установлен на опорах 6 и 7, которые обеспечивают условия, чтобы ротор 5 был эксцентрично размещен в обойме 4 и, соответственно, эксцентрично размещен внутри расточек 8 в корпусе 1. При этом обойма 4 выполнена концентрично размещенной в расточках 8 в секциях корпуса 14.
В секциях корпуса 14 образованы отдельные спиралевидные рабочие камеры 10, соединенные последовательно. Спиралевидные камеры 10 сообщаются между собой каналами 15 и 16, выполненными на роторе 5. При этом функции каналов 15 и 16 меняются при переходе от одной спиралевидной камеры 10 к другой спиралевидной камере 10 (так входной канал одной спиралевидной камеры 10 является выходным каналом предыдущей спиралевидной камеры).
Секция обоймы 12 также может быть выполнена в форме профилированного Г-образного шибера или в форме плоского шибера, фигуры 1, 6.
Секция обоймы 12 также может иметь исполнение в форме профилированного шибера в виде ролика (фигуры 7-8).
Винтовая машина работает следующим образом в режиме насоса (или компрессора).
От вала двигателя (на фигурах двигатель не показан) механическая энергия передается на ротор 5, установленный на опорах 6 и 7. При вращении ротора 5 во вращательное движение вовлекается и обойма 4. Обойма 4 выполнена из отдельных секций 12, следующих друг за другом. Каждая секция 12 обоймы 4 оснащена стопорным элементом 11, выполненным на роторе 5.
Корпус 1 выполнен из установленных друг за другом секций 14, и каждая секция корпуса 14 оснащена опорой 6 для размещения ротора 5.
При вращении ротора 5 в спиралевидных камерах 10 обеспечивается силовое воздействие на жидкость, заполняющую полости в спиралевидных камерах 10. В роторе 5 выполнены перепускные каналы 15, 16, гидравлически связывающие спиралевидные камеры 10, что обеспечивает условия для течения жидкости из одной спиралевидной камеры 10 в другую камеру 10, в направлении от входного 2 к выходному 3 каналу. При этом в каждой секции корпуса 14 размещено по одной секции обоймы 4. Таким образом, формируется поток жидкости в направлении от входного 2 к выходному 3 каналу. Щелевые уплотнения 9 уменьшают объемные потери, поскольку ротор 5 размещен вблизи от поверхностей расточек 8 в каждой секции корпуса 14.
Щелевые уплотнения 9 ограничивают значение объемных потерь мощности и обеспечивают плавное (равномерное) изменение давления по камерам 10, следующим друг за другом. Равномерное распределение (изменение) давления по спиралевидным камерам 10 достигается за счет частичного возвратного перетекания части перекачиваемой среды через каналы щелевых уплотнений 9. Максимальное давление обеспечивается в спиралевидной камере 10, сообщающейся с выходным каналом 3, что соответствует давлению на выходе насоса. Соответственно, минимальное давление обеспечивается в спиралевидной камере 10, сообщающейся с входным каналом 2, что соответствует давлению на входе насоса.
Поскольку для каждой секции 12 имеется свой отдельный стопорный элемент 11, удается распределить нагрузку на большей площади при уменьшенных контактных напряжениях, что открывает возможности для создания более мощных машин.
Ротор 5 установлен на опорах 6 и 7, которые обеспечивают условия, чтобы ротор 5 был эксцентрично размещен в обойме 4 и, соответственно, эксцентрично размещен внутри расточек 8 в секции корпуса 14. При этом обойма 4 выполнена концентрично размещенной в расточках 8 в секции корпуса 14. Каждая секция корпуса 14 оснащена опорой 6 для размещения ротора 5, что позволяет распределить нагрузку на большей площади и достичь технического результата, заключающегося в снижении контактных напряжений в парах трения у опор 6 и 7, на которых размещен ротор 5. Равномерность распределения нагрузок по опорной поверхности опор 6 и 7 достигается за счет того, что секции корпуса 14 расположены вдоль винтовой линии 17, а количество секций корпуса 14 совпадает с количеством секций обоймы 4 и шаг винтовой линии 17 секционного корпуса 1 равен шагу винтовой линии 13 ротора 5.
Каждая секция 12 в обойме 4 делит спиралевидную камеру 10 на две области, фигура 6. При вращении ротора 5 (в направлении по часовой стрелке по фигуре 6) происходит всасывание жидкости через канал 15 из предыдущей спиралевидной камеры. В области правее секции 12 происходит нагнетание (вытеснение) жидкости в следующую спиралевидную камеру через канал 16 за счет силового воздействия на жидкость, оказываемого секцией обоймы 12.
Помимо жидкой среды заявляемая машина может обеспечить перекачку газов, газожидкостных смесей и других многофазных сред.
Винтовая машина работает следующим образом в режиме двигателя. Во входной канал 2 подают под избыточным давлением рабочую жидкость (рабочий газ или газожидкостную смесь). Щелевые уплотнения 9 ограничивают значение объемных потерь мощности и обеспечивают плавное изменение давления по спиралевидным камерам 10, следующим друг за другом. Максимальное давление обеспечивается в спиралевидной камере 10, сообщающейся с входным каналом 2, что соответствует давлению на входе двигателя. Соответственно, минимальное давление обеспечивается в спиралевидной камере 10, сообщающейся с выходным каналом 3, что соответствует давлению на выходе двигателя. За счет перепада давления в соседних спиралевидных камерах 10 возникают силы и крутящий момент, действующие на каждую секцию 12 в обойме 4 и на ротор 5, так как ротор 5 эксцентрично размещен в обойме 4, с возможностью радиального смещения секций 12 и обоймы 4 в целом относительно ротора 5. Спиралевидные камеры 10 сообщаются между собой посредством каналов 15 и 16. Таким образом, формируется поток жидкости в направлении от входного 2 к выходному 3 каналу. Ротор 5 вместе с обоймой 4 под действием указанных сил вовлекаются во вращательное движение.
Таким образом, гидравлическая энергия преобразуется в механическую энергию, мощность вращающегося ротора 5 может быть передана к другим машинам (эти машины на фигурах не показаны).
Поскольку секции корпуса 14 расположены вдоль винтовой линии 17, и каждая секция корпуса 14 оснащена опорой 6 для размещения ротора 5, удается уменьшить стрелу прогиба у ротора 5 и добиться за счет этого уменьшения контактных напряжений в опорах 6 и 7.
Секция обоймы 12 может иметь исполнение в форме профилированного шибера, например в виде ролика (фигуры 7-8). В этом случае обеспечивается переход от трения скольжения к трению качения, что способствует повышению ресурса секции обоймы 12 и секции корпуса 14.
За счет усовершенствования опор, ротора и корпуса машины обеспечивается расширение области применения винтовой машины, с новыми возможностями для создания более универсальных и более мощных винтовых машин.