ВИНТОВОЙ ГЕРОТОРНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ НАСОС
SCREW BIROTARY HYDRAULIC PUMP

Изобретение относится к винтовым героторным гидравлическим насосам для подачи жидкостей под давлением за счет вращения роторов, предназначенным для различных отраслей промышленности: нефтехимической, нефтегазовой, строительной, горной, для перекачивания нефти, при производстве электроэнергии, для водоснабжения, в охлаждающих контурах тепловых электростанций и энергетических установок.
Известна зубчатая передача, предназначенная для использования в качестве гидравлического насоса, компрессора, двигателя, части трансмиссии и других подобных механизмов, а также для использования в качестве нескольких таких устройств, состоящая, по меньшей мере, из трех винтовых зубчатых элементов, заключенных внутри друг друга, при этом у каждого последующего элемента на одну винтовую резьбу больше, чем у того, который расположен внутри его, резьбы элементов, заключенных внутри, находятся в постоянном контакте в каждом поперечном сечении с резьбами элемента, внутри которого он находится, соотношение различных шагов резьбы этих зубьев равно соотношению количества зубьев на вышеуказанных элементах, при этом начальные окружности элементов, обозначенных нечетными числами, имеют общий центр, а начальные окружности элементов, обозначенных четными числами, также имеют общий центр, но отличный от первого, а промежуточный элемент изготовлен из тонколистового металла (US 2085115 A, F04C 2/107, 29.06.1937).
Недостатком известной конструкции является то, что под действием перепада давления, действующего со стороны полости высокого давления в сторону полости всасывания, промежуточный элемент подвергается интенсивному нагреву, "задирам", усталостному износу, "смятию" и разрушению, что не обеспечивает использование известного изобретения, например, в насосных агрегатах и энергетических установках, вследствие недостаточного ресурса, надежности и энергетических характеристик, по существу, расхода и развиваемого давления рабочей жидкости, например, для перекачки высоковязких жидкостей (нефти и нефтесодержащих жидкостей) или для использования в охлаждающих контурах тепловых электростанций и энергетических установок, а также в других отраслях экономики и потребительского рынка, например, где требуется, по меньшей мере, 2-летняя непрерывная эксплуатация насосных агрегатов.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является винтовой героторный гидравлический насос (одновинтовой насос, встроенный в электродвигатель), выполненный в виде двух коаксиально расположенных винтовых героторных механизмов: внешний винтовой героторный механизм содержит внешний статор, представляющий собой трубчатый корпус с закрепленной внутри него обкладкой внешнего статора из эластомера с внутренними винтовыми зубьями, расположенный внутри обкладки внешнего статора внешний ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев обкладки внешнего статора, ходы винтовых зубьев обкладки внешнего статора и внешнего ротора пропорциональны их числам зубьев, а центральные продольные оси внешнего ротора и обкладки внешнего статора смещены между собой на величину эксцентриситета, при этом внутренний винтовой героторный механизм содержит расположенную внутри внешнего ротора внутреннюю обкладку из эластомера с внутренними винтовыми зубьями, расположенный внутри внешнего ротора с внутренней обкладкой внутренний ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев внутренней обкладки, ходы винтовых зубьев внутренней обкладки и внутреннего ротора пропорциональны их числам зубьев, а центральные продольные оси внутреннего ротора и внутренней обкладки смещены между собой на величину эксцентриситета (Д.Ф.Балденко и др. Одновинтовые гидравлические машины. Том 1. Одновинтовые насосы. М.: ОАО Газпром, 2005, с.49, рис.2.9).
Недостатками известной конструкции являются утечки и износ уплотнений, что не позволяет использовать известное изобретение, например, в насосных агрегатах и энергетических установках, в которых требуется, например, по меньшей мере, 2-летняя непрерывная эксплуатация насосных агрегатов, вследствие низкого ресурса, недостаточной надежности и энергетических характеристик, по существу, расхода и развиваемого давления рабочей жидкости, например, для перекачки высоковязких жидкостей (нефти и нефтесодержащих жидкостей) или для использования в охлаждающих контурах тепловых электростанций и энергетических установок, а также при высоких давлениях, например, до 100 МПа.
Анализ причин уменьшения ресурса винтовых героторных гидравлических насосов показывает, что основной причиной отказа является разрушение зубьев обкладки и отрыв обкладки от статора, преимущественно на входе и выходе из насоса. Это происходит вследствие высоких контактных нагрузок в зацеплении ротор - обкладка статора, повышения натяга в зацеплении рабочей пары от внутреннего нагрева и увеличения объема ("набухания") резины от воздействия рабочих жидкостей, больших скоростей потока рабочих жидкостей, высокого перепада давления (межвиткового, на зубьях обкладки из эластомера).
Недостатки известной конструкции объясняются также циклическим нагружением выполненных из эластомера винтовых зубьев в обкладке статора, которые подвергаются деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к выделению тепла внутри материала зубьев обкладки.
При этом температура в эластомерной обкладке может повышаться, например, до 60°С, увеличение натяга в рабочей паре может составлять до 0,05 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры, что приводит к нарушению уплотнения в рабочей паре и разрушению зубьев в эластомерной обкладке статора, а также к отрыву обкладки от статора.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение ресурса, надежности и энергетических характеристик, по существу, расхода и развиваемого давления рабочей жидкости винтового героторного гидравлического насоса за счет того, что он содержит два внешних и два внутренних винтовых героторных механизма, которые расположены попарно оппозитно вдоль центральной оси и вмонтированы один в другой: внешние винтовые героторные механизмы выполнены с одинаковыми между собой параметрами, но с противоположным, например, зеркальным, правым и левым один относительно другого направлением винтовых зубьев в оппозитно расположенных вдоль центральной оси внешних роторах и соответственно в оппозитно расположенных вдоль центральной оси обкладках внешних статоров, а внутренние винтовые героторные механизмы выполнены с одинаковыми между собой параметрами соответственно, но с противоположным один относительно другого направлением винтовых зубьев в оппозитно расположенных вдоль центральной оси внутренних роторах и соответственно в оппозитно расположенных вдоль центральной оси внутренних обкладках внутри внешних роторов, при этом внешние и внутренние винтовые героторные механизмы имеют одинаковый эксцентриситет и в каждой фазе их относительного движения центр роторов внутренних винтовых героторных механизмов совпадает с центром статоров внешних винтовых героторных механизмов, а центр роторов внешних винтовых героторных механизмов совпадает с центром статоров внутренних винтовых героторных механизмов, при этом полюсы зацепления, по существу - геометрическое место точек, где пересекаются нормали к точкам контакта зубьев ротора и обкладки из эластомера, в каждом из внешних и внутренних винтовых героторных механизмов находятся на одной поперечной оси, проходящей через центр внешних и внутренних винтовых героторных механизмов, и располагаются оппозитно по разные стороны от центра внешних и внутренних винтовых героторных механизмов.
Сущность технического решения заключается в том, что в винтовом героторном гидравлическом насосе, выполненном в виде двух коаксиально расположенных винтовых героторных механизмов: внешний винтовой героторный механизм содержит внешний статор, представляющий собой трубчатый корпус с закрепленной внутри него обкладкой внешнего статора из эластомера с внутренними винтовыми зубьями, расположенный внутри обкладки внешнего статора внешний ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев обкладки внешнего статора, ходы винтовых зубьев обкладки внешнего статора и внешнего ротора пропорциональны их числам зубьев, а центральные продольные оси внешнего ротора и обкладки внешнего статора смещены между собой на величину эксцентриситета, при этом внутренний винтовой героторный механизм содержит расположенную внутри внешнего ротора внутреннюю обкладку из эластомера с внутренними винтовыми зубьями, расположенный внутри внешнего ротора с внутренней обкладкой внутренний ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев внутренней обкладки, ходы винтовых зубьев внутренней обкладки и внутреннего ротора пропорциональны их числам зубьев, а центральные продольные оси внутреннего ротора и внутренней обкладки смещены между собой на величину эксцентриситета, согласно изобретению содержит два внешних и два внутренних винтовых героторных механизма, которые расположены попарно оппозитно вдоль центральной продольной оси и вмонтированы один в другой: внешние винтовые героторные механизмы выполнены с одинаковыми между собой параметрами, но с противоположным один относительно другого направлением винтовых зубьев в оппозитно расположенных вдоль центральной продольной оси внешних роторах и соответственно в оппозитно расположенных вдоль центральной продольной оси обкладках внешних статоров, а внутренние винтовые героторные механизмы выполнены с одинаковыми между собой параметрами соответственно, но с противоположным один относительно другого направлением винтовых зубьев в оппозитно расположенных вдоль центральной продольной оси внутренних роторах и соответственно в оппозитно расположенных вдоль центральной продольной оси внутренних обкладках внутри внешних роторов, при этом внешние и внутренние винтовые героторные механизмы имеют одинаковый эксцентриситет и в каждой фазе их относительного движения центр роторов внутренних винтовых героторных механизмов совпадает с центром статоров внешних винтовых героторных механизмов, а центр роторов внешних винтовых героторных механизмов совпадает с центром статоров внутренних винтовых героторных механизмов, при этом полюсы зацепления, по существу - геометрическое место точек, где пересекаются нормали к точкам контакта зубьев ротора и обкладки из эластомера, в каждом из внешних и внутренних винтовых героторных механизмов находятся на одной поперечной оси, проходящей через центр внешних и внутренних винтовых героторных механизмов, и располагаются оппозитно по разные стороны от центра внешних и внутренних винтовых героторных механизмов.
Разность чисел зубьев между внешним и внутренним роторами во внешних и внутренних винтовых героторных механизмах составляет 2÷10.
Обкладки внешних статоров из эластомера во внешних винтовых героторных механизмах выполнены за одно целое, в виде обкладки с противоположным направлением внутренних винтовых зубьев относительно ее средней части и закреплены внутри выполненной за одно целое гильзы, при этом гильза закреплена внутри трубчатого корпуса.
Внешние роторы во внешних винтовых героторных механизмах выполнены за одно целое, в виде ротора с противоположным направлением винтовых зубьев относительно его средней части.
Внутренние роторы во внутренних винтовых героторных механизмах выполнены за одно целое, в виде ротора с противоположным направлением винтовых зубьев относительно его средней части.
Внутренние обкладки из эластомера во внутренних винтовых героторных механизмах выполнены за одно целое, с противоположным направлением внутренних винтовых зубьев относительно средней части внешнего ротора и закреплены внутри внешнего ротора.
Трубчатый корпус содержит всасывающие патрубки, расположенные по краям внешних винтовых героторных механизмов, а также, по меньшей мере, один нагнетательный патрубок, расположенный в средней части корпуса между внешними винтовыми героторными механизмами.
Твердость внутренней обкладки из эластомера, например из резины, скрепленной с внутренней поверхностью внешнего ротора, составляет 68…73 ед. Шор А.
Твердость внешней обкладки из эластомера, например из резины, закрепленной внутри гильзы, размещенной внутри трубчатого корпуса, составляет 63…68 ед. Шор А.
Выполнение винтового героторного гидравлического насоса таким образом, что он содержит два внешних и два внутренних винтовых героторных механизма, которые расположены попарно оппозитно вдоль центральной продольной оси и вмонтированы один в другой: внешние винтовые героторные механизмы выполнены с одинаковыми между собой параметрами, но с противоположным, например, зеркальным, правым и левым один относительно другого направлением винтовых зубьев в оппозитно расположенных вдоль центральной продольной оси внешних роторах и соответственно в оппозитно расположенных вдоль центральной продольной оси обкладках внешних статоров, а внутренние винтовые героторные механизмы выполнены с одинаковыми между собой параметрами соответственно, но с противоположным, например, зеркальным, правым и левым один относительно другого направлением винтовых зубьев в оппозитно расположенных вдоль центральной продольной оси внутренних роторах и соответственно в оппозитно расположенных вдоль центральной продольной оси внутренних обкладках внутри внешних роторов, при этом внешние и внутренние винтовые героторные механизмы имеют одинаковый эксцентриситет и в каждой фазе их относительного движения центр роторов внутренних винтовых героторных механизмов совпадает с центром статоров внешних винтовых героторных механизмов, а центр роторов внешних винтовых героторных механизмов совпадает с центром статоров внутренних винтовых героторных механизмов, при этом полюсы зацепления, по существу ~ геометрическое место точек, где пересекаются нормали к точкам контакта зубьев ротора и обкладки из эластомера, в каждом из внешних и внутренних винтовых героторных механизмов находятся на одной поперечной оси, проходящей через центр внешних и внутренних винтовых героторных механизмов, и располагаются оппозитно по разные стороны от центра внешних и внутренних винтовых героторных механизмов, обеспечивает повышение ресурса, надежности и энергетических характеристик, по существу расхода и развиваемого давления рабочей жидкости, за счет того, что создается:
- эффект оппозитного уплотнения полостей высокого давления внешнего и внутреннего героторных механизмов (не требуются сальниковые уплотнения полостей высокого давления);
- эффект оппозитной синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями внутреннего и внешнего роторов и обкладок внешнего и внутреннего героторных механизмов;
- динамическая уравновешенность внешнего и внутреннего героторных механизмов (оппозитное демпфирование крутильных колебаний и поперечных перекашивающих моментов);
- осевая "разгрузка" роторов - уравновешивание осевых сил во внешних и внутренних оппозитно расположенных роторах;
- осевая "разгрузка" обкладок из эластомера - уравновешивание осевых сил во внутренних обкладках и в обкладках внешних статоров.
Вследствие этого обеспечивается возможность повышения ресурса и надежности, а также расхода и развиваемого давления рабочей жидкости винтового героторного гидравлического насоса, уменьшаются механические потери на трение в рабочих органах и опорах приводного вала, уменьшаются объемные потери, обусловленные утечками рабочей жидкости в рабочих органах и уплотнении вала, а также уменьшаются гидравлические потери рабочей жидкости в каналах рабочих органов и других проточных элементах насоса, предотвращаются нерасчетные режимы P-Q (давление-подача) за счет равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладок и роторов, улучшения уплотнения по контактным линиям и снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения.
При этом повышаются: предел прочности связи с металлом при отрыве резиновой обкладки от внутренней поверхности внешнего ротора (определяемые по ГОСТ 209-75), усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (определяемые по ГОСТ 10952-75), а также усталостной выносливости при многократном сжатии (определяемые по ГОСТ 20418-75), вследствие этого обеспечивается возможность повышения ресурса и надежности, а также расхода и развиваемого давления рабочей жидкости винтового героторного гидравлического насоса.
В заявляемой конструкции за счет того, что разность чисел зубьев между внешним и внутренним роторами во внешних и внутренних винтовых героторных механизмах составляет 2÷10, обеспечивается эффективная динамическая уравновешенность внешнего и внутреннего героторных механизмов (оппозитное демпфирование крутильных колебаний и поперечных перекашивающих моментов), а также улучшается синхронизация работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями внутреннего и внешнего роторов и обкладок внешнего и внутреннего героторных механизмов.
В заявляемой конструкции за счет того, что обкладки внешних статоров из эластомера во внешних винтовых героторных механизмах выполнены за одно целое, в виде обкладки с противоположным, например, зеркальным, правым и левым направлением внутренних винтовых зубьев относительно ее средней части и закреплены внутри выполненной за одно целое гильзы, при этом гильза закреплена внутри трубчатого корпуса, повышается предел прочности связи с металлом при отрыве резиновой обкладки от внутренней поверхности внешнего ротора (определяемые по ГОСТ 209-75), а также усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (определяемые по ГОСТ 10952-75), преимущественно на выходе из насоса, в полости высокого давления.
Это объясняется тем, что действие высокого давления в зоне нагнетательного патрубка оппозитно уравновешивает осевые силы, действующие на внутренние винтовые многозаходные зубья обкладки из эластомера во внешнем статоре (внешняя обкладка "разгружена" от действия осевых сил высокого давления), а действие высокого давления в зоне нагнетательного патрубка не образует осевых сил на гильзу (гильза "разгружена" от действия осевых сил высокого давления).
В заявляемой конструкции за счет того, что внешние роторы во внешних винтовых героторных механизмах выполнены за одно целое, в виде ротора с противоположным, например, зеркальным, правым и левым направлением винтовых зубьев относительно его средней части, улучшается динамическая уравновешенность внешних винтовых героторных механизмов (оппозитное демпфирование крутильных колебаний и поперечных перекашивающих моментов), а также создается осевая "разгрузка" - уравновешивание осевых сил во внешних оппозитно расположенных роторах.
В заявляемой конструкции за счет того, что внутренние роторы во внутренних винтовых героторных механизмах выполнены за одно целое, в виде ротора с противоположным, например, зеркальным, правым и левым направлением винтовых зубьев относительно его средней части, улучшается динамическая уравновешенность внутренних винтовых героторных механизмов (оппозитное демпфирование крутильных колебаний и поперечных перекашивающих моментов), а также создается осевая "разгрузка" - уравновешивание осевых сил во внутренних оппозитно расположенных роторах.
В заявляемой конструкции за счет того, что внутренние обкладки из эластомера во внутренних винтовых героторных механизмах выполнены за одно целое, с противоположным, например, зеркальным, правым и левым направлением внутренних винтовых зубьев относительно средней части внешнего ротора и закреплены внутри внешнего ротора, повышается предел прочности связи с металлом при отрыве резиновой обкладки от внутренней поверхности внешнего ротора (определяемые по ГОСТ 209-75), а также усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (определяемые по ГОСТ 10952-75), преимущественно на выходе из насоса, в полости высокого давления.
Это объясняется тем, что действие высокого давления в зоне нагнетательного патрубка оппозитно уравновешивает осевые силы, действующие на внутренние винтовые многозаходные зубья внутренней обкладки из эластомера (внутренняя обкладка "разгружена" от действия осевых сил высокого давления).
В заявляемой конструкции за счет того, что трубчатый корпус содержит всасывающие патрубки, расположенные по краям внешних винтовых героторных механизмов, а также, по меньшей мере, один нагнетательный патрубок, расположенный в средней части корпуса между внешними винтовыми героторными механизмами, дополнительно уменьшаются гидромеханические потери в двух внешних и двух внутренних винтовых героторных механизмах, которые расположены попарно оппозитно вдоль центральной продольной оси и вмонтированы один в другой, за счет равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладок и роторов, улучшения уплотнения по контактным линиям и снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения.
Вследствие этого обеспечивается возможность повышения ресурса и надежности, а также расхода и развиваемого давления рабочей жидкости винтового героторного гидравлического насоса, уменьшаются механические потери на трение в рабочих органах и опорах приводного вала, уменьшаются объемные потери, обусловленные утечками рабочей жидкости в рабочих органах и уплотнении вала, а также уменьшаются гидравлические потери рабочей жидкости в каналах рабочих органов и других проточных элементах насоса, предотвращаются нерасчетные режимы P-Q (давление-подача).
В заявляемой конструкции за счет того, что твердость внутренней обкладки из эластомера, например из резины, скрепленной с внутренней поверхностью внешнего ротора, составляет 68…73 ед. Шор А, при этом твердость внешней обкладки из эластомера, например из резины, закрепленной внутри гильзы, размещенной внутри трубчатого корпуса, составляет 63…68 ед. Шор А, уменьшаются механические потери на трение в рабочих органах и опорах приводного вала, уменьшаются объемные потери, обусловленные утечками рабочей жидкости в рабочих органах и уплотнении вала, уменьшаются гидравлические потери рабочей жидкости в каналах рабочих органов и других проточных элементах насоса, а также уменьшается выделение тепла внутри материала зубьев обкладки, связанное с циклическим нагружением выполненных из эластомера винтовых зубьев в обкладке статора, которые подвергаются деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении роторов внутри статоров, обеспечивается заданный ресурс и надежность, а также расход и развиваемое давление рабочей жидкости винтового героторного гидравлического насоса.
Ниже представлен лучший вариант конструкции винтового героторного гидравлического оппозитного насоса ВГГН-240 RS для перекачки нефти на морских платформах.
На фиг.1 показан продольный разрез винтового героторного гидравлического насоса ВГГН-240 RS.
На фиг.2 показан разрез А-А на фиг.1 поперек одной из секций винтового героторного гидравлического насоса, вариант 1, отношение чисел зубьев внутренний ротор - внутренняя обкладка равно 1/2, отношение чисел зубьев внешний ротор - внешняя обкладка равно 4/5.
На фиг.3 показан разрез А-А на фиг.1 поперек одной из секций винтового героторного гидравлического насоса, вариант 2, отношение чисел зубьев внутренний ротор - внутренняя обкладка равно 2/3, отношение чисел зубьев внешний ротор - внешняя обкладка равно 5/6.
На фиг.4 показан разрез А-А на фиг.1 поперек одной из секций винтового героторного гидравлического насоса, вариант 3, отношение чисел зубьев внутренний ротор - внутренняя обкладка равно 3/4, отношение чисел зубьев внешний ротор - внешняя обкладка равно 6/7.
На фиг.5 показан разрез А-А на фиг.1 поперек одной из секций винтового героторного гидравлического насоса (вариант 4; 0°), отношение чисел зубьев внутренний ротор - внутренняя обкладка равно 3/4, отношение чисел зубьев внешний ротор - внешняя обкладка равно 7/8, а также показаны полюсы зацепления - геометрическое место точек, где пересекаются нормали к точкам контакта зубьев роторов и обкладок из эластомера.
На фиг.6 показан разрез А-А на фиг.1 поперек одной из секций винтового героторного гидравлического насоса (вариант 4; 90°), отношение чисел зубьев внутренний ротор - внутренняя обкладка равно 3/4, отношение чисел зубьев внешний ротор - внешняя обкладка равно 7/8, а также показаны полюсы зацепления - геометрическое место точек, где пересекаются нормали к точкам контакта зубьев роторов и обкладок из эластомера.
На фиг.7 показан разрез А-А на фиг.1 поперек одной из секций винтового героторного гидравлического насоса (вариант 4; 180°), отношение чисел зубьев внутренний ротор - внутренняя обкладка равно 3/4, отношение чисел зубьев внешний ротор - внешняя обкладка равно 7/8, а также показаны полюсы зацепления - геометрическое место точек, где пересекаются нормали к точкам контакта зубьев роторов и обкладок из эластомера.
На фиг.8 показан разрез А-А на фиг.1 поперек одной из секций винтового героторного гидравлического насоса (вариант 4; 270°), отношение чисел зубьев внутренний ротор - внутренняя обкладка равно 3/4, отношение чисел зубьев внешний ротор - внешняя обкладка равно 7/8, а также показаны полюсы зацепления - геометрическое место точек, где пересекаются нормали к точкам контакта зубьев роторов и обкладок из эластомера.
Винтовой героторный гидравлический насос выполнен в виде двух коаксиально расположенных винтовых героторных механизмов: внешний винтовой героторный механизм 1 содержит внешний статор 2, представляющий собой трубчатый корпус 3 с закрепленной внутри него обкладкой 4 внешнего статора 2 из эластомера с внутренними винтовыми зубьями 5, расположенный внутри обкладки 4 внешнего статора 2 внешний ротор 6 с наружными винтовыми зубьями 7, число которых на единицу меньше числа зубьев 5 обкладки 4 внешнего статора 2, ходы (не показаны) винтовых зубьев 5 обкладки 4 внешнего статора 2 и внешнего ротора 6 пропорциональны их числам зубьев, а центральные продольные оси соответственно 8 и 9 внешнего ротора 6 и обкладки 4 внешнего статора 2 смещены между собой на величину эксцентриситета 10, е, при этом внутренний винтовой героторный механизм 11 содержит расположенную внутри внешнего ротора 6 внутреннюю обкладку 12 из эластомера с внутренними винтовыми зубьями 13, расположенный внутри внешнего ротора 6 с внутренней обкладкой 12 внутренний ротор 14 с наружными винтовыми зубьями 15, число которых на единицу меньше числа зубьев 13 внутренней обкладки 12, ходы винтовых зубьев (не показаны) внутренней обкладки 12 и внутреннего ротора 14 пропорциональны их числам зубьев, а центральные продольные оси, также соответственно 8 и 9 внутреннего ротора 14 и внутренней обкладки 12 смещены между собой на величину эксцентриситета 10, е, показано на фиг.1, 2, 3, 4.
z
При этом шаг Т (или ход P) винтовой линии каждого винтового зуба 7, 15 в роторах соответственно 6, 14, а также каждого винтового зуба 5, 13 соответственно в обкладках 4, 12 из эластомера равен расстоянию по соосной поверхности между двумя положениями точки, образующей линию винтового зуба, соответствующими ее полному обороту вокруг оси зубчатого колеса, например, вокруг центральной продольной оси 8 внутреннего ротора 14, а также вокруг центральной продольной оси 9 внутренней обкладки 12 из эластомера, закрепленной внутри внешнего ротора 6, показано, например, ГОСТ 16530-83, стр.17.
Винтовой героторный гидравлический насос содержит два внешних винтовых героторных механизма 16, 17 и два внутренних винтовых героторных механизма 18, 19, которые расположены попарно оппозитно вдоль центральной продольной оси 8 внутреннего ротора 14 и вмонтированы один в другой: внешние винтовые героторные механизмы 16, 17 выполнены с одинаковыми между собой параметрами (например, обкладки и роторы рассчитаны по ОСТ 39-164-84), но с противоположным, например, зеркальным, правым и левым один относительно другого направлением винтовых зубьев 15 в оппозитно расположенных вдоль центральной продольной оси 8 внешних роторах 6, 20 и соответственно винтовых зубьев 5 в оппозитно расположенных вдоль центральной продольной оси 8 обкладках 4, 21 внешнего статора 2, показано на фиг.1, 2, 3, 4.
При этом внутренние винтовые героторные механизмы 18, 19 выполнены с одинаковыми между собой параметрами (например, обкладки и роторы рассчитаны по ОСТ 39-164-84), но с противоположным, например, зеркальным, правым и левым один относительно другого направлением винтовых зубьев в оппозитно расположенных вдоль центральной продольной оси 8 внутренних роторах 14, 22 и соответственно в оппозитно расположенных вдоль центральной продольной оси 8 внутренних обкладках 12, 23 внутри внешних роторов 6, 20, показано на фиг.1, 2, 3, 4.
При этом внешние и внутренние винтовые героторные механизмы соответственно 16, 17 и 18, 19 имеют одинаковый эксцентриситет 10, е и в каждой фазе их относительного движения центр 24 роторов 14, 22 внутренних винтовых героторных механизмов 18, 19 совпадает с центром 25 статоров внешних винтовых героторных механизмов 16, 17, а центр 26 роторов 6, 20 внешних винтовых героторных механизмов 16, 17 совпадает с центром 27 статоров внутренних винтовых героторных механизмов 18, 19, показаны поперечные сечения в положениях 0°, 90°, 180°, 270° на фиг.5, 6, 7, 8.
1
2
При этом полюс зацепления 28, P, по существу - геометрическое место точек, где пересекаются нормали 29, 30 к точкам контакта 31, 32 зубьев роторов 14, 22 и обкладок 12, 23 из эластомера в каждом из внутренних винтовых героторных механизмов 18, 19, а также полюс зацепления 33, P геометрическое место точек, где пересекаются нормали 34, 35 к точкам контакта 36, 37 зубьев роторов 6, 20 и обкладок 4, 21 из эластомера в каждом из внешних винтовых героторных механизмов 16, 17, находятся на одной поперечной оси 38, Т, проходящей через центр 24, 25, 26, 27 внутренних 18, 19 и соответственно внешних 16, 17 винтовых героторных механизмов, и располагаются оппозитно по разные стороны от центра 24, 25 внутренних и центра 26, 27 внешних винтовых героторных механизмов, показаны поперечные сечения в положениях 0°, 90°, 180°, 270° на фиг.5, 6, 7, 8.
Разность чисел зубьев между внешним и внутренним роторами соответственно 6, 20 и 14, 22 во внешних и внутренних винтовых героторных механизмах соответственно 16, 17 и 18, 19 составляет 2-10, показано на фиг.2, 3, 4, 5, 6, 7, 8.
Разность чисел зубьев между внешним и внутренним роторами соответственно 6, 20 и 14, 22 во внешних и внутренних винтовых героторных механизмах соответственно 16, 17 и 18, 19 составляет, например, на фиг.2 - равна трем; на фиг.3 - равна трем; на фиг.4 - равна трем; на фиг.5, 6, 7, 8 - равна четырем.
Обкладки 4, 21 внешних статоров из эластомера во внешних винтовых героторных механизмах 16, 17 выполнены за одно целое, в виде обкладки 4 с противоположным, например, зеркальным, правым и левым направлением внутренних винтовых зубьев 5 относительно ее средней части 39 и закреплены внутри выполненной за одно целое гильзы 40, при этом гильза 40 закреплена внутри трубчатого корпуса 3, показано на фиг.1, 5, 6, 7, 8.
Внешние роторы 6, 20 во внешних винтовых героторных механизмах 16, 17 выполнены за одно целое, в виде внешнего ротора 6 с противоположным, например, зеркальным, правым и левым направлением наружных винтовых зубьев 7 относительно его средней части 41, показано на фиг.1, 5, 6, 7, 8.
Внутренние роторы 14, 22 во внутренних винтовых героторных механизмах 18, 19 выполнены за одно целое, в виде внутреннего ротора 14 с противоположным, например, зеркальным, правым и левым направлением наружных винтовых зубьев 15 относительно его средней части 42, показано на фиг.1, 5, 6, 7, 8.
Внутренние обкладки 12, 23 из эластомера во внутренних винтовых героторных механизмах 18, 19 выполнены за одно целое, например, в виде цельной обкладки 4 с противоположным, например, зеркальным, правым и левым направлением внутренних винтовых зубьев 13 относительно средней части 43 внешнего ротора 6 и закреплены внутри внешнего ротора 6, показано на фиг.1, 5, 6, 7, 8.
Трубчатый корпус 3 содержит всасывающие патрубки 44, 45, расположенные по краям 46, 47 внешних винтовых героторных механизмов 16, 17, а также, по меньшей мере, один нагнетательный патрубок 48, расположенный в средней части корпуса 3 между внешними винтовыми героторными механизмами 16 и 17, показано на фиг.1.
Твердость внутренней обкладки 12 (или 12 и 23) из эластомера, например из резины, скрепленной с внутренней поверхностью внешнего ротора 6, составляет 68…73 ед. Шор А, показано на фиг.1.
Твердость внешней обкладки 4 (или 4 и 21) из эластомера, например из резины, закрепленной внутри гильзы 40, размещенной внутри трубчатого корпуса 3, составляет 63…68 ед. Шор А, показано на фиг.1.
Кроме того, на фиг.1 показано: поз.49 - направление потока рабочей жидкости во всасывающих патрубках 44, 45; поз.50 - направление потока рабочей жидкости в нагнетающем патрубке 48; поз.51 - опорная часть внутренних роторов 14, 22 для соединения с приводом; поз.52 - опорная часть внутренних роторов 14, 22; поз.53 - модули подшипников и уплотнений; поз.54 - полости низкого давления; поз.55 - полость высокого давления; поз.56 и 57 - направление потока рабочей жидкости во внутренних винтовых героторных механизмах соответственно 18 и 19; поз.58 и 59 - направление потока рабочей жидкости во внешних винтовых героторных механизмах соответственно 16 и 17.
Кроме того, на фиг.1, 5 показано: поз.60 - многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры между винтовыми зубьями внутренних роторов 14, 22 и винтовыми зубьями внутренних эластомерных обкладок 12, 23; поз.61 - многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры между винтовыми зубьями внешних роторов 6, 20 и винтовыми зубьями внешних эластомерных обкладок 4, 21.
Конструкция винтового героторного гидравлического оппозитного насоса, показанная на фиг.1, а также в поперечных сечениях через 90° на фиг.5, 6, 7, 8, работает следующим образом: при вращении опорной части 51 от привода (электромотора с редуктором) внутренние роторы 14, 22 вращаются в модулях подшипников и уплотнений 53. Внешние винтовые героторные механизмы 16, 17 выполнены с одинаковыми между собой параметрами, но с противоположным, например, зеркальным, правым и левым один относительно другого направлением винтовых зубьев 15 в оппозитно расположенных вдоль центральной продольной оси 8 внешних роторах 6, 20 и соответственно винтовых зубьев 5 в оппозитно расположенных вдоль центральной продольной оси 8 обкладках 4, 21 внешнего статора 2, при этом внутренние винтовые героторные механизмы 18, 19 выполнены с одинаковыми между собой параметрами, но с противоположным, например, зеркальным, правым и левым один относительно другого направлением винтовых зубьев в оппозитно расположенных вдоль центральной продольной оси 8 внутренних роторах 14, 22 и соответственно в оппозитно расположенных вдоль центральной продольной оси 8 внутренних обкладках 12, 23 внутри внешних роторов 6, 20.
При этом внешние роторы 6, 20 под действием образующегося давления рабочей жидкости, показанной поз.56, 57 в многозаходных винтовых (шлюзовых) камерах 60 между винтовыми зубьями внутренних роторов 14, 22 и винтовыми зубьями внутренних эластомерных обкладок 12, 23, приводятся в планетарно-роторное вращение. Направление вращения поперечного сечения внешних роторов 6, 20 будет в том же направлении, что и направление вращения внутренних роторов 14, 22. Поток рабочей жидкости 49, поступающий во входной патрубок 44, разделяется на два потока: поз.56 - во внутреннем винтовом героторном механизме 18 и поз.58 - во внешнем винтовом героторном механизме 16. Поток рабочей жидкости 49, поступающий во входной патрубок 45, разделяется на два потока: поз.57 - во внутреннем винтовом героторном механизме 19 и поз.59 - во внешнем винтовом героторном механизме 17.
При этом внешние и внутренние винтовые героторные механизмы соответственно 16, 17 и 18, 19 имеют одинаковый эксцентриситет 10, е и в каждой фазе их относительного движения центр 24 роторов 14, 22 внутренних винтовых героторных механизмов 18, 19 совпадает с центром 25 статоров 4, 21 внешних винтовых героторных механизмов 16, 17, а центр 26 роторов 6, 20 внешних винтовых героторных механизмов 16, 17 совпадает с центром 27 статоров 12, 23 внутренних винтовых героторных механизмов 18, 19, показаны поперечные сечения в положениях 0°, 90°, 180°, 270° на фиг.5, 6, 7, 8.
1
2
При этом полюс зацепления 28, P, по существу - геометрическое место точек, где пересекаются нормали 29, 30 к точкам контакта 31, 32 зубьев роторов 14, 22 и обкладок 12, 23 из эластомера в каждом из внутренних винтовых героторных механизмов 18, 19, а также полюс зацепления 33, P геометрическое место точек, где пересекаются нормали 34, 35 к точкам контакта 36, 37 зубьев роторов 6, 20 и обкладок 4, 21 из эластомера в каждом из внешних винтовых героторных механизмов 16, 17, находятся на одной поперечной оси 38, Т, проходящей через центр 24, 25, 26, 27 внутренних 18, 19 и соответственно внешних 16, 17 винтовых героторных механизмов, и располагаются оппозитно по разные стороны от центра 24, 25 внутренних и центра 26, 27 внешних винтовых героторных механизмов, показаны поперечные сечения в положениях 0°, 90°, 180°, 270° на фиг.5, 6, 7, 8.
При этом внешние и внутренние винтовые героторные механизмы соответственно 16, 17 и 18, 19 создают:
- эффект оппозитного уплотнения сообщающихся между собой в полости высокого давления 55 внешних героторных механизмов 16, 17 и внутренних героторных механизмов 18, 19 (не требуются сальниковые уплотнения полостей высокого давления);
- эффект оппозитной синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер 60, 61 между зубьями внутреннего 14, 22 и внешнего 6, 20 роторов и соответственно внутренних обкладок 12, 23 и внешних обкладок 4, 21 героторных механизмов;
- динамическую уравновешенность внешнего 16, 17 и внутреннего 18, 19 героторных механизмов (оппозитное демпфирование крутильных колебаний и поперечных перекашивающих моментов);
- осевую "разгрузку" роторов - уравновешивание осевых сил во внешних и внутренних оппозитно расположенных внутренних роторах 14, 22 и внешних роторах 6, 20;
- осевую "разгрузку" обкладок из эластомера - уравновешивание осевых сил во внутренних обкладках 12, 23 и в обкладках внешних статоров 4, 21.
При использовании заявляемой конструкции повышаются ресурс и надежность, а также расход и развиваемое давление рабочей жидкости винтового героторного гидравлического насоса, уменьшаются механические потери на трение в рабочих органах и опорах приводного вала, уменьшаются объемные потери, обусловленные утечками рабочей жидкости в рабочих органах и уплотнении вала, а также уменьшаются гидравлические потери рабочей жидкости в каналах рабочих органов и других проточных элементах насоса, предотвращаются нерасчетные режимы P-Q (давление-подача) за счет равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладок и роторов, улучшения уплотнения по контактным линиям и снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения.