ВИНТОВАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к области производства и конструирования насосов, компрессоров, гидравлических и пневматических двигателей в различных отраслях промышленности. В частности, заявляемое техническое решение может быть использовано в нефтяной промышленности при создании насосов для добычи нефти и перекачки многофазных сред.
Известна машина, содержащая корпус с входным и выходным патрубками, обойму с винтовыми каналами и винт, эксцентрично размещенный в обойме, а спиральные части винта размещены в винтовых каналах обоймы, с возможностью радиального смещения обоймы относительно винта (см. патент РФ №43855, класс 27с. - Коловратная машина. Опубликовано: 31.07.1935). Недостатком известного устройства является относительно низкая технологичность при производстве и при эксплуатации, что связано с большим количеством подвижных деталей при относительно сложной кинематической схеме. Из-за большой массы вращающейся обоймы имеются весьма ограниченные возможности для увеличения мощности машины.
По принципу работы наиболее близкой к заявляемому техническому решению является машина, содержащая корпус с входным каналом и выходным каналом, секционную обойму с винтообразными каналами и ротор, размещенный в обойме, с возможностью радиального смещения обоймы относительно оси ротора. Обойма выполнена по форме спиральной пружины, размещенной в корпусе с образованием щелевых уплотнений в зазоре между обоймой и корпусом. Ротор размещен вблизи от поверхности расточки корпуса с образованием щелевого уплотнения в зазоре между наружной поверхностью ротора и поверхностью расточки в корпусе, с возможностью образования внутри корпуса следующих друг за другом спиралевидных камер, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями. Каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, ограничивающим перемещение обоймы. (См. патент РФ на полезную модель №119042 F04C 2/16. Винтовая машина. Опубликовано: 10.08.2012. Бюллетень №22). Недостатком известного устройства является относительно высокая скорость движения обоймы и ротора, что ограничивает возможности по созданию более мощных машин.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является расширение диапазона регулирования частоты вращения ротора, за счет усовершенствования конструкции машины.
Техническим результатом является создание более универсальных и более мощных машин, за счет усовершенствования конструкции обоймы и ротора машины.
Указанная техническая задача решается за счет использования винтовой машины, содержащей корпус с входным каналом и выходным каналом, секционную обойму с винтообразными каналами и ротор, размещенный в обойме, с возможностью радиального смещения обоймы относительно оси ротора. Обойма выполнена по форме спиральной пружины, размещенной в корпусе с образованием щелевых уплотнений в зазоре между обоймой и корпусом. Ротор размещен вблизи от поверхности расточки корпуса с образованием щелевого уплотнения в зазоре между наружной поверхностью ротора и поверхностью расточки в корпусе, с возможностью образования внутри корпуса следующих друг за другом спиралевидных камер, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями. Каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, ограничивающим перемещение обоймы. На роторе выполнена наружная цилиндрическая поверхность, эксцентрично расположенная относительно оси ротора. Обойма выполнена из отдельных секций, следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций друг относительно друга и с возможностью радиального смещения секций относительно корпуса и относительно оси ротора, при этом каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, выполненным в корпусе.
Гидравлическая машина может иметь исполнение, когда в секции обоймы на ее внутренней поверхности, контактирующей с наружной цилиндрической поверхностью ротора, выполнены разгрузочные канавки, гидравлически связанные с пространством между корпусом и секцией обоймы.
Для удобства описания полезной модели на фигурах 1-9 представлена заявляемая винтовая машина и ее отдельные узлы и детали.
На фигуре 1 представлен продольный разрез машины.
На фигуре 2 в изометрии, с применением приемов трехмерного моделирования, отдельно представлена обойма, состоящая из отдельных секций и по форме сходная со спиральной пружиной.
На фигуре 3 отдельно представлен корпус с размещенной в нем секционной обоймой, в изометрии и с применением приемов трехмерного моделирования, где показаны плоские опорные поверхности, которые перпендикулярны оси вращения ротора.
На фигуре 4 в изометрии представлен ротор и секции обоймы в сборе.
На фигуре 5 представлен поперечный разрез машины.
На фигуре 6 представлена изометрия секции обоймы, с выполненными разгрузочными канавками на внутренней цилиндрической поверхности.
На фигуре 7 представлен поперечный разрез секции обоймы.
На фигуре 8 представлен вариант с последовательным соединением гидравлических машин.
На фигуре 9 представлен вариант с параллельным соединением гидравлических машин.
Винтовая машина по фигурам 1-9, содержит корпус 1 с входным каналом 2 и выходным каналом 3, секционную обойму 4 с винтообразными каналами и ротор 5, размещенный в обойме 4, с возможностью радиального смещения обоймы 4 относительно ротора 5. В корпусе 1 выполнена цилиндрическая расточка 6. Обойма 4 выполнена по форме спиральной пружины, размещенной корпусе 1 с образованием щелевых уплотнений 7 в зазоре между обоймой 4 и корпусом 1. Ротор 5 размещен вблизи от поверхности расточки 6 корпуса 1 с образованием щелевого уплотнения 8 в зазоре между наружной поверхностью ротора 5 и поверхностью расточки 6 в корпусе 1, с возможностью образования внутри корпуса 1 следующих друг за другом спиралевидных камер 9, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями 7, 8. Обойма 4 оснащена стопорными элементами 10, выполненными в корпусе 1. Обойма 4 выполнена из отдельных секций 11, 12 следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций 11, 12 друг относительно друга и с образованием щелевого уплотнения 13 в зазоре между соседними секциями 11, 12.
Каждая секция 11 обоймы 4 оснащена стопорным элементом 10, выполненным в корпусе 1. Секции в обойме 4 расположены вдоль винтовой линии с образованием ступенчатой структуры, подобно ступеням на винтовой лестнице.
На представленных фигурах, в зоне контакта корпуса 1 с секцией 11 обоймы 4 в корпусе 1 и на секции 11 обоймы 4 выполнены плоские опорные поверхности, соответственно 14 и 15, которые перпендикулярны оси вращения 16 ротора 5.
Таким образом, обойма 4 выполнена из отдельных секций 11, 12, следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций 11, 12 друг относительно друга и с возможностью радиального смещения секций 11, 12 относительно корпуса 1 и относительно оси 16 ротора 5, при этом каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом 10, выполненным в корпусе 1.
На внутренней поверхности секции 11 обоймы 4 выполнены разгрузочные канавки 17.
Ротор 5 установлен на подшипниках 18, которые обеспечивают условия, чтобы расточка 6 в корпусе 1 была концентрично расположена относительно оси 16.
Секции обоймы 4 могут иметь исполнение с разгрузочными канавками 17. Для обеспечения гидравлической разгрузки в секции 11 могут быть выполнены отверстия 19. Отверстия 19 могут быть различного диаметра.
Корпус 1 может иметь отдельный наружный кожух 20, закрывающий проточную часть гидравлической машины.
На роторе 5 выполнена наружная цилиндрическая поверхность 21, эксцентрично расположенная относительно оси 16 ротора 5.
Может быть реализовано исполнение машины с гидравлической разгрузкой в элементах обоймы 4. В секции 11 обоймы 4 на ее внутренней поверхности 22, контактирующей с наружной цилиндрической поверхностью 21 ротора 5, выполнены разгрузочные канавки 17, гидравлически связанные с пространством 23 между корпусом 1 и секцией обоймы 11.
Как и для всех известных гидравлических машин, возможно последовательное соединение отдельных машин, как это для примера показано на фигуре 8, или же параллельное соединение отдельных машин, как показано на фигуре 9. Стрелками показано направление течения рабочей среды для каждого из приведенных примеров соединения отдельных гидравлических машин.
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 подшипниках 18. При вращении ротора 5 обойма 4 прижата к цилиндрической поверхности 21, выполненной на роторе (например прижатие обеспечивается за счет гидравлических сил, обусловленных различием давлений в разных точках на обойме 4). Обойма 4 выполнена из отдельных секций 11, 12, следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций 11, 12 друг относительно друга и с образованием щелевого уплотнения 13 в зазоре между соседними секциями 11, 12. Каждая секция 11 обоймы 4 оснащена стопорным элементом 10, выполненным в корпусе 1, в данном случае это плоская опорная поверхность в корпусе 1, удерживающая секцию 11 от вращения - поворота вокруг оси 16. Секции 11, 12 и обойма 4 в целом не вращаются; секции 11, 12 могут смещаться в радиальном направлении относительно оси 16, отслеживая движение ротора 5, поскольку цилиндрические поверхности 21 и 22 находятся в контакте, образуя пату трения (как в известном подшипнике скольжения, к примеру). Этим достигается уменьшение числа вращающихся деталей и расширение диапазона регулирования частоты вращения ротора, за счет усовершенствования конструкции машины.
При вращении ротора 5 в спиралевидных камерах 9 обеспечивается силовое воздействие на жидкость, заполняющую полости в камерах 9. Таким образом, формируется поток жидкости в направлении от входного канала 2 к выходному каналу 3. Щелевые уплотнения уменьшают объемные потери, поскольку ротор 5 размещен вблизи от поверхности расточки 6 корпуса 1 с образованием щелевого уплотнения 8 в зазоре между наружной поверхностью 21 ротора 5 и поверхностью расточки 6 в корпусе 1. Внутри корпуса 1 следующие друг за другом спиралевидные камеры 9, отделены друг от друга щелевыми уплотнениями 7, 8.
При таком движении ротора 5 и обоймы 4 относительно расточки 6 в корпусе 1 осуществляется смещение спиралевидных камер 9 в направлении от входного канала 2 к выходному каналу 3. Щелевые уплотнения ограничивают значение объемных потерь мощности и обеспечивают плавное (равномерное) изменение давления по камерам 9, следующим друг за другом. Равномерное распределение (изменение) давления по камерам 9 достигается за счет частичного возвратного перетекания части перекачиваемой среды через каналы щелевых уплотнений 7, 8, 13. Максимальное давление обеспечивается в спиральной камере 9, сообщающейся с выходным каналом 3, что соответствует давлению на выходе насоса. Соответственно минимальное давление обеспечивается в спиральной камере 9, сообщающейся с входным каналом 2, что соответствует давлению на входе насоса. Поскольку для каждой секции 11 имеется свой отдельный стопорный элемент 10, удается распределить нагрузку на большей площади при уменьшенных контактных напряжениях, при этом секция 11 не вращается, что способствует снижению динамических нагрузок, и что открывает возможности для создания более мощных машин.
В зоне контакта корпуса 1 с секцией 11 обоймы 4 в корпусе 1 и на секции 11 обоймы 4 выполнены плоские опорные поверхности, соответственно 14 и 15, которые перпендикулярны оси вращения 16 ротора 5. При использовании плоских опорных поверхностей уменьшаются контактные напряжения, и замедляется износ щелевых уплотнений. За счет перепада давления, действующего на секцию 11, обеспечивается прижатие секции 11 обоймы 4 к поверхности 21 ротора 5. Выполненные на цилиндрической поверхности 22 разгрузочные канавки 17, посредством отверстий 19, гидравлически связаны с пространством 23 между корпусом 1 и секцией 11 обоймы 4, внешнее оформление корпуса 1 может быть выполнено с применением кожуха 20 или с применением иного известного исполнения. Таким образом реализуется эффект гидравлической разгрузки и ослабляются силы, прижимающие секцию 11 к ротору 5. При таком конструктивном исполнении могут быть уменьшены потери мощности на трение и достигнуто повышение мощности машины в целом. Становится возможным создание более универсальных и более мощных машин, за счет усовершенствования конструкции обоймы и ротора машины. Помимо жидкой среды, заявляемая машина может обеспечить перекачку газов, газожидкостных смесей и других многофазных сред. Для повышения мощности установки в целом может быть использован известный прием соединения отдельных машин по последовательной или по параллельной схеме, как показано на фигурах 8 и 9.
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 7, 8, 13 ограничивают значение объемных потерь мощности и обеспечивают плавное изменение давления по камерам 9, следующим друг за другом. Максимальное давление обеспечивается в спиральной камере 9, сообщающейся с входным каналом 2, что соответствует давлению на входе двигателя. Соответственно минимальное давление обеспечивается в спиральной камере 9, сообщающейся с выходным каналом 3, что соответствует давлению на выходе двигателя. За счет перепада давления в соседних камерах 9 возникают силы и крутящий момент, действующие на ротор 5, так как цилиндрическая поверхность 21 ротора 5 эксцентрично расположена относительно оси 16. Ротор 5 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).
За счет усовершенствования конструкции машины, решена поставленная техническая задача по расширению диапазона регулирования частоты вращения ротора, созданы условия для снижения сил трения и для повышения мощности машины. Достигается и технический результат, по созданию более универсальных и более мощных машин, за счет усовершенствования конструкции обоймы и ротора машины.