ШЕСТЕРЕННЫЙ НАСОС

Предложение относится к устройствам для напорного перемещения среды в результате сообщения ей внешней энергии, а именно, к шестеренным насосам.
Предложение может быть использовано в области автоматического дозирования в технологических процессах энергетической, химической, пищевой и других отраслях промышленности, в частности для подачи жидких сред на упаковку в составе фасовочно-упаковочного оборудования.
Шестеренный (зубчатый) насос по виду рабочей камеры и сообщения ее с входом и выходом относится к объемным роторным насосам, в состав рабочих органов которого входят шестерни. Объемные насосы работают по принципу вытеснения, когда давление перемещаемой среды повышается в результате сжатия.
Шестеренные насосы просты по конструкции, компактны и надежны в эксплуатации. Они применяются в основном для перемещения нефтепродуктов в системах смазки машин, в устройствах гидравлического привода и т.п. Шестерни насоса совершают вращательное движение, при этом вытесняемая ими жидкость, заполняет свободные промежутки между зубьями и, двигаясь в плоскости, перпендикулярной оси вращения, переносится из всасывающей полости в нагнетательную полость насоса в результате периодического изменения объема занимаемой ею рабочей камеры.
Область всасывания создается там, где зубья выходят из зацепления, а область нагнетания - там, где они входят в зацепление. Назначение полостей
зависит от направления вращения шестерен. Как правило, в шестеренном насосе одна шестерня является ведущей и получает вращение от привода, а вторая - ведомой.
Объемная подача шестеренного насоса определяется размерами его рабочих органов и числом оборотов их в минуту и зависит от давления нагнетания и вязкости перекачиваемой жидкости, от значений которых изменяется величина внутренних объемных потерь. Величина утечки определяется величиной зазора в рабочих органах насоса, вязкостью жидкости и давлением нагнетания.
Заявляемое техническое решение относится к шестеренным насосам с внешним зацеплением, в этом случае применяют две одинаковые шестерни, имеющие одинаковое число зубьев с прямой нарезкой, эвольвентным профилем зубьев.
Из уровня техники известен шестеренный насос, содержащий пару зацепляющихся шестерен, помещенных в плотно обхватывающий их корпус (Т.М.Башта, Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем, М. Машиностроение, 1974 г., стр.343, рис.115 а).
Недостатком данного насоса являются большие объемные потери при сцеплении зубьев шестерен. Неполное заполнение рабочих камер (впадин между зубьями) приводит к понижению объемного коэффициента полезного действия (далее КПД) насоса, а также возникновению пульсации давления на выходе, которые обусловлены тем, что при соединении такой камеры с полостью нагнетания возникает обратный поток из полости в камеру, который вызывает гидравлический удар.
Недостаток известного насоса также в том, что он не входит в группу регулируемых насосов, что ограничивает область применения устройства.
Известен регулируемый шестеренный насос, содержащий две ведущие шестерни, сопряженные с подвижной в осевом направлении ведомой шестерней (см. авторское свидетельство SU №724797, F 04 C 2/08, 1980 г.).
Насос имеет две полости всасывания и две полости нагнетания, при этом полость всасывания одной секции соединена с полостью нагнетания другой секции и наоборот, таким образом, полости насоса соединены по кольцевой схеме. Смещение ведомой шестерни позволяет менять производительность и функции насоса.
Недостатком данного насоса является пульсация давления в полостях насоса, обусловленная значительными потерями жидкости между зубьями шестерен эвольвентного зацепления.
Это исключает использование данного насоса в качестве дозатора в составе фасовочно-упаковочного оборудования, так как расход дозирующего устройства формируется в виде последовательности доз постоянного объема, выдаваемых с определенной заданной частотой, которая зависит от управляющего сигнала.
Известно также устройство для подачи химического реагента в скважину, содержащее дозатор, который выполнен в виде пластинчатого насоса (см. патент RU №2171364, Е 21 В 37/06, 2000 г.).
При вращении ротора пластинчатого насоса происходит периодическое изменение его рабочих камер, всасывание реагента в каждую камеру и вытеснение его под давлением через линию нагнетания дозировано и постоянно в скважину. Регулирование подачи реагента в скважину осуществляется в пластинчатом насосе путем изменения расстояния между осями симметрии ротора и статора.
Хотя в данном устройстве обеспечивается непрерывная подача реагента в скважину, а конструкция дозатора в виде пластинчатого насоса позволяет регулировать подачу, однако осуществлять такую регулировку сложно, так как это требует переналадки дозатора. К недостаткам пластинчатого насоса следует отнести довольно низкий КПД - 50% (из-за перетекания жидкости через зазоры между кромками пластин и стенками корпуса). Также во время работы пластинчатого насоса при недостаточно точном изготовлении его элементов может возникать заклинивание пластин.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является шестеренный насос НШМ-10, содержащий корпус со всасывающей и нагнетающей полостями, в цилиндрических расточках которого размещены шестерни внешнего зацепления (Волчков И.И., Волчков В.И., Насосы для молока и молочных продуктов, М. Пищевая промышленность, 1980 г., стр.71, рис.29).
Недостатком данного насоса является то, что он также не пригоден в качестве дозатора в составе фасовочно-упаковочного оборудования из-за пульсирующего характера подачи текучей среды и отсутствия возможности регулировки этого процесса.
Технический результат предложения заключается в улучшении эксплуатационно-технологических возможностей насоса путем обеспечения стабильной подачи постоянного объема при использовании в качестве дозатора в составе фасовочно-упаковочного оборудования.
Для достижения указанного технического результата в шестеренном насосе, содержащем корпус, в цилиндрических расточках которого размещены шестерни внешнего зацепления, установленные на ведущем и ведомом валах, согласно предложению, на каждом валу размещена пара шестерней, расположенных со смещением одна относительно другой на величину 0,5 Р=πm, где Р - шаг зацепления, π - константа равная 3,14, а m - модуль шестерни.
Наличие отличительных признаков, а именно, выполнение на каждом валу пары шестерней, установка их со смещением одна относительно другой на половину шага, а именно на величину 0,5 Р=πm, где Р - шаг зацепления, π - константа равная 3,14, а m - модуль шестерни, свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна».
Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез шестеренного насоса; на фиг.2 представлен общий вид корпуса шестеренного насоса; на фиг.3 схематично показаны фрагменты
зубьев двух шестерней на одном валу, с указанием установочного смещения между зубьями; на фиг.4 представлен фрагмент двух шестерней, установленных в сборе на одном валу; на фиг.5 изображены две шестерни ведущего вала.
Следует учесть, что на чертежах для большей ясности представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа технического решения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертежах не представлено.
Шестеренный насос включает кронштейн, имеющий основание и стойку с двумя фланцами, на которые с одной стороны установлен мотор - редуктор, а с другой стороны с помощью крепежных элементов, например, стяжных шпилек с гайками, смонтированы в одно целое по горизонтали основные элементы насоса.
Шестеренный насос (фиг.1) включает корпус 1, выполненный с двумя цилиндрическими расточками и с двумя полостями всасывания и нагнетания (фиг.2). Внутри корпуса 1 расположены ведущий вал 2 и ведомый вал 3, установленные с возможностью вращения в подшипниках скольжения, а именно во втулках, запрессованных в вышеуказанном основании и корпусе 1. Ведущий вал 2 соединен с валом мотора - редуктора. На ведущем валу 2 установлены две шестерни 4 и 5 (фиг.3-5), имеющие одинаковое количество зубьев и смещенные одна относительно другой на половину шага (0,5 Р). На ведомом валу 3 неподвижно установлены две шестерни 6 и 7, по размерам и характеристикам совпадающие с шестернями 4 и 5, и также смещенные одна относительно другой на половину шага (0,5 Р).
Устройство работает следующим образом.
При пуске шестеренного насоса начинает вращение ведущий вал 2 с шестернями 4 и 5. При этом шестерни 6 и 7 получают вращение благодаря плотному зацеплению их зубьев с зубьями шестерней 4 и 5, причем вращение происходит в направлении обратном направлению вращения шестерней 4 и 5. Жидкость, например определенная доза молочного продукта, некоторый ее
объем захватывается зубьями шестерней 4 и 5, отжимается к стенкам корпуса 1 и перемещается вместе с рабочими органами со стороны полости всасывания к полости нагнетания, куда продукт вытесняется под действием давления. Зубья, контактирующие своими торцами с внутренней поверхностью корпуса 1, при вращении рабочих органов вытесняют больший объем продукта, чем тот, который может поместиться в пространстве, освобождаемом зубьями, находящимися в зацеплении. Разность объемов продукта, находящегося под давлением вытесняется в нагнетательную линию насоса. При установке за пределами насоса клапана, отсекающего определенную заданную дозу продукта, насос можно использовать как дозатор.
Наличие на каждом валу пары шестерней, установленных со смещением, позволяет сгладить пульсацию давления и осуществить наиболее плавное по сравнению с прототипом выдавливание продукта из полости нагнетания. Таким образом, достигается стабильная подача постоянного объема, и при использовании такого насоса, снабженного клапаном, в качестве дозатора в составе фасовочно-упаковочного оборудования обеспечивается точность дозирования. Следует также отметить, что производить регулировку этого дозатора достаточно удобно и просто, задавая число оборотов рабочих органов с помощью системы автоматического управления.
Шестеренный насос был разработан и изготовлен на машиностроительном заводе «ТАУРАС-ФЕНИКС» и успешно использован на предприятии заказчика.
Из вышесказанного следует, что изготовление данного устройства промышленным способом не вызывает затруднений, предполагает использование освоенных материалов и стандартного оборудования, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «промышленная применимость».