ГИДРОМАШИНА

Полезная модель относится к гидромашинам объемного вытеснения. Она может найти применение в насосах и компрессорах.
В вакуумной технике известны насосы пластинно-статорные (В.И.Кузнецов, «Механические вакуумные насосы», Госэнергетическое издание, М., 1959, стр.61-63), содержащие корпус с впускным и выпускным окнами, размещенный в нем вал с эксцентриком, и пластину, установленную в направляющих корпуса, которая прижимается к ротору-эксцентрику усилием пружины. Эта пластина разделяет полости всасывания и нагнетания.
Недостатки данной конструкции связаны с тем, что пластина установлена в направляющих корпуса консольно. В поступательной кинематической паре пластина-направляющие корпуса возникает пара сил, достигающих значительной величины. Это увеличивает механические потери и приводит к износу деталей.
В технике получили некоторое распространение вакуумные плунжерные насосы (В.Д.Васильев, «Монтаж компрессоров, насосов и вентиляторов», Изд-во Высшая школа, М., 1979, стр.74-75), которые содержат корпус с впускным и выпускным окнами, размещенный в нем вал с эксцентриком, установленный на эксцентрике плунжер, совершающий движение вдоль направляющих, отделяющих впускную камеру от выпускной камеры. Плунжер кроме хвостовика имеет цилиндрическую часть, которая насаживается на эксцентрик. При вращении эксцентрика ось плунжера движется в роторной камере по круговой траектории, а хвостовик совершает возвратно-поступательное движение, поворачиваясь вокруг оси с направляющей.
Недостатком данной конструкции является высокий износ в низшей кинематической паре плунжер-направляющие.
Известен насос (SU 1564391, кл. F04С 2/00, 15.05.1990) - прототип, содержащий корпус с цилиндрической рабочей полостью, снабженной впускным и выпускным окнами, ведущий вал с эксцентриком, установленный на эксцентрике плунжер с цилиндрической частью и хвостовиком, причем цилиндрическая часть плунжера расположена в корпусе с возможностью контакта с ним, а хвостовик связан с корпусом направляющим устройством, отделяющим всасывающую полость насоса от нагнетающей. Направляющее устройство состоит из двух вкладышей, выполненных в виде сегментов цилиндра, цилиндрические поверхности которых сопрягаются с плоскими под острыми углами.
Недостатками этой конструкции является: сложность обеспечения надежного функционирования направляющего устройства, связанная с неблагоприятными углами давления при передаче движения на направляющие вкладыши; высокий износ в низшей кинематической паре плунжер-направляющие вкладыши.
Для устранения указанных недостатков предлагается конструкция гидромашины, подобно приведенной выше, содержит корпус с цилиндрической рабочей полостью, снабженной впускным и выпускным окнами, ведущий вал с эксцентриком, установленный на эксцентрике плунжер с цилиндрической частью и хвостовиком, причем цилиндрическая часть плунжера расположена в корпусе с возможностью контакта с ним, а хвостовик связан с корпусом направляющим устройством, отделяющим всасывающую полость насоса от нагнетающей. В отличие от прототипа, направляющее устройство содержит выполненный в корпусе внутренний зубчатый венец, полость внутри которого сообщается через межполостную горловину с цилиндрической рабочей полостью корпуса, шестерню с внешним венцом, жестко закрепленную на хвостовике, плавающие сателлиты, взаимодействующие с шестерней и внутренним венцом.
В предлагаемой конструкции гидромашины плавающие сателлиты обкатываются по корпусу и плунжеру и направляющее устройство не имеет кинематических пар скольжения (кроме скольжения по торцам), - это снижает потери на трение и износ элементов. Более того, износ который может возникнуть, например, при работе на абразивных средах, компенсируется зубчатыми зацеплениями.
При работе на газообразных средах данная машина должна содержать обратный клапан, установленный в выходном окне цилиндрической рабочей полости.
Предлагаемая гидромашина может использоваться в качестве двухступенчатого компрессора или вакуумного насоса. Для этого полость, расположенная внутри зубчатого венца и ограниченная плавающими сателлитами и шестерней с внешним венцом, закрепленной на хвостовике, снабжена входным и выходным окнами, в которых установлены соответствующие клапаны, причем, входное окно этой полости соединено с выходным окном цилиндрической рабочей полости гидромашины, через промежуточную накопительную полость.
При использовании гидромашины в качестве двухступенчатого вакуумного насоса, для улучшения условий работы в начальный период откачки, промежуточная накопительная полость соединена с атмосферой каналом, снабженным обратным клапаном, через который сбрасывается избыточное давление из промежуточной накопительной полости.
Для компенсации перекосов в зубчатых зацеплениях направляющего устройства плавающие сателлиты выполнены состоящими из ряда отдельных шестерен, расположенных соосно и прижатых друг к другу торцами.
Для уменьшения остаточных (вредных) объемов рабочих полостей хвостовик имеет профиль, огибающий контуры межполостной горловины и сателлитов, а зубья шестерни с внешним венцом и внутренний зубчатый венец на участках не входящих в зацепление срезаны поверхностями, максимально близко отстоящими друг от друга в «мертвом» положении эксцентрика. Это увеличивает эффективность применения гидромашины, в особенности, на газообразных рабочих средах (компрессоры, вакуумные насосы).
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено: фиг.1 - поперечный разрез гидромашины (по А-А); фиг.2 - ее осевой разрез (по Б-Б); фиг.3 - поперечный разрез (по В-В) направляющего устройства гидромашины с плавающими сателлитами, выполненными из ряда отдельных шестерен; на фиг.4 представлен рабочий цикл гидромашины.
Гидромашина, показанная на фиг.1, 2, 3, является двухступенчатым вакуумным насосом (или компрессором). Она содержит: корпус 1, впускное 2 и выпускное 3 окна, ведущий вал 4 с эксцентриком 5, плунжер 6, установленный на эксцентрике 5 через игольчатый подшипник 7. Плунжер имеет цилиндрическую часть 8 и хвостовик 9. В верхней части корпуса 1 выполнен внутренний зубчатый венец 10, полость внутри которого соединена с цилиндрической рабочей полостью межполосной горловиной 11. На хвостовике 9 плунжера 6 жестко закреплена шестерня 12. Плавающие сателлиты 13 находятся в зацеплении с внутренним венцом 10 и шестерней 12. Хвостовик плунжера 9 имеет профиль, огибающий контуры межполостной горловины 11 и сателлитов 13, а внутренний зубчатый венец 10 на участке, не входящем в зацепление, срезан поверхностью 14, максимально приближенной к поверхности вершин шестерни 12 в «мертвом» положении эксцентрика. Выпускное окно 3 цилиндрической рабочей полости корпуса 1 снабжено обратным клапаном 15. Полость, расположенная внутри зубчатого венца 10, ограниченная плавающими сателлитами 13 и шестерней 12, имеет входное 16 и выходное 17 окна, в которых установлены соответствующие обратные клапаны 18, 19. Входное окно 16 этой полости соединено с выходным окном 3 цилиндрической рабочей полости гидромашины, через промежуточную накопительную полость 20. В двухступенчатом вакуумном насосе промежуточная накопительная полость 20 соединена с атмосферой каналом 21, снабженным обратным клапаном 22, через который сбрасывается избыточное давление из промежуточной накопительной полости 20 в начальный период работы вакуумного насоса. В двухступенчатом компрессоре канал 21 и клапан 22 будут отсутствовать.
Плавающие сателлиты 13 выполнены состоящими из ряда отдельных шестерен 23, расположенных соосно и плотно прижатых друг к другу торцами - см. фиг.3. Такая конструкция компенсирует возможные перекосы в зубчатых зацеплениях направляющего устройства, делает возможным изготавливать плавающие сателлиты любой требуемой длины, упрощает обработку и сборку механизма.
Работа первой ступени данного устройства показана на фиг.4.
При вращении вала 4 (по часовой стрелке) эксцентрик 5 вместе с плунжером 6 движется в цилиндрической полости корпуса по круговой траектории, что приводит к изменению объемов всасывающей V и нагнетающей N рабочих полостей. Хвостовик 9 при этом совершает движение близкое к возвратно-поступательному, разделяя всасывающую V и нагнетающую N полости через плавающие сателлиты 13.
Верхнее «мертвое» положение механизма будет при φ=0° (см. фиг.4). В этом положении полость V с полостью N не сообщается, так как впускное 2 и выпускное 3 окна перекрыты плунжером 6.
При повороте вала 4 (по ч.с.) на угол φ от 0° до 90° (на фиг.4 см. φ=90°) плунжер 6 опустился несколько вниз, при этом рабочая среда попадает в увеличивающийся объем всасывающей рабочей полости V (заштриховано «-»), объем нагнетающей полости N (заштриховано «+») в этой фазе уменьшается.
В нижнем «мертвом» положении механизма при угле поворота ведущего вала 4 на угол φ=180° и при дальнейшем повороте вала 4 на угол φ от 180° до 270° рабочая среда, продолжает заполнять объем, освобождающийся в полости V, и вытесняется из нагнетающей полости N. Газ, вытесненный в промежуточную накопительную полость 20, удерживается от проникновения в полость N обратным клапаном 15. Далее цикл повторяется.
В то же время вторая ступень работает следующим образом. В верхней «мертвой» точке (φ=0°) клапаны 18, 19 закрыты. В фазе от 0° до 180° впускной клапан 18 открыт и через него в полость, находящуюся внутри зубчатого венца 10, поступает рабочая среда из накопительной полости 20. При обратном ходе плунжера 6 (φ=180°-0°) впускной клапан 18 закрыт, а среда вытесняется через выпускной клапан 19 в атмосферу (вакуумный насос) или потребителю (компрессор).
Предлагаемая машина может использоваться и в режиме насоса на жидких рабочих средах. При этом работает только первая ступень гидромашины. Клапаны 15, 18, 19, 22, окна 16, 17, 21, а также промежуточная накопительная полость 20 отсутствуют. Для того чтобы не было гидравлических ударов, полость, находящаяся внутри зубчатого венца 10, сообщается с атмосферой через дренажное отверстие (на фигурах не показано) либо с выходной полостью N посредством увеличенных зазоров между торцами отдельных шестерен 23, составляющих плавающие сателлиты 13 (на фигурах не показано).
Предлагаемая гидромашина найдет применение в вакуумных насосах различного назначения. Не превышая по конструктивной сложности известные одноступенчатые вакуумные насосы, она является двухступенчатой, в силу чего обеспечит более высокую степень вакуума. Отсутствие в этой машине нагруженных кинематических пар скольжения обусловит меньшие потери на трение и большую долговечность, чем у используемых в настоящее время насосов.
Компрессоры на базе данной машины обеспечат более высокую производительность и давление чем широко применяемые в настоящее время поршневые компрессоры.
Перспективным является также использования предлагаемой гидромашины для перекачки жидкостей засоренных абразивом, т.к. износ элементов, разделяющих полости, компенсируется зубчатыми зацеплениями.