ВИНТОВОЙ ГЕРОТОРНЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к героторным эксцентричным винтовым насосам объемного типа, способных перекачивать газожидкостные смеси широкого спектра вязкости.
Известна конструкция винтового насоса с консольным соединением приводного вала и передающего узла, выполненного в виде карданного вала (см. патент США №6227829 от 08.05.2001 г), взятого нами в качестве аналога. В данной конструкции, расположенная внутри полого приводного вала, полумуфта карданного вала герметизируется от всасывающей магистрали насоса конусным соединением. Простота изготовления и монтажа данного узла передачи осевой нагрузки и крутящего момента -очевидны, но в данной конструкции винтового насоса схема распределения сил выстроена так, что он способен воспринимать небольшие радиальные нагрузки, поскольку опорный узел подшипников расположен достаточно далеко от шарнира карданного вала, т.е. точки приложения сил. Большая консольность приложения сил отрицательно влияет на герметичность узла сальникового уплотнения, поэтому конструкция данного насоса применима для передачи небольших гидравлических мощностей - до 5 кВт.
Указанный недостаток частично устранен в конструкции винтового насоса, взятого нами за прототип, включающего корпус насоса с сальниковым или торцовым уплотнением, винтовую насосную секцию, шпиндель, а так же, узел, передающий крутящий момент и воспринимающий осевую и радиальную нагрузку от насосной секции, расположен внутри полого приводного вала шпинделя (см. патент США №3216768 от 09.11.1965 г). В данной конструкции применен прогрессивный вариант расположения узла, передающего крутящий момент и воспринимающего осевую и радиальную нагрузку - внутри полого
приводного вала шпинделя, что уменьшает длину конструкции и существенно разгружает конец вала с сальниковым уплотнением, однако в данной конструкции узел, передающий крутящий момент и воспринимающий осевую и радиальную нагрузку выполнен в виде шарнирно-пальцевого карданного вала. Приведенное соединение имеет значительные ограничения (до 5 кВт) по передаваемой гидравлической мощности, поскольку вся осевая нагрузка передается через тонкостенные втулки шарнира и пальцы, работающие на срез, изгиб и подвергающиеся циклически изменяющейся нагрузке.
Задачей настоящей полезной модели является создание винтового героторного насоса, передающего гидравлические мощности до 40 кВт, повышение долговечности, а так же снижение стоимости его изготовления и обслуживания.
Поставленная задача решается за счет того, что в известной конструкции винтового героторного насоса, включающего корпус насоса с сальниковым или торцовым уплотнением, винтовую насосную секцию, шпиндель, а так же узел, передающий крутящий момент и воспринимающий осевую и радиальную нагрузку от насосной секции, расположен внутри полого приводного вала шпинделя и выполнен в виде торсионного или торсионно-шарнирного соединения с конусами, лапками и уплотнительными элементами.
Конструкция прототипа, при несомненных достоинствах, таких, как малые габариты и разгруженный от радиальных отгибающих нагрузок со стороны перекачиваемой жидкости конец приводного вала шпинделя с сальниковым уплотнением, имеет существенные недостатки, перечисленные ниже, ограничивающие его применение:
- пальцевое соединение шарниров кардана приведенной конструкции прототипа не позволяет передавать гидравлические мощности более 5 кВт без значительной переработки конструкции узла и его габаритов,
поскольку пальцы работают в условиях циклически изменяющейся изгибной нагрузки и крутящего момента;
- при имеющемся во всасывающей магистрали насоса избыточном давлении более 0,1 МПа требуется переработать существующую конструкцию уплотнений и применять специальную жесткую конструкцию уплотняющего соединения шарниров карданного вала, чтобы сохранить защиту его пальцев от перекачиваемой жидкости и утечки ее во внешнюю среду, что также ограничивает применение установки;
- еще одним неудобством приведенной конструкции прототипа является сложность замены расходуемой винтовой насосной секции, что приводит к увеличению расходов на обслуживание установки.
В полезной модели применительно к винтовому героторному насосу предложена новая конструкция узла, передающего крутящий момент и воспринимающего осевую и радиальную нагрузку от насосной секции в виде торсионного или торсионно-шарнирного соединения с конусами, концевыми лапками и уплотнительными элементами, за счет чего решена задача компенсации больших гидравлических усилий, возникающих при перекачивании жидкостей с высокой производительностью и давлением благодаря высокой нагрузочной способности конусов торсионного или торсионно-шарнирного соединения вследствие того, что контактные поверхности этого соединения имеют большую площадь. В конструкции узла, передающего крутящий момент и воспринимающего осевую и радиальную нагрузку, заложено жесткое сопряжение конуса торсионного или торсионно-шарнирного соединения, что приводит к значительному увеличению долговечности работы этого узла и снижение затрат на ремонт и обслуживание. Применение узла, передающего крутящий момент и воспринимающего осевую и радиальную нагрузку от приводного вала шпинделя к ротору винтовой насосной секции в виде торсионного или торсионно-шарнирного соединения с конусами, лапками и
уплотнительными элементами, благодаря его небольшим радиальным габаритам позволило вынести точку приложения осевой Fo и радиальной Fp составляющей гидравлических сил и сил зацепления насосной секции за пределы сальникового узла и расположить ее в зоне непосредственного восприятия, то есть в подшипниковом узле. Таким образом, конец приводного вала шпинделя, на котором расположено сальниковое или торцовое уплотнение, практически не нагружен и не требует дополнительных центрирующих опор. Лапки торсионного или торсионно-шарнирного соединения предотвращают проворот торсионного или торсионно-шарнирного соединения по конусу в начальный момент работы, а так же имеют демонтажную функцию, поэтому один конец торсионного или торсионно-шарнирного соединения вынесен в доступное снаружи место, а другой конец легко доступен при замене винтовой насосной секции. В конструкции торсионного или торсионно-шарнирного соединения дополнительно введены вторичные уплотнительные элементы рядом с поверхностью конуса, предотвращающие утечку жидкости при работе без нагрузки, поскольку нагруженное сопряжение конуса торсионного или торсионно-шарнирного соединения, то есть когда существует осевая Fo составляющая гидравлических сил и сил зацепления насосной секции, обладает самогерметизирующим эффектом.
Таким образом, расширились возможности применения винтового героторного насоса для перекачки жидкостей с большей производительностью и давлением, а так же снижены затраты на обслуживание насосной установки, поскольку замена винтовой насосной секции и самого узла, передающего крутящий момент, осевую и радиальную нагрузки, теперь занимает минимум времени. Требуется только вставить приспособление в виде клина в окно, где расположена лапка торсионного или торсионно-шарнирного соединения и ударом по концу клина рассоединить места посадки сопрягаемых элементов конуса торсионного или торсионно-шарнирного соединения.
На фиг.1 показана принципиальная схема соединения элементов героторного насоса с узлом, передающим крутящий момент и воспринимающим осевую и радиальную нагрузку;
На фиг.2 показано поперечное сечение винтовой насосной секции;
На фиг.3 показана увеличенная часть узла, передающего крутящий момент и воспринимающего осевую и радиальную нагрузку в виде торсионного или торсионно-шарнирного соединения;
Винтовой героторный насос, описываемый в данной полезной модели, (фиг.1) содержит:
- корпус 1 насоса (или корпус с заборным и напорным патрубками) с сальниковым или торцовым уплотнением 2;
- винтовую насосную секцию 3, имеющую статор 4 с внутренними зубьями из упруго - эластичного материала и металлический ротор 5 с наружными зубьями (фиг.2);
- шпиндель 6 с полым приводным валом 7 и опорным узлом 8;
- узел 9, передающий крутящий момент и воспринимающий осевую и радиальную нагрузку, выполненный в виде торсионного или торсионно-шарнирного соединения с конусами 10, лапками 11 и уплотнительными элементами 12.
Полый приводной вал 7 состоит из трубчатого элемента 13 и полумуфты 14 с внутренним конусом 15, имеющих резьбовое соединение 16 с герметиком. Для удобства демонтажа в конструкции полого приводного вала 7 предусмотрено пазовое отверстие 17.
Винтовой героторный насос относится к машинам объемного (гидростатического) действия, применение которого позволяет осуществлять процесс перекачивания жидкости с низкой частотой вращения приводного вала.
Винтовой героторный насос работает следующим образом.
к
Насос приводится в движение вращением полого приводного вала 7 (т.е. приложением к нему крутящего момента М). Устройство, создающее
2
1
гидравлическую мощность в данном насосе - это винтовая насосная секция 3, состоящая из статора 4 и ротора 5. Статор 4 выполнен в виде металлического корпуса, к внутренней поверхности которого присоединена обкладка с внутренними винтовыми зубьями из упруго - эластичного материала, например, из резины. Металлический ротор 5 имеет наружные винтовые зубья. Число зубьев ротора 5 на единицу меньше числа зубьев статора 4. Шаги винтовых линий зубьев ротора 5 и статора 4 пропорциональны числу зубьев. Ось ротора О смещена относительно оси статора O на величину эксцентриситета Е. За счет специального профиля зубьев обеспечивается непрерывный контакт между поверхностями ротора 5 и статора 4, что является принципиальной основой рабочего процесса винтового героторного насоса.
o
p
Вращение от полого приводного вала 7 передается через сопряжение конуса узла 9, передающего крутящий момент и воспринимающего осевую и радиальную нагрузку на ротор 5 винтовой насосной секции 3. Ротор 5 совершает планетарное движение, обкатываясь по зубьям статора 4. За счет разности в числах зубьев происходит перекачка раствора в направлении В и немедленно возникает сила реакции F, состоящая из гидравлических сил и сил косозубого зацепления между ротором 5 и статором 4 в винтовой насосной секции 3. Узел 9 воспринимает нагрузку и передает силу реакции F, раскладывающуюся на осевую F и радиальную F составляющие, от ротора 5 винтовой насосной секции 3, на опорный узел 8 шпинделя. Через узел 9 так же передается на ротор 5 крутящий момент Mk от полого приводного вала 7. Соединение узла 9 с полым приводным валом 7 происходит по конусам 10 за счет силы трения. Чтобы не произошло приваривания сопрягаемых поверхностей торсионного или торсионно-шарнирного соединения по конусам 10 в начальный момент приложения нагрузки, когда сила трения еще недостаточно велика, в конструкции узла 9, предусмотрена лапка 11 (фиг.3), которая служит так же для демонтажных целей. Для демонтажа узла 9 и отсоединения его от полого
приводного вала 7, достаточно вставить приспособление в виде клина в пазовое отверстие 17 и ударить по нему. Сопряжение конусов 10 будет разобрано. Герметизация конусов 10 торсионного или торсионно-шарнирного соединения осуществлена за счет точной обработки наружной и внутренней поверхностей конусов 10. Чтобы не происходила утечка жидкости по конусам 10 в начальный момент работы винтового героторного насоса, то есть без нагрузки, что особенно важно при перекачке газосодержащих растворов, предусмотрены уплотнительные элементы 12. Конструкция узла 9, передающего крутящий момент и воспринимающего осевую и радиальную нагрузку в виде торсионного или торсионно-шарнирного соединения зависит от конкретных условий, для которых спроектирован насос. Тело торсионного или торсионно-шарнирного соединения должно рассчитываться на прочность совместного действия изгиба и кручения, на устойчивость торсионного или торсионно-шарнирного соединения, а так же на циклические нагрузки. Сопряжение конусов 10 рассчитывается на их несущую способность, т.е. отсутствие проворота, на прочность от действия осевой нагрузки, а так же на скручивание лапки 11.
Приведем реальный пример винтового героторного насоса, перекачивающего нефтепродукты с расчетом узла, воспринимающего осевую и радиальную нагрузку, а так же передающего крутящий момент в виде торсионного соединения из нержавеющей стали 20Х13:
Вращающий момент на приводном валу
- 1,7 кНм;
Перепад давления
- 4,0 МПа;
Число зубьев ротора
- 2;
Осевой шаг
- 73,0 мм;
Эксцентриситет
- 12,5 мм;
Диаметр по выступам зубьев ротора
- 114 мм;
Конструктивные параметры торсионного соединения:
Диаметр
- 34 мм;
Длина
- 1000 мм;
Диаметр наружного конуса
- 50 мм;
Диаметр внутреннего конуса
- 41 мм;
Конусность
- 1:10;
Толщина лапки
- 22 мм.
Общий коэффициент запаса прочности тела торсионного или торсионно-шарнирного соединения по касательным и нормальным напряжениям будет равен 1,13. Торсионное или торсионно-шарнирное соединение не теряет устойчивости. Радиальная нагрузка на опорный узел шпинделя от изгиба торсионного или торсионно-шарнирного соединения будет составлять чуть больше 900 н.
Конус торсионного или торсионно-шарнирного соединения удовлетворяет нас по несущей способности (коэффициент запаса - 97,4) и по прочности (коэффициент запаса - 4,05). Через лапку момент не передается, поскольку конус имеет большой запас по несущей способности.
В результате, суммарная нагрузка F на опорный узел, которую необходимо скомпенсировать будет составлять - 98045 Н, т.е. почти 10 тонн. Таким образом, приведенный в примере узел, передающий крутящий момент и воспринимающий осевую и радиальную нагрузку в виде торсионного или торсионно-шарнирного соединения с конусами, лапками и уплотнительными элементами прошел проверку на прочность, в то время как пальцы подобного узла, приведенного в прототипе и выполненного в виде шарнирного карданного вала при такой нагрузке очень быстро разрушаются. Результаты данного примера, воспроизведенного на практике, подтверждают наши выводы.
Таким образом, применяя узел 9 в конструкции, мы получили винтовой героторный насос, отвечающий требованиям по прочности и долговечности с недорогой и компактной конструкцией узла, передающего гидравлические мощности до 40 кВт от винтовой насосной секции к шпинделю и приводной крутящий момент к насосной секции.