РОТОРНО-ПОРШНЕВАЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ МАШИНА СО СВОБОДНЫМИ ПОРШНЯМИ
ROTARY PISTON HYDRAULIC MACHINE WITH FREE PISTONS

Изобретение относится к устройствам для перемещения флюидов или преобразования потенциальной энергии флюидов в механическую энергию и может быть использовано в различных отраслях промышленности.
Известна гидромашина [RU 2241141, МПК F04C, опубл. 27.11.2004], содержащая корпус-статор с выполненной в нем цилиндрической рабочей камерой, в которой эксцентрично к ней и касательно к стенке рабочей камеры установлен цилиндрический ротор, жестко закрепленный на центральном приводном валу и образующий в рабочей камере серповидную полость, концы которой сообщены с всасывающим и нагнетающим патрубками, оснащенными всасывающим и нагнетательным клапанами, ротор, выполненный с продольным цилиндрическим пазом, в котором шарнирно с возможностью качания относительно своей продольной оси и относительно ротора установлен вытеснитель, выполненный в форме криволинейной призмы, образованной двумя пересекающимися цилиндрическими поверхностями, одна из которых, внешняя, описана из центра ротора радиусом, равным радиусу ротора, а вторая, внутренняя, описана из центра оси качания вытеснителя радиусом, превышающим максимальное расстояние от центра качания вытеснителя до цилиндрической стенки рабочей камеры и равным радиусу паза в роторе, пересекающиеся цилиндрические поверхности образуют два ребра вытеснителя, одно из которых - рабочее ребро - постоянно взаимодействует с внутренней стенкой рабочей камеры посредством системы постоянного поджатия, и крышки устройства, перекрывающие рабочую камеру с торцов, рабочее ребро вытеснителя округлено и по центру этого округления выполнено продольное отверстие, в котором установлен цилиндрический штырь, а в корпусе собранного устройства, непосредственно под торцевыми крышками выполнены полные кольцевые канавки, образованные за счет цилиндрических проточек в корпусе и торцах ротора, центр этих канавок совпадает с осью цилиндрической рабочей камеры в статоре, и в этих канавках размещены кольцевые шайбы с отверстиями, ответные по форме формам указанных канавок с возможностью кругового скольжения в этих канавках и шарнирно взаимодействующие с округленным рабочим ребром вытеснителя посредством шарнирной пары: штырь в центральном отверстии округления рабочих ребер вытеснителя и отверстие в кольцевых шайбах, а на внутренних плоскостях торцевых крышек устройства выполнены серповидные или эксцентрично-кольцевые выступы, заполняющие образующиеся пустые полости между кольцевыми шайбами и ротором и между торцами ротора и внутренними плоскостями крышек устройства и по линии касания ротора и стенки рабочей камеры в стенке рабочей камеры выполнен продольный паз и в нем размещена подпружиненная пластина из износостойкого, малофрикционного, упруго-жесткого материала, например фторопласта, с несколькими распределенными по длине пластины регулировочными винтами, головки которых вынесены на внешнюю поверхность корпуса устройства.
Недостатками данной гидромашины являются необратимость, сложность конструкции, наличие высоконагруженных прецизионных механизмов, неравномерность подачи, низкий КПД, ограниченный ресурс.
Наиболее близка по технической сущности к заявляемому изобретению гидравлическая машина Рыля [RU 2569992, МПК F04C 2/344, F01C 1/344, опубл. 10. 12.2015], содержащая корпус-статор (статор) с цилиндрической рабочей камерой, в которой эксцентрично установлен цилиндрический ротор, не касающийся ее стенки, в теле ротора сформированы по меньшей мере два продольных цилиндрических паза, симметрично расположенных относительно оси вращения, в каждом из которых бесшарнирно установлен поршень-вытеснитель (поршень), выполненный в виде криволинейной призмы, полученной в результате пересечения внутренней и наружной цилиндрических поверхностей, образующих два рабочих ребра, которые постоянно соприкасаются со стенкой рабочей камеры, а внутренняя поверхность поршней-вытеснителей соприкасается с кромками пазов, в том числе посредством упругих элементов системы постоянного поджатия, при этом элементами уплотнения рабочих камер являются ребра и кромки пазов ротора, а система впуска и выпуска рабочего тела (флюида) выполнена бесклапанной в виде полостей в теле корпуса-статора, соединенных с впускными и выпускными патрубками.
Недостатками гидравлической машины Рыля являются: сложность и пониженная надежность конструкции из-за наличия упругих элементов системы постоянного поджатия, подвергающихся циклическим деформациям, а также сложность конструкции статора; большой диаметральный размер за счет наличия впускного и выпускного патрубков, направленных наружу диаметрально; невысокий ресурс из-за большой массы рабочих органов (ротора и поршней), выполненных из сплошного материала, большой площади трущихся торцевых поверхностей, наличия динамической разности давлений между торцевыми крышками и рабочими органами, что приводит к аксиальным вибрациям с изменением торцевых зазоров; неравномерность подачи флюида при выполнении четного количества рабочих камер; невысокий коэффициент полезного действия из-за потерь энергии на трение вследствие большой площади трущихся торцевых поверхностей и пониженной герметичности на торцевых поверхностях из-за выдавливания (разрыва) пленки жидкости (смазки) из плоского зазора между торцевыми крышками и торцами рабочих органов, а также потери герметичности между рабочими ребрами поршней и статором вследствие кратковременного отрыва рабочих кромок поршней от статора в районе выпускной полости.
Задачей изобретения является упрощение и повышение надежности конструкции, уменьшение диаметрального габарита, увеличение ресурса, снижение неравномерности подачи флюида и повышение коэффициента полезного действия.
При реализации изобретения в качестве технического результата достигается упрощение и повышение надежности конструкции за счет исключения упругих элементов системы постоянного поджатия, а также упрощения конструкции статора; уменьшение диаметрального размера за счет исключения диаметрально направленных наружу патрубков; увеличение ресурса эксплуатации за счет снижения массы рабочих органов, снижения площади трущихся торцевых поверхностей, исключения возможности возникновения разности давлений между торцевыми крышками и рабочими органами путем выполнения в них сквозных отверстий в аксиальном направлении; снижение неравномерности подачи флюида за счет наличия нечетного количества, по меньшей мере трех, рабочих камер, которые последовательно выступают в роли камер нагнетания и сжатия при вращении ротора; повышение коэффициента полезного действия за счет снижения площади трущихся торцевых поверхностей, за счет накопления жидкость (смазки) в сквозных отверстиях в рабочих органах и снижение трения в области контакта рабочих кромок поршней и статора за счет накопления жидкости (смазки) между рабочими ребрами поршней и поверхностью статора, а также исключения возможности отрыва рабочих кромок поршней от поверхности статора.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной гидравлической машине, содержащей статор с цилиндрической рабочей камерой, в которой эксцентрично установлен цилиндрический ротор, не касающийся ее стенки, в теле ротора сформированы несколько продольных цилиндрических пазов, симметрично расположенных относительно оси вращения, в каждом из которых бесшарнирно установлен поршень, выполненный в виде криволинейной призмы, полученной в результате пересечения внутренней и наружной цилиндрических поверхностей, образующих два рабочих ребра, которые постоянно соприкасаются со стенкой рабочей камеры, а внутренняя поверхность поршней соприкасается с кромками пазов, при этом элементами уплотнения рабочих камер являются рабочие ребра и кромки пазов ротора, а система впуска и выпуска флюида выполнена бесклапанной, особенностью является то, что в теле ротора выполнено нечетное количество, но по меньшей мере три, продольных цилиндрических паза, симметрично расположенных по окружности ротора, в роторе и поршнях выполнены сквозные отверстия, ориентированные в аксиальном направлении, система впуска и выпуска флюида выполнена в виде впускного и выпускного окна расположенных либо на одной, либо на разных торцевых крышках.
Для обеспечения надежного пуска при использовании предлагаемой гидравлической машины в качестве гидро- или пневмопривода целесообразно установить на внутренней поверхности поршней и на поверхности цилиндрических пазов ротора элементы системы постоянного поджатия, преимущественно немеханического типа, выполненные, например, в виде пары магнитов, направленных одноименными полюсами друг к другу.
Выполнение в теле ротора нечетного количества продольных цилиндрических пазов, симметрично расположенных по окружности ротора, позволяет снизить неравномерность подачи флюида за счет наложения фаз его выпуска.
Изготовление системы впуска и выпуска флюида в виде впускного и выпускного окна, расположенных на торцевых крышках, позволяет исключить наличие патрубков, диаметрально направленных наружу, за счет чего уменьшить диаметральный габарит гидравлической машины.
Выполнение в рабочих органах сквозных отверстий, ориентированных в аксиальном направлении, позволяет увеличить ресурс эксплуатации и коэффициент полезного действия за счет снижения массы рабочих органов, уменьшения площади трущихся торцевых поверхностей, а также за счет исключения возможности возникновения разности давлений между торцевыми крышками и рабочими органами и неравномерности зазоров, а также снижения интенсивности вибраций.
Исключение необходимости выполнения полостей в теле статора, соединенных с впускными и выпускными патрубками, позволяет упростить конструкцию статора, а исключение упругих элементов системы постоянного поджатия, подвергающихся циклическим деформациям, упрощает конструкцию и повышает надежность гидравлической машины в целом.
Предлагаемая гидравлическая машина (условно показано три поршня) состоит из: статора 1, ротора 2, поршней 3, торцевых крышек 4 и 5, на фиг. 1 крышка 4 глухая, а на крышке 5 расположены впускное и выпускное окна 6 и 7, а на фиг. 2 на крышке 4 - впускное окно 6, на крышке 5 - выпускное окно 7 (или наоборот). В статоре 1 выполнена цилиндрическая рабочая камера, в которой эксцентрично и бескасательно к стенке рабочей камеры установлен цилиндрический ротор 2, образующий в рабочей камере серповидную полость. В теле ротора 2 сформированы симметрично расположенные по окружности ротора продольные цилиндрические пазы, в которых бесшарнирно установлены поршни 3, выполненные в форме криволинейных призм, полученных в результате пересечения внутренней и наружной цилиндрических поверхностей, образующих на поршнях по два рабочих ребра. Каждое из рабочих ребер постоянно взаимодействует с внутренней стенкой рабочей камеры, а внутренняя цилиндрическая поверхность поршней 3 соприкасается с кромками пазов, образованными пересечением продольных цилиндрических пазов и цилиндрическим телом ротора 2. Каждая их камер нагнетания 8 и сжатия 9 ограничена поверхностью крышек, а также цилиндрической поверхностью статора между ребрами смежных поршней 3, соприкасающихся с ним, поверхностью ротора 2 между кромками пазов, касающихся смежных поршней 3, и внутренними поверхностями смежных поршней 3, ограниченными кромками пазов ротора 2 и их рабочими ребрами. При вращении ротора 2 последовательно изменяется рабочий объем камер нагнетания 8 и сжатия 9. В роторе 2 и поршнях 3 выполнены аксиально ориентированные сквозные отверстия. Система впуска и выпуска рабочего тела выполнена в виде впускного 6 и выпускного 7 окон на торцевой крышке или крышках. Торцевые крышки 4 и 5 в варианте, показанном на фиг. 2, могут быть выполнены одинаковыми, развернутыми при сборке на 180 градусов относительно друг друга. Наличие объемов 10 (условно показан один объем), расположенных между наружной поверхностью каждого из поршней 3 и поверхностью статора 1, ограниченной его рабочими ребрами, не влияет на работу гидравлической машины, поскольку указанные объемы не перекрывается впускными и выпускным окнами 6 и 7 при ее работе, а жидкость (смазка) накапливаемая в объемах 10 уменьшает трение между рабочими ребрами поршней 3 и рабочей поверхностью статора 1, повышает герметичность и КПД машины.
При работе гидравлической машины впуск флюида осуществляется через впускное окно 6 при совмещении его кромки и торцевого ребра ротора 2 за счет разряжения, создающегося за счет увеличения объема камеры нагнетания 8 при вращении ротора, и продолжается до закрытия впускного окна 6 торцевым ребром ротора 2, после чего камера нагнетания 8 выполняет роль камеры сжатия. По мере вращения ротора 2 за счет уменьшения объема камеры сжатия 9 в ней повышается давление и, при совпадении торцевого ребра ротора 2 с кромкой выпускного окна 7, происходит выпуск рабочего тела через него. То же самое последовательно происходит с остальными смежными рабочими камерой и цикл повторяется. Поджатие рабочих ребер поршней 3 к цилиндрической поверхности статора осуществляется посредством центробежных и гидродинамических сил, что обеспечивает герметичность камер нагнетания/сжатия при минимальной площади контакта взаимодействующих деталей.
Таким образом, предлагаемая гидравлическая машина более проста и надежна, имеет меньший диаметральный размер, увеличенный ресурс и коэффициент полезного действия, уменьшенную неравномерность подачи флюида и может быть использована в промышленности.