РОТОРНЫЙ НАСОС ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ
ROTARY DISPLACEMENT PUMP

Изобретение относится к области насосостроения и может быть использовано для сжатия и перемещения жидкостей в широком диапазоне расходов и давлений с постоянным расходом.
Известен роторный насос объемного действия, содержащий рабочий цилиндр с размещенным в нем основным ротором, имеющим, по крайней мере, один выступ, радиус которого равен радиусу цилиндра, и вспомогательный ротор, имеющий впадину для размещения в ней выступа основного ротора, причем оба ротора имеют кинематическую связь, обеспечивающую их синхронное вращение (см., например, патент РФ на полезную модель №43925, МПК F04C 29/04,опубл. 10.02.2005).
Известен также роторный насос объемного действия, содержащий всасывающее окно и нагнетательный клапан, рабочий цилиндр с размещенным в нем основным ротором, имеющим, по крайней мере, один выступ, радиус которого равен радиусу цилиндра, и вспомогательный ротор, имеющий впадину для размещения в ней выступа основного ротора, причем оба ротора имеют кинематическую связь, обеспечивающую их синхронное вращение, причем основной и вспомогательный роторы размещены таким образом, что их оси скрещиваются, а плоскость вращения вспомогательного ротора находится под углом 90° к плоскости вращения основного ротора, а торцевая поверхность вспомогательного ротора, обращенная в сторону цилиндра, расположена относительно оси вращения основного ротора на расстоянии, равном радиусу основного ротора (см., например, патент РФ на полезную модель №111211, МПК F04C 3/02 и F04C 18/50).
Недостатком указанных конструкций является неравномерная подача жидкости, т.к. во время прохождения выступа ротора между нагнетательным клапаном и всасывающим окном подача рабочей среды полностью прекращается. В то же время такие массовые потребители жидкости под давлением, как рабочие гидроцилиндры роботов и манипуляторов, для обеспечения их плавного движения требуют высокой равномерности подачи рабочей жидкости. Задачей изобретения является организация равномерной производительности роторного насоса.
Указанная задача решена в роторном насосе объемного действия, содержащем всасывающее окно и нагнетательный клапан, рабочий цилиндр с размещенным в нем основным ротором, имеющим, по крайней мере, один выступ, радиус которого равен радиусу цилиндра, и вспомогательный ротор, имеющий впадину для размещения в ней выступа основного ротора, причем оба ротора имеют кинематическую связь, обеспечивающую их синхронное вращение, а основной и вспомогательный роторы размещены таким образом, что их оси скрещиваются, и плоскость вращения вспомогательного ротора находится под углом 90° к плоскости вращения основного ротора, причем торцевая поверхность вспомогательного ротора, обращенная в сторону цилиндра, расположена относительно оси вращения основного ротора на расстоянии, равном радиусу основного ротора, при этом согласно изобретению параллельно плоскости вращения основного ротора установлен дополнительный ротор, имеющий одинаковые размеры с основным ротором, размещенный в дополнительном цилиндре с торцовыми стенками, всасывающим окном и нагнетательным клапаном и кинематически связанный с основным ротором, причем выступ дополнительного ротора ориентирован по отношению к выступу основного ротора под углом 180°, а на торцовых стенках дополнительного цилиндра размещены две сбрасывающие канавки, одна из которых перекрывает всасывающее окно, а другая - нагнетательный клапан.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображено поперечное сечение насоса.
На фиг.2 изображен вид насоса со стороны основного ротора.
На фиг.3 изображен вид насоса со стороны дополнительного ротора.
На фиг.4 изображено поперечное сечение насоса после поворота роторов на 180 градусов.
H
На фиг.5 изображен график подачи V рабочей жидкости по углу поворота основного ротора (V - объемный расход нагнетаемой рабочей среды).
На фиг.6 изображен график подачи V рабочей жидкости по углу поворота дополнительного ротора.
На фиг.7 изображен суммарный график подачи V рабочей жидкости по углу поворота основного вала насоса.
Насос состоит из корпуса 1, рабочего 2 и дополнительного 3 цилиндров, имеющих одинаковый диаметр и высоту, приводного 4, вспомогательного 5 и дополнительного 6 валов, на концах которых имеются соответственно конические шестерни 7, 8 и 9, образующие кинематическую связь между приводным валом 4, вспомогательным валом 5 и дополнительным валом 6.
В цилиндрах 2 и 3 размещены основной 10 и дополнительный 11 роторы, имеющие выступы 12 и 13, ориентированные под углом 180° друг к другу, радиусы выступающей части которых одинаковы и равны радиусам цилиндров 2 и 3. Роторы 10 и 11 соединены с валами 4 и 6 с помощью шпонок 14 и 15. Плоскость дополнительного цилиндра 3 параллельна плоскости вращения основного ротора 10.
На вспомогательном валу 5 установлен соединенный с помощью шпонки 16 вспомогательный ротор 17 в плоскости, находящейся под углом 90° к плоскости вращения основного ротора 10. Ротор 17 имеет впадину 18 для размещения выступов 12 и 13 при синхронном и противоположно направленном вращении валов 4 и 6 с роторами 10 и 11, и его рабочая торцовая поверхность, обращенная в сторону цилиндров 2 и 3, расположена относительно оси вращения основного 10 и дополнительного 11 роторов на расстоянии, равном радиусу этих роторов.
Валы 3, 5 и 6 вращаются в подшипниковых узлах 19, 20 и 21, болтовые соединения 22 и 23 служат соответственно для стяжки передней 24 крышки, цилиндров 2 и 3 и задней крышки 25, а также для крепления колпака 26.
В крышках 24 и 25 расположены соответственно соединенные между собой коммуникациями (условно не показаны) всасывающие окна 27 и 28, соединенные с линией всасывания (условно не показана), а также нагнетательные клапаны 29 и 30 (см. также фиг.2 и 3), соединенные с линией нагнетания (условно не показана). Контуры всасывающих окон и нагнетательных клапанов показаны штриховыми линиями.
На одной из торцовых стенок дополнительного цилиндра 3, например на торце задней крышки 25 (фиг.3), изготовлены две сбрасывающие канавки 32 и 33, выполненные в виде углублений в этих стенках, и перекрывающие соответственно всасывающее окно 28 и нагнетательный клапан 30.
Направление вращения роторов 10 и 11 показано сплошными жирными стрелками. Направление вращения валов 4, 5 и 6 - фигурными стрелками.
На фиг.2 и 3 угол α - угол между положениями выступов 11 и 12 до и после их зацепления с выемкой вспомогательного ротора, угол β - угол между положениями выступа 13, в которых он сначала отсекает канавку 32 от остального объема цилиндра 3, а потом соединяет канавку 33 со всем объемом цилиндра 3.
Роторный насособъемного действия работает следующим образом.
При вращении основного вала 3 (фиг.1) вместе с основным ротором 10 и выступом 12 вращается и вспомогательный вал 5 со вспомогательным ротором 17 и впадиной 18 (вращение передается через коническое зубчатое зацепление 8-9). Зубчатое колесо 9 через зубчатое колесо 10 вращает дополнительный вал 6 с дополнительным ротором 11 и выступом 13. Таким образом, роторы 10 и 11 вращаются синхронно в противоположных направлениях в своих цилиндрах соответственно 2 и 3. При этом постоянно сохраняется их однозначное положение относительно вспомогательного ротора 17 со впадиной 18 таким образом, что выступ 12, как и выступ 13, создают зацепление со впадиной 18, которое, в частности, может быть и бесконтактным. То есть впадина 18 служит исключительно для того, чтобы «пропустить» выступы 12 и 13 при взаимном вращении роторов 10 и 11 с ротором 17.
При выходе выступа 12 из зацепления с впадиной 18 (фиг.2) он сначала перекрывает всасывающее окно 27, отсекая полость цилиндра 2 от линии всасывания, а затем сжимает рабочую жидкость и вытесняет ее через нагнетательный клапан 29 в линию нагнетания до тех пор, пока выступ 12 не перекроет полностью нагнетательный клапан. Этот процесс происходит за (360-α) градусов. В течение этого процесса рабочая жидкость вслед за выступом 12 поступает из всасывающего окна 27 в полость цилиндра 2. Как только выступ 2 входит во впадину 18, вся полость цилиндра 2 соединяется со всасывающим окном 27 и в ней устанавливается давление всасывания, а нагнетательный клапан полностью закрывается. Это процесс длится в течение поворота основного ротора 10 на α градусов. Затем процесс повторяется.
Таким образом, работа основного ротора 10 обеспечивает непрерывную и постоянную (постоянная величина расхода) подачу рабочей жидкости на протяжении (360-α) градусов поворота основного вала 4 (фиг.5). В течение поворота ротора 10 на α градусов подача рабочей жидкости полностью отсутствует.
Дополнительный ротор 11 с выступом 13 работает в противофазе (фиг.3 и 4) основному ротору 10. В то время, пока основной ротор 12 производит сжатие-нагнетание рабочего тела с постоянным расходом, находясь по углу поворота в промежутке (360-α), дополнительный ротор 11 находится по углу поворота в промежутке (360-β), когда со стороны его торца всегда есть канавка 33 или 34, или в радиальном направлении - впадина 18, которые позволяют рабочему телу свободно протекать мимо выступа 13, в результате чего в этом промежутке в цилиндре 3 постоянно находится рабочая жидкость под давлением всасывания, т.к. полость цилиндра постоянно сообщена со всасывающим окном. В идеальном случае угол β равен углу α и расположен строго симметрично этому углу (фиг.3). Как только выступ 12 основного ротора 10 начинает входить в зацепление с впадиной 18, т.е. когда подача рабочей жидкости ротором 10 прекращается, выступ 13 дополнительного ротора 11 уходит из зоны действия канавки 32, отсекая полость цилиндра 3 от всасывающего окна 28. При этом полость цилиндра 3, находящаяся перед выступом 13 (по ходу вращения ротора 11), оказывается геометрически замкнутой и с переменным объемом, т.к. выступ 13 при вращении ротора 11 уменьшает объем этой полости. В этом случае происходит сжатие рабочей жидкости, «отсеченной» от всасывающего окна 28, и нагнетание ее в линию нагнетания через клапан 30. В это же время происходит всасывание рабочей жидкости из окна 28 в увеличивающуюся за выступом 13 часть полости цилиндра 3. Этот процесс длится до тех пор, пока выступ 13 не войдет в зону действия канавки 33, в результате чего рабочее тело получает возможность обтекать выступ 13, полость цилиндра 3, находящаяся перед выступом 13, соединяется со всасывающим окном 28 и полостью цилиндра 3, находящуюся позади выступа 13, давление в полости цилиндра 3 падает до давления всасывания, и нагнетательный клапан 30 закрывается. Подача жидкости из полости цилиндра 3 в нагнетательную линию машины прекращается. График расхода жидкости через нагнетательный клапан цилиндра 3 показан на фиг.6.
Таким образом, в нагнетательную линию насоса в течение поворота основного вала 4 на угол (360-α) и далее на угол β=α (то есть в течение всех 360 градусов поворота) поступает одинаковый и постоянный расход рабочей жидкости (суммарный график показан на фиг.7).
Предложенная конструкция роторного насоса объемного действия позволяет подавать рабочую жидкость с постоянным расходом, что особенно важно для систем питания гидроприводов различного назначения. Этим свойством в полной мере не обладает ни одна из известных конструкций насосов объемного действия. Конструкция чрезвычайно проста и может быть легко реализована в условиях обычного промышленного предприятия как в единичном, серийном, так и в массовом производстве.
Благодаря высокой простоте и отсутствию активного трения рабочих поверхностей (роторы, стенки цилиндров, выступы) при изготовлении таких насосов могут быть использованы различные недорогие материалы, в том числе пластмассы, что существенно снижает себестоимость и вес конструкции. Это дает возможность применять такие насосы в бытовых условиях, в том числе для перекачки водных растворов без опасности появления коррозии.