Роторная гидромашина
ROTARY HYDRAULIC UNIT

Изобретение относится к гидромашинам объемного вытеснения с вращающимися рабочими органами. Оно может использоваться в насосах и двигателях различного назначения.
Известна роторная гидромашина планетарного типа RU 2137943, содержащая два волнообразных центральных колеса, одно из которых имеет внешние, а другое внутренние зубья, сопряженные с ними плавающие сателлиты и торцовые стенки с каналами подвода и отвода рабочей среды. Центроида колеса с внешними зубьями имеет М=2 волны, а центроида колеса с внутренними зубьями - N=4 волны (соотношение чисел волн 2×4). При этом количество V плавающих сателлитов равно сумме чисел волн колес с внешними и внутренними зубьями, V=M+N=6. Количество каналов отвода рабочей среды равно количеству каналов подвода и равно числу волн того колеса, с которым жестко связаны торцовые крышки, содержащие каналы. В гидромашине RU 2137943 каналы выполнены в торцовых стенках, соединенных с неподвижным колесом, имеющим внутренние зубья. Каналы отвода среды (также как и ее подвода) соединены между собой параллельно.
Недостаток конструкции состоит в том, что торцовые стенки гидромашины ослаблены каналами, уменьшена их рабочая поверхность. Другим недостатком конструкции являются значительные осевые силы, действующие на сателлит из перекрытого им канала и прижимающие его к противоположной стенке. Оба указанных обстоятельства вызывают опасность заедания и усиливают износ торцовых поверхностей.
Известны подобные роторные гидромашины US 6230823, но с другими соотношениями четных чисел волн 4×6, 6×8. Недостатки те же. Кроме того, из-за большего числа сателлитов несколько ниже механический КПД гидромашины.
В одном из вариантов конструкции гидромашины, известной по тому же патенту US 6230823, каналы выполнены в цилиндрической зубчатой поверхности колеса с внешними зубьями. Это решение не обеспечивает достаточно большой площади сечения каналов и приводит к усложнению конструкции, связанному с подводом рабочей среды к вращающемуся валу.
Роторные гидромашины, известные по патентам SU 861734, DE 288340, SU 484710, SU 1403993, WO 0166948, характеризуются некратными друг другу числами волн М и N: 1×2, 1×3, 2×3, 3×4. Помимо указанных выше недостатков, все они отличаются отсутствием симметрии приложения сил, что обуславливает наличие нагруженных опор вала ротора и существенно снижает максимально достижимое давление рабочей среды.
Известна RU 2513057 роторная гидромашина планетарного типа с числами волн M=N=1 (1×1). Число волн - одна волна - это значит, что центральные колеса круглые, но установлены на своих осях с эксцентриситетом. В этой гидромашине каналы, подобно предыдущим конструкциям, расположены в торцовых стенках, но в отличие от других, она содержит две одинаковых секции, соединенных последовательно, а размер каналов в окружном направлении превышает внешний диаметр сателлитов. Это позволяет существенно расширить сечения каналов. Недостатки, связанные с отсутствием симметрии приложения сил и ослаблением торцовых стенок сохраняются.
Наиболее близкой по технической сущности предлагаемой конструкции (ее прототипом) является роторная гидромашина планетарного типа (RU 144306), которая состоит из двух последовательно соединенных секций. Каждая секция содержит два некруглых центральных колеса, одно из которых (подвижное) имеет внешние зубья, а другое (неподвижное) - внутренние, взаимодействующие с центральными колесами плавающие сателлиты, а также торцовые стенки и систему каналов подвода и отвода рабочей среды. Оба центральных колеса имеют одинаковое число зубьев. Число волн центроиды центрального колеса с внешними зубьями и число волн центроиды центрального колеса с внутренними зубьями тоже одинаковы и равны двум. Секции отделены друг от друга плоской перегородкой. Подвижные центральные колеса первой и второй секций закреплены на общем центральном валу без относительного поворота, неподвижные центральные колеса с внутренними зубьями развернуты друг относительно друга на угол 90°. В торцовой стенке первой секции выполнены два канала подвода рабочей среды, в торцовой стенке второй секции выполнены два канала отвода рабочей среды. В плоской перегородке, разделяющей секции, выполнены два перепускных канала, смещенные относительно каналов подвода и отвода среды на угол 90°. Размер всех каналов в окружном направлении превышает внешний диаметр сателлитов.
Недостатки данной конструкции:
1) торцовые стенки гидромашины ослаблены каналами, уменьшена их рабочая поверхность, что вызывает износ и опасность заедания;
2) статическое давление и скоростной напор рабочей среды прижимают сателлиты к одной из стенок, что усугубляет первую опасность.
Техническая проблема изобретения состоит в увеличении долговечности и надежности роторной гидромашины планетарного типа.
Техническим результатом изобретения является предотвращение заедания, повышение износостойкости и снижение потерь на трение в кинематической паре, образуемой торцовой стенкой или торцевой крышкой с сателлитом.
Предлагаемая роторная гидромашина планетарного типа состоит из двух последовательно соединенных секций, каждая из которых содержит подвижное волнообразное центральное колесо с внешними зубьями, неподвижное волнообразное центральное колесо с внутренними зубьями, с такими же числом зубьев и числом М волн как подвижное. Гидромашина также содержит плавающие сателлиты, плоские торцовые крышки и систему каналов подвода и отвода рабочей среды. Каналы отвода рабочей среды предыдущей секции соединены с каналами подвода последующей секции. Подвижные волнообразные центральные колеса обеих секций закреплены на общем центральном валу без относительного поворота, а неподвижные центральные колеса секций развернуты друг относительно друга на угол 180°/М. Отличие от прототипа состоит в том, что каналы подвода и отвода рабочей среды выходят на цилиндрическую зубчатую поверхность неподвижного волнообразного центрального колеса с внутренними зубьями, а угловая протяженность δ каждого канала подвода и отвода рабочей среды составляет δ=(90°±5°)/М, где М - число волн каждого из волнообразных центральных колес. При этом, волнообразные центральные колеса с внутренними зубьями выполнены состоящими из дисков, стянутых между собой торцовыми крышками, а каналы подвода и отвода рабочей среды образованы выполненными в дисках осевыми отверстиями, соосными осевым отверстиям в торцовых крышках, и пересекающими осевые отверстия радиальными пазами, выходящими на цилиндрическую зубчатую поверхность колеса с внутренними зубьями.
В предлагаемой конструкции гидромашины торцовые крышки не ослаблены каналами, их рабочая поверхность не уменьшена. Статическое давление и скоростной напор рабочей среды не прижимают сателлиты к одной из торцовых крышек. В результате снижается износ и опасность заедания деталей гидромашины.
Заметим, что указанный технический результат может быть получен именно в гидромашине, которая состоит из двух последовательно соединенных секций. Последовательное соединение секций, по сравнению с односекционной гидромашинной, позволяет многократно увеличить площадь сечения каналов подвода и отвода рабочей среды, что дает возможность использовать гидромашину на достаточно вязких средах (жидкостях). При этом двух секций достаточно. Третья секция лишь усложнит конструкцию, увеличит ее габариты, увеличит протечки рабочей среды.
Необходимым условием достижения технического результата является также одинаковое число волн подвижного (М) центрального колеса с внешними зубьями и неподвижного (N) центрального колеса с внутренними зубьями. Это связано с двумя обстоятельствами.
Во-первых, размеры канала зависят от соотношения чисел волн. В общем случае угловая протяженность δ канала, выполненного в элементах неподвижного звена, связанных с центральным колесом, имеющим внутренние зубья, составляет
где n - число секций: (1 или 2);
М - число волн подвижного центрального колеса с внешними зубьями;
N - число волн неподвижного центрального колеса с внутренними зубьями.
При n=2, М=2, N=4 получаем δ=0; при n=2, М=4, N=6 получаем δ=6°; при n=2, M=N=2 получаем δ=90°/М=45°, т.е. значительно большую протяженность каналов.
Во-вторых, при M=N сателлиты имеют минимальный диаметр и в меньшей степени перегораживают каналы, выполненные в цилиндрической зубчатой поверхности.
В итоге эффект от переноса каналов на цилиндрическую зубчатую поверхность неподвижного центрального колеса с внутренними зубьями, имеет место только в случае M=N.
С учетом существующих в настоящее время способов изготовления некруглых зубчатых колес, рациональной является конструкция гидромашины, содержащая волнообразные центральные колеса с внутренними зубьями, выполненные состоящими из дисков, которые имеют радиальные пазы, выходящие на цилиндрическую зубчатую поверхность. При этом диски стянуты между собой (например, при помощи силовых шпилек) торцовыми крышками, содержащими осевые отверстия каналов.
С технологической точки зрения предпочтителен вариант конструкции гидромашины, в которой одна часть дисков, содержит сквозные радиальные пазы, а другая часть дисков содержит только отверстия, соответствующие осевым отверстиям каналов в торцовых крышках.
Большей прочностью и меньшими радиальными габаритами характеризуется конструктивный вариант гидромашины, в котором все диски содержат радиальные пазы глубиной до половины толщины дисков и отверстия, соответствующие осевым отверстиям каналов в торцовых крышках.
Примеры реализации изобретения иллюстрируются чертежами.
На фигуре 1 двухсекционная роторная гидромашина 2×2 изображена в осевом разрезе. На фигурах 2 и 3 эта гидромашина показана в разрезе плоскостями Б-Б и В-В, перпендикулярными главной оси. На фигуре 4 показана развертка Г-Г, проходящая по центрам сателлитов. На фигурах 5 и 6 отдельно изображены диски, из которых составлено неподвижное центральное колесо с внутренними зубьями.
На фигуре 7 показана двухсекционная роторная гидромашина 3×3. На фигурах 8, 9 - ее разрезы по Е-Е и Ж-Ж. На фигуре 10 - развертка по Д-Д. На фигуре 11 отдельно показан диск, имеющий радиальные пазы глубиной до половины толщины. На фигуре 12 - его осевой разрез.
1
2
Роторная гидромашина 2×2, показанная на фигурах 1-6, состоит из двух последовательно соединенных секций I и II, каждая из которых содержит подвижное волнообразное центральное колесо 1 с внешними зубьями, неподвижное волнообразное центральное колесо 2 с внутренними зубьями. Оба центральных колеса 1 и 2 имеют одинаковые числа зубьев Z=Z=60 и одинаковые числа волн М=2. Гидромашина также содержит плавающие сателлиты 3, плоские торцовые крышки 4, 6, центральную торцевую стенку 5 и систему каналов подвода и отвода рабочей среды, включающую отверстия 7, 8, 9. Каналы отвода рабочей среды секции I соединены с каналами подвода секции II через отверстия 8 в центральной торцовой стенке 5. Подвижные волнообразные центральные колеса 1 обеих секций закреплены на общем шлицевом валу 10 без относительного поворота, а неподвижные центральные колеса 2 секций развернуты друг относительно друга на угол 180°/М=90°. При этом сателлиты 3, принадлежащие разным секциям, располагаются в шахматном порядке. Каналы подвода и отвода рабочей среды имеют выход на цилиндрическую зубчатую поверхность неподвижного волнообразного центрального колеса 2 с внутренними зубьями. Угловая протяженность δ каждого канала подвода и отвода рабочей среды составляет δ=90°/М=45°. Допуск на величину этого угла не строгий: ±2,5°. Волнообразные центральные колеса 2 с внутренними зубьями, выполнены состоящими из чередующихся дисков 11, которые имеют радиальные пазы, выходящие на цилиндрическую зубчатую поверхность, чередующихся с дисками 12, содержащими отверстия, соответствующие осевым отверстиям 7, 8, 9, выполненным в торцовых крышках 4, 6 и торцевой стенке 5. Диски 11, 12 имеют одинаковую толщину S. Все диски 11, 12 стянуты между собой при помощи болтов 13 и гаек 14 торцовыми крышками 4, 6.
1
2
Гидромашина работает следующим образом. При вращении центральных колес 1 с внешними зубьями, взаимодействующие с этими колесами плавающие сателлиты 3 обкатываются по внутренним зубчатым венцам неподвижных центральных колес 2. В связи с тем, что числа зубьев Z и Z центральных колес одинаковы, угловая скорость центрального колеса 1 вдвое больше переносной угловой скорости системы сателлитов (т.е. скорости мнимого водила). Одному обороту центрального колеса 1 соответствует один цикл изменения конфигурации системы сателлитов 3. В результате движения звеньев объемы рабочих полостей, заключенных между торцовыми крышками, торцевой стенкой и поверхностями всех зубчатых колес, циклически изменяются. При этом рабочая среда поступает в полости и вытесняется из них через радиальные пазы, выполненные в дисках 11, осевые отверстия в дисках 12 и осевые отверстия 7. 8, 9 в торцевых крышках 4, 6 и торцевой стенке 5. Секции I и II гидромашины работают последовательно. В рассматриваемом примере в секции I, изображенной на фигуре 2, две рабочие полости максимально расширены, а другие две - максимально сужены. При этом одновременно открыты каналы подвода и отвода рабочей среды. Эта секция находится в пассивной фазе - перепускает среду без изменения давления. Секция II, показанная на фигуре 3, находится в активной фазе. В две ее полости рабочая среда поступает через отверстия 8 в торцовой стенке 5. Из других двух полостей среда вытесняется через отверстия 9. В следующий момент времени секция I станет активной, а секция II - пассивной.
Гидромашина 3×3, показанная на фигурах 7-11, отличается от предыдущей количеством волн (М=3) центроид центральных колес 1 и 2, а также конструкцией дисков 15, из которых состоит центральное колесо 2 с внутренними зубьями. Диски 15 содержат в себе и радиальные пазы и осевые отверстия. Их несколько сложнее изготовить, чем отдельные диски 11 и 12 (фигуры 5, 6), но они обеспечивают большую прочность и жесткость состоящего из центральных колес 2 корпуса гидромашины, внутри которого действует высокое давление рабочей среды.
Оба рассмотренных варианта (2×2 и 3×3) роторной гидромашины работоспособны и в случае применения для изготовления зубчатых звеньев качественных сталей, способны выдерживать давление рабочей среды до 25 МПа. Вариант 1×1 тоже работоспособен, но в нем не обеспечена симметрия приложения сил и, поэтому, существенно ограничено максимальное давление рабочей среды. Дальнейшее увеличение числа волн центроид центральных колес (свыше М=3) нецелесообразно.
Представляется перспективным использование предлагаемой гидромашины в насосах для перекачки нефти и мазута, в насосах для воды (буровых и пожарных), в насосах и двигателях гидроприводов, в пневмодвигателях.