ВАКУУМНАСОС-КОМПРЕССОР
VACUUM PUMP-COMPRESSOR

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для вакуумирования, нагнетания и перекачивания жидкости и газа с одновременным учетом расхода рабочей среды.
Наиболее известны поршневые вакуумные насосы и компрессоры, содержащие корпус, поршневую группу, кривошипно-шатунный механизм, систему клапанов, а также приводящий двигатель, соединенный с насосом или компрессором, как правило, через понижающий редуктор.
Общими недостатками поршневых насосов и компрессоров являются: конструктивная сложность и громоздкость, малый моторесурс и ограниченная, например, по сравнению с центробежными насосами производительность.
Хорошо известны также центробежные, роторные, шестеренчатые, винтовые, диафрагменные, вибрационные, осевые, перистальтические и др. насосы, вентиляторы и компрессоры.
Общими их недостатками являются полное или частичное отсутствие свойств самовсасывания и недостаточное давление нагнетания, а также низкий КПД. В специальных случаях они требуют дополнительных конструктивных усложнений, например многоступенчатости центробежных насосов для повышения давления нагнетания и оснащения, в общем случае, контрольно-измерительными приборами для коммерческого учета расхода перекачиваемой среды.
В качестве прототипа изобретения может быть принят вакуумнасос-компрессор, содержащий корпус, эксцентрично расположенный рабочий орган, выполненный в виде поршня, приводной вал и планетарную зубчатую передачу (см. US 3458120 А, 29.07.1969 г., F04C 18/22).
Прототипу частично свойственны вышеперечисленные недостатки поршневых насосов и ненадежность зубчатой передачи из-за чрезмерных нагрузок, действующих на нее.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение: снижение динамических нагрузок, увеличение надежности и ресурса; расширение функциональных характеристик и возможностей конструкции; повышение эффективности работы и КПД за счет двухстороннего действия поршней и дополнительно за счет центробежного эффекта.
Результат достигается тем, что в рабочей камере с подводящим и отводящим патрубками заподлицо с внутренними боковыми стенками рабочей камеры установлены соосно оси приводного вала и эксцентрично по отношению к камере два диска, между дисками эксцентрично и равноудаленно от оси приводного вала посредством валов установлены n прямоугольных в продольном сечении поршней с дугообразными сторонами таким образом, что угол между плоскостями продольного сечения поршней составляет 180:n градусов, а также между дисками установлены перемычки с цилиндрическими нишами для движения поршней и выступами с внешней цилиндрической поверхностью, радиус которой равен радиусу корпуса в нижней его части, при этом вал каждого поршня на противоположной стороне одного из дисков имеет жестко сидящую на нем шестерню, связанную посредством планетарной передачи с передаточным отношением 2:1 через шестерню-сателлит с неподвижной относительно корпуса шестерней, расположенной соосно с приводным валом, через которую может проходить валик счетного механизма, а другой из дисков с противоположной от перемычки стороны связан с приводным валом с герметичным вводом вращения.
Сущность изобретения заключается в том, что при таком исполнении поршни, герметично делящие камеру корпуса на переменные объемы пониженного и повышенного давления, вращаются в сторону, противоположную вращению приводного вала, в два раза медленнее, чем весь ротор вместе с приводным валом, обеспечивая бесклапанное отсечение и перепровождение определенной дозы перекачиваемой среды с созданием значительных разряжения на входе (всасывании) и нагнетания на выходе вакуумнасоса-компрессора. При этом его производительность за каждый оборот приводного вала будет кратна количеству поршней n.
Повышение эффективности предлагаемого устройства достигается за счет двухстороннего действия поршней и дополнительно за счет центробежного эффекта. Снижение динамических нагрузок и повышение надежности достигается за счет симметричности расположения поршней и отсутствия клапанов, работа которых приводила бы к гидроударам. Расширение функциональных возможностей достигается за счет возможности использования устройства в качестве вакуум-насоса и компрессора, а также возможности учета расхода перекачиваемой среды, так как количество перекачиваемых доз пропорционально количеству поршней и оборотам вала или встраиваемого валика счетного механизма.
Проведенный патентный поиск показал отсутствие вакуумнасосов-компрессоров с предлагаемой совокупностью признаков.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на примере трехпоршневого варианта исполнения показаны его поперечный (фиг.1) и продольный (фиг.2) оси вращения ротора разрезы.
Вакуумнасос-компрессор содержит неподвижный однокамерный корпус 1 с подводящим и отводящим патрубками 2 и рабочий орган в виде двух дисков 3 и 4, установленных соосно приводному валу 8 и жестко связанных между собой перемычкой 5, например, с помощью винтов 16, имеющей внутренние полости для вращения поршней, а также внешние цилиндрические поверхности выступов (выступающих секторов), радиус которых равен радиусу корпуса (вставки корпуса 15) в нижней области корпуса. Рабочая камера образована корпусом 1, торцевыми крышками 6 и 7 и патрубками 2, а ее поперечное сечение близко к окружности. Диски 3 и 4 утоплены заподлицо с внутренними боковыми стенками рабочей камеры устройства (в данном случае заподлицо с внутренними стенками торцевых крышек 6 и 7) и установлены эксцентрично относительно камеры за счет смещения OO2 центров O2 корпуса и центра О дисков. Один из дисков 3 с противоположной от перемычки 5 стороны имеет приводной вал 8. Приводной вал 8 подвижно закреплен в корпусе 1 с крышками 6 и 7, например, посредством опорно-упорных подшипников 17 и снабжен герметичным вводом вращения, например сальником, манжетой в виде вантуза или магнитопорошковой жидкости (на рисунках не показаны).
Между дисками 3 и 4 эксцентрично и равноудаленно от оси О вращения приводного вала 8 подвижно закреплены своими валами O1, например, на подшипниках 18 три поршня 9 двухстороннего действия с дугообразными сторонами таким образом, что угол между плоскостями продольного прямоугольного сечения соседних поршней составляет 60 градусов. В общем случае наличия n поршней угол между плоскостями продольного сечения соседних поршней составляет 180:n градусов, при этом первоначально установленный угол между плоскостями прямоугольного продольного сечения поршней 9 в дальнейшем при работе устройства не меняется. Поршни 9 могут быть установлены на валах O1, например, посредством шпонок для исключения проворота поршней относительно валов O1.
Поршни 9 могут иметь манжеты или (и) компрессионные пластины 10 по периметру газового или гидравлического стыка, уплотняющие минимальные технологические зазоры. Возможно также полное покрытие поршней 9 эластичным материалом, например резиной или фторопластом.
Вал O1 каждого поршня 9 с обратной от перемычки 5 стороны диска 4 снабжен жестко сидящей на нем шестерней 11, связанной посредством шестерни-сателлита 12, закрепленной подвижно на диске 4, с неподвижной относительно корпуса 1 шестерней 13, соосной с приводным валом 8. При этом шестерни 11 в два раза больше, чем шестерня 13, то есть передаточное отношение такой планетарной передачи равно 2:1.
Через закрепленную неподвижно на торцевой крышке 7 корпуса 1 шестерню 13 может проходить валик 14 привода счетного механизма, соосного с приводным валом 8 и вращающимся синхронно с валом 8. Возможен также привод счетного механизма от приводного вала 8.
Внутренняя поверхность корпуса 1 (рабочей камеры) в поперечном разрезе в общем случае должна соответствовать траектории движения крайних кромок поршней 9, то есть эпитрохоиде. Но поскольку в верхней своей четверти (см. фиг.1) эта траектория имеет кривизну, близкую к окружности, а остальные ее части приходятся на патрубки 2 и нижнюю цилиндрическую поверхность, перекрываемую при движении в области нижней части камеры внешними поверхностями секторов перемычки 5, то по технологическим причинам для числа поршней два и более целесообразна замена сложной конфигурации камеры корпуса 1 на цилиндрическую с максимальным приближением ее верхней части к эпитрохоиде за счет параллельного смещения оси O2 корпуса 1 вверх от оси О вращения приводного вала на величину OO2. При этом в нижней части корпуса 1 предусмотрена либо выточка, либо вставка 15 с внутренним радиусом, соответствующим радиусу внешних цилиндрических поверхностей выступов (секторов) перемычки 5, а не дисков 3 и 4, поскольку плоские торцевые стороны поршней 9 в работе не должны выходить за границы внутренних стенок торцевых крышек 6 и 7 корпуса 1.
При вращении приводного вала 8 вместе с дисками 3 и 4, вместе с валами O1, подвижно закрепленными на дисках 3 и 4, и шестернями 11 и 12 последние обкатывают неподвижное колесо 13, передавая свое вращение зубчатым колесам 11 и, следовательно, поршням 9.
Валы O1 поршней 9 благодаря планетарной передаче с передаточным отношением 2:1 за один оборот приводного вала 8 поворачиваются только на половину своего оборота в сторону, противоположную вращению приводного вала 8. Такая взаимосвязь углового положения приводного вала 8 и других подвижных частей обеспечивает поворот поршней 9 в сторону, противоположную вращению приводного вала 8, в два раза медленнее, чем вращается весь ротор.
Таким образом, при работе устройства поршни 9 герметично делят камеру корпуса 1 на взаимно изменяемые объемы пониженного и повышенного давления, обеспечивая бесклапанное отсечение и перепровождение дозы перекачиваемой среды с созданием значительного разряжения на входе (всасывании) и давления нагнетания на выходе предлагаемого ротационного вакуумнасоса или компрессора.
Остановка приводного вала 8 запирает перекачиваемую среду в системе, а изменение направления его вращения (реверс) меняет местами всасывание и нагнетание (вход и выход) и, следовательно, направление движения перекачиваемой среды.
Поскольку между числом оборотов приводного вала 8 и расходом перекачиваемой среды существует прямая связь, поршни 9 попутно можно считать измерительным преобразователем и соединение валика 14 или приводного вала 8 со счетным устройством любой известной конструкции дает очень точное и надежное измерение расхода перекачиваемой среды в весовом или объемном выражении.