Роторная гидромашина
ROTARY HYDRAULIC MACHINE

Изобретение относится к гидромашинам объемного вытеснения с вращающимися рабочими органами. Оно может использоваться в насосах и двигателях.
Известна роторная гидромашина планетарного типа RU 2137943, содержащая два центральных колеса, одно из которых имеет внешние зубья и является подвижным, а другое - внутренние зубья и является неподвижным. Центральные колеса выполнены волнообразными, радиусы их центроид изменяются по закону, близкому к гармоническому. Центроида колеса с внешними зубьями имеет М=2 волны, а центроида колеса с внутренними зубьями - N=4 волны (соотношение чисел волн 2×4). С центральными колесами взаимодействуют плавающие сателлиты. Количество V плавающих сателлитов равно сумме чисел волн колес с внешними и внутренними зубьями, V=M+N=6. Каналы подвода и отвода рабочей среды выполнены в торцовых крышках, связанных с неподвижным центральным колесом. Количество каналов подвода равно количеству каналов отвода и равно числу волн N неподвижного центрального колеса. На входе и выходе каналы соединены параллельно.
Недостатком данной конструкции является непостоянство мгновенного расхода рабочей среды. Расход среды, проходящей через один конкретный канал, изменяется по синусоидальному закону на участке синусоиды от 0° до 180°. В гидромашине RU 2137943 пара каналов повернута относительно другой пары на 90°. При параллельном соединении всех каналов отвода, итоговый расход изменяется по закону синусоиды на участке от 45° до 135°. Это обуславливает колебание мгновенного расхода среды в пределах ±17%.
Роторная гидромашина RU 2149281 отличается от предыдущей тем, что в ней остановлено центральное колесо с внешними зубьями, имеющее две волны (М=2), и, соответственно, по одной паре каналов подвода и отвода рабочей среды. Пик расхода среды в двух одноименных каналах совпадает по времени, поэтому колебание мгновенного расхода среды составляет ±50%. Кроме того, выполнение каналов в элементах звена, связанных с центральным колесом, имеющем внешние зубья, приводит к усложнению общей конструкции гидромашины.
Известны US 6230823 подобные роторные гидромашины с другими соотношениями четных чисел волн: 4×6 и 6×8. В них, благодаря меньшему угловому расстоянию между соседними каналами, при выполнении каналов в торцовых крышках, связанных с центральным колесом, имеющим внутренние зубья, колебания расхода среды сократились до ±7% и ±4%. При выполнении каналов в звене, имеющем внешние зубья, колебания расхода среды составляют ±17% и ±7%, соответственно. Однако из-за большего числа сателлитов (10 и 14) в схемах 4×6 и 6×8 снижается механический КПД гидромашины. Другим недостатком таких гидромашин является потеря части полезного объема рабочих полостей, занимаемого большим количеством сателлитов.
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, фигура 9) 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 гидромашин, она содержит две одинаковых секции, соединенные последовательно. Пульсация подачи рабочей среды в каждой отдельной секции составляет ±50%, но за счет последовательного соединения секций она снижается до ±17%. Недостатки: отсутствие симметрии приложения сил и пульсация подачи рабочей среды.
Наиболее близкой по технической сущности предлагаемой конструкции является роторная гидромашина планетарного типа (RU 144306, фигуры 5, 6), 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. Центральные колеса выполнены волнообразными, радиусы их центроид изменяются по закону, близкому к гармоническому. Оба центральных колеса имеют одинаковое число зубьев и число волн М=N=2 (2×2). С центральными колесами взаимодействуют плавающие сателлиты, количество V которых равно сумме чисел волн колес с внешними и внутренними зубьями, V=2+2=4. 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°. Каналы подвода и отвода рабочей среды выполнены в торцовых стенках секций, связанных с неподвижным центральным колесом. Секции отделены друг от друга плоской перегородкой. В торцовой крышке первой секции выполнены два канала подвода рабочей среды, в торцовой крышке 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 90°, причем размер всех каналов в окружном направлении превышает внешний диаметр сателлитов.
В каждой отдельной секции пульсация подачи рабочей среды составляет ±50%. За счет последовательного соединения каналов секций она снижается до ±17%, но этого недостаточно. Недостатком данной гидромашины является непостоянство мгновенного расхода рабочей среды.
Техническая проблема, решаемая в изобретении, состоит в снижении колебаний мгновенного расхода рабочей среды роторной гидромашины планетарного типа.
Техническим результатом изобретения является обеспечение теоретически постоянного мгновенного расхода рабочей среды.
max
min
max
min
R
max
min
Предлагаемая роторная гидромашина планетарного типа состоит из последовательно соединенных секций, каждая из которых содержит центральное колесо с внешними зубьями, центроида которого имеет М волн, неподвижное центральное колесо с внутренними зубьями, число N волн центроиды которого больше или равно М (N≥M), а также взаимодействующие с центральными колесами плавающие сателлиты, неподвижные торцовые стенки и систему каналов подвода и отвода рабочей среды. При этом каналы отвода рабочей среды предыдущей секции соединены с каналами подвода последующей секции, а центральные колеса с внешними зубьями всех секций закреплены на общем валу. Отличия от прототипа состоят в том, что центроиды центральных колес содержат соответственно М и N участков, являющихся окружностями максимального радиуса (R), имеющими общий центр, лежащий на центральной оси гидромашины, столько же участков, являющихся концентричными им окружностями минимального радиуса (R), и расположенные между этими окружностями участки центроид, обеспечивающие плавный переход от R к R, угловая протяженность Δ каждого участка центроиды с максимальным радиусом R равна угловой протяженности участка центроиды с минимальным радиусом R и составляет:
где n - число последовательно соединенных секций;
G - число волн центроиды соответствующего центрального колеса (М или N), при этом каналы подвода и отвода рабочей среды открыты в периоды прохождения сателлитами переходных участков.
Технический результат - постоянство мгновенного расхода рабочей среды достигается за счет того, что в период прохождения центров двух соседних сателлитов, ограничивающих рабочую полость, по траекториям постоянного радиуса, объем данной рабочей полости изменяется по строго линейному закону. В следующий период, когда сателлиты катятся по переходным участкам центроид центральных колес, для этой рабочей полости одновременно открыты каналы подвода и отвода рабочей среды и она перепускает среду через себя. Однако в этот период рабочие полости другой секции гидромашины находятся в активной фазе и обеспечивают подачу рабочей среды с постоянной производительностью.
R
max
min
Теоретически постоянный мгновенный расход рабочей среды обеспечивается, когда угловая протяженность Δ каждого участка центроиды с максимальным радиусом R равна угловой протяженности участка центроиды с минимальным радиусом R и составляет
где n - число последовательно соединенных секций; G - число волн центроиды соответствующего центрального колеса (М или N). В реальных гидромашинах можно допустить незначительные (до 1%) колебания мгновенного расхода, поэтому
Максимальный эффект предложенная совокупность признаков дает в роторной гидромашине планетарного типа, состоящей из двух последовательно соединенных секций (n=2), с одинаковым числом волн центральных колес с внешними и внутренними зубьями равным двум (N=M=2 т.е. 2×2), в которой каналы подвода и отвода рабочей среды выполнены в цилиндрической зубчатой поверхности неподвижного центрального колеса с внутренними зубьями. Число секций n=2 - при этом нет усложнения конструкции и дополнительных утечек среды, связанных с наличием большего количества секций. Признак - одинаковые числа волн (N=M) дает достаточно широкие каналы и малые размеры сателлитов, что в совокупности обеспечивает беспрепятственное прохождение рабочей среды. Число волн 2×2, в отличие от схемы 1×1, обеспечивает симметрию приложения сил, а в отличие от схемы 3×3 - более плавные волны. Последнее способствует беспрепятственному прохождению сателлитами переходных участков. Выполнение каналов в цилиндрической зубчатой поверхности неподвижного центрального колеса с внутренними зубьями позволяет убрать каналы с торцовых стенок гидромашины и, тем самым, обеспечить более благоприятные условия работы кинематической пары торцовая стенка - сателлит.
Примеры реализации изобретения иллюстрируются чертежами.
На фигуре 1 изображена двухсекционная роторная гидромашина 2×2 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 -развертка по Г-Г. На фигуре 5 увеличено показаны волнообразные венцы центральных колес.
На фигуре 6 изображена трехсекционная роторная гидромашина 2×4 в осевом разрезе. На фигуре 7 показаны волнообразные венцы ее центральных колес.
1
2
Роторная гидромашина 2×2, показанная на фигурах 1-5, 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=N=2. Гидромашина также содержит плавающие сателлиты 3 и неподвижные плоские торцовые стенки 4, 5, 6, стянутые между собой при помощи болтов 11 и гаек 12. В торцовой стенке 4 выполнены два канала 7 подвода рабочей среды. В торцовой стенке 6 выполнены два канала 9 отвода рабочей среды. В торцовой стенке 5 выполнены два канала 8, перепускающих рабочую среду из секции I в секцию II, смещенные относительно каналов подвода и отвода среды на угол 90°. Каналы подвода и отвода рабочей среды имеют выход на цилиндрическую зубчатую поверхность неподвижного волнообразного центрального колеса 2 с внутренними зубьями.
max
min
max
min
R
max
min
R
R
П
max
min
П2
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°/N=90°. При этом сателлиты 3, принадлежащие разным секциям, располагаются в шахматном порядке. Центроиды волнообразных центральных колес 1 и 2 содержат по два (M=N=2) участка, являющихся окружностями максимального радиуса (R), имеющими общий центр, лежащий на центральной оси гидромашины, столько же участков, являющихся концентричными им окружностями минимального радиуса (R), и расположенные между ними участки, обеспечивающие плавный переход от R к R. Угловая протяженность Δ каждого участка центроиды с максимальным радиусом R равна угловой протяженности участка центроиды с минимальным радиусом R и составляет Δ=180°/(G-n). Число последовательно соединенных секций n=2, число волн центрального колеса, G=M=N=2, поэтому Δ=180°/(2-2)=45°. Угловая протяженность δ каждого переходного участка тоже 45°. Разность как максимальных R так и минимальных R радиусов центроид центральных колес с внутренними и внешними зубьями равна сумме соответствующих начальных радиусов сателлита. Каналы подвода и отвода рабочей среды открыты в периоды прохождения сателлитами переходных участков. Угловая протяженность δ каждого канала подвода и отвода соответствует угловой протяженности δ переходного участка венца центрального колеса с внутренними зубьями и составляет δ=45°.
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 с внутренними зубьями. В результате движения звеньев объемы рабочих полостей, заключенных между торцовыми стенками и поверхностями всех зубчатых колес, циклически изменяются. 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. Форма центроид волнообразных центральных колес 1 и 2 обеспечивает подачу рабочей среды в активной фазе с постоянной производительностью. Поскольку активные фазы I и II секций чередуются без паузы, гидромашина в целом работает с постоянной мгновенной производительностью Q:
1
где ω - угловая скорость центрального колеса 1.
За счет формы центроид постоянная производительность может быть обеспечена не только в рассмотренной выше двухсекционной схеме 2×2.
R2
2max
2min
R2
П2
П2
R1
1max
1min
R1
П1
П1
На фигурах 6-7 показана трехсекционная (n=3) гидромашина 2×4 (М=2, N=4). В гидромашинах, имеющих центральные колеса с различным числом волн (M<N), каналы 7 должны быть прорезаны не в цилиндрической зубчатой поверхности неподвижного волнообразного центрального колеса 2 с внутренними зубьями, а в торцовых стенках 4. Неподвижные центральные колеса 2, принадлежащие разным секциям, развернуты друг относительно друга на углы 180°/N=45°. Подвижные центральные колеса 1 закреплены на общем валу 10 без углового смещения. На неподвижном центральном колесе 2 угловая протяженность Δ каждого из 4-х участков центроиды с максимальным радиусом R равна угловой протяженности участков центроиды с минимальным радиусом R и составляет Δ=180°/(N⋅n)=180°/(4⋅3)=15°. Соответственно, угловая протяженность δкаждого из 8-и переходных участков составит δ=30°. При этом угловая протяженность каналов δ составляет также 30°. На подвижном центральном колесе 1 угловая протяженность Δ каждого из 2-х участков центроиды с максимальным радиусом R равна угловой протяженности участков центроиды с минимальным радиусом R и составляет Δ=180°/(М⋅n)=180°/(2⋅3)=30°. Соответственно, угловая протяженность δ каждого из 4-х переходных участков составит δ=60°. Работа такой гидромашины происходит аналогичным образом.