РОТОРНАЯ ГИДРОМАШИНА
ROTARY HYDRAULIC MACHINE

Изобретение относится к гидромашинам объемного вытеснения с вращающимися рабочими органами. Оно может найти применение в насосах, компрессорах и двигателях.
В настоящее время для нагнетания и напорного перемещения вязких жидкостей, обладающих смазывающими свойствами, широко применяют шестеренные насосы с внутренним или внешним зацеплением [Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. - М.: Машиностроение, 1974. - 606 с. (С.311)]. Эти насосы просты по конструкции, неприхотливы в эксплуатации, однако их серьезным недостатком является относительно малый полезный объем, который ограничен пространством между впадинами зубьев и корпусом. Подобные шестеренные насосы эффективны только при достаточно больших скоростях вращения ротора и только для жидкостей.
В вакуумной технике известны насосы пластинно-статорные [В.И.Кузнецов, Механические вакуумные насосы, Госэнергетическое издание, М., 1959, стр.61-63, а также патент RU 2155277, кл. F04C 2/00, кл. F04C 2/44, 11.02.1999], содержащие корпус с впускным и выпускным окнами, размещенный в нем вал с эксцентриком и пластину, установленную в направляющих корпуса, которая прижимается к ротору-эксцентрику усилием пружины. Эта пластина разделяет полости всасывания и нагнетания.
Известны вакуумные плунжерные насосы, например насос [SU 1564391, кл. F04C 2/00, 15.05.1990], содержащий корпус с цилиндрической рабочей полостью, снабженной впускным и выпускным окнами, ведущий вал с эксцентриком, установленный на эксцентрике плунжер с цилиндрической частью и хвостовиком, причем цилиндрическая часть плунжера расположена в корпусе с возможностью контакта с ним, а хвостовик связан с корпусом направляющим устройством, отделяющим всасывающую полость насоса от нагнетающей. Направляющее устройство состоит из двух вкладышей, выполненных в виде сегментов цилиндра.
Оба упомянутых насоса имеют достаточно большой полезный объем, однако герметичность рабочих полостей требует повышенной точности изготовления деталей, а неизбежный износ этих деталей приводит к потере необходимых характеристик насосов.
Существует роторный насос [патент Великобритании №1158638, кл. F1F, опубл. 1966]. Он содержит корпус, неподвижное эпициклическое колесо с внутренними зубьями, солнечное колесо с наружными зубьями и два плавающих сателлита, взаимодействующих с солнечным и эпициклическим колесами, а также торцовые крышки с каналами подвода и отвода рабочей среды. Солнечное колесо шарнирно закреплено на ведущем эксцентрике. В проекции на торцовую плоскость центры сателлитов в исходном положении механизма расположены на одной прямой с совпадающими в этом положении центрами эпициклического и солнечного колес.
Достоинствами этого насоса являются его большой полезный объем, а также устойчивость к износу. В кинематических парах, образуемых зубчатыми звеньями, при ограниченном износе сопрягаемых поверхностей нарушения герметичности не происходит, т.е. износ компенсируется зубчатыми зацеплениями.
Недостаток гидромашины, используемой в таком насосе, заключается в том, что в определенных положениях ведущего эксцентрика сателлит не может «самостоятельно» выйти из «мертвого» положения.
Наиболее близкой (прототип) предлагаемой является роторная гидромашина [патент СССР №699229, кл. F04 C1, опубл. 1979], содержащая статор в виде венца с внутренними зубьями, связанный через сателлиты с наружными зубьями ротора, установленного на вращающемся эксцентрике. Ротор изготовлен полым и на его внутренней поверхности выполнены зубья. Устройство дополнительно содержит шестерню с внешними зубьями, жестко связанную со статором, и паразитную шестерню, шарнирно закрепленную на эксцентрике, взаимодействующую с неподвижной шестерней и внутренними зубьями ротора.
Достоинство данной конструкции по сравнению с предыдущей состоит в том, что сателлит беспрепятственно проходит «мертвые» положения.
Недостатками этой гидромашины являются: технологическая сложность эксцентрика, большие потери на трение и неблагоприятные условия передачи движения, обусловленные наличием вращательных кинематических пар (между ротором и эксцентриком, осью эксцентрика и паразитной шестерней), которые по условиям компоновки устройства не могут быть снабжены подшипниками качения.
Для устранения указанных недостатков прототипа, а также для обеспечения беспрепятственного прохождения сателлитами «мертвых» положений предлагается следующая конструкция гидромашины.
Роторная гидромашина содержит корпус, эпициклическое колесо с внутренними зубьями, солнечное колесо с наружными зубьями, шарнирно закрепленное на корпусе, пару одинаковых плавающих сателлитов, взаимодействующих с эпициклическим и солнечным колесами, центры которых в исходном положении механизма расположены на одной прямой с совпадающими в этом положении центрами эпициклического и солнечного колес, а также неподвижные относительно корпуса торцовые крышки с плоскими рабочим поверхностями, в которых выполнены впускное и выпускное окна. Отличия состоят в том, что эпициклическое колесо взаимодействует с корпусом посредством поводка, лишающего эпициклическое колесо возможности вращения относительно корпуса, и контактирует с корпусом непосредственно, образуя с ним высшую кинематическую пару силового замыкания, для осуществления которого гидромашина снабжена нажимным устройством.
Предлагаемая конструкция обеспечивает правильное прохождение сателлитами «мертвых» точек. Вместе с тем, она технологичнее и надежнее прототипа, так как в ней отсутствуют наиболее «проблемные» элементы, расположенные внутри ротора.
Наиболее прост по конструкции вариант гидромашины, в котором упомянутую высшую кинематическую пару образуют внутренняя поверхность направляющего кольца, жестко связанного с эпициклическим колесом, и внешняя поверхность ролика, шарнирно закрепленного относительно корпуса. При этом необходимо, чтобы разность диаметров контактирующих поверхностей направляющего кольца и ролика равнялась максимальному эксцентриситету эпициклического и солнечного колес. В простейшем конструктивном варианте поводок, лишающий эпициклическое колесо возможности вращения относительно корпуса, выполнен в виде коромысла, связанного с корпусом и эпициклическим колесом вращательными парами, а нажимное устройство, обеспечивающее силовое замыкание высшей кинематической пары, выполнено в виде пружины, связанной с коромыслом.
В другом конструктивном исполнении гидромашины упомянутую ранее высшую кинематическую пару образуют цилиндрическое отверстие корпуса и внешняя цилиндрическая поверхность эпициклического колеса, причем разность диаметров этих поверхностей равна максимальному эксцентриситету эпициклического и солнечного колес.
Такая конструкция создает предпосылки для радикального повышения технических возможностей гидромашины за счет использования дополнительных рабочих полостей, заключенных между корпусом, эпициклическим колесом и поводком, снабженных собственным впускным и выпускным окнами.
Необходимая герметичность дополнительных рабочих полостей обеспечена в гидромашине, содержащей пару поводков, каждый из которых выполнен в виде плавающей шестерни, взаимодействующей со специальным внутренним зубчатым сектором, принадлежащим корпусу, и зубчатым выступом, жестко связанным с эпициклическим колесом. Нажимное устройство, обеспечивающее силовое замыкание контакта эпициклического колеса с корпусом, включает пружину сжатия и шток, опирающийся на зубчатый выступ.
Для повышения разности давлений, создаваемых гидромашиной, дополнительные рабочие полости соединены с основными последовательно, через перепускные каналы.
Для дополнительного повышения производительности или рабочего давления гидромашина состоит из двух или более гидромашин, имеющих общий корпус и солнечные колеса, закрепленные на общем валу, разделенных плоскими перегородками. При соединении нескольких гидромашин создается возможность для их более полного динамического уравновешивания.
В любом конструктивном варианте для уменьшения чувствительности машины к погрешностям изготовления и монтажа зубчатых колес сателлиты выполнены сборными. Они состоят из нескольких шестерен, одновременно взаимодействующих с эпициклическим и солнечным колесами.
Примеры реализации изобретения иллюстрируются чертежами.
На фигуре 1 показана наиболее простая конструкция роторной гидромашины, на фигуре 2 - ее осевой разрез, а на фигуре 3 - работа этой гидромашины.
На фигуре 4 изображена схема гидромашины с измененным положением направляющего кольца, на фигуре 5 - гидромашина, имеющая дополнительные рабочие полости.
На фигуре 6 показана гидромашина с «зубчатыми поводками», на фигуре 7 - ее осевой разрез, на фигуре 8 - ее разрез по «зубчатым поводкам».
На фигуре 9 изображена гидромашина, состоящая из нескольких гидромашин, соединенных последовательно.
Гидромашина, показанная на фиг.1, 2, содержит сборный корпус, центральную часть которого составляет разомкнутое кольцо 1. Эпициклическое колесо 2 с внутренними зубьями является подвижным. Солнечное колесо 3 с наружными зубьями насажено на вал 4, шарнирно закрепленный относительно корпуса, и удерживается от проворота шпонкой 5. Пара одинаковых плавающих сателлитов 6 взаимодействуют с эпициклическим и солнечным колесами. Сборка механизма выполнена таким образом, что центры сателлитов 6 (в проекции на торцовую плоскость) в исходном положении механизма расположены на одной прямой с совпадающими в этом положении центрами эпициклического 2 и солнечного 3 колес. На эпициклическом колесе 2 закреплен рычаг 7, заканчивающийся направляющим кольцом 8, которое своей внутренней поверхностью взаимодействует с роликом 9, шарнирно закрепленным относительно корпуса. При этом разность диаметров контактирующих поверхностей направляющего кольца 8 и ролика 9 равна максимальному эксцентриситету эпициклического 2 и солнечного 3 колес. Поводок, лишающий эпициклическое колесо 2 возможности вращения относительно корпуса, выполнен в виде коромысла 10, шарнирно связанного с корпусом и рычагом 7, закрепленным на эпициклическом колесе 2. Силовое замыкание кинематических пар системы обеспечивается пружиной 11 через коромысло 10. Торцовые крышки 12 и 13, стянутые между собой через разомкнутое кольцо 1 шпильками 14 и гайками 15, образуют корпус гидромашины, установленный на лапах 16. Крышки 12, 13 плотно прилегают своими плоскими рабочим поверхностями к торцам сателлитов 6 и солнечного колеса 3. В крышке 12 выполнены впускное 17 и выпускное 18 окна. Сателлиты 6 выполнены сборными, состоящими из нескольких шестерен, одновременно взаимодействующих с эпициклическим и солнечным колесами - это снижает чувствительность конструкции к погрешностям ее изготовления.
Роторная гидромашина работает следующим образом (см. фиг.3).
При вращении солнечного колеса 3 взаимодействующие с ним сателлиты 6 обкатываются по внутреннему венцу эпициклического колеса 2. При этом колесо 2 лишено возможности вращения относительно корпуса коромыслом 10. Пружина 11 (фиг.1) через коромысло 10 обеспечивает силовое замыкание высшей кинематической пары ролик 9 - направляющее кольцо 8 в нижних положениях эпициклического колеса 2 и помогает системе правильно выйти из «мертвой точки» в верхнем положении эпициклического колеса 2. Расположение направляющего кольца 8 на конце рычага 7 (как показано на фиг.1) обеспечивает движение центра эпициклического колеса 2 по траектории, близкой к круговой. В результате система звеньев движется таким образом, что объемы рабочих полостей, заключенных между торцовыми крышками и поверхностями всех зубчатых колес, циклически изменяются. При этом полезное изменение объема составляет около половины всего объема, заключенного внутри эпициклического колеса 2. Перекрытие впускного 17 и выпускного 18 окон осуществляют сателлиты, поэтому клапаны для данной конструкции гидромашины не нужны.
Гидромашина может работать как в режиме насоса (или компрессора), так и в режиме гидро- или пневмодвигателя. Усилие, создаваемое пружиной 11, должно соответствовать давлению рабочей среды.
Роторная гидромашина, схема которой изображена на фиг.4, отличается от предыдущей тем, что в ней направляющее кольцо 8 закреплено на эпициклическом колесе 2 со стороны, противоположной расположению оси шарнира, связывающего это колесо с коромыслом 10. При этом траектория (изображена пунктиром) центра эпициклического колеса 2 имеет форму не окружности, а вытянутого эллипса. Влияние такого изменения на работу гидромашины сводится к более резкому началу и концу сжатия. Изменяя положение направляющего кольца 8 на звене, связанном с эпициклическим колесом 2, можно получить и обратную модификацию цикла сжатия (на фигурах не показано).
В гидромашине, схема которой показана на фиг.5, эпициклическое колесо 2 контактирует с корпусом 1 непосредственно, образуя с ним высшую кинематическую пару силового замыкания. Разность диаметров внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 и внешней цилиндрической поверхности эпициклического колеса 2 равна максимальному эксцентриситету эпициклического 2 и солнечного 3 колес. Поводок, лишающий эпициклическое колесо 2 возможности вращения относительно корпуса 1, выполнен в виде ползуна 19, установленного в направляющих корпуса 1 и связанного с эпициклическим колесом шарниром 20. Силовое замыкание кинематических пар системы обеспечивается пружиной 11, нагружающей ползун 19. Полости, заключенные между торцовыми крышками, корпусом 1, эпициклическим колесом 2 и поводком 19, имеют впускной 21 и выпускной 22 каналы, снабженные соответствующими клапанами. Они используются в качестве дополнительных рабочих полостей гидромашины. Дополнительные рабочие полости соединены с основными (расположенными внутри эпициклического колеса) последовательно, через перепускные каналы (на фигуре не показаны), или параллельно.
Работа «внутренней» части такой гидромашины (основные полости) подобна работе машины, показанной на фигурах 1-3. «Внешняя» часть машины (дополнительные полости) работает как обычная пластинчато-статорная гидрообъемная машина, кольцевой поршень (плунжер) которой перемещается эксцентриком. Особенность состоит в том, что контакт эпициклического колеса 2 с корпусом 1 происходит не с зазором, как в других коловратных насосах, а силовым замыканием. В зависимости от фазы движения это замыкание обеспечивают: сила, приложенная к системе со стороны пружины 11, силы реакции, возникающие в зацеплениях, или силы давления среды во внутренних (основных) полостях гидромашины. Силовое замыкание, с одной стороны, повышает герметичность дополнительных рабочих полостей, а с другой - сопровождается трением скольжения. Поэтому такая гидромашина предназначена для работы со средами, обладающими смазочным действием, либо с газообразными средами в присутствии смазки.
Роторная гидромашина, показанная на фиг.6, 7, 8, отличается от предыдущей устройством системы поводков, лишающей эпициклическое колесо возможности вращения относительно корпуса и обеспечивающей герметичность дополнительных рабочих полостей. Эта система содержит пару поводков, каждый из которых выполнен в виде плавающей шестерни 23, взаимодействующей со специальным внутренним зубчатым сектором 24, принадлежащим корпусу 1, и зубчатым выступом 25, жестко связанным с эпициклическим колесом 2. Система зубчатых элементов 23, 24, 25, подобно основной системе зубчатых звеньев гидромашины 2, 3, 6, собрана с соблюдением условия, согласно которому центры шестерен 23 в исходном положении механизма расположены на одной прямой с совпадающими в этом положении центрами зубчатых элементов 24, 25. Нажимное устройство содержит пружину сжатия 11 и шток 26, опирающийся на зубчатый выступ 25.
Работа такой гидромашины подобна работе машины, описанной выше, но система зубчатых поводков снижает потери на трение, износ и повышает герметичность по сравнению с другими конструкциями устройств, выполняющих аналогичные функции.
На фигуре 9 показана гидромашина, которая состоит из двух гидромашин-секций, имеющих общий корпус, но разделенных плоской перегородкой 28. Внутри этой перегородки 28 выполнено перепускное окно (на фигуре не показано), т.е. секции соединены последовательно. Солнечные колеса 3 обеих секций закреплены на общем валу 4. Будучи установлены в противофазах, секции обеспечивают динамическое уравновешивание системы и сглаживают колебания рабочего давления.
Представляется перспективным использование изобретения:
в масляных насосах и насосах для перекачки предварительно очищенной нефти. Технический эффект - повышение износостойкости оборудования;
в вакуумных насосах. Технический эффект - повышение производительности за счет увеличения полезного объема;
в тепловых двигателях внешнего сгорания, в геотермальной энергетике. Технический эффект - повышение удельной мощности за счет увеличения полезного объема гидромашины.