РОТОРНАЯ МАШИНА С ВНУТРЕННИМ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемое техническое решение относится к области машиностроения, в частности к гидромашинам объемного вытеснения, а именно, к гидравлическим двигателям и насосам с внутренним зацеплением роторов, в частности к мультифазному их использованию.
Из патентной литературы уже известна и принята в качестве прототипа роторная машина с внутренним зацеплением, содержащая корпус с цилиндрической полостью и каналами всасывания и нагнетания рабочей среды, закрытий с двух сторон торцевыми крышками, коаксиально размещенный в полости корпуса внешний ротор с внутренними зубьями и установленный внутри него с эксцентриситетом внутренний ротор с внешними зубьями, жестко закрепленный на валу, при этом между торцевыми крышками и торцами роторов установлены кольцевые торцевые диски, выполненные с плоской кольцевой поверхностью со стороны торцов роторов и жестко закрепленные на внешнем роторе с примыканием к торцам последнего, соосно с ним и с возможностью вращения вокруг его оси на подшипниках. Крепление торцевых дисков к торцам внешнего ротора осуществлено посредством резьбовых элементов. /Патент Германии №3633329, F 01 C 1/10, опубл. 1988 г./
В известном решении использованы внешний и внутренний роторы с монолитно выполненными зубьями, а осевая фиксация подшипников и торцевых дисков осуществлена, путем прижатия их непосредственно торцевыми крышками, без возможности регулирования ее величины. Однако возникающий при эксплуатации машины осевой люфт приводит к снижению герметизации камер всасывания и нагнетания машины, а, следовательно, к снижению коэффициента полезного действия машины. Величина возможного люфта увеличивается при работе машины со средами, содержащими абразивные включения неоднородной структуры.
При попадании абразивных включений в образовавшиеся осевые зазоры возможно заклинивание маслоподводящих отверстий и возникновение "сухого" трения между элементами конструкции. В результате снижается надежность и долговечность машины при эксплуатации ее на жидкостных, газо-жидкостных и газовых рабочих средах, в том числе на рабочих средах с абразивными включениями неоднородной структуры.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение К.П.Д. машины путем улучшения герметизации камеры всасывания и камеры нагнетания и повышение надежности и долговечности машины при мультифазном ее использовании путем снижения относительных скоростей скольжения торцевых поверхностей роторов и торцевых дисков путем использования подвижно установленных на своих осях цилиндрических роликов и сменных профилированных зубьев внешнего ротора, а также путем использования упругих полимерных материалов в качестве поверхностного покрытия рабочих контактных поверхностей обоих роторов.
Для решения поставленной задачи с достижением заявляемого технического результата по первому варианту исполнения роторная машина с внутренним зацеплением, содержащая корпус с цилиндрической полостью и каналами всасывания и нагнетания рабочей среды, закрытый с двух сторон торцевыми крышками, коаксиально размещенный в полости корпуса внешний ротор с внутренними зубьями и установленный внутри него с эксцентриситетом внутренний ротор с внешними зубьями, жестко закрепленный на валу, при этом между зубьями и впадинами обоих роторов образованы камеры всасывания и камеры нагнетания, сообщенные соответственно с всасывающим и нагнетательным каналами, а между торцевыми крышками и торцами внешнего и внутреннего роторов установлены торцевые кольцевые диски, жестко закрепленные на внешнем роторе, соосно с ним, с примыканием к его торцам и с возможностью вращения вокруг оси вращения внешнего ротора, согласно полезной модели, содержит внешний ротор, выполненный разъемным, а его зубья сменными в виде подвижных цилиндрических роликов, установленных на своих осях с возможностью свободного вращения вокруг них и качения по цилиндрической поверхности полости корпуса и снабженных кольцевыми уплотнениями с обоих торцов этих роликов, причем оси роликов жестко связаны с обоими торцевыми дисками посредством резьбовых элементов, а торцевые диски снабжены сквозными осевыми отверстиями, в которых размещены торцевые части осей роликов, и соосными с ними пазами со стороны роторов, в которых размещены торцевые части роликов. Поверхность каждого ролика, контактирующая с внутренним ротором, выполнена с возможностью зацепления с последним.
Машина может быть дополнительно снабжена подшипниками, установленными между роликами и их осями. Подшипники могут быть выполнены игольчатыми или в виде втулок - подшипников скольжения.
Рабочая поверхность роликов и зубьев внутреннего ротора или
только роликов или только зубьев внутреннего ротора. Внешняя поверхность полимерного покрытия роликов и зубьев внешнего ротора может быть снабжена продольными выступами, образованными радиально расположенными вершинами.
Ролики, сменные зубья внешнего ротора и внутренний ротор могут быть полностью выполнены из полимерного материала.
Для решения поставленной задачи с достижением заявляемого технического результата по второму варианту исполнения роторная машина с внутренним зацеплением, содержащая корпус с цилиндрической полостью и каналами всасывания и нагнетания рабочей среды, закрытый с двух сторон торцевыми крюками, коаксиально размещенный в полости корпуса внешний ротор с внутренними зубьями и установленный внутри него с эксцентриситетом внутренний ротор с внешними зубьями, жестко закрепленный на валу, при этом между зубьями и впадинами обоих роторов образованы камеры всасывания и камеры нагнетания, сообщенные соответственно с всасывающим и нагнетательным каналами, а между торцевыми крышками и торцами внешнего и внутреннего роторов установлены кольцевые торцевые диски, жестко закрепленные на внешнем роторе, соосно с ним, с примыканием к его торцам и с возможностью вращения вокруг оси вращения внешнего ротора, согласно предлагаемой полезной модели, внесши ротор в машине выполнен разъемным, а его зубья сменными, установленными на своих осях с возможностью свободного поворота вокруг них и снабженными кольцевыми уплотнениями с обоих торцов, причем торцевые диски снабжены осевыми отверстиями и соосными с ними пазами со стороны роторов, а оси зубьев размещены внутри них и жестко связаны своими торцами с обоими торцевыми дисками посредством резьбовых элементов. Поверхность каждого сменного зуба, контактирующая с цилиндрической полостью корпуса, выполнена цилиндрической с возможностью сопряжения с последней и свободного поворота внутри нее, в пределах, определяемых допусками размеров. Поверхность сменного зуба, контактирующая с внутренним ротором, выполнена с возможностью зацепления с последним. Машина по второму варианту исполнения также может быть снабжена как подшипниками скольжения, так и подшипниками качения, например, игольчатыми.
По обоим вариантам исполнения может быть использован эластичный полимерный материал как для поверхностного покрытия, так и полимерный материал для изготовления зубьев внешнего ротора и внутреннего ротора полностью.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично показан продольный разрез роторной машины для первого и второго вариантов исполнения.
На фиг.2 укрупненно показан узел присоединения ролика к торцевой крышке.
На фиг.3 схематично показан поперечный разрез роторной машины с роликами /по первому варианту исполнения/.
На фиг.4 укрупненно показано поперечное сечение ролика.
На фиг.5 схематично показан поперечный разрез роторной машины со сменными зубьями /по второму варианту исполнения/.
На фиг.6 - укрупненно показан поперечный разрез сменного зуба.
Предлагаемая роторная машина размещена внутри корпуса 1 с цилиндрической полостью 2 и каналами 3 всасывания и 4 нагнетания рабочей среды, закрытого с боков торцевыми крышками 5. Машина состоит из внешнего ротора 6 с внутренними зубьями 7, выполненными в виде цилиндрических подвижных роликов или профилированных сменных зубьев, и из внутреннего ротора 8 с внешними зубьями 9, установленного внутри внешнего ротора 6 с эксцентриситетом "е" между осями 10 и 11 вращения внешнего ротора 6 и внутреннего ротора 8 соответственно. Внутренний ротор 8 связан жестко с валом 12, например, посредством шпонки 13. Сквозные окна 14 внешнего ротора 6 размещены между его подвижными роликами. Зубья 9 внутреннего ротора 8 выполнены входящими во впадины между подвижными роликами внешнего ротора 6 и плотно контактирующими с поверхностями роликов в месте, диаметрально противоположном месту зацепления с впадинами между роликов с другой стороны с образованием камеры 15 всасывания и камеры 16 нагнетания. При этом число роликов или профилированных зубьев внешнего ротора 6 превышает число зубьев внутреннего ротора 8 на единицу.
К обоим торцам 17 и 18 внутреннего ротора 6 и к обоим торцам 19 и 20 внутреннего ротора 8 примыкают кольцевые торцевые диски 21 и 22, каждый из которых жестко соединен с соответствующим торцом внешнего ротора с образованием единой детали вращения. Каждый ролик установлен на своей оси 23 с возможностью вращения вокруг этой оси 23, которая жестко закреплена своими торцами в обоих торцевых дисках 21 и 22 посредством резьбовых элементов 24, соосных с осями 25 вращения роликов.
Между осями 23 и роликами размещены подшипники 26, например, скольжения.
При этом ролики выполнены с наружным полимерным покрытием 27, эластичным и упругим. Может быть выполнена с таким покрытием и наружная поверхность сменных зубьев /по второму варианту исполнения/. На внешней поверхности полимерного покрытия 27 могут быть выполнены продольные выступы с радиально расположенными вершинами 28.
Торцевые поверхности роликов и сменных зубьев по второму варианту исполнения выполнены с зазором относительно торцевой стенки дисков 21 и 22, равным ~0,05 мм. и снабжены кольцевыми уплотнениями 29 и 30 с двух сторон роликов. Оба торцевых диска 21 и 22 со стороны роторов снабжены внутренними пазами 31, соосными осям 25 вращения роликов или сменных зубьев по второму варианту исполнения.
Каждый сменный зуб по второму варианту исполнения выполнен в виде двух пересекающихся цилиндров, один 32 из которых, сопряженный с цилиндрической поверхностью полости 2 корпуса, выполнен с меньшей кривизной, а другой 33 - со стороны внутреннего ротора - с большей кривизной.
Роторная машина может работать как в режиме насоса, так и в режиме двигателя.
При работе в режиме гидродвигателя рабочая жидкость подается под давлением в расширяющуюся рабочую камеру 15 и приводит во вращение вращательный узел с его роторами, сначала приводя в движение вокруг своей оси внешний ротор 6, а затем посредством внутреннего зацепления роликов с зубьями внутреннего ротора 8, приводя во вращательное движение вал 12. При этом объем рабочей камеры 16 уменьшается и рабочая жидкость вытесняется из них.
Выполнение жесткой связи кольцевого торцевого диска и роликов или сменных зубьев /профилированных/ по второму варианту исполнения устраняет осевой люфт между указанными деталями и герметизирует камеру всасывания и камеру нагнетания благодаря прилеганию к ним с минимальными зазорами с двух сторон плоских поверхностей кольцевых торцевых дисков. Герметизации камер способствует и нанесение эластичного упругого полимерного покрытия на рабочие контактные поверхности роликов и профилированных сменных зубьев. Полимерное покрытие, выполненное с продольными выступами, также увеличивает герметизацию камер, уменьшает перетечки рабочей силы. Нанесение полимерного покрытия позволяет работать с абразивосодержащей рабочей средой, так как это покрытие выполняет также роль демпфера при
попадании между зубьев роторов даже крупных абразивных включений.
Благодаря использованию подвижных роликов и сменных профилированных зубьев, установленных на осях с возможностью вращения /для роликов/ и свободного поворота относительно своей оси /для профилированных зубьев/ достигается снижение относительных скоростей движения этих подвижных внутренних зубьев внешнего ротора относительно сопряженных с ними рабочих поверхностей внутреннего ротора и цилиндрической полости корпуса, а, следовательно, достигается снижение износа этих поверхностей, повышается надежность и долговечность работы роторной машины и повышается К.П.Д. машины путем улучшения герметизации рабочих камер ее.
Кроме того возможность выполнения зубьев внешнего ротора сменными позволяет повысить ремонтоспособность роторной машины, а также снизить затраты на проведение ремонтных работ.
Предлагаемая машина успешно прошла испытания и готовится к внедрению на нефтеразработках.