ЗУБЧАТЫЙ НАСОС (ВАРИАНТЫ)
GEAR PUMP (VERSIONS)

Область применения изобретения
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к объемным насосам. Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к зубчатому насосу с улучшенным впускным каналом.
Предпосылки к созданию изобретения
Зубчатые насосы, такие как зубчатые роторные насосы, хорошо известны и широко используются в различных применениях в течение многих лет. Такие насосы представляют собой объемные насосы, в которых роторный комплект, содержащий внутренний ротор, имеющий заданное число зубьев N, и внешний ротор, имеющий по меньшей мере N+1 зубьев, вращается, чтобы сжимать рабочую жидкость.
Центр вращения внутреннего ротора роторного комплекта расположен асимметрично относительно центра вращения внешнего ротора роторного комплекта, так что, когда роторный комплект приводится во вращение, образуются группы нагнетательных камер переменного объема между зубьями внутреннего ротора и внешнего ротора. Когда объем нагнетательной камеры начинает увеличиваться, эта нагнетательная камера входит во флюидную связь с впускным каналом насоса, так что имеющая низкое давление рабочая жидкость всасывается в нагнетательную камеру. При продолжении вращения роторного комплекта объем нагнетательной камеры достигает максимального и камера движется так, что она не имеет больше флюидной связи с впускным каналом, за счет чего повышается давление рабочей жидкости. При дальнейшем продолжении вращения роторного комплекта объем нагнетательной камеры начинает уменьшаться и нагнетательная камера входит во флюидную связь с выпускным каналом насоса. Когда объем нагнетательной камеры продолжает уменьшаться, рабочая жидкость из нее вытекает в выпускной канал и затем в выпуск насоса.
Несмотря на то, что такие насосы широко используются, они имеют ряд недостатков. В частности, было обнаружено, что трудно заполнять нагнетательную камеру со впуска насоса, когда впускное давление является низким и/или когда рабочая скорость насоса является высокой, причем эти трудности могут приводить к кавитации и повышению рабочих шумов. Самые ранние попытки улучшения заполнения нагнетательных камер были связаны с использованием впускных каналов самого большого практически возможного размера. Однако полученные при этом результаты были далеки от удовлетворительных во многих применениях по различным причинам.
В патенте США 4,836,760 предложен другой подход к улучшению заполнения нагнетательных камер, в котором впускной канал расположен радиально внутри внешнего диаметра нагнетательных камер. В этом патенте указано, что за счет центробежных сил, возникших за счет вращения роторного комплекта, рабочая жидкость в нагнетательных камерах испытывает градиент давления, причем рабочая жидкость, находящаяся поблизости от внешнего диаметра роторного комплекта, будет иметь самое высокое давление. За счет перемещения впускного канала радиально внутрь, в соответствии с этим патентом можно улучшить заполнение, так как рабочая жидкость входит в нагнетательную камеру в точке, в которой давление рабочей жидкости, которая уже поступила в нагнетательную камеру, меньше, чем самое высокое давление рабочей жидкости, находящейся поблизости от внешнего диаметра ротора.
В других более поздних подходах предложено удлинять впускной канал в направлении вращения роторного комплекта, рядом с внешним радиальным участком, внутренним радиальным участком или рядом с тем и другим участками нагнетательных камер. Однако эти решения также обеспечивают далекую от желательной эффективность заполнения.
В патенте США 6,896,500 предложено снижать глубину впускного канала, так что он является относительно мелким непосредственно перед закрыванием нагнетательных камер, вероятно, для того, чтобы создать условия для направления рабочей жидкости в нагнетательную камеру для ее лучшего заполнения.
Несмотря на предложенные в указанных публикациях усовершенствования, зубчатые насосы все еще страдают от нежелательной кавитации и рабочего шума из-за недостаточного заполнения нагнетательных камер.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание нового зубчатого насоса, который позволяет исключить или смягчить указанные недостатки известного уровня техники.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предлагается зубчатый насос для рабочей жидкости, который содержит кожух насоса, образующий роторную камеру, а также впуск насоса и выпуск насоса; роторный комплект в роторной камере, причем роторный комплект содержит внутренний ротор и внешний ротор, при этом внутренний ротор приводится во вращение для обеспечения вращения роторного комплекта, причем зубья внутреннего и внешнего роторов входят в зацепление и выходят из зацепления при вращении роторного комплекта, образуя нагнетательные камеры между роторными зубьями, при этом объем нагнетательных камер изменяется, когда зубья входят в зацепление и выходят из зацепления; выпускной канал, создающий флюидную связь с выпуском насоса и принимающий сжатую рабочую жидкость от нагнетательных камер при угловом положении роторного комплекта, когда объем нагнетательных камер уменьшается; впускной канал, создающий флюидную связь с впуском насоса для приема рабочей жидкости от впуска насоса в нагнетательные камеры при угловом положении роторного комплекта, когда объем нагнетательных камер увеличивается, причем впускной канал заканчивается в направлении вращения роторного комплекта идущим радиально внутрь наклонным участком, при этом наклонный участок служит для направления радиально внутрь в нагнетательную камеру рабочей жидкости, проходящей по наклонному участку, чтобы заполнять нагнетательную камеру.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан роторный комплект и впускной и выпускной каналы обычного зубчатого насоса.
На фиг.2 показаны геометрии каналов насоса, показанного на фиг.1.
На фиг.3 показан роторный комплект и впускной и выпускной каналы зубчатого насоса в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.4 показаны геометрии каналов насоса, показанного на фиг.3.
На фиг.5 показан участок роторного комплекта, показанного на фиг.3, показывающий влияние толщины зубьев внутреннего ротора.
На фиг.6a-6d показаны некоторые другие возможные геометрии впускного канала насоса, показанного на фиг.3.
На фиг.7а и 7b схематично показаны виды сбоку контуров впускного канала, показанного на фиг.3, по направлению стрелок а и b, соответственно.
На фиг.8а и 8b схематично показаны виды сбоку контура альтернативного наклонного впускного канала, показанного на фиг.3, по направлению стрелок а и b, соответственно.
На фиг.9 показаны геометрии каналов насоса, показанного на фиг.3, с альтернативной запаздывающей геометрией каналов.
На фиг.10 схематично показан вид сверху контура сдвоенного впускного канала.
Подробное описание изобретения
Обычный зубчатый насос 10 показан на фиг.1. Насос 10 содержит роторный комплект 14, который содержит внешний ротор 18 и внутренний ротор 22. Внутренний ротор 22 приводится в движение при помощи первичного двигателя (не показан) и вращает роторный комплект 14 внутри кожуха насоса (не показан), причем, в показанной конфигурации, роторный комплект 14 вращается против часовой стрелки или в направлении нагнетания.
Когда роторный комплект 14 вращается, зубья внутреннего ротора 22 входят в зацепление с зубьями внешнего ротора 18 и выходят из зацепления с ними, образуя группы последовательных нагнетательных камер 26. Можно видеть, что объем каждой нагнетательной камеры 26 изменяется, когда роторный комплект 14 вращается внутри кожуха насоса.
Роторный комплект 14 лежит на впускном канале 30 (показанном пунктиром), который создает флюидную связь с впуском 34 насоса 10. Впускной канал 30 подает рабочую жидкость от впуска 34 и позволяет рабочей жидкости входить в нагнетательные камеры 26, когда их объем начинает увеличиваться.
Роторный комплект 14 также лежит на выпускном канале 38 (также показанном пунктиром), который создает флюидную связь с выпуском 42 насоса 10. Выпускной канал 38 принимает рабочую жидкость, которая сжата в нагнетательных камерах 26, когда их объем уменьшается при вращении роторного комплекта 14.
Геометрии впускного канала 30 и выпускного канала 38 лучше всего показаны на фиг.2, где, в частности, можно видеть удлиненные участки 46 впускного канала 30 в направлении вращения роторного комплекта 14, смежные с внешним радиальным участком и внутренним радиальным участком нагнетательных камер 26. Удлиненные участки 46, которые обычно называют как "петушиный хвост", предназначены для улучшения заполнения нагнетательных камер 26, причем их использование представляет собой наиболее общий подход к улучшению заполнения нагнетательных камер.
Однако следует иметь в виду, что насосы с такими удлиненными участками все еще страдают от кавитации и/или рабочего шума из-за недостаточного заполнения нагнетательных камер. За счет количества движения флюида в нагнетательных камерах 26 рабочая жидкость принудительно направляется радиально наружу, что приводит к тому, что нагнетательные камеры 26 эффективно разделяются на радиально внешнюю область высокого давления и радиально внутреннюю область низкого давления. Имеющий более высокое давление флюид стремится втекать назад во впуск 30 насоса, что снижает эффективность заполнения нагнетательных камер 26. Удлиненные участки 46, задачей которых является удлинение времени заполнения нагнетательной камеры, в действительности увеличивают утечку, когда имеющая более высокое давление рабочая жидкость имеет связь со впускным каналом 30, через удлиненные участки 46, в течение более длительного периода времени. Более точно, рабочая жидкость в нагнетательных камерах, то есть рабочая жидкость у внешнего радиального периметра нагнетательной камеры, которая имеет более высокое давление, чем давление рабочей жидкости во впуске, течет назад во впуск.
На фиг.3 показан зубчатый насос 100 в соответствии с настоящим изобретением. Насос 100 содержит роторный комплект 104, который содержит внешний ротор 108 и внутренний ротор 112. Внутренний ротор 112 приводится в движения при помощи первичного двигателя (не показан) и вращает роторный комплект 104 внутри кожуха 105 насоса, причем в показанной конфигурации роторный комплект 104 вращается против часовой стрелки, в направлении нагнетания.
Как и раньше, зубья внутреннего ротора 112 и внешнего ротора 108 образуют группы последовательных нагнетательных камер 126 между вершинами и углублениями зубьев. Каждая из нагнетательных камер имеет объем, который изменяется, когда роторный комплект 104 вращается в направлении нагнетания внутри кожуха насоса.
Когда зубья внутреннего ротора 112 удаляются от зубьев внешнего ротора 108, объем нагнетательных камер 126 увеличивается до максимального объема. При максимальном объеме в верхней мертвой точке вершины смежных зубьев внутреннего ротора 112 контактируют с вершинами смежных зубьев внешнего ротора 108. Дальнейшее вращение приводит к тому, что зубья внутреннего ротора 112 движутся в направлении зубьев внешнего ротора 108 или входят в зацеплении с зубьями внешнего ротора 108, что будет уменьшать объем нагнетательных камер 126 до минимального объема в нижней мертвой точке. При минимальном объеме вершина зуба внешнего ротора 108 будет располагаться у основания между смежными зубьями внутреннего ротора 112.
Роторный комплект 104 лежит на впускном канале 116 (показанном пунктиром), который создает флюидную связь с впуском 120 насоса 100. Впускной канал 116 принимает рабочую жидкость от впуска 120 и позволяет рабочей жидкости входить в нагнетательные камеры 126, образованные при помощи роторного комплекта 104, когда их объем начинает увеличиваться.
Роторный комплект 104 также лежит на выпускном канале 124 (также показанном пунктиром), который создает флюидную связь с выпуском 128 насоса 100. Выпускной канал 124 принимает рабочую жидкость, которая сжата в нагнетательных камерах 126, когда их объем уменьшается при вращении роторного комплекта 104.
Геометрии выпускного канала 124, а в особенности впускного канала 116, лучше всего показаны на фиг.4. Можно видеть, что выпускной канал 124 имеет обычную конфигурацию и содержит находящийся выше по течению конец 125, находящийся ниже по течению конец 127, внутреннюю боковую стенку 129 и внешнюю боковую стенку 131. Внутренняя боковая стенка 129 идет от находящегося выше по течению конца 125 до находящегося ниже по течению конца (концевого участка) 127, вдоль радиальной линии, соединяющей основания зубьев внутреннего ротора 112. Внешняя боковая стенка 131 идет от находящегося выше по течению конца 125 до находящегося ниже по течению конца 127, вдоль радиальной линии, соединяющей основания зубьев внешнего ротора 108. Так как внутренний ротор 112 и внешний ротор 108 не являются концентрическими, боковые стенки 129 и 131 также не являются концентрическими и имеют заданное смещение, которое зависит от геометрии зубьев. Впускной канал 116 имеет находящийся выше по течению конец 131 и заканчивается в направлении вращения роторного комплекта 104 идущим на конус радиально внутрь находящимся ниже по течению концевым участком 132, который назван авторами настоящего изобретения как "гусиная голова". Внутренняя боковая стенка 133 идет от находящегося выше по течению конца 131 до находящегося ниже по течению конца 132, вдоль радиальной линии, соединяющей основания зубьев внутреннего ротора 112. Внешняя боковая стенка 135 идет от находящегося выше по течению конца 131 до находящегося ниже по течению конца 132, вдоль радиальной линии, соединяющей основания зубьев внешнего ротора 108. Боковые стенки 133 и 135 также не являются концентрическими и имеют заданное смещение, которое зависит от геометрии зубьев.
Концевой участок 132 содержит наклонный участок 136, который идет от внутренней боковой стенки 133 до внешней боковой стенки 135. Наклонный участок 136 служит для направления рабочей жидкости от впуска 116 в радиально внутренние области более низкого давления групп нагнетательных камер, проходящих поверх концевого участка 132, в результате чего улучшается заполнение нагнетательной камеры.
Ориентация концевого участка 132 выбрана так, чтобы направлять рабочую жидкость от впуска 116 для заполнения радиально внутренней, имеющей более низкое давление, области нагнетательной камеры 126, после заполнения радиально внешней, имеющей более высокое давление области (участка) и чтобы снизить до минимума утечку из имеющей более высокое давление области назад во впуск 116. В частности, когда самый внешний бесконечно малый объем радиально внешней, имеющей более высокое давление области нагнетательной камеры 126 заполнен до максимума, он уплотняется за счет прохождения поверх концевого участка 132, предотвращающего утечку из него назад во впуск 116. Другими словами, передняя кромка 109 основания внешнего ротора 108 сначала обращена к радиально внешней области (участку), которая проходит поверх концевого участка 132, чтобы начать последовательность закрывания. Затем заполняется следующий бесконечно малый объем нагнетательной камеры 126, смежный с первым бесконечно малым объемом, и также уплотняется, когда он проходит поверх концевого участка 132. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет заполнена вся имеющая более высокое давление радиально внешняя область, и затем имеющие более низкое давление радиально внутренние области нагнетательной камеры 126. Радиально внутренняя область нагнетательных камер 126 заполняется и закрывается последней. Радиально внутренняя область находится поблизости от оснований или углублений смежных зубьев внутреннего ротора 112. За счет кривизны зубьев и конфигурации концевого участка 132, последним для закрывания местом будет задняя кромка 110, которая находится в непосредственной близости от радиальной линии, соединяющей основания зубьев внутреннего ротора 112. Другими словами, концевой участок 132 взаимодействует с внутренним и внешним роторами, чтобы постепенно закрывать нагнетательную камеру 126 от радиально внешней области до радиально внутренней области.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.7 и 8, где впускной канал 116 может иметь однородную глубину, как это показано на фиг.7а и 7b. По желанию, глубина впускного канала 11 6 может снижаться от максимальной глубины выше по течению (в направлении впуска насоса 120) до минимальной глубины рядом с концевым участком 132, как это показано на фиг.8а и на фиг.8b. Считают, что в некоторых рабочих режимах и/или при некоторых рабочих жидкостях уменьшение глубины впускного канала 116 указанным образом позволяет улучшать эффективность заполнения нагнетательных камер 126.
В дополнение к описанным здесь выше преимуществам, настоящее изобретение имеет то преимущество, что нагнетательные камеры 126 имеют только одну точку закрывания, а не две точки закрывания, как в известных ранее конструкциях с "петушиным хвостом". Специалисты легко поймут, что за счет устранения одной точки закрывания и соответствующей застойной зоны флюида в нагнетательной камере 126 устраняются также связанные с ними завихрения и турбулентность, что дополнительно улучшает заполнение нагнетательной камеры 126 и повышает производительность насоса, так как энергия флюида не расходуется на создание этих завихрений и турбулентности. Кроме того, единственная точка закрывания преимущественно расположена рядом с имеющей дефицит давления областью (которая хуже заполнена) внутри нагнетательной камеры, поблизости от меньшего диаметра внутреннего ротора 112 или на нем, когда нагнетательная камера приближается к точке закрывания (то есть когда нагнетательная камера близка к полной изоляции от впускного канала).
Более того, было обнаружено, что улучшения эффективности заполнения нагнетательной камеры могут быть достигнуты в таких конструкциях роторного комплекта, в которых толщина (то есть ширина) зубьев внутреннего ротора 112 уменьшена или является минимальной, а конфигурация сопряженных зубьев внешнего ротора 108 соответствующим образом изменена, чтобы уменьшить размер застойной зоны, создаваемой при заполнении нагнетательной камеры. На фиг.5 показан участок роторного комплекта 104, на котором показаны влияния двух различных толщин зуба внутреннего ротора 112. Можно видеть, что более толстый зуб "В" приводит к образованию более широкой застойной зоны 128, чем зуб "А" с меньшей толщиной, который создает менее широкую застойную зону 130.
На фиг.6a-6d показаны примеры других геометрий концевого участка 132. На фиг.6а показан вариант, в котором концевой участок 132 содержит выпуклый наклонный участок 150. На фиг.6b показан вариант, в котором концевой участок 132 содержит вогнутый наклонный участок 154. На фиг.6с показан вариант, в котором концевой участок 132 содержит трехпланный (находящийся в трех плоскостях) наклонный участок 158, а на фиг.6d показан вариант, в котором концевой участок 132 содержит двупланный (находящийся в двух плоскостях) наклонный участок 162. Можно полагать, что эти или другие конфигурации наклонного участка концевого участка 132, в том числе наклонные участки, находящиеся в нескольких плоскостях, могут быть с успехом использованы, в зависимости от конструкции роторного комплекта 104, вида рабочей жидкости, для которой предназначен насос 100, радиального размера роторного комплекта 104 и заданной рабочей скорости насоса 100.
Можно полагать, что настоящее изобретение является особенно полезным и предпочтительным, когда насос 100 установлен на коленчатом валу двигателя внутреннего сгорания, или установлен последовательно на трансмиссии или использован в других применениях, в которых приводной диаметр внутреннего ротора 112 является относительно большим, что приводит к большой центробежной силе и высоким скоростям рабочей жидкости. За счет использования описанной здесь выше конфигурации впускного канала 116, достигается улучшенное заполнение нагнетательных камер 126 и повышается производительность насоса.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.9, на которой показано, что производительность насоса 100 может быть дополнительно повышена в случае работы на больших оборотах, за счет запаздывания углового положения максимального объема нагнетательной камеры 126 в верхней мертвой точке на угол θ, при выборе такой конфигурации впускного и выпускного каналов 116' и 124', которая позволяет обеспечивать желательное уплотнение и, следовательно, нагнетательное действие насоса. Запаздывание каналов на заданный угол не обязательно означает, что оба канала (то есть впускной и выпускной каналы) запаздывают на один и тот же угол.
Запаздывание каналов в основном выбирают так, чтобы вращающиеся роторы 108, 112 имели желательный угол, когда нагнетательная камера 126 имеет максимальный объем. Максимальный объем, как это показано на фиг.3, достигается тогда, когда вершины зубьев внутреннего ротора 112 контактируют с вершинами зубьев внешнего ротора 108 в контактных точках 107. Заданный угол лежит в диапазоне от 1 до 20°. Впускной и выпускной каналы 116' и 124' в виде гусиной головы затем располагают в угловом положении, позволяющем закрывать нагнетательную камеру 126 и затем открывать нагнетательную камеру 126 для выпуска. Запаздывание нагнетательной камеры 126 главным образом позволяет впускному флюиду иметь более длительную связь с впускным каналом 116' после верхней мертвой точки, что дополнительно улучшает заполнение. Запаздывание впускного канала 116' увеличивает время связи флюида, но отрицательно сказывается на рабочем объеме.
При необходимости, кожух 105" может быть снабжен средством двойного заполнения нагнетательных камер, как это показано на фиг.10. Двойное заполнение обеспечивают за счет использования вторичного впускного канала 117, расположенного непосредственно напротив впускного канала 116, чтобы заполнять нагнетательные камеры с двух сторон роторного комплекта 104. Впускной канал 117 имеет связь со впуском 120', который имеет связь со впуском 120. Сдвоенные впускные каналы не обязательно должны быть симметричными или даже симметричными по углу относительно нагнетательных камер. Сдвоенные впускные каналы, совместно с конфигурацией в виде гусиной головы, дополнительно повышают эффективность заполнения нагнетательной камеры, что приводит как к снижению кавитации, так и к снижению шума.
Несмотря на то, что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят за рамки формулы изобретения.