ВАКУУМНЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к объемным роторным гидромашинам, предназначенным для создания вакуума.
Для создания низкого (технического) вакуума чаще всего применяются пластинчатые (шиберные) гидромашины (например, RU 2360147). Такая машина содержит ротор, статор и плавающие элементы, выполненные в виде пластин, вставленных в пазы ротора. Основной недостаток этих машин заключается в повышенном износе пластин, которые, будучи прижаты к статору силами инерции, трутся по нему, двигаясь с большой скоростью.
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.
Достоинством роторной гидромашины планетарного типа, по сравнению лопаточной (шиберной) является отсутствие большой скорости скольжения в тяжело нагруженной кинематической паре плавающий элемент (пластина) - статор и силовое замыкание основных кинематических пар самим давлением рабочей среды. Однако при использовании роторной гидромашины планетарного типа в режиме вакуумного насоса возникают следующие проблемы.
1. Малая величина отношения максимального и минимального объемов рабочих камер (около 3-х). Это означает, что теоретически максимальная величина вакуума составит только 0,66. На практике величина вакуума будет еще ниже.
2. Для улучшения герметичности стыков, при невысоких давлениях среды, характерных для вакуумного насоса, наиболее подходящими материалами ротора являются полимеры. Однако эти материалы обладают высоким коэффициентом теплового расширения. В результате их нагревания ротор оказывается зажатым между неподвижными боковыми крышками (стенками) гидромашины.
При использовании в качестве вакуумных насосов, те же недостатки имеют известные роторные гидромашины планетарного типа с соотношением чисел волн 4×6 (US 6230823), 6×8 (US 6230823), 1×2 (SU 861734), 1×3 (DE 288340), 2×3 (WO 0166948), 3×4 (SU 1403993).
max
min
max
min
R
max
min
Известна гидромашина RU 2687189. Она состоит из n>1 последовательно соединенных секций, каждая из которых содержит вращающееся центральное колесо с внешними зубьями, центроида которого имеет М волн, неподвижное центральное колесо с внутренними зубьями, число волн центроиды которого равно N, а также взаимодействующие с центральными колесами плавающие сателлиты, неподвижные торцовые стенки и систему каналов подвода и отвода рабочей среды. Каналы отвода рабочей среды предыдущей секции соединены с каналами подвода последующей секции, а центральные колеса с внешними зубьями всех секций закреплены на общем валу. Центроиды центральных колес содержат соответственно М и N участков, являющихся окружностями максимального радиуса (R), столько же участков, являющихся окружностями минимального радиуса (R), и расположенные между ними участки, обеспечивающие плавный переход от R к R, при этом каналы подвода и отвода рабочей среды открыты в периоды прохождения сателлитами переходных участков. Угловая протяженность Δ каждого участка центроиды с максимальным радиусом R равна угловой протяженности участка центроиды с минимальным радиусом R и составляет:
где G - число волн соответствующего центрального колеса (М или N).
Техническим результатом изобретения (RU 2687189) является обеспечение постоянного мгновенного расхода несжимаемой рабочей среды. Для работы на сжимаемых рабочих средах такая конструкция гидромашины непригодна.
Наиболее близкой по технической сущности предлагаемой конструкции (ее прототипом) является планетарная роторная гидромашина (RU 2513057), 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=1 волну, а центроида колеса с внутренними зубьями - тоже одну волну N=1 волны (соотношение чисел волн 1×1). При гармоническом законе изменения радиуса центроид, число волн - одна волна - значит, что центральные колеса круглые, но установлены на своих осях с эксцентриситетом. С центральными колесами взаимодействуют плавающие сателлиты. Количество V плавающих сателлитов равно сумме чисел волн колес с внешними и внутренними зубьями, V=M+N=2. Каналы подвода и отвода рабочей среды выполнены в торцовых стенках, связанных с неподвижным центральным колесом.
Недостатки конструкции прототипа: 1) гармонический характер изменения радиуса центроид обуславливает невысокое значение отношения максимального и минимального объемов рабочих камер (3…4), что делает неперспективной использование этой конструкции в вакуумном насосе; 2) жесткие торцовые стенки вызывают заклинивание нагревающихся ротора и сателлитов.
Техническая задача полезной модели состоит в увеличении величины отношения максимального и минимального объемов рабочих камер и устранении явления заклинивания ротора и сателлитов при нагревании гидромашины в процессе работы.
Техническим результатом полезной модели является увеличение глубины вакуума, снижение потерь на трение и повышение надежности работы гидромашины.
max
min
max
min
Предлагаемый вакуумный насос содержит ротор, статор, плавающие элементы, располагающиеся между статором и ротором, а также торцовые крышки, в которых размещены каналы подвода и отвода рабочей среды. Ротор выполнен в виде некруглого зубчатого колеса с внешними зубьями, статор - в виде некруглого зубчатого колеса с внутренними зубьями, а плавающие промежуточные элементы - в виде двух круглых зубчатых сателлитов. Ротор и статор имеют одинаковое число зубьев, а их центроиды состоят из участка верхнего выстоя, являющегося окружностью максимального радиуса R, участка нижнего выстоя, являющегося окружностью минимального радиуса R, а также участков, обеспечивающих плавный переход от R к R. Вакуумный насос содержит торцовую стенку, выполненную в виде плавающего зубчатого диска, имеющего внешние зубья, конгруэнтные внутренним зубьям статора.
В предлагаемом вакуумном насосе рабочие камеры, образованы звеньями, входящими друг с другом в зубчатые зацепления. Данное обстоятельство делает конструкцию нечувствительной к износу этих звеньев. Наличие участков верхнего и нижнего выстоя сателлитов в сочетании с переходными участками увеличивает величину отношения максимального и минимального объемов рабочих камер. Наличие плавающей торцовой стенки необходимо для компенсации теплового расширения подвижных деталей и износа их торцов. Выполнение этой стенки в виде плавающего зубчатого диска, имеющего внешние зубья, конгруэнтные внутренним зубьям статора, является наиболее простым конструктивным решениям, обеспечивающим такую компенсацию в насосе предлагаемого типа.
1
2
3
1
2
1
max
min
Оптимальные геометрические параметры вакуумного насоса соответствуют следующим условиям. Ротор и статор имеют эвольвентные зубья в количестве Z=Z=60…120, число зубьев сателлитов Z=8…12, коэффициенты смещения: ротора X=-0,5…-1; статора Х=+9…16; сателлита X=+0,3…0,5, угловая протяженность каждого из двух переходных участков центроид ротора и статора составляет 35…55°, а угловая протяженность участка, являющегося окружностью максимального радиуса R равна угловой протяженности участка минимального радиуса R и составляет 125…145°.
В одном варианте конструкции торцовая стенка, выполненная в виде плавающего зубчатого диска, содержит отверстие для выхода среды, а роль второй торцовой стенки выполняет жестко связанная со статором торцовая крышка, которая содержит отверстия для входа и выхода среды.
В другом варианте конструкции торцовая стенка, выполненная в виде плавающего зубчатого диска, не содержит отверстий для входа и выхода среды из рабочих камер, а роль второй торцовой стенки выполняет неподвижная торцовая крышка, которая содержит отверстия для входа и выхода среды.
В третьем варианте конструкции вакуумный насос содержит две торцовые стенки, выполненные в виде плавающих зубчатых дисков, которые имеют отверстия для входа и выхода среды.
Для улучшения характеристик вакуумного насоса в полости, расположенные внутри ротора и между плавающей стенкой и неподвижной торцовой крышкой подводится смазывающая жидкость, которая выполнят также функцию дополнительного уплотнения стыков.
Примеры реализации полезной модели иллюстрируются чертежами.
На фигуре 1 вакуумный насос изображен в осевом разрезе. На фигуре 2 показан его разрез по плоскости А-А. На фигуре 3 отдельно показана торцовая стенка гидромашины, выполненная в виде плавающего зубчатого диска. На фигуре 4 изображен вакуумный насос, содержащий две торцовые стенки, выполненные в виде плавающих зубчатых дисков.
Вакуумный насос, показанный на фигурах 1-2, содержит ротор 1, выполненный в виде некруглого колеса с внешними зубьями, статор 2, выполненный в виде некруглого колеса с внутренними зубьями, круглые плавающие сателлиты 3, неподвижные торцовые крышки 4,5, стянутые шпильками 6. Ротор 1, посредством шлицев 7 закреплен на валу 8, который установлен относительно статора 2 в подшипниках качения 9.
1
2
3
1
2
1
max
min
max
min
max
min
Ротор 1 и статор 2 имеют одинаковое число эвольвентных зубьев Z=Z=104. Число зубьев сателлитов Z=10. Коэффициенты смещения: ротора X=-0,9; статора Х=+14,5; сателлита X=+0,4, Центроиды ротора 1 и статора 2 состоят из участка, являющегося окружностью максимального радиуса R, участка, являющегося окружностью минимального радиуса R, а также участков, обеспечивающих плавный переход от R к R. Угловая протяженность каждого из двух переходных участков центроид ротора и статора составляет 45°, а угловая протяженность участка, являющегося окружностью максимального радиуса R равна угловой протяженности участка минимального радиуса R и составляет 135°.
Торцовая стенка насоса (она отдельно показана на фигуре 3) выполнена в виде плавающего зубчатого диска 10 толщиной S, имеющего внешние зубья, конгруэнтные внутренним зубьям статора 2. Для дополнительного уменьшения зазоров сопряжение зубьев диска 10 и статора 2 при сборке насоса заполнено герметиком. Стенка 10 содержит отверстие 11 для выхода среды. Роль второй торцовой стенки выполняет неподвижная (жестко связана со статором) торцовая крышка 5, которая содержит отверстия для входа 12 и выхода 13 среды. Для начального прижатия плавающей торцовой стенки 10 к ротору служат упругие элементы (например, пружины 14). Вакуумный насос также содержит емкость 15 с фильтром 16, и уплотнение 17 вращающегося вала 8.
Насос работает следующим образом. Вал 8, посредством шлицев 7, передает вращение ротору 1. Взаимодействующие с ротором 1 сателлиты 3 катятся по статору 2, при этом происходит периодическое изменение объема рабочих полостей, расположенных между сателлитами. Воздух всасывается в насос из некоторой полости, в которой необходимо получить вакуум, через отверстие 12, а выходит из насоса через отверстия 11 и 13 (или, в другом конструктивном варианте, только через отверстие 13). Для стабилизации величины зазоров по торцам ротора и сателлитов плавающая стенка 10 первоначально прижата к ротору и сателлитам сравнительно слабыми пружинами 14. По мере образования вакуума, сила прижатия плавающей стенки увеличивается. В итоге, механические потери и протечки среды (воздуха) оказываются значительно меньше, чем в случае жестко фиксированного положения торцовых стенок.
Выходящий из насоса воздух попадает в емкость 15 и далее через фильтр 16 выходит в атмосферу. Содержащиеся в воздухе капли масла оседают внизу емкости 15 и возвращаются в полости наоса, расположенные внутри ротора 1 и между плавающей стенкой 10 и неподвижной торцовой крышкой 4. Оттуда масло снова попадает в кинематические пары насоса, снижая силы трения и повышая герметичность стыков.
В рассматриваемом в качестве примера (фигура 2) насосе отношение максимального и минимального объемов рабочих камер - 7. Это означает, что теоретическая (расчетная) величина вакуума составит 0,86. Такой вакуум широко востребован во многих технических устройствах: промышленных пылесосах, ассенизаторских цистернах, зернопогрузчиках и т.д.
На фиг. 4 показана конструкция насоса, которая содержит две плавающие стенки 10. В каждой из этих стенок выполнены отверстия для входа 18 и выхода 11 среды. Начальное поджатие плавающих стенок 10 к ротору 1 осуществляется кольцами 19, изготовленными из пористой резины. Эти кольца выполняют также функцию ограждения (отделения, изоляции) каналов от полостей, расположенных внутри ротора. Такое конструктивное решение немного сложнее предыдущего, но обеспечивает более полное освобождение и наполнение рабочих камер насоса и, соответственно, несколько большую глубину вакуума.
Главным преимуществом предлагаемого насоса является автоматическая компенсация износа как в зубчатых зацеплениях, так и по торцам подвижных звеньев, а значит, повышенная долговечность.