Ступень роторно-вихревой машины

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к конструкции гидравлических машин необъемного вытеснения и может быть использована в многоступенчатых вихревых насосных установках, предназначенных для подъема пластовой жидкости с больших глубин, компрессорах и т.п.
Известна рабочая ступень роторно-вихревой машины (см. патент РФ №2332586 RU, С1, МПК F04D 5/00, F04D 1/02, 22.05.2007), содержащей по крайней мере, одну рабочую ступень, которая включает два статора и ротор, причем ротор выполнен в виде диска и расположен между статорами, а между ротором и каждым из статоров образована торообразная рабочая полость, в которой размещены лопатки, связанные со статором, и разделитель, связанный с ротором, при этом в роторе и смежных с ним статорах напротив друг друга по обеим сторонам торообразной рабочей полости выполнены кольцевые канавки для размещения в них уплотнительных колец, причем каждое уплотнительное кольцо закреплено в кольцевой канавке статора или ротора и установлено с возможностью вращения в смежной с ней канавке ротора или статора соответственно.
Преимуществом вышеуказанной рабочей ступени является повышение коэффициента полезного действия роторно-вихревой машины путем уменьшения протечек рабочей среды по зазору между ротором и статорами.
Однако, вышеуказанная рабочая ступень малотехнологична в сборке роторно-вихревой машины, так как требует точно выдерживать минимальные зазоры меду сопрягающимися поверхностями роторов и статоров, в данной конструкции также не предусмотрена компенсация протечек, возникающих между торцевыми поверхностями ротора и статоров при работе в среде абразивно-содержащей пластовой жидкости, что уменьшает коэффициент полезного действия роторно-вихревой машины и ее надежность.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является ступень роторно-вихревой машины (см. патент на полезную модель РФ №129993 RU, С1, МПК F01D 1/02, F04D 5/00, 19.03.2013), включающая статор, в котором выполнены спрофилированные каналы для перехода рабочей среды с одной торцевой стороны на другую, и ротор, между которыми образована торообразная рабочая полость, в которой размещены лопатки, связанные со статором, и разделитель, связанный с ротором, причем статор выполнен, по крайней мере, из двух соединенных деталей, между ответными частями поверхностей которых образованы указанные каналы.
В ступени роторно-вихревой машины детали статора могут быть соединены склеиванием, с помощью сварки, пайки или с помощью диффузионного соединения, или с помощью, по крайней мере, одного крепежного элемента.
Преимуществом вышеуказанной рабочей ступени является упрощение изготовления статора, которое обеспечивает возможность повысить качество обработки стенок канала.
Недостатком указанной роторно-вихревой ступени машины является нетехнологичность конструкции при сборке машины, так как необходимо с большой точностью выдерживать линейные размеры всех сопрягающихся между собой элементов ступеней, в данной конструкции, также не предусмотрена компенсация протечек, возникающих между торцевыми поверхностями ротора и статоров при работе в среде абразивно-содержащей пластовой жидкости, что уменьшает коэффициент полезного действия роторно-вихревой машины и ее надежность.
Задачей данной полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат, получаемый при осуществлении предлагаемой полезной модели, выражается в улучшении технологичности сборки роторно-вихревой машины, повышении надежности роторно-вихревой машины и повышении ее коэффициента полезного действия.
Указанный технический результат достигается тем, что ступень роторно-вихревой машины, включающая установленные в корпусе роторно-вихревой машины статор с выполненными спрофилированными каналами для перехода рабочей среды с одной торцевой стороны на другую и ротор, между которыми образована торообразная рабочая полость с размещенными лопатками, связанными со статором, разделитель связанный с ротором, в роторе и смежных с ним статорах напротив друг друга по обеим сторонам торообразной рабочей полости выполнены кольцевые канавки с размещенными в них уплотнительными кольцами, причем статор выполнен, по крайней мере, из двух деталей, между ответными частями поверхностей которых образованы указанные каналы, а статор состоит из двух половин первой и второй, имеющих возможность осевого перемещения относительно друг друга, между первыми половинами смежных с ротором статоров установлены ограничительные распорные втулки, фиксирующие первую половину статора от осевого перемещения и поворота относительно корпуса роторно-вихревой машины, вторая половина статора зафиксирована от проворачивания относительно первой с возможностью свободного скольжения в охватывающей вторую половину статора ограничительной распорной втулке.
Указанный технический результат достигается также тем, что ступень роторно-вихревой машины может содержать упругое торцевое уплотнительное кольцо, установленное между внутренней торцевой поверхностью второй половины статора и прилежащей к ней торцевой поверхностью первой половины статора, предварительно разжимающее относительно друг друга первую и вторую половины статора.
Указанный технический результат достигается также тем, что в ступени роторно-вихревой машины вторая половина статора может быть зафиксирована от проворачивания относительно первой с помощью штифта, установленного на внутренней торцевой поверхности первой половины статора с возможностью свободного скольжения по стенкам отверстия, выполненного на противолежащей внутренней торцевой поверхности второй половины статора.
Указанный технический результат достигается также тем, что в ступени роторно-вихревой машины вторая половина статора может быть зафиксирована от проворачивания относительно первой с помощью штифта, установленного на внешней цилиндрической поверхности второй половины статора с возможностью свободного скольжения по стенкам паза, выполненного в охватывающей вторую половину статора ограничительной распорной втулке.
Указанный технический результат достигается также тем, что в ступени роторно-вихревой машины между наружной торцевой поверхностью второй половины статора и наружной торцевой поверхностью первой половины статора смежной ступени внутри ограничительной распорной втулки с минимальным зазором может быть установлена дополнительная втулка, ограничивающая осевое перемещение второй половины статора относительно первой.
Выполнение ступени роторно-вихревой машины таким образом, что она включает установленные в корпусе роторно-вихревой машины статор с выполненными спрофилированными каналами для перехода рабочей среды с одной торцевой стороны на другую и ротор, между которыми образована торообразная рабочая полость с размещенными лопатками, связанными со статором, разделитель связанный с ротором, в роторе и смежных с ним статорах напротив друг друга по обеим сторонам торообразной рабочей полости выполнены кольцевые канавки с размещенными в них уплотнительными кольцами, причем статор выполнен, по крайней мере, из двух деталей, между ответными частями поверхностей которых образованы указанные каналы, а статор состоит из двух половин первой и второй, имеющих возможность осевого перемещения относительно друг друга, вторая половина статора зафиксирована от проворачивания относительно первой, между первыми половинами смежных с ротором статоров установлены ограничительные распорные втулки, фиксирующие первую половину статора от осевого перемещения и поворота относительно корпуса роторно-вихревой машины, повышает технологичность сборки роторно-вихревой машины, повышает ее надежность и коэффициент полезного действия.
На фиг. 1 изображен продольный разрез варианта исполнения ступени роторно-вихревой машины, в котором вторая половина статора зафиксирована от проворачивания относительно первой с помощью штифта, установленного на внутренней торцевой поверхности первой половины статора с возможностью свободного скольжения по стенкам отверстия, выполненного на противолежащей внутренней торцевой поверхности второй половины статора
На фиг. 2 изображен продольный разрез варианта исполнения ступени роторно-вихревой машины, в котором вторая половина статора зафиксирована от проворачивания относительно первой с помощью штифта, установленного на внешней цилиндрической поверхности второй половины статора с возможностью свободного скольжения по стенкам паза, выполненного в охватывающей вторую половину статора ограничительной распорной втулке, фиксирующей первую половину статора от осевого перемещения и поворота относительно корпуса роторно-вихревой машины.
На фиг. 3 изображен поперечный разрез ступени со стороны первой половины статора (А-А).
На фиг. 4 изображен поперечный разрез ступени со стороны второй половины ротора (Б-Б).
На фиг. 5 изображен вид ротора В.
На фиг. 6 изображен вид ротора Г.
Ступень роторно-вихревой машины (см. фиг. 1-6) содержит закрепленный на валу 1 ротор 2. Ротор 2 расположен между двумя, закрепленными в корпусе 3, статорами: статором 4 и статором предыдущей ступени 5. Каждый статор состоит из двух половин 6 и 7. Между каждым статором 4 и 5 (см. фиг. 2, 3) и смежным с ними ротором 2 (см. фиг. 4, 5) образованы торообразные рабочие полости 8 (имеющие в меридиональном сечении профиль овала или круга), в которых расположены рабочие лопатки 9, связанные с половинами статоров 6 и 7, и разделитель 10, связанный с ротором 2. Половины 6 и 7 статоров 4 и 5 выполнены в виде дисков. Между внутренней торцевой поверхностью второй половины 7 статора и прилежащей к ней торцевой поверхностью первой половины 6 статора в канавке 12, выполненной на внутренней торцевой поверхности второй половины 7 статора, может быть установлено упругое торцевое уплотнительное кольцо 13, предварительно разжимающее относительно друг друга первую 6 и вторую 7 половины статора. Между второй половиной 7 каждого из статоров 4, 5 и валом 1 (см. фиг. 1-4) могут быть установлены втулки 14, сопрягающиеся с минимальным зазором со второй половиной 7 каждого статора и валом 1 роторно-вихревой машины. Каждая втулка 14 зафиксирована от проворачивания с возможностью осевого перемещения вдоль пазов 15 (см. фиг. 1-4), выполненных на ее внутренней поверхности по шпонке 16, установленной на вале 1. Перемещение втулки 14 ограничено в осевом направлении торцевыми поверхностями 17 и 18 роторов 2 смежных последовательно установленных ступеней роторно-вихревой машины.
Внешние торцовые поверхности 19 и 20 первой 6 и второй 7 половины каждого статора 4 и 5 (см. фиг. 1-6) сопрягаются с соответствующими 21 и 22 торцевыми поверхностями роторов 2. Первые половины 6 статоров смежных ступеней роторно-вихревой машины (см. фиг. 1, 2) в продольном направлении фиксируются относительно друг друга и относительно корпуса 3 втулками 23. Осевое перемещение второй половины 7 относительно первой половины 6 каждого статора может быть ограничено дополнительной втулкой 24, установленной с минимальным зазором внутри втулки 23 между второй половиной 7 и первой половиной 6 статоров смежных ступеней. Вторая половина 7 каждого статора (см. фиг. 1) может быть зафиксирована от проворачивания относительно первой половины 6, например, с помощью штифта 25, установленного на внутренней торцевой поверхности первой половины 6 статора с возможностью свободного скольжения по стенкам отверстия 26, выполненного на противолежащей внутренней торцевой поверхности второй половины 7 статора, при этом обеспечивается возможность продольного перемещения второй половины 7 относительно первой половины 6 статора вдоль оси вала 1.
Вторая половина 7 каждого статора (см. фиг. 2) может быть зафиксирована от проворачивания относительно первой половины 6, например, с помощью штифта 27, установленного на внешней цилиндрической поверхности второй половины 7 статора с возможностью свободного скольжения по стенкам паза 28, выполненного в охватывающей вторую половину статора ограничительной распорной втулке 23, фиксирующей первую половину 6 статора от осевого перемещения и поворота относительно корпуса 3 роторно-вихревой машины.
В частях статоров 6 и 7 и смежных с ними роторах 2 (см. фиг. 1-6) напротив друг друга по обеим сторонам торообразных рабочих полостей выполнены кольцевые канавки с размещенными в них твердосплавными уплотнительными кольцами 29, 30 и 31, 32, соответственно.
На внутренней цилиндрической поверхности ротора 2 выполнен шпоночный паз 33, сопрягающийся со шпонкой 16 установленной на валу 1.
Камера высокого давления ротора 34 сообщается с камерой низкого давления ротора 35 посредством торообразных рабочих полостей 8, в которых расположены рабочие лопатки 9 статоров 4 и 5 (см. фиг. 1-6).
Камера высокого давления ротора 34 сообщается с профилированными переходами камеры высокого давления 36, расположенными во второй половине 7 статора 4.
При работе ступени роторно-вихревой машины в режиме насоса (см. фиг. 1-6) момент от вала 1 передается через шпонку 16 и шпоночному пазу 33 закрепленному на нем ротору 2. Рабочая среда, находящаяся в торообразных рабочих полостях 8 каждой ступени, под воздействием на нее поверхностей лопаток 9 второй половины 7 статора 4 и первой половины 6 статора 5, а также разделителя 10 ротора 2 приобретает вихреобразное движение. Такое движение рабочей среды препятствует ее свободному перетеканию по рабочей полости в направлении вращения ротора 2. Под воздействием перемещающегося разделителя 10 давление рабочей среды повышается и рабочая среда вытесняется в камеру высокого давления 34 - выходной канал ступени, а через входной канал камеры низкого давления 35 в рабочую полость засасывается новое количество рабочей среды. Из выходного канала ступени рабочая среда по спрофилированным переходам 36 камеры высокого давления, расположенным во второй половине 7 статора 4, через входной канал 37 следующей ступени поступает в рабочую полость следующей ступени, где аналогичным образом происходит дальнейшее повышение ее давления. Дополнительная втулка 24, установленная с минимальным зазором внутри втулки 23 между второй половиной 7 и первой половиной 6 статоров 4 и 5 смежных ступеней, предотвращает большую нагрузку на ротор 2 второй половиной статора 7 при больших перепадах давления на ступень, а также заклинивание роторно-вихревой машины при износе уплотнительных колец 29, 30 и 31, 32 в процессе работы в среде абразивно-содержащей пластовой жидкости. Из выходного канала последней ступени рабочая среда поступает в канал для отвода среды в головке.
При работе роторно-вихревой машины в режиме двигателя поток рабочей жидкости под давлением подается через каналы 37 и 36 в торообразные рабочие полости 8. В каждой рабочей полости 8 ступени под действием лопаток 9 второй половины 7 статора 4 (или первой половины 6 статора 5) поток рабочей жидкости приобретает вихреобразный характер, исключающий возможность ее свободного перетекания по рабочей полости 8 в канал 35 и далее. В результате разделитель 10 оказывается под действием перепада давлений рабочей среды, и ротор 2 совершает вращательное движение, которое передается на связанный с ним вал 1 машины. При наличии нескольких рабочих ступеней рабочая среда из выходного канала 35 первой ступени поступает во входной канал 37 второй ступени, где, так же как и в первой ступени, давление рабочей среды преобразуется во вращательный момент, передаваемый на вал машины. После последовательного прохождения всех ступеней рабочая среда из выходного канала поступает в канал для отвода рабочей среды.
Выполнение статора из двух половин первой 6 и второй 7, за счет силы возникающей из-за разницы давлений между камерой высокого давления 37 и давлением в торообразной рабочей полости 8, а также установки упругого торцевого уплотнительного кольца 13, разжимающей первую 6 и вторую 7 половины статора 4, исключает протечки рабочей среды из камеры высокого давления 37 ступени во входной канал 35 между уплотнительными кольцами 31, 32 ротора 2 и уплотнительными кольцами 29, 30 смежных с ними половинами второй 6 статора 4 и первой 7 статора 5 во время работы, а также в процессе их износа при работе в среде абразивно-содержащей пластовой жидкости, улучшает технологичность сборки роторно-вихревой машины за счет исключения необходимости точной подгонки длины распорных втулок 23, фиксирующих в продольном направлении относительно друг друга первые половины 6 статоров 2, обеспечивающих необходимые зазоры между торцевыми поверхностями ротора и статоров, и тем самым повышает коэффициент полезного действия роторно-вихревой машины и ее надежность.