ВИНТОВАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к области производства и конструирования гидравлических машин в различных отраслях промышленности. В частности, она может быть использована в нефтяной промышленности при создании гидравлических забойных двигателей для бурения скважин.
Известна машина, содержащая корпус с входом и выходом, секционную обойму с винтообразными каналами и винтообразный ротор, эксцентрично размещенный в обойме, с возможностью радиального смещения обоймы относительно ротора, размещенного на опорах. Обойма выполнена по форме спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке корпуса, с возможностью образования внутри корпуса следующих друг за другом спиралевидных камер, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями. Обойма выполнена из отдельных секций, следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций друг относительно друга и каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, выполненным на роторе (RU №124931, 2012)
Недостатком известного устройства является возрастание гидравлических сопротивлений в спиралевидных камерах при увеличении скорости вращения ротора, что приводит к повышенному износу винтовой машины и, соответственно, к снижению ресурса ее работы.
Задачей решаемой полезной модели является повышение ресурса работы винтовой машины.
Поставленная задача достигается тем что, в винтовой машине, содержащей корпус с входом и выходом, секционную обойму с винтообразными каналами и винтообразный ротор, эксцентрично размещенный в обойме, с возможностью радиального смещения обоймы относительно ротора, размещенного на опорах, обойма выполнена по форме спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке корпуса, с возможностью образования внутри корпуса следующих друг за другом спиралевидных камер, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями, обойма выполнена из отдельных секций, следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций относительно друг друга, и каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, выполненным на роторе, согласно полезной модели, каждая секция обоймы оснащена промежуточным стержнем, размещенным вдоль ротора в разгрузочной канавке, выполненной в роторе, с возможностью радиального смещения промежуточного стержня относительно ротора, при этом длина разгрузочной канавки превышает длину промежуточного стержня.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении расширения диапазона скорости вращения ротора за счет снижения гидравлического сопротивления в области спиралевидных камер.
Расширение диапазона скорости вращения ротора обеспечит в свою очередь расширение области применения предлагаемой конструкции винтовой машины.
Для удобства описания полезной модели на фигурах 1-4, с применением приемов трехмерного моделирования, представлена заявляемая винтовая машина и ее отдельные узлы и детали.
На фигуре 1 представлен продольный разрез винтовой машины.
На фигуре 2 в изометрии представлен ротор со спиралевидной обоймой, выполненной из отдельных секций, следующих друг за другом.
На фигуре 3 представлена одна секция обоймы, которая оснащена промежуточным стержнем.
На фигуре 4 представлен ротор, в котором выполнены разгрузочные канавки.
Винтовая машина, по фигурам 1-4, содержит корпус 1 с входом 2 и выходом 3, секционную обойму 4 с винтообразными каналами и винтообразный ротор 5, эксцентрично размещенный в обойме 4, с возможностью радиального смещения обоймы 4 относительно ротора 5, размещенного на опорах 6 и 7. Обойма 4 выполнена по форме спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке 8 корпуса 1. Ротор 5 размещен вблизи от поверхности расточки 8 корпуса 1 с образованием щелевого уплотнения 9 в зазоре между наружной поверхностью ротора 5 и поверхностью расточки 8 в корпусе 1, с возможностью образования внутри корпуса 1 следующих друг за другом спиралевидных камер 10, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями 9. Ротор 5 оснащен стопорными элементами 11, ограничивающими перемещение обоймы 4 относительно ротора 5. Обойма 4 выполнена из отдельных секций 12, 13 следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций 12, 13 друг относительно друга. Каждая секция обоймы 4, например, секция 13 оснащена стопорным элементом 11, выполненным на роторе 5. Стопорный элемент 11 может представлять собой плоскую опорную поверхность, выполненную на роторе 5. Секции в обойме 4 расположены вдоль винтовой линии с образованием ступенчатой структуры, подобно ступеням на винтовой лестнице.
В полости спиралевидных камер 10, как в известных технических решениях, может быть размещена дополнительная опора 14 для ротора 5, и в дополнительной опоре выполнены проточные каналы 15, сообщающиеся через щелевые уплотнения 9 с входом 2 и с выходом 3 корпуса 1. В конструкции может быть использован фиксатор 16, который исключает поворот опоры 6, 7, 14 внутри корпуса 1.
Ротор 5 установлен на опорах 6, 7 и 14, которые обеспечивают условия, чтобы ротор 5 был эксцентрично размещен в обойме 4, и, соответственно, эксцентрично размещен внутри расточки 8 в корпусе 1. При этом обойма 4 выполнена концентрично размещенной в расточке 8 корпуса 1.
Каждая секция обоймы 12 оснащена промежуточным стержнем 17, расположенным вдоль ротора 5 в разгрузочной канавке 18, выполненной в роторе 5, с возможностью радиального смещения промежуточного стержня 17 относительно ротора 5, при этом длина разгрузочной канавки 18 превышает длину промежуточного стержня 17. Промежуточный стержень 17 может быть установлен с зазором в разгрузочной канавке 18, для обеспечения возможности радиального смещения промежуточного стержня 17 относительно ротора 5.
Винтовая машина работает следующим образом в режиме насоса (или компрессора). От вала двигателя (на фигурах двигатель не показан) механическая энергия передается на ротор 5, установленный на опорах 6, 7 и 14. При вращении ротора 5 во вращательное движение вовлекается и обойма 4. Обойма 4 выполнена из отдельных секций 12, 13, следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций 12, 13 друг относительно друга. Каждая секция 13 обоймы 4 оснащена стопорным элементом 11, выполненным на роторе 5. При вращении ротора 5 в спиралевидных камерах 10 обеспечивается силовое воздействие на жидкость, заполняющую полости в камерах 10. Таким образом, формируется поток жидкости в направлении от входа 2 к выходу 3. Щелевые уплотнения 9 уменьшают объемные потери, поскольку ротор 5 размещен вблизи от поверхности расточки 8 корпуса 1 с образованием щелевого уплотнения 9 в зазоре между наружной поверхностью ротора 5 и поверхностью расточки 8 в корпусе 1. Внутри корпуса 1 следующие друг за другом спиралевидные камеры 10, отделены друг от друга щелевыми уплотнениями 9 и элементами секционной обоймы - секциями 12, 13.
При таком движении ротора 5 и обоймы 4 относительно расточки 8 в корпусе 1 осуществляется смещение спиралевидных камер 10 в направлении от входа 2 к выходу 3. Щелевые уплотнения 9 ограничивают значение объемных потерь мощности и обеспечивают плавное (равномерное) изменение давления по камерам 10, следующим друг за другом. Равномерное распределение (изменение) давления по камерам 9 достигается за счет частичного возвратного перетекания части перекачиваемой среды через каналы щелевых уплотнений 9. Максимальное давление обеспечивается в спиральной камере 10, сообщающейся с выходом 3, что соответствует давлению на выходе насоса. Соответственно минимальное давление обеспечивается в спиральной камере 10, сообщающейся с входом 2, что соответствует давлению на входе насоса. Поскольку для каждой секции 11 имеется свой отдельный стопорный элемент 11, удается распределить нагрузку на большей площади при уменьшенных контактных напряжениях, что открывает возможности для создания более мощных машин.
Ротор 5 установлен на опорах 6, 7 и 14, которые обеспечивают условия, чтобы ротор 5 был эксцентрично размещен в обойме 4, и, соответственно, эксцентрично размещен внутри расточки 8 в корпусе 1. При этом обойма 4 выполнена концентрично размещенной в расточке 8 корпуса 1. С использованием нескольких промежуточных опор 14 открывается возможность для дальнейшего увеличения длины ротора 5, что позволяет создавать более мощные машины.
В полости спиралевидных камер 10 размещена, по крайней мере, одна дополнительная опора 14 для ротора 5, и в дополнительной опоре выполнены проточные каналы 15, сообщающиеся через щелевые уплотнения 9 с входом 2 и с выходом 3. Перекачиваемая среда проходит через проточные каналы 15, в направлении от входа 2 к выходу 3 насоса. В конструкции может быть использован фиксатор 16, который исключает поворот опоры 14 внутри корпуса 1. Фиксатор 16 может быть выполнен на основе механической системы (штифтовое или шпоночное соединение).
Каждая секция обоймы 12 оснащена промежуточным стержнем 17, размещенным вдоль ротора 5 в разгрузочной канавке 18, выполненной в роторе 5, с возможностью радиального смещения промежуточного стержня 17 относительно ротора 5, при этом длина разгрузочной канавки 18 превышает длину промежуточного стержня 17, что обеспечивает гидравлическую связь разгрузочной канавки 18 со спиралевидной камерой 10. При радиальном смещении промежуточного стержня 17, в направлении от центра ротора 5, жидкость поступает в разгрузочную канавку 18 из спиралевидной камеры 10. При радиальном смещении промежуточного стержня 17, в направлении к центру ротора 5, жидкость поступает из разгрузочной канавки 18 в спиралевидную камеру 10. При такой работе винтовой машины в режиме насоса, часть перекачиваемой среды, находящейся под промежуточным стержнем 17, движется через разгрузочные канавки 18, что способствует снижению гидравлических сопротивлений в спиралевидных камерах 10. Такое техническое решение позволяет увеличивать скорость вращения ротора, обеспечивая дополнительные возможности для создания более мощных насосов с расширением области их практического применения.
Промежуточный стержень 17 может быть установлен с зазором в разгрузочной канавке 18, для обеспечения возможности радиального смещения промежуточного стержня 17 относительно ротора 5. В этом случае, при работе винтовой машины в режиме насоса промежуточный стержень 17 за счет перепада давления в спиралевидных камерах 10 прижимается к плоскости стопорного элемента 11, разобщая соседние спиралевидные камеры 10.
При таком конструктивном исполнении становится возможным создание более универсальных и более мощных машин, за счет усовершенствования конструкции ротора машины и ее проточной части. Помимо жидкой среды, заявляемая машина может обеспечить перекачку газов, газожидкостных смесей и других многофазных сред. Длина промежуточных стержней 17, расположенных ближе к выходу 3, может быть меньше длины промежуточных стержней 17, расположенных ближе к входу 2, для обеспечения условий перекачки сжимаемых сред, по аналогии с известными многоступенчатыми компрессорными машинами объемного типа.
Винтовая машина работает следующим образом в режиме двигателя. Во вход 2 подают под избыточным давлением рабочую жидкость (рабочий газ или газожидкостную смесь). Щелевые уплотнения 9 ограничивают значение объемных потерь мощности и обеспечивают плавное изменение давления по камерам 10, следующим друг за другом. Максимальное давление обеспечивается в спиральной камере 10, сообщающейся с входом 2, что соответствует давлению на входе двигателя. Соответственно минимальное давление обеспечивается в спиральной камере 10, сообщающейся с выходом 3, что соответствует давлению на выходе двигателя. За счет перепада давления в соседних камерах 10 возникают силы и крутящий момент, действующие на обойму 4 и ротор 5, так как ротор 5 эксцентрично размещен в обойме 4, с возможностью радиального смещения обоймы 4 относительно ротора 5. Ротор 5 вместе с обоймой 4 под действием указанных сил вовлекаются во вращательное движение. Таким образом, гидравлическая энергия преобразуется в механическую энергию, мощность вращающегося ротора 5 может быть передана к другим машинам (эти машины на фигурах не показаны).
Каждая секция обоймы 12 оснащена промежуточным стержнем 17, размещенным вдоль ротора 5 в разгрузочной канавке 18, выполненной в роторе 5, с возможностью радиального смещения промежуточного стержня 17 относительно ротора 5, при этом длина разгрузочной канавки 18 превышает длину промежуточного стержня 17. При радиальном смещении промежуточного стержня 17, в направлении от центра ротора 5, жидкость поступает в разгрузочную канавку 18 из спиралевидной камеры 10. При радиальном смещении промежуточного стержня 17, в направлении к центру ротора 5, жидкость поступает из разгрузочной канавки 18 в спиралевидную камеру 10. При работе такой винтовой машины в режиме двигателя, часть рабочей жидкости движется через разгрузочные канавки 18, что способствует снижению гидравлических сопротивлений в спиралевидных камерах 10. Промежуточный стержень 17 может быть установлен с зазором в разгрузочной канавке 18, для обеспечения возможности радиального смещения промежуточного стержня 17 относительно ротора 5. В этом случае, при работе винтовой машины в режиме двигателя, промежуточный стержень 17 за счет перепада давления в спиралевидных камерах 10 прижимается к плоскости стопорного элемента 11, разобщая соседние спиралевидные камеры 10.
Такое техническое решение позволяет увеличивать скорость вращения ротора, обеспечивая дополнительные возможности для создания более мощных гидравлических двигателей с расширением области их практического применения.
За счет усовершенствования ротора и проточной части машины решена задача по расширению области применения винтовой машины и обеспечивается создание более универсальных и более мощных винтовых машин.