ОБЪЕМНЫЙ НАСОС ДЛЯ ВОДЫ
WATER DISPLACEMENT PUMP

Изобретение относится к насосам объемного вытеснения, преимущественно для заполнения-осушения балластных цистерн малых подводных судов, не имеющих компрессора на борту и у которых воздух сжимают непосредственно в балластной цистерне, заполняя ее забортной водой насосом. Например, насос для заполнения-осушения балластных цистерн по RU 2423285 и RU 2399544.
Известны насосы объемного вытеснения с циклически неравномерным вращением поршней в кольцевом канале постоянного сечения, например по UA 75431, RU 2181845, RU 2379552 и др.
Известен объемный насос для воды, содержащий кольцевой канал постоянного сечения с окнами в стенке для входа-выхода воды и в нем две пары поршней, каждый из которых расположен между поршнями другой пары, причем пары поршней жестко соединены с отдельными для каждой пары соосными полувалами, связанными кинематически с ведущим валом посредством карданных валов, с возможностью вращать поршни в кольцевом канале циклически неравномерно при равномерном вращении ведущего вала, например по RU 2181845, принятый за прототип.
Недостаток таких насосов в том, что насос неработоспособен, если заполненная водой полость между поршнями не сообщается с окнами пока поршни не дошли до предельного сближения, так как вода почти не сжимаема. А если угловой размер окон больше углового размера поршней, то четырежды за один оборот ведущего вала всасывающие и напорные окна и соответствующие им каналы сообщают между собой мимо поршней. Этим при существенном перепаде давлений воды на входе и выходе из насоса делают насос также неработоспособным. Поэтому для работоспособности насоса угловые размеры поршней, окон, расположение окон, угол излома универсальных шарниров карданных валов для заданной подачи, прокачиваемой за один оборот ведущего вала, выполняют в соответствии необходимыми зависимостями между ними. Иначе такой водяной насос неработоспособен.
Задачей и техническим результатом изобретения является объемный насос для воды, у которого угловые размеры поршней, окон, расположение окон, угол излома осей валов универсальных шарниров карданных валов для возможности работы насоса при заданной подаче воды за один оборот ведущего вала выполнены соответственно необходимым для этого зависимостям между ними.
Сущность изобретения.
1. Объемный насос для воды, содержащий кольцевой канал постоянного сечения с окнами в стенке для входа-выхода воды и в нем две пары поршней, каждый из которых расположен между поршнями другой пары, причем пары поршней жестко соединены с отдельными для каждой пары соосными полувалами, связанными кинематически с ведущим валом посредством карданных валов, с возможностью вращать поршни в кольцевом канале циклически неравномерно при равномерном вращении ведущего вала, причем в соответствии с изобретением максимально возможный угловой размер поршня βmax определяют соответственно формуле:
βmax=90°-m·22,5°,
где m - заданный объем воды, выраженный в безразмерной доле от полного объема кольцевого канала, прокачиваемый за один оборот ведущего вала, при этом угловой размер β поршня не больше углового размера α впускного-выпускного окна, причем угол γ излома осей валов универсальных шарниров карданных валов устанавливают соответственно формуле:
2. Насос по п.1 в соответствии с изобретением сообщен со всасываюшим-напорным каналами через гидрозамок.
Благодаря этому насос объемного вытеснения работоспособен при перекачке воды и обладает заданной подачей за один оборот ведущего вала.
Устроен объемный насос для воды (далее насос), например, следующим образом.
На фиг.1 изображена схема насоса.
На фиг.2 изображены обе крестовины универсальных шарниров карданного вала, каждая из которых содержит две разъемные половинки, вид на плоскость разъема; крестиками обозначены соединяющие их болты.
На фиг.3 схематично изображен пустотелый в виде кольца вал карданного вала с парой соосных шипов универсальных шарниров внутри кольца. Оси обеих пар шипов лежат в общей плоскости и взаимно перпендикулярны.
На фиг.4 схематично изображен ведущий вал, соединенный шлицами с двумя ступицами, имеющими по два соосных шипа универсальных шарниров от левого и правого карданного вала.
На фиг.5 схематично изображено соединение двустороннего гидрозамка с насосом.
На фиг.6 схематично изображены поршни насоса при их предельном сближении и расположение окон в стенке насоса.
На фиг.7 изображена позиция поршней при наибольшей разнице их мгновенных угловых скоростей.
На фиг.8 изображены: пунктиром - график углового отклонения поршня от ведущего вала, штрих-пунктиром - график относительных мгновенных угловых скоростей, сплошной линией - график мгновенных угловых ускорений поршней на текущем угле поворота ведущего вала, а прямой штрих-пунктирной линией - график угловой скорости стационарного вращения ведущего вала.
Условные обозначения на фиг.1…8 и в формулах (1)…(10):
1 - корпус насоса с впускными-выпускными окнами (далее корпус),
2 - кольцевой канал постоянного сечения (далее канал),
3 - пустотелый полувал (далее полувал),
4 - четный поршень; его угловой размер не больше, чем у впускного-выпускного окна, (далее поршень),
5 - нечетный поршень; его угловой размер не больше, чем у впускного-выпускного окна, (далее поршень),
6 - с пустотелой ступицей чашка-вилка с отверстиями для неподвижной посадки пары шипов (далее чашка-вилка),
7 - большая крестовина с отверстием по оси вокруг точки пересечения осей отверстий для шипов (далее крестовина),
8 - пустотелый вал с внутренними и наружными парами шипов универсальных шарниров карданного вала, причем оси пар шипов взаимно перпендикулярны и пересекаются на оси вращения вала 8 (далее вал),
9 - меньшая крестовина с отверстием по оси вокруг точки пересечения осей отверстий для шипов (далее крестовина),
10 - шлицевая ступица с парой соосных шипов универсального шарнира (далее ступица),
11 - карданный вал, содержащий вал 8, крестовины 7 и 9, ступицу 10, чашку-вилку 6, (далее кардан),
12 - ведущий вал машины (далее вал),
13 - упорный подшипник, например по ГОСТ 8995-75, (далее подшипник),
14 - насос,
15 - двусторонний гидрозамок (далее замок),
γ - угол излома (наклона оси вала 8 к оси вала 12, полувала 3) осей валов универсального шарнира (далее угол у),
βmax - угол предельного сближения поршней 4, 5; угол между биссектрисами их угловых размеров, максимально возможный угловой размер поршней 4, 5, (далее угол βmax),
β - угловой размер поршня 4, 5, причем β<βmax, (далее угол β),
α - угловой размер окна, причем α≥β, (далее угол α),
φ - угол поворота вала 12 от начальной позиции, принятой за нуль (далее угол φ),
ψ - угол поворота вала 8 (далее угол ψ),
φ' - угол поворота поршня 4, 5 (далее угол φ'),
Δφ - угол опережения-отставания поршня 4, 5 от вала 12: Δφ=φ'-φ (далее угол Δφ),
ω - угловая скорость вала 12 при его равномерном (стационарном) вращении (далее скорость ω),
ω' - мгновенная угловая скорость поршня 4, 5 совместно с его полувалом (далее скорость ω'),
n - показатель степени, равный 4 (далее экспонента n),
t - текущее время стационарного вращения вала 12 от начальной позиции (далее время t),
ε - мгновенное приращение относительной скорости ω'/ω на угле φ поворота вала 12 (далее ускорение ε).
Корпус 1 состоит из двух симметричных половин, скрепленных по плоскости разъема болтами. Каждая половина корпуса содержит свою часть кольцевого канала 2 с окнами в его стенке для входа и выхода воды. В корпусе по его оси установлен левый полувал 3, соединенный с парой поршней 4, и правый полувал 3, соединенный с парой поршней 5 так, что поршни делят канал на четыре камеры. Зазоры между поршнями 4, 5 и стенкой канала 2 перекрыты уплотнительными кольцами. Внешний торец полувала 3 выполнен в виде зубчатой полумуфты. В стенке чашки-вилки 6 имеется пара отверстий, в которые консолями к оси полувала соосно посажена неподвижно пара шипов шарнирного соединения с крестовиной 7. Другие соосные отверстия крестовины 7 охватывают наружные шипы вала 8. Внутренние шипы этого вала охвачены парой соосных отверстий крестовины 9, у которой другая пара соосных отверстий охватывает шипы ступицы 10. Чашка-вилка 6, крестовина 1, вал 8 образуют наружный универсальный шарнир; вал 8, крестовина 9, ступица 10 образуют внутренний универсальный шарнир, а все вместе образуют левый (правый) карданный вал 11, у которого полюса обоих универсальных шарниров совпадают. Ступицы 10 соединены шлицами с валом 12 и зафиксированы от осевого смещения упорными кольцами. При этом ступицы 10 установлены на валу 12 так, что оси их шипов расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях и пересекаются на оси вращения вала 12. Вал 8 своим торцом опирается на упорный подшипник 13, установленный в корпусе 1 под углом у к оси вала 12. Насос 14 (фиг.5) сообщен окнами в его стенке со всасывающим-напорным каналами через замок 15. Размеры βmax, β, α, γ насоса в зависимости от заданной величины m определяют по следующему алгоритму.
1. Находят функциональную связь между m и βmax.
Объем кольцевого канала в 360° принимают за единицу. Так как сечение кольцевого канала постоянно, то объем кольцевого сектора пропорционален его угловому размеру в градусах (далее упомянутый объем измеряют в градусах кольцевого канала). Пусть поршни 4, 5 с размером βmax (теоретически) находятся в позиции максимального сближения (фиг.6), касаются один другого и занимают объем βmax·4, поскольку в кольцевом канале таких поршней четыре. Поэтому объем канала, в котором может находиться вода: 360° - 4·βmax. Этот объем воды за один оборот вала 12 прокачивают четырежды. Поэтому объем воды прокачиваемой за один оборот вала 12 (без учета объемного коэффициента полезного действия) определяют так: (360° - 4·βmax)·4=m·360°. Отсюда:
Например, если m=0,5, то βmax=78,75°; если m=1,0, то βmax=67,50°; если m=2,0, то βmax=45°. При этом принимают конструктивный размер поршня β<βmax. Размер α окна выполняют чуть больше размера β или равным β при выполнении кромок окон с разгружающими фасками, то есть α≥β.
2. Находят функциональную связь между γ и βmax.
2.1. Окружность кольцевого канала (далее ОК) (фиг.6 и 7) делят на четыре четверти двумя взаимно перпендикулярными осями OXY соответственно §15 книги М.Я.Выгодский Справочник по элементарной математике. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1958, с.348-350, фиг.227, 229 [1]. Пусть угол γ лежит в плоскости, перпендикулярной к плоскости осей OXY. За положительное направление вращения вала 12 и поршней 4 5 принимают вращение против часовой стрелки. За φ=0° принимают позицию шипов ступицы 10 на валу 12, при которой проекции осей шипов лежат на оси ОХ. Пусть при этом поршни 4 связаны с валом 12 так, что биссектрисы их угловых размеров и соответствующие оси шипов ступиц 10, с которыми связаны поршни 4, лежат в одной и той же плоскости. То же относится и к поршням 5, но они лежат в иной плоскости, чем поршни 4. (Далее позицию поршня определяют по позиции соответствующей биссектрисы). В позиции φ'=0° поршень 5 находится на границе начала первой четверти ОК (фиг 7), а поршень 4 повернут на 90° по ходу вращения относительно поршня 5 и находится на угле φ' - 90°, то есть на границе начала второй четверти ОК (фиг.6).
2.2. Угол ψ вала 8, как функцию от угла φ поворота вала 12 от позиции φ=0°, определяют по формуле 11.4 из книги Артоболевский И.И. Теория механизмов. М.: Наука, 1967, с.249 [2], но записанной в условных обозначениях, приведенных выше:
а для определения угла φ' поршня в формуле 11.4 вместо φ подставляют значение ψ из формулы (2) и после корректных преобразований получают:
Чтобы по формуле (3) получить правильное значение угла φ' учитывают знак (±) тангенса четверти ОК в которой движется поршень 4,5.
2.3. Угол Δφ, соответствующий углу φ поворота вала 12 от позиции φ=0°, определяют по формуле:
Например, максимальный угол опережения-отставания поршня от вала 12: Δφmax=±11,3° при γ=35,17°.
2.4. Принимают (интуитивные допущения, гипотезу), что:
а) поршни 4, 5 в позиции предельного сближения (фиг.6) имеют равные скорости ω',
б) ускорения е поршней 4, 5 в позиции предельного сближения (фиг.6) равны по модулю и противоположны по знаку,
г) поршни 4, 5 из позиции при φ=0° (фиг.7) в позицию их предельного сближения (фиг.6) передвигают поворотом вала 12 на угол φ=45° и переписывают формулу (3) для вычисления φ' так:
Учитывают, что φ=45°, tg 45°=1, φ'=90°-0,5·βmax, и после подстановки в формулу (5) и преобразований получают:
βmax, γ вычисляют по формулам (1), (5); если m=1, то βmax=67,5°, γ=35,17°; если m=2, то βmax=45,0°, γ=49,9°;
3. Проверяют корректность интуитивных допущений в п.2.4. Для этого:
3.1. Определяют скорость ω' как первую производную φ' по φ, используя формулу (3):
Подставляют φ=45° - вычисляют скорость ω' поршня 5 (фиг.6). Подставляют φ=45°+90° - вычисляют скорость ω' поршня 4. Эти скорости равны через каждые 90°, то есть четырежды за один оборот вала 12, см. (фиг.8).
3.2. График относительной скорости ω'/ω выполняют по формуле:
Экстремальные значения при γ=35,17°; ω'max/ω=1,5, ω'min/ω=0,67.
3.2. Определяют ускорение е как производную от скорости ω'/ω по углу φ, используя формулу (8):
Подставляют φ=45° - вычисляют ускорение е поршня 5 (фиг.6). Подставляют φ=45°+90° - вычисляют ускорение поршня 4. Эти ускорения равны по модулю и противоположны по знаку через каждые 90°, а ε max=0,93 [1/рад].
3.3. На основании вычислений по формулам (8). (9) и (10) принимают, что допущения а), б), в) п.2.4 корректны.
4. Скорость ω' поршня 4, 5 в зависимости от скорости ω вала 12 и от угла φ=ωt его поворота от нулевой позиции (от границы в начале первой четверти ОК) определяют по формуле:
Приведенные формулы используют при проектировании объемного насоса для воды.
Работа. Пусть вал 12 вращают с постоянной угловой скоростью ω. Благодаря указанному выше взаимному расположению шипов универсальных шарниров кардана 11 поршни 4 и 5 вращают циклически неравномерно в противоположных фазах с двумя максимумами ω'max и двумя минимумами ω'min скоростей на каждом обороте вала 12. Этим объем камер между поршнями циклически увеличивают-уменьшают, а воду через окна перекачивают между входным и выходным каналами. Для реверсирования подачи воды вращение вала 12 реверсируют.