РОТОРНАЯ МАШИНА С ВНУТРЕННИМ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ (ВАРИАНТЫ)

Техническое решение относится к области машиностроения, в частности к гидромашинам объемного вытеснения, а именно, к гидравлическим двигателям и насосам с внутренним зацеплением роторов, в частности мультифазному их использованию.
Из патентной литературы уже известна и принята в качестве прототипа роторная машина с внутренним зацеплением, содержащая корпус с цилиндрической полостью и каналами всасывания и нагнетания рабочей среды, закрытый с двух сторон торцевыми крышками, коаксиально размещенный в полости корпуса внешний ротор с внутренними зубьями и установленный внутри него с эксцентриситетом внутренний ротор с внешними зубьями, жестко закрепленный на валу, при этом между торцевыми крышками и торцами роторов установлены кольцевые торцевые диски, выполненные с плоской кольцевой поверхностью со стороны торцов роторов и соосной кольцевой цилиндрической полостью, открытой со стороны соответствующей торцевой крышки, и жестко закрепленные на внешнем роторе с примыканием к торцам последнего, соосно с ним и с возможностью вращения вокруг его оси на подшипниках, размещенных внутри кольцевой полости диска. Крепление торцевых дисков к торцам внешнего ротора осуществлено с помощью резьбовых элементов (DE 3633329 А1, 07.04.1998, F 01 С 1/10).
В известном решении осевая фиксация подшипников и торцевых дисков осуществляется посредством прижатия непосредственно торцевыми крышками, без возможности регулирования ее величины.
Возникающий при эксплуатации машины осевой люфт приводит к снижению герметизации камер всасывания и нагнетания из-за неэффективного уплотнения зазоров, а, следовательно, - к уносу рабочей среды и снижению коэффициента полезного действия машины.
Задачей технического решения является повышение коэффициента полезного действия машины путем повышения эффективности уплотнения зазоров, в частности между торцевыми дисками и подшипниками и между торцами цилиндрических стенок кольцевых полостей этих дисков, открытых со стороны соответствующих торцевых крышек и их (дисков) внутренней поверхностью, а также повышение надежности машины путем повышения эффективности уплотнения зон расположения подшипников и устранения «сухого трения».
Для решения поставленной задачи с достижением заявленного технического результата машина с внутренним зацеплением по первому варианту исполнения, содержащая корпус с цилиндрической полостью и каналами всасывания и нагнетания рабочей среды, закрытый с двух сторон торцевыми крышками, коаксиально размещенный в полости корпуса внешний ротор с внутренними зубьями и установленный внутри него с эксцентриситетом внутренний ротор с внешними зубьями, жестко закрепленный на валу, при этом между торцевыми крышками и торцами роторов установлены кольцевые торцевые диски, выполненные с плоской кольцевой поверхностью со стороны торцов роторов и соосной кольцевой цилиндрической полостью, открытой со стороны соответствующей торцевой крышки, и жестко закрепленные на внешнем роторе с примыканием к торцам последнего, соосно с ним и с возможностью вращения вокруг его оси на подшипниках, размещенных внутри кольцевой цилиндрической полости диска, согласно полезной модели, по первому варианту исполнения, машина дополнительно снабжена опорно-уплотнительными
элементами, каждый из которых установлен на валу между подшипником и соответствующей торцевой крышкой и выполнен в виде соосного с торцевым диском ступенчатого кольца с уменьшающимся в направлении роторов наружным диаметром ступеней, причем подшипник установлен внутри кольцевой полости диска на наружном диаметре первой ступени этого кольца, выполненной с наименьшим наружным диаметром, вторая ступень опорно-уплотнительного элемента снабжена плавающей втулкой, установленной на наружном диаметре этой ступени с возможностью осевой фиксации подшипника по его наружному диаметру, а третья ступень кольца с наибольшим наружным диаметром ступеней может быть снабжена кольцевым упором, закрепленным на нем посредством резьбовых элементов с возможностью перемещения вдоль плавающей втулки, причем торцевая часть третьей ступени установлена с возможностью фиксации торца наружной цилиндрической стенки кольцевой полости диска, открытой со стороны соответствующей торцевой крышки, а каждый упор в зоне сопряжения с плавающей втулкой и в зоне сопряжения с цилиндрической поверхностью третьей ступени кольца снабжен кольцевыми уплотнениями.
Каждый опорно-уплотнительный элемент, как по первому, так и по второму варианту исполнения снабжен кольцевым уплотнением в зоне сопряжения цилиндрической поверхности по меньшей мере одной его ступени с валом и с торцевым диском. Кроме того по обоим вариантам исполнения каждый торцевой диск снабжен по меньшей мере одним кольцевым уплотнением в зоне сопряжения с цилиндрической полостью может быть корпуса, причем одно из этих уплотнений размещено с примыканием к торцу ротора.
По первому варианту варианту исполнения длина образующей цилиндра наружной цилиндрической стенки кольцевой полости диска превышает длину образующей внутренней цилиндрической стенки этой полости.
По второму варианту исполнения в роторной машине с внутренним зацеплением в отличии от первого варианта исполнения, торцевые кольцевые диски, жестко закрепленные на внешнем роторе, выполнены с соосной цилиндрической полостью, открытой со стороны соответствующей торцевой крышки, т.е. отсутствует внутренняя цилиндрическая стенка, более близкая к оси вращения вала, ограничивающая полость диска, а каждый подшипник установлен снаружи цилиндрической полости торцевого диска и с примыканием к цилиндрической полости корпуса, а также с возможностью осевой фиксации подшипника по наружному и внутреннему его диаметрам, посредством упорного кольца, размещенного между торцевым диском и гильзой, ограничивающей цилиндрическую полость корпуса. Машина снабжена опорно-уплотнительными элементами, каждый из которых установлен на валу между подшипником и соответствующей торцевой крышкой и выполнен в виде соосного с диском ступенчатого кольца, причем каждый торцевой диск установлен с примыканием цилиндрической стенки, ограничивающей его полость, к наружному диаметру по меньшей мере одной из ступеней опорно-уплотнительного элемента. Внутри каждого упорного кольца со стороны торцевого диска расположено кольцевое уплотнение с гидродинамической смазкой, а со стороны полости корпуса - обычное кольцевое уплотнение.
Кольцевые уплотнения с гидродинамической смазкой, ограничены стороны уплотняемой поверхности двумя цилиндрическими поверхностями разного диаметра, сопряженными между собой коническим участком, выполненным в виде замкнутой синусоидообразной полосы,
размещенной по периметру контакта уплотнения с уплотняемой поверхностью, причем поперечное сечение уплотнения выполнено переменным по периметру кольца уплотнения, а образующая конуса участка сопряжения наклонена в заданном осевом направлении для осуществления гидро-динамической смазки и выброса абразива.
Машина по второму варианту исполнения выполнена с опорно-уплотнительными элементами, каждый из которых установлен на валу между подшипником и соответствующей торцевой крышкой и выполнен в виде соосно с диском кольца, установленного внутри полости 14 диска. Кольцевые уплотнения выполнены из упругого материала.
Сущность полезной модели поясняется графически.
На фиг.1 схематично показан продольный разрез предлагаемой роторной машины в зоне размещения торцевого диска /по первому варианту исполнения/ На фиг.2 - то же для второго варианта исполнения. На фиг.3 укрупненно показано поперечное сечение кольцевого уплотнения с гидродинамической смазкой. На фиг.4 показано уплотнение с гидро-динамической смазкой в момент выброса масла с частицами абразива.
На фиг.5 показано поперечное сечение роторной машины в зоне роторов. Роторная машина содержит корпус 1 с цилиндрической полостью 2, закрытый с двух сторон торцевыми крышками 3. Внутри полости 2, ограниченной гильзой 4, коаксиально размещен внешний ротор 5 с внутренними зубьями и установленный внутри него внутренний ротор 6 с внешними зубьями 7 с эксцентриситетом «е» между осями 8 и 9 вращения соответственно внешнего и внутреннего роторов. Внутренний ротор 6 жестко закреплен на валу 10, например, посредством шпонки 11.
Между торцевыми крышками 3 и торцами роторов установлены кольцевые торцевые диски 12, выполненные с плоской кольцевой поверхностью 13 со стороны торцов роторов и соосной кольцевой цилиндрической полостью 14 / по первому варианту исполнения, фиг.1/,
отрытой со стороны соответствующей торцевой крышки 3, или соосной цилиндрической полостью 14 /по второму варианту исполнения, фиг.2/. Торцевые диски 12 жестко закреплены на внешнем роторе 5 с примыканием к его торцам и соосно с ним. Торцевые диски 12 вместе с внешним ротором 5 вращаются как единая деталь вращения вокруг оси 8 этого ротора на подшипниках 15, размещенных внутри кольцевой цилиндрической полости 14 по первому варианту исполнения и размещенных снаружи цилиндрической полости 14 по второму варианту исполнения.
На валу 10 роторной машины между подшипником 15 и соответствующей торцевой крышкой 3 установлен опорно-уплотнительный элемент 16, выполненный в виде соосного с торцевым диском 12 ступенчатого кольца, по первому варианту исполнения, причем наружные диаметры ступеней элемента 16 выполнены с уменьшением величины в направлении роторов 5 и 6. Внутри полости 14 по первому варианту исполнений размещены две ступени 17 и 18 элемента 16. На первой ступени 17 с наименьшим наружным диаметром, установлен подшипник 15, причем он установлен с примыканием к цилиндрической стенке 18, которая выполнена по первому варианту исполнения с образующей 19 большей длины по сравнению с образующей цилиндра цилиндрической стенки 20, расположенной ближе к оси вращения диска 12. По второму варианту исполнения длина образующей внутренней цилиндрической стенки 20 полости диска равна нулю, а внутри полости 14 размещена ступень 17 с наименьшим наружным диаметром, сопряженная с торцевым диском 12. Вторая ступень 18 опорно-уплотнительного элемента 16 по первому варианту исполнения снабжена плавающей втулкой 21, размещенной на наружном диаметре этой второй ступени с возможностью осевой фиксации подшипника 15 по его наружному диаметру. Третья ступень 22
элемента 16 снабжена /по первому варианту исполнения/ кольцевым упором 23, закрепленном на этом элементе посредством резьбовых элементов 24, с помощью которых может быть проведено и регулирование осевого перемещения упора 23.
Кольцевой упор 23 установлен коаксиально с плавающей втулкой 21 и с возможностью перемещения вдоль этой втулки 21. Торцевая часть каждого упора 23 установлена с примыканием к торцу 25 наружной части цилиндрической стенки 19 кольцевой полости диска, открытой со стороны соответствующей торцевой крышки 3. Крепление торцевого диска 12 к торцу ротора 4 выполнено посредством резьбовых элементов 26.
Каждый опорно-уплотнительный элемент 16 выполнен с кольцевым уплотнением 27 в зоне его сопряжения с валом 10 и кольцевым уплотнением 28 в зоне его сопряжения с торцевым диском 12. Оба уплотнения 27 и 28 по двум вариантам исполнения выполнены с гидродинамической смазкой.
Каждый торцевой диск снабжен по меньшей мере одним кольцевым уплотнением 29 в зоне сопряжения диска с цилиндрической полостью 2 корпуса, ограниченной гильзой 4, запрессованной в корпус 1.
Кроме того, каждый кольцевой упор 23 по первому варианту исполнения также снабжен кольцевыми уплотнениями 30 и 31 в зоне сопряжения с плавающей втулкой 21, причем уплотнение 30 выполнено с гидродинамической смазкой.
По второму варианту исполнения каждый подшипник 15 установлен снаружи цилиндрической полости 14 торцевого диска 12 и с примыканием к цилиндрической полости 2 корпуса посредством упорного кольца 32, а также с возможностью осевой фиксации подшипника 15 по наружному и внутреннему его диаметрам.
Каждое упорное кольцо 32 по второму варианту исполнения снабжено кольцевыми уплотнениями 33 и 34, из которых последнее с гидродинамической смазкой,
причем подшипник 15 установлен непосредственно на цилиндрическую наружную стенку торцевого диска 12 и фиксирован упорным кольцом 32 по наружному диаметру подшипника и торцом диска - по внутреннему диаметру подшипника. Торцевой диск установлен с примыканием цилиндрической стенки своей полости 14 к наружному диаметру ступени опорно-уплотнительного элемента 16.
Представленное на фиг.3 уплотнительное кольцо со стороны уплотняемой поверхности ограничено двумя цилиндрическими поверхностями 35, 36 разного диаметра, сопряженными между собой коническим участком 37 поверхности, выполненным в виде замкнутой синусоидообразной полосы 38, размещенной по периметру контакта уплотнения с уплотняемой поверхностью. При этом образующая конического участка наклонена в заданном осевом направлении для возможности выброса масла с абразивсодержащими включениями. По периметру кольца поперечное сечение уплотнения выполнено переменным.
На внутреннем роторе установлено кольцевое уплотнение 39, выполненное с диаметром, меньшим диаметра впадин между зубьями внутреннего роторами, и предназначенное для герметизаций камер всасывания и нагнетания. Использование эластичных упругих полимерных материалов в качестве материала уплотнений существенно повышает герметизацию камер всасывания и нагнетания, а также уплотняет зазоры в сопрягаемых деталях и в частности подшипниковых зонах машины, предотвращая унос смазки из подшипников и возникновение «сухого трения» в сопрягаемых деталях, а, следовательно, позволяет повысить коэффициент полезного действия роторной машины, а также надежность ее работы.
Выполнение опорно-уплотнительных элементов ступенчатыми также позволит существенно улучшить уплотнение каждого подшипникового узла за счет многократного уплотнения сопрягаемых деталей на каждой ступени опорно-уплотнительного элемента и использования торцевых уплотнений. Использование уплотнений с газодинамической смазкой в местах изоляции
рабочей среды от масляной системы существенно повышает эффективность уплотнения, особенно при работе на абразивсодержащих средствах.
Предлагаемая роторная машина может работать как в режиме насоса, так и в режиме двигателя, причем как на жидких рабочих средах и даже с абразивными включениями, так и на газовых и газожидкостных рабочих средах.
При работе машины в режиме насоса вал 10, который в данном случае является приводным валом, приводит во вращение внутренний ротор 6, который посредством внутреннего зацепления своих зубьев 7 и зубьями внешнего ротора 5 приводит во вращательное движение последний. При вращении роторов вращательного узла рабочая жидкость поступает во всасывающую камеру, рабочий объем которой расширяется, а затем из камеры нагнетания, объем которой уменьшается, вытесняется к потребителю.
При работе в режиме гидродвигателя рабочая жидкость подается под давлением в расширяющиеся рабочие камеры и приводит во вращение вращательный узел с его роторами, сначала приводя в движение вокруг своей оси внешний ротор 5, а затем посредством внутреннего зацепления зубьев внешнего ротора 5 с зубьями 7 внутреннего ротора 6, приводя во вращательное движение вал 10, при этом объем рабочих камер уменьшается и рабочая жидкость вытесняется из них.
Предлагаемая роторная машина позволит существенно повысить коэффициент полезного действия за счет повышения эффективности уплотнения зазоров, в частности между торцевыми дисками и подшипниками и между торцами цилиндрических стенок кольцевых полостей этих дисков, а также позволит повысить надежность машины при мультифазном ее исполнении и работе с абразивсодержащими рабочими средствами путем повышения эффективности уплотнения зон расположения подшипников и устранения возможного при эксплуатации таких машин «сухого трения», а также предотвращения попадания рабочей среды в маслянную систему машины.
Предлагаемая машина успешно прошла испытания и готовится к внедрению на нефтеразработках.