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 винтовая 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 относительно друг друга и каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, выполненным на роторе (RU №124931, 2012).
Недостатком известного устройства является ускоренный износ деталей щелевого уплотнения при работе винтовой машины на загрязненных жидкостях.
Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является винтовая 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 относительно друг друга, и каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, выполненным на роторе, а 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 (RU №165039, 2016).
Недостатком известного устройства является ускоренный износ корпуса и щелевых уплотнений при работе винтовой машины на загрязненных жидкостях, в частности, при наличии твердых частиц в потоке.
Технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение ресурса работы винтовой машины при работе на загрязненных жидкостях за счет увеличения наработки щелевых уплотнений и корпуса.
Указанная проблема решается тем, что винтовая машина, содержащая корпус с входным и выходным каналами, секционную обойму с винтообразными каналами и винтообразный ротор, эксцентрично размещенный в обойме, с возможностью радиального смещения обоймы относительно ротора, размещенного на опорах, секции обоймы установлены друг за другом с возможностью углового смещения их относительно друг друга, и каждая секция обоймы 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, при этом каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, выполненным на роторе, и цилиндрическим 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, отличается тем, что каждая секция обоймы выполнена из композиционного материала, состоящего из двух слоев - основного металлического и полимерной защитной оболочки, контактирующей с расточкой корпуса.
Достигаемый технический результат заключается в снижении контактных напряжений в паре трения, образованной обоймой и корпусом.
Достижение указанного технического результата обеспечит в свою очередь расширение области применения предлагаемой конструкции винтовой машины и возможность создания более универсальных и более мощных винтовых машин.
Сущность предлагаемой полезной модели на чертежах, на которых с применением приемов трехмерного моделирования, представлена заявляемая винтовая машина и ее отдельные узлы и детали.
На фиг. 1 представлен продольный разрез винтовой машины.
На фиг. 2 в изометрии представлен ротор со спиралевидной обоймой, выполненной из отдельных секций, следующих друг за другом.
На фиг. 3 представлена одна секция обоймы, выполненная из двухслойного композиционного материала.
На фиг. 4 показана отдельно полимерная защитная оболочка.
На фиг. 5 показан металлический слой секции обоймы.
Винтовая машина, по фиг. 1-5, содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 каналами, 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 относительно друг 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 может быть размещена дополнительная опора 14 для ротора 5, а 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 такие 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. Промежуточный стержень 17 расположен вдоль ротора 5 в разгрузочной канавке 18, выполненной в роторе 5. При этом длина разгрузочной канавки 18 превышает длину промежуточного стержня 17.
Каждая секция обоймы 12 содержит полимерную защитную оболочку 19. Таким образом, каждая секция обоймы 12 выполнена из композиционного материала, состоящего из двух слоев - основного металлического слоя 20 и второго слоя в виде полимерной защитной оболочки 19, контактирующей с расточкой 8 корпуса 1.
Защитная оболочка 19, к примеру, может быть выполнена из резины или пластмассы.
Для надежного соединения слоев на защитной оболочке 19 выполнены выступы 21 и 22, а на поверхности металлического слоя 20 выполнены полости 23 и 24, в которых размещены выступы 21 и 22.
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 относительно друг 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 входного канала 2 к выходному 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 входного канала 2 к выходному 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 выходным каналом 3, что соответствует давлению на выходе насоса. Соответственно минимальное давление обеспечивается в спиральной камере 10, сообщающейся с входным каналом 2, что соответствует давлению на входе насоса. Поскольку для каждой секции 12 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 входным 2 и с выходным 3 каналами. Перекачиваемая среда проходит через проточные каналы 15, в направлении от входного канала 2 к выходному 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. Промежуточный стержень 17 расположен вдоль ротора 5 в разгрузочной канавке 18, выполненной в роторе 5, при этом длина разгрузочной канавки 18 превышает длину промежуточного стержня 17.
Полимерная защитная оболочка 19 контактирует с расточкой 8 корпуса 1.
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.
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.
Возможность для согласованного углового смещения отдельных секций обоймы 12 и 13 относительно друг друга и возможность радиального смещения промежуточного стержня 17 относительно ротора 5 могут быть обеспечены (к примеру) за счет выполнения выступов 21 и 22 на защитной оболочке 19. При этом на поверхности металлического слоя 20 выполнены полости 23 и 24, в которых размещены выступы 21 и 22. За счет такого исполнения обеспечивается постоянный контакт защитной оболочки 19 с расточкой 8 в корпусе 1. Упругие свойства полимерной защитной оболочки 19 обеспечивают проход твердых частиц через щелевое уплотнение 9 без увеличения контактных напряжений на поверхности корпуса 1 в расточке 8 (по подобию с известными уплотнительными устройствами для вращательного движения вала).
Помимо жидкой среды заявляемая машина может обеспечить перекачку газов, газожидкостных смесей и других многофазных сред. Длина промежуточных стержней 17, расположенных ближе к выходному каналу 3, может быть меньше длины промежуточных стержней 17, расположенных ближе к входному каналу 2, для обеспечения условий перекачки сжимаемых сред, по аналогии с известными многоступенчатыми компрессорными машинами объемного типа.
В режиме двигателя предлагаемая винтовая машина работает следующим образом.
Во входной канал 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 входным каналом 2, что соответствует давлению на входе двигателя. Соответственно минимальное давление обеспечивается в спиральной камере 10, сообщающейся с выходным каналом 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).
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. 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.
Каждая секция обоймы 12 содержит полимерную защитную оболочку 19, что способствует снижению контактных напряжений и увеличению ресурса щелевых уплотнений, корпуса 1 и машины в целом, в особенности при попадании твердых частиц в зазор между обоймой 4 и корпусом 1, когда гидравлический двигатель работает в потоке загрязненной жидкости.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает условия для снижения контактных напряжений в паре трения, образованной обоймой и корпусом, за счет использования секций обоймы из композиционного материала, состоящего из двух слоев - основного металлического и полимерной защитной оболочки, что способствует увеличению ресурса (наработки) щелевых уплотнений, корпуса и машины в целом.
За счет усовершенствования ротора машины обеспечивается расширение области применения винтовой машины и новыми возможностями для создания более универсальных и более мощных винтовых машин.