ВИНТОВОЙ ЭЛЕМЕНТ ВАКУУМНОГО НАСОСА С МАСЛЯНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ
SCREW ELEMENT OF VACUUM PUMP WITH OIL SEAL

Настоящее изобретение относится к элементу вакуумного насоса с масляным уплотнением.
Более конкретно, объектом данного изобретения является винтовой элемент вакуумного насоса с масляным уплотнением, в котором два взаимодействующих друг с другом винтовых ротора установлены в корпусе с возможностью вращения.
В документе US 3677664 А описан механический вакуумный насос с винтовым ротором с масляным уплотнением, содержащий один или несколько обратных клапанов между камерами, которые ограничены действием винтового ротора и атмосферой.
В документе WO 2006/095364 А1 описана система регулирования производительности винтового компрессора, содержащая перепускной входной элемент с перепускным клапаном, проходящий из зоны высокого давления в зону низкого давления винтового компрессора для рециркуляции газообразной среды.
Между выступами винтовых роторов и стенками корпуса образованы камеры, которые при вращении роторов перемещающиеся от стороны входа в насос к стороне выхода из насоса и при этом уменьшаются в размере, в результате чего происходит сжатие находящегося в данных камерах воздуха.
Известно, что в камеру сжатия таких элементов впрыскивается масло с целью отвода образующегося при сжатии тепла, смазывания винтовых роторов, предотвращения их коррозии и создания уплотнения между данными роторами.
Это масло берется из маслоотделителя, в котором масло отделяется от выходящего воздуха.
Из воздуха невозможно удалить все масло, и поэтому масло, впрыскиваемое в камеру сжатия, содержит определенное количество воздуха.
Содержащийся в масле воздух может присутствовать в виде пузырьков или в растворенном виде.
Это приводит к риску возникновения кавитации. В потоке масла может возникать кавитация двух типов:
- кавитация, при которой образуются пузырьки паров масла вследствие падения статического давления ниже давления насыщенных паров масла;
- кавитация, при которой образуются пузырьки воздуха в потоке масла, содержащего определенное количество воздуха, поскольку снижение статического давления приводит к уменьшению растворимости воздуха в масле.
В зависимости от типа кавитации, могут возникать повреждения вследствие того, что образующиеся таким образом пузырьки воздуха или пузырьки паров масла "схлопываются" в непосредственной близости от (металлических) компонентов насоса. Возникающие при этом повреждения могут быть очень значительными и могут приводить к разрушению насоса.
Такая кавитация может возникать в винтовом элементе вакуумного насоса с масляным уплотнением в результате падения статического давления, более конкретно, давления на выходе вакуумного насоса на последней стадии сжатия.
На последней стадии сжатия объем камеры сжатия уменьшается до нуля, таким образом, что давление в данной камере может возрастать выше давления на выходе. В результате возникают большие перепады давлений между вышеупомянутой камерой и входом, давление на котором может составлять 0,3 мбар абс. и ниже.
На последней стадии сжатия вышеупомянутая камера отделена от другой камеры сжатия, соединяющейся с входом, только одной секцией роторных профилей.
На данном участке между профилями роторов или между роторами и выходной торцевой поверхностью образуется тип канала, который сначала сужается, а затем расширяется, образуя "сопло".
По этому каналу может происходить перетекание газа и масла из вышеупомянутой камеры на вход вследствие большого перепада давлений между этими элементами, в результате чего, вследствие формы канала и роторов, скорость этого перетекания становится настолько большой, что статическое давление сильно снижается, вследствие чего могут образовываться пузырьки газа.
Далее по каналу статическое давление снова повышается, так что образовавшиеся пузырьки схлопываются, в результате чего возникают повреждения роторов и корпуса. В результате этих повреждений элемент вакуумного насоса перестает функционировать или функционирует намного хуже.
Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении технического решения для устранения вышеописанного и других недостатков.
Объектом настоящего изобретения является винтовой элемент вакуумного насоса с масляным уплотнением с двумя взаимодействующими друг с другом винтовыми роторами, установленными с возможностью вращения в корпусе, содержащем входное отверстие, входную торцевую поверхность и выходную торцевую поверхность с выходным отверстием, при этом между винтовыми роторами и корпусом образованы камеры сжатия, которые вследствие вращения винтовых роторов проходят от входного отверстия к выходному отверстию и постепенно уменьшающиеся в размере, при этом указанный элемент вакуумного насоса с масляным уплотнением содержит соединение, проходящее от первой камеры сжатия до второй меньшей камеры сжатия на выходной торцевой поверхности, причем давление в указанной первой камере сжатия ниже давления во второй камере сжатия, и указанная вторая камера сжатия при вращении винтовых роторов может соединяться с выходным отверстием, причем образующееся соединение является таким, что возможно перетекание из второй камеры сжатия в первую камеры сжатия таким образом, что это приводит к уменьшению давления во второй камере сжатия, причем данное соединение не соединено непосредственно с выходным отверстием.
При вращении винтовых роторов размер первой камеры сжатия постепенно уменьшается, пока, в конечном итоге, данная камера не становится второй камерой сжатия, и в этот момент образуется новая первая камера сжатия.
Вторая камера сжатия является камерой сжатия, образующейся в конце цикла сжатия, и данная камера заполнена сжатым газом, который может выходить из элемента вакуумного насоса через выходное отверстие. Само собой разумеется, указанная вторая камера сжатия не соединена с входным отверстием.
Преимущество элемента вакуумного насоса с масляным уплотнением согласно настоящему изобретению заключается в уменьшении перепада давлений между входом и второй камерой сжатия вследствие перетекания газа и/или масла по соединению между второй камерой сжатия с более высоким давлением с первой камерой сжатия с более низким давлениям.
Результатом этого является возможность предотвращения кавитации, поскольку поток по каналу между профилями винтовых роторов или поток между роторами и выходной торцевой поверхностью на участке роторных профилей, который отделяет вышеупомянутую вторую камеру сжатия от камеры сжатия, соединенной с входом, имеет намного более низкую скорость.
Действительно, в результате снижения давления во второй камере сжатия, перепад давлений в вышеупомянутом канале является слишком низким для создания в канале потока, при котором могла бы возникать кавитация.
Точное расположение указанного соединения и его конструкция зависят от профиля винтовых роторов и формы и расположения выходного отверстия. Оба указанных элемента могут значительно отличаться в зависимости от конкретного рассматриваемого элемента вакуумного насоса.
В любом случае следует позаботиться о том, чтобы вышеуказанное соединение не было соединено с выходным отверстием, т.к. данное соединение не должно непосредственно соединяться с выходным отверстием.
В целях более четкой демонстрации характеристик изобретения ниже приводится описание нескольких предпочтительных вариантов реализации элемента вакуумного насоса с масляным уплотнением согласно настоящему изобретению, которые рассматриваются в качестве примеров и не носят ограничительного характера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 показана схема винтового элемента вакуумного насоса с масляным уплотнением;
на фиг. 2 – вид в разрезе показанного на фиг. 1 элемента вакуумного насоса с масляным уплотнением по плоскости II-II из фиг. 1;
на фиг. 3 – вид в разрезе, аналогичный показанному на фиг. 2, но для элемента вакуумного насоса с масляным уплотнением согласно настоящему изобретению;
на фиг. 4 – вид в разрезе, аналогичный показанному на фиг. 3, но с винтовыми роторами в другом положении;
на фиг. 5-7 – альтернативные варианты реализации вакуумного насоса, показанного на фиг. 3.
Показанный на фиг. 1 элемент 1 вакуумного насоса с масляным уплотнением представляет собой элемент винтового типа.
Элемент 1 в основном содержит корпус 2, в котором установлены с возможностью вращения два взаимодействующих друг с другом винтовых ротора 3.
Корпус 2 содержит входную торцевую поверхность 4 на всасывающей стороне 5 и выходную торцевую поверхность 6 на нагнетательной стороне 7.
В корпусе 2 выполнено входное отверстие 8. Данное входное отверстие 8 показано пунктиром на фиг. 1.
Выходное отверстие 9 выполнено в корпусе на выходной торцевой поверхности 6. Это отверстие показано на фиг. 2.
Между выступами 10 винтовых роторов 3 и корпусом 2 образованы камеры 11a, 11b сжатия. При вращении винтовых роторов 3 эти камеры 11a, 11b сжатия перемещаются от входного отверстия 8 к выходному отверстию 9.
До тех пор, пока камера 11a, 11b сжатия контактирует с входным отверстием 8, её объем будет увеличиваться, и при этом происходит всасывание газа.
Когда контакт камеры 11a, 11b сжатия с входным отверстием 8 прекращается, объем камер 11a, 11b сжатия при дальнейшем вращении винтовых роторов 3 начинает уменьшаться, и при этом происходит сжатие газа (например, воздуха), находящегося в этих камерах.
Воздух, попадающий в камеру 11a сжатия через входное отверстие 8 на первой стадии сжатия, перемещается к выходному отверстию 9 за счет вращения винтовых роторов 3, и при этом сжимается до более высокого давления.
В определенный момент вращения винтовых роторов 3 камера 11b сжатия начинает контактировать с выходным отверстием 9, так что сжатый воздух, находящийся в камере 11b сжатия, может выходить из неё на последней стадии сжатия.
Соответствующие камеры 11a, 11b сжатия, относящиеся к двум вышеупомянутым стадиям сжатия, т.е. первая камера 11a сжатия, которая контактирует с входным отверстием 8 и выходной торцевой поверхностью 6, и вторая камера 11b сжатия, которая контактирует только с выходной торцевой поверхностью 6, но не контактирует с входным отверстием 8 или входной торцевой поверхностью 4, показаны на фиг. 2.
Как видно из чертежа, эти две камеры 11a, 11b сжатия отделены друг от друга единственной секцией винтовых роторов 3, в результате чего между профилями винтовых роторов 3 образуется канал 12 в форме «сопла».
По этому каналу 12 возможно перетекание воздуха и/или масла в направлении из второй камеры 11b сжатия в первую камеру 11a сжатия, в результате чего, вследствие формы канала 12, скорость перетекания становится настолько высокой, что может возникать кавитация.
В элементе 1 вакуумного насоса с масляным уплотнением согласно настоящему изобретению, показанном на фиг. 3, на выходной торцевой поверхности выполнено соединение, в данном случае в виде канавки 13.
Эта канавка 13 проходит из первой камеры 11a сжатия во вторую камеру 11b сжатия.
Таким образом, первый конец 14a канавки 13 по меньшей мере частично перекрывается первой камерой 11a сжатия, а второй конец 14b канавки 13 перекрывается второй камерой 11b сжатия.
По этой канавке 13 может происходить перетекание газа и/или масла из второй камеры 11b, давление в которой выше, в первую камеру 11a сжатия, в результате чего давление во второй камере 11b сжатия снижается.
Таким образом, предотвращается чрезмерное повышение давления во второй камере 11b сжатия, в результате чего снижается скорость перетекания потока газа и/или масла по вышеуказанному каналу 12.
Таким образом, предотвращается кавитация и её пагубные последствия.
Хотя в рассмотренном примере канавка 13 соединена с первой камерой 11a сжатия, которая соединена с входным отверстием 8, это не единственно возможное решение. Для настоящего изобретения важно то, что давление в первой камере 11a сжатия, с которой соединена канавка 13, ниже, чем во второй камере 11b сжатия.
Согласно настоящему изобретению соединение выполнено таким образом, что канавка 13 не соединена непосредственно с выходным отверстием 9.
Это ясно видно на фиг. 3: канавка 13 заканчивается на некотором расстоянии от выходного отверстия 9, так что второй конец 14b канавки 13 не соединен с выходным отверстием 9.
Этим гарантируется невозможность прямого перетекания из выходного отверстия 9 во входное отверстие 8 по канавке 13 и первой камере 11a сжатия, которое привело бы к снижению эффективности элемента 1 вакуумного насоса с масляным уплотнением.
В положении, изображенном на фиг. 3, второй конец 14b канавки 13 не соединен со второй камерой 11b сжатия. При дальнейшем вращении винтовых роторов 3, при котором вторая камера 11b сжатия становится значительно меньше, второй конец 14b будет все больше и больше совмещаться со второй камерой 11b сжатия. В результате это будет противодействовать повышению давления во второй камере 11b сжатия, поскольку эта камера все еще соединена с первой камерой 11a сжатия канавкой 13, обеспечивающей возможность перетекания газа и/или масла из второй камеры 11b сжатия в первую камеру 11a сжатия.
На фиг. 4 показана ситуация, при которой объем второй камеры 11b сжатия уменьшился практически до нуля. При этом второй конец 14b канавки 13 все еще соединен со второй камерой 11b сжатия.
В этот момент давление во второй камере 11b сжатия может быть очень высоким, но при этом давление во второй камере 11b сжатия будет достаточно низким для предотвращения кавитации благодаря соединению с первой камерой 11a сжатия с помощью канавки 13.
Положение второго конца 14b, которым канавка 13 соединяется со второй камерой 11b сжатия, необходимо выбирать таким образом, чтобы соединение со второй камерой 11b сжатия осуществлялось без контакта с выходным отверстием 9.
Окончательно выбираемое расположение канавки 13, в частности её второго конца 14b, зависит от конструкции роторных профилей и формы выходного отверстия 9.
Окончательная форма и размер канавки 13 и, следовательно, расход газа и/или масла, протекающего по канавке 13, определяются двумя критериями:
- расход должен быть достаточно высоким, чтобы обеспечивалось снижение давления во второй камере 11b сжатия, достаточное для предотвращения кавитации;
- расход не должен быть слишком высоким, поскольку это приведет к ухудшению характеристик и снижению эффективности элемента 1 вакуумного насоса с масляным уплотнением.
Расход перетекания потока газа и/или масла по канавке 13 зависит от минимального поперечного сечения канавки 13.
2
Предпочтительно, минимальное поперечное сечение канавки 13 в мм составляет от 0,01 до 0,04 от максимального объемного расхода элемента 1, выраженного в л/с.
2
Однако не исключено, что указанное минимальное поперечное сечение в мм может составлять от 0,01 до 0,1 или от 0,01 до 0,08, или от 0,01 до 0,06 от максимального объемного расхода элемента 1 в л/с.
Канавка 13 с малым минимальным поперечным сечением не сможет обеспечить расход для снижения давления во второй камере 11b сжатия, достаточного для предотвращения кавитации.
Канавка 13 с большим минимальным поперечным сечением будет создавать большие расходы перетекания из второй камеры 11b сжатия в первую камеру 11a сжатия, при которых будет наблюдаться слишком сильное снижение эффективности элемента 1 вакуумного насоса с масляным уплотнением.
2
Предпочтительно, конец 14b канавки 13, соединяющийся со второй камерой 11b сжатия на выходной торцевой поверхности 6, выполнен таким образом, что максимальная площадь контакта канавки с указанной камерой 11b сжатия в мм составляет от 0,01 до 0,04 от максимального объемного расхода элемента 1 в л/с.
Не исключено, что вышеупомянутая максимальная площадь контакта составляет от 0,01 до 0,1 или от 0,01 до 0,08, или от 0,01 до 0,06 от максимального объемного расхода элемента 1 в л/с.
Поскольку возможно, что площадь контакта канавки 13 со второй камерой 11b сжатия будет меньше, чем минимальное поперечное сечение самой канавки 13, для получения желаемого эффекта предпочтительно, чтобы вышеупомянутая площадь контакта соответствовала более высоким указанным условиям.
Возможны различные варианты окончательной конструкции канавки 13.
Предпочтительно, данная канавка выполняется в виде по меньшей мере одного щелевидного участка 15.
Щелевидный участок 15 в данном случае означает часть канавки 13, поперечное сечение которой при взгляде в направлении потока по канавке 13 не изменяется или практически не изменяется.
Этот участок 15 может иметь прямолинейную или изогнутую форму.
Показанная на фиг. 3-6 канавка 13 содержит только щелевидный участок 15.
Как видно из указанных чертежей, щелевидная канавка 13 может иметь различную ориентацию.
Канавка 13 может также содержать соединенный с указанным щелевидным участком 15 расширенный участок 16, с помощью которого канавка 13 по меньшей мере частично перекрывает первую камеру 11a сжатия.
Такая конфигурация показана на фиг. 7, где видно, что первый конец 14a канавки 13 выполнен в виде расширенного участка 16 с большим поперечным сечением, чем у второго конца 14b, который выполнен в виде щелевидного участка 15.
Точная форма вышеупомянутого расширенного участка 16 имеет второстепенное значение.
Единственное обязательное условие, которое должно выполняться для первого конца 14a, заключается в том, что данный конец 14a должен проходить достаточно далеко таким образом, чтобы канавка 13 была все время соединена с первой камерой 11a сжатия.
Предпочтительно, перекрытие между канавкой 13 и первой камерой 11a сжатия должно быть таким, чтобы соединение первой камеры 11a сжатия со второй камерой 11b сжатия за счет канавки 13 при вращении винтовых роторов 3 сохранялось до тех пор, пока объем второй камеры 11b сжатия не уменьшится до нуля.
В этот момент давление во второй камере 11b сжатия является очень высоким, и вторая камера 11b сжатия больше не соединена с выходным отверстием 9, поэтому высокое давление во второй камере 11b сжатия может стравливаться только по вышеупомянутому сопловидному каналу 12.
Для предотвращения такой ситуации обеспечивается соединение второй камеры 11b сжатия с первой камерой 11a сжатия и, следовательно, с входным отверстием 8 с помощью канавки 13.
Таким образом, на данной стадии сжатия предотвращается слишком сильное повышение давления во второй камере 11b сжатия, в то время как объем в данной камере 11b сжатия уменьшается до нуля, чем обеспечивается предотвращение кавитации.
Хотя в рассмотренных выше примерах соединение всегда обеспечивалось с помощью канавки 13 на выходной торцевой поверхности 6, не исключен вариант, при котором указанное соединение будет обеспечиваться частью канавки на выходной торцевой поверхности 6, по меньшей мере частично перекрывающей вторую камеру 11b сжатия, и соединенным с ней каналом или трубкой, ведущей в первую камеру 11a сжатия с более низким давлением, чем во второй камере 11b сжатия.
Как уже указывалось выше, данная камера 11a сжатия может быть соединена с входным отверстием 8, хотя это и не является обязательным условием настоящего изобретения.
Данный канал или трубка могут быть встроены в корпус или, разумеется, могут быть закреплены на корпусе.
2
При таком варианте осуществления изобретения необходимо, чтобы как минимальное поперечное сечение части канавки и канала, так и максимальная площадь контакта части канавки со второй камерой 11b сжатия удовлетворяли вышеуказанным условиям, т.е. чтобы данное минимальное поперечное сечение и данная максимальная площадь контакта в мм составляли от 0,01 до 0,1, предпочтительно от 0,01 до 0,08, более предпочтительно от 0,01 до 0,06, и еще более предпочтительно от 0,01 до 0,04, от максимального объемного расхода элемента 1 в л/с.
Вышеупомянутая часть канавки может иметь форму щелевидного участка 15 канавки 13, например, как показано на фиг. 7.
Также предпочтительно, чтобы вышеуказанные канал или трубка были выполнены таким образом, чтобы соединение первой камеры 11a сжатия с данным каналом или трубкой сохранялось при вращении винтовых роторов 3 до тех пор, пока объем второй камеры 11b сжатия не уменьшится до нуля.
Настоящее изобретение никоим образом не ограничивается вариантами осуществления, приведенными в качестве примера и показанными на прилагаемых чертежах; элемент вакуумного насоса с масляным уплотнением согласно настоящему изобретению может быть выполнен в любых формах и с любыми размерами без выхода за границы объема изобретения.