РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ НАСОС-КОМПРЕССОР
ROTOR-PISTON PUMP-COMPRESSOR

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в различных областях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства в качестве насосов или компрессоров для работы с пастообразными, жидкими и газообразными средами, а также может быть использовано в качестве вакуумного насоса.
В нижеследующем тексте описание заявляемого устройства будет приведено в основном на примере описания роторно-поршневого насоса (РПН).
Известен РПН [ЕР 0885358, кл. F04C 3/06, 1998], который содержит вращающиеся внутри дискообразного (цилиндрического) корпуса детали, образующие при вращении двух валов всасывающую и нагнетательную камеры. Причем камеры (по сути это одна камера-сфера, которая изменяет свой объем в процессе вращения приводного вала) изменяют свой объем и со стороны нагнетания объем становится меньше, т.е. увеличивается сжатие перекачиваемой среды - за счет этого и происходит нагнетание.
Среди преимуществ такого РПН следует отметить достаточно высокий КПД, нет преобразователей возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот. Однако имеются такие недостатки, как сложность изготовления конструкции, детали насоса требуют высокой точности изготовления, в результате трения происходит износ деталей и уменьшается срок эксплуатации РПН.
Наиболее близким по технической сущности является поршневой насос двустороннего действия [RU 2182987, кл. F04B 7/06, 2000], принятый в качестве прототипа, который содержит корпус с цилиндрической камерой, каналы подвода и отвода рабочей среды и поршень с возможностью комбинированного движения. В поршне выполнены каналы симметрично относительно его центра, а движение поршня производится с помощью ролика, ось которого закреплена на корпусе, и кулачка с наклонной канавкой, который закреплен на штоке поршня.
В этом устройстве имеется возможность регулирования производительности, уменьшены силы трения поршня о стенки цилиндра. Среди недостатков следует отметить низкий КПД, ограниченную область применения, необходимость уплотнения штока относительно корпуса, быстрый износ ролика и кулачка по поверхности контакта, небольшой срок эксплуатации без ремонта.
Целью настоящего изобретения является создание роторно-поршневого насоса, конструкция которого является более простой, КПД которого выше, чем у прототипа, а область применения шире.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание такого РПН, в котором преобразование вращательного движения вала в прямолинейное возвратно-поступательное движение поршней осуществляется с минимальным трением и, как следствие этого, с минимальным износом, а также с надежной синхронизацией всех узлов и деталей РПН.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание встроенного в конструкцию РПН простого с минимальным износом клапанного устройства с всасывающими, нагнетательными и соединительными отверстиями.
Согласно изобретению поставленная цель осуществляется за счет признаков, приведенных в пункте 1 формулы изобретения.
В соответствии с изобретением упрощается конструкция РПН, детали конструкции просты в изготовлении, поскольку боковые стенки цилиндра, поршня и корпуса имеют традиционное исполнение, т.е. профилированы по окружностям, и технология их изготовления является достаточно простой, а для их изготовления не требуются специальные и дорогостоящие материалы. Использование нового принципа взаимодействия поршней с вращающимися цилиндрами позволяет уменьшить трение между наружной поверхностью поршней и внутренней поверхностью цилиндров (известно по опыту вытаскивания гвоздя из доски с одновременным его поворотом вправо-влево), что приводит к уменьшению износа деталей, продлению сроков эксплуатации РПН и позволяет увеличить КПД РПН. Установка цилиндров относительно корпуса РПН на подшипниках позволяет установить минимальный зазор между поверхностями цилиндра и корпуса РПН с минимальным трением. Сборка элементарных ячеек в блоки также является достаточно простой, а устройство РПН из нескольких блоков позволяет увеличить КПД многоблочных РПН. Возможность сборки РПН из нескольких элементарных ячеек и блоков позволяет варьировать конструктивными особенностями и производительностью РПН в широком диапазоне, что способствует расширению области их применения.
Преобразование вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение поршней осуществляется с помощью зубчатого зацепления конических или цилиндрических шестерен, которые вращаются с незначительным трением, что практически не влияет на уменьшение КПД РПН. Все узлы и детали связаны в одну кинематическую схему через кривошипы, зубчатые венцы и шестерни с вращающимися цилиндрами, что обеспечивает надежную синхронизацию всех узлов и деталей РПН.
Устройство на боковой поверхности корпуса всасывающего и нагнетательных отверстий и соединительных отверстий на боковой поверхности вращающегося цилиндра (а также устройство на торцовых керамических пластинах соответствующих отверстий), которые совмещаются в определенные моменты времени, представляет собой одновременно простое и надежное клапанное устройство РПН. Такая конструкция клапанного устройства позволяет регулировать производительность РПН за счет изменения площади проходного сечения отверстий клапанного устройства, что также позволяет увеличить КПД РПН.
Заявляемое устройство отличается от известных тем, что предложена новая конструкция взаимодействия роторно-поршневой системы РПН, предложено новое, встроенное в конструкцию РПН, клапанное устройство, предложена в целом более простая конструкция устройства с более высоким КПД, с более длительным сроком эксплуатации и более широкой областью применения, что позволяет судить о соответствии заявляемого устройства критерию «новизна».
Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен продольный разрез элементарной ячейки РПН с одним поршнем, боковым клапанным устройством и торцовым приводом; на фиг.2 приведен продольный разрез блока РПН с двумя элементарными ячейками и торцовым приводом; на фиг.3 показано радиальное сечение по А-А (фиг.2), когда поршень находится в верхнем положении в процессе нагнетания, а на боковой поверхности цилиндра выполнено одно соединительное отверстие; на фиг.4 показано сечение по А-А (фиг.2), когда поршень находится в положении всасывания, а на боковой поверхности цилиндра выполнено два диаметрально противоположных соединительных отверстия; на фиг.5 приведен продольный разрез блока РПН с двумя элементарными ячейками и боковым приводом; на фиг.6 приведен продольный разрез блока РПН с двумя элементарными ячейками, торцовым клапанным устройством и боковым приводом; на фиг.7 приведен продольный разрез элементарной ячейки РПН с квадратным поршнем, торцовым клапанным устройством и торцовым приводом; на фиг.8 приведено радиальное сечение РПН по В-В (фиг.7); на фиг.9 приведен поперечный разрез (в плоскости, перпендикулярной оси кривошипа) блока РПН из 4-х элементарных ячеек с 4-мя торцовыми клапанными устройствами.
РПН (фиг.1) содержит разъемный цилиндрический корпус 1 с нагнетательными 17 и всасывающими 16 отверстиями, торцовые крышки 3 (фиг.1, 2), подвижный относительно корпуса 1 и поршня 6 цилиндр 4 с соединительным отверстием на боковой поверхности 5, поршень 6, палец 7, шатун 8 с вкладышем 9, зубчатый венец 10, шестерни 11, 11а, подшипники (втулки) 12, кривошип 13, подшипники 14, 18, закрепленные соответственно на крышке 15 и на поверхности цилиндра 4, крышку цилиндра 15, соединительную муфту 19, уплотнение из двух керамических дисков 20, 21 и привод 22. Поршень 6 соединен с кривошипом 13 и вкладышем 9 с помощью шатуна 8 и пальца 7 и совершает возвратно-поступательное движение относительно вращающегося цилиндра.
Поршень 6 может быть выполнен из полимерных материалов или металла с керамической насадкой на его торце для защиты от высоких температур и агрессивных сред, а цилиндр 4 может быть выполнен полностью из износостойкого керамического материала в виде полого цилиндрического стакана с плоскопараллельной и полированной торцовой поверхностью контакта и, по меньшей мере, с одним соединительным отверстием на его торце. При этом на внешней поверхности цилиндра может быть выполнен кольцевой выступ, ограниченный двумя радиальными плоскостями, в котором выполнено, по меньшей мере, одно соединительное отверстие. Это позволяет уменьшить трение в процессе вращения цилиндра, поскольку уменьшается площадь контакта между внешней поверхностью цилиндра и внутренней поверхностью корпуса.
В корпусе РПН могут быть выполнены отверстия для охлаждения поверхности вращающегося цилиндра с помощью воздуха принудительным или естественным способом (не показаны). РПН может быть изготовлен также из полимерных армированных материалов, например при использовании его в качестве компрессора для накачивания автомобильных колес.
Зубчатый венец (ведомая шестерня) 10 выполнен заодно с цилиндром 4 со стороны ее торца, обращенного в сторону кривошипа. На фиг.1, 2 показан зубчатый венец 10, выполненный в виде отдельной шестерни, который неподвижно закреплен на торцовой крышке 15 цилиндра 4 и вращается вместе с ней. С зубчатым венцом 10 входят в зацепление шестерни 11, 11а. Шестерня 11 жестко закреплена на оси кривошипа 13 и является ведущей, а шестерня 11а служит для равновесия и свободно вращается относительно оси кривошипа, при этом ось кривошипа 13 может быть просто установлена без шестерни 11a во втулке 12, а на колене кривошипа 13 выполнены продольные канавки для улучшения смазки вкладыша 9. Шестерни и зубчатый венец могут быть коническими или цилиндрическими, при этом шестерни вращаются в противоположных направлениях. Цилиндры 4 также вращаются в противоположных направлениях.
Преобразование вращательного движения вала в прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня может осуществляться другими способами, например с помощью червячной передачи, при этом одна из деталей червячной передачи может быть выполнена заодно с осью кривошипа. Оси кривошипа 13 вращаются во втулках 12, установленных в корпусе 1. Вместо втулок 12 в корпусе 1 могут быть установлены подшипники.
Для некоторых случаев РПН может быть выполнен в герметичном исполнении. Если конструкцию РПН выполняют в герметичном исполнении (например, подводная эксплуатация), на выходе осей кривошипа 13 из корпуса 1 устанавливают через уплотнения заглушки или герметичные вводы вращения, а на электродвигатель (привод) 22 устанавливают водонепроницаемый кожух. Герметизацию привода от корпуса РПН выполняют из керамических дисков 20, 21 (фиг.1) с плоскопараллельными и полированными поверхностями контакта.
На фиг.3 представлено положение поршня 6 в режиме нагнетания, когда нагнетательное отверстие 17 и соединительное отверстие 5 совмещены, остальные отверстия перекрыты. На боковой поверхности цилиндра 4 (фиг.4) выполнены два соединительных отверстия 5, которые совмещены с двумя всасывающими отверстиями 16 (вращение цилиндра 4 против часовой стрелки), а поршень находится в режиме всасывания.
Выполненные на боковой поверхности корпуса 1 в одной радиальной плоскости со смещением по окружности относительно друг друга на угол не менее 20-ти градусов всасывающее 16 и нагнетательное 17 отверстия и соединительное отверстие 5, выполненное на боковой поверхности цилиндра 4 в той же радиальной плоскости, являются одновременно (клапанами) отверстиями клапанного устройства, открытие и закрытие которых осуществляется за счет вращения цилиндра 4 относительно корпуса 1, при этом отверстия могут иметь различную геометрическую форму, например в виде круга или эллипса.
Предпочтительный вариант торцового клапанного устройства приведен на фиг.6, 7, 9. Керамические пластины 24, 25, у которых всасывающие, нагнетательные и соединительные отверстия, расположенные на окружностях равных диаметров, также являются одновременно (клапанами) отверстиями клапанного устройства, закреплены на торцовых крышках 3 корпуса 1 и на торцах цилиндров 4 через уплотнения 23, 26. Всасывающие, нагнетательные и соединительные отверстия в боковом клапанном устройстве могут быть выполнены в разных радиальных плоскостях, а соответствующие отверстия в торцовом клапанном устройстве - на разных концентрических окружностях.
В керамической пластине 25 (фиг.6) выполнены всасывающие 16 и нагнетательные отверстия 17 со смещением относительно друг друга по окружности на угол не менее 20-ти градусов. Соединительное отверстие 5 выполнено на керамической пластине 24 и расположено на окружности того же диаметра, что и всасывающее и нагнетательное отверстия на керамической пластине 25. Поверхности контакта керамических пластин плоскопараллельны и полированы. Наружные контуры керамических пластин выполнены в виде квадрата или прямоугольника и установлены в гнездах соответствующей конфигурации, что дополнительно предохраняет их от произвольного поворота или смещения с места их установки. Всасывающие отверстия 16 и нагнетательные отверстия 17 совмещены с всасывающими Д и нагнетательными С отверстиями на крышках 3 корпуса 1.
Торцовые крышки 3 выполнены с таким расчетом, чтобы при закреплении их на корпусе 1 имелась возможность регулировки усилия прижатия керамических пластин. Одна из керамических пластин клапанного устройства может быть закреплена в отдельной втулке (не показана), которая установлена в торцовой крышке корпуса 1 с возможностью поворота ее вокруг оси и перемещения в осевом направлении относительно торцовой крышки корпуса с возможностью регулирования усилия прижатия керамических пластин и площади проходного сечения всасывающих и нагнетательных отверстий при совмещении их с соединительным отверстием. Торцовые крышки на корпусе РПН могут быть изготовлены из керамики заодно с керамическими пластинами.
На фиг.2, 5, 6, 7, 9 приведены схемы блоков РПН с расположением элементарных ячеек под прямыми углами, но расположение элементарных ячеек может быть выполнено под разными углами (V-образное исполнение). При этом блоки для увеличения производительности РПН могут быть смонтированы (в параллель) в многоблочные РПН, работающие от одного привода с поршнями, нагнетающими попарно или попеременно, а кривошип при этом выполняют с двумя и более коленами.
Конструкция РПН может быть такой, когда поршень и внутренняя поверхность цилиндра (фиг.7, 8) выполнены квадратными или прямоугольными.
При работе с пастообразными или вязкими жидкостями, например с мазутом, на корпусе насоса устанавливают нагреватель.
Конструкция РПН может быть изготовлена в виде гибридного насоса-электродвигателя, при этом роль ротора может выполнять вращающийся цилиндр, а роль статора - корпус с соответствующими доработками.
Сборку РПН (фиг.1) производят следующим образом. Сначала на оси кривошипа 13 жестко закрепляют ведущую шестерню 11, вторую шестерню 11а одевают на ось кривошипа с противоположной стороны до изгиба (колена) кривошипа 13 (эта шестерня свободно вращается вокруг оси кривошипа). Устанавливают оси кривошипа 13 и втулки (подшипники) 12 в отверстия корпуса 1 и закрепляют шестерню 11а на оси кривошипа с помощью шайб и шплинтов (возможен и другой вариант ограничения перемещения шестерни 11а вдоль оси). Затем закрепляют зубчатый венец 10 на крышке 15, закрепляют шатун 8 на вкладыше 9 и закрепляют на цилиндре 4 крышку 15 вместе с зубчатым венцом 10. Далее вместе с подшипниками 14, 18 вставляют собранную конструкцию в верхнюю часть корпуса 1. Соединяют верхнюю и нижнюю части корпуса 1, оставляя зазор между ними. После этого на противоположном торце цилиндра 4 закрепляют соединительную муфту 19 и керамические диски 20, 21 с использованием уплотнений (не показаны) и устанавливают торцовую крышку 3 вместе с закрепленным на ней приводом 22. Далее приводят в зацепление шестерни 10, 11, 11а таким образом, чтобы определенные положения поршня 6 соответствовали положениям отверстий 5, 16, 17 клапанного устройства. Затем окончательно закрепляют обе части корпуса 1 и вторую торцовую крышку 3 корпуса 1. На фиг.1 показано положение поршня в нижней точке, в момент окончания всасывания рабочей среды, когда всасывающее отверстие 16 на боковой поверхности корпуса 1 и соединительное отверстие 5 на боковой поверхности цилиндра 4 еще совмещены, а нагнетательное отверстие 17 перекрыто. Сборка РПН с боковым приводом (фиг.5) отличается от предыдущей схемы тем, что привод закрепляют на боковой поверхности вставки 2 корпуса 1 с помощью фланцевого соединения.
Сборка блока РПН в блок из двух элементарных ячеек (фиг.2) производится в той же последовательности. Сначала собирают шестерни 11, 11a с кривошипом 13 с установкой их в средней части (вставке) 2 и корпусе 1, а далее собирают РПН по схеме, приведенной выше. Блоки РПН могут быть выполнены из одной, двух и более элементарных ячеек. Блоки легко монтируются в многоблочные РПН, например 4-цилиндровый блок, собранный по крестообразной схеме (фиг.9), легко монтируется в 2- или 3-блочный РПН, имеющий, соответственно 8 или 12 цилиндров, при этом кривошип выполнен с двумя или тремя коленами.
В режиме насоса или компрессора РПН работает следующим образом. Если привод установлен на торцовой крышке 3 корпуса 1 (фиг.1, 2), то от привода 22 через уплотнительные керамические диски 20, 21 и муфту 19 в действие (вращение) приводится цилиндр 4 с закрепленным на нем зубчатым венцом 10, который приводит во вращение шестерни 11, 11а, при этом начинает вращаться кривошип 13, а поршень 6 начинает совершать возвратно-поступательные движения, производя всасывание и нагнетание рабочей среды.
Если привод 22 установлен на боковой поверхности (фиг.5, 6), то вращение шестерен 11, 11а осуществляется через кривошип 13, который одновременно приводит в возвратно-поступательное движение поршни 6 и во вращение зубчатые венцы 10 с цилиндрами 4. При вращении цилиндров 4 отверстия 5, 16, 17 на боковой поверхности корпуса и цилиндров, а также соответствующие отверстия 5, 16, 17 в верхней и нижней керамических пластинах 24, 25 совмещаются и происходит всасывание или нагнетание рабочей среды.
Моменты совмещения всасывающих и нагнетательных отверстий в керамических пластинах и на боковой поверхности корпуса 1 и цилиндров 4 синхронно связаны с положением поршней 6, с шестернями 11, 11а и зубчатыми венцами 10. Эти моменты, установленные при сборке шестерен 11, 11а с зубчатыми венцами 10, в процессе эксплуатации практически не требуют регулировки. Если в клапанном устройстве выполнены одно всасывающее, одно нагнетательное и одно соединительное отверстия, то при равенстве диаметров зубчатого венца 10 и ведущей шестерни 11 за один оборот кривошипа зубчатый венец также сделает один оборот, при этом поршень произведет одно всасывание и одно нагнетание. Увеличение производительности достигается также изменением соотношения диаметров зубчатого венца и ведущей шестерни, а также увеличением площади проходного сечения или количества отверстий клапанного устройства. Например, если в клапанном устройстве выполнены два всасывающих, два нагнетательных отверстия на боковой поверхности корпуса РПН, а на боковой поверхности цилиндра одно соединительное отверстие (фиг.3), то при диаметре ведущей шестерни, в два раза меньшем диаметра зубчатого венца, поршень совершит два нагнетания и два всасывания за один оборот зубчатого венца, а если в клапанном устройстве (фиг.4) выполнены два нагнетательных, два всасывающих и два соединительных отверстия при сохранении тех же параметров шестерен и отверстий, то производительность увеличится примерно в два раза.
РПН (фиг.7) работает следующим образом. От привода через уплотнительные керамические диски 20, 21, соединительную муфту 19 и коромысло 27 в действие приводится кривошип 13, который вращается заодно с шестернями 11, 11а относительно неподвижно закрепленного на корпусе 1 зубчатого венца 10 и приводит во вращение квадратный поршень 6 (фиг.8) вместе с цилиндром 4 относительно корпуса 1. Квадратный поршень (фиг.8) совершает одновременно вращательное и возвратно-поступательное движение, вращая при этом цилиндр 4, который имеет такую же внутреннюю конфигурацию. Всасывание и нагнетание производится также через всасывающее, нагнетательное и соединительное отверстия в керамических пластинах, закрепленных на торцах корпуса и цилиндра, при совмещении этих отверстий в процессе вращения цилиндра относительно корпуса РПН.
Если РПН работает в режиме вакуумного насоса, то всасывающее отверстие соединяют с вакуумируемой емкостью, а нагнетание производят в атмосферу.
Таким образом, предложенное техническое решение по сравнению с прототипом и другими известными авторам техническими решениями обладает (техническими) преимуществами, которые заключаются в повышении КПД, простоте встроенного в конструкцию клапанного устройства, увеличении срока эксплуатации, расширении области применения, надежной синхронизации всех узлов и деталей, простоте конструкции в целом.