ПЛАСТИНЧАТЫЙ НАСОС

Устройство относится к области машиностроения, в частности к гидравлическим машинам, и может быть использовано в качестве насоса, гидродвигателя, гидротрансформатора, а также для безмоторного подъема воды из природных источников с перепадом высот.
Известна роторная машина (патент RU №2000477 С кл. F 04 С 2/344), содержащая цилиндрический корпус с впускными и выпускными каналами, торцовую крышку с цилиндрическим выступом, образующим с корпусом рабочую камеру, ротор с кольцевыми поршнями, закрепленным на валу, снабженным профилированным диском с отрицательными кулачками, взаимодействующими с подпружиненными толкателями, которая при выполнении ее двухсекционной с разным числом и разных поршней в секциях приобретает расширенные функциональные возможности и работает в режиме насоса, гидротрансформатора, гидромотора.
Однако предлагаемая конструкция имеет малую величину соотношения рабочего и полного объемов, следовательно неудовлетворительные массово -объемные показатели, а также имеет низкую величину к.п.д. вследствие наличия пружин, вызывающих непроизводительные затраты мощности, и большого количества пар трения.
Известна роторно-пластинчатая машина (патент №2205981 С 2, кл. 7 F 04 С 15/04, 2/344), содержащая корпус, во внутренней расточке которого расположен вал, с ним связанный ротор, имеющий пазы, в которых размещены радиально подвижные пластины, диск, имеющий центральное отверстие для пропуска ротора и пазы с уплотнениями для пропуска указанных пластин, боковую стенку, прилегающую к торцу ротора с одной его стороны, канала подвода и отвода рабочей среды в каждую из двух рабочих камер, ограниченных корпусом, ротором, боковой стенкой и
разделительным диском. Соотношение объемов этих камер определяет степень трансформации параметров потока при использовании этой машины в качестве гидротрансформатора. Кроме того эта роторно-пластинчатая машина может работать также в качестве гидромотора и гидронасоса. При этом известная роторно-пластинчатая конструкция имеет значительно меньший объем, занятый механической частью и корпусными элементами, однако она состоит практически из двух гидромашин и имеет удвоенные механические потери, связанные с герметизацией рабочих полостей.
В качестве прототипа принят пластинчатый насос (патент RU №2205981 кл. 7 F 04 С 15/04, 2/344, 2001 г.), содержащий корпус, внутри которого жестко закреплена гильза с окнами всасывания и нагнетания, а во внутренней полости гильзы установлен ротор с радиальными пазами и размещенными в них подвижными пластинами, взаимодействующими с нижним, снабженным разгрузочным участком, и верхним замыкателями, выполненными между кромками всасывающих и нагнетательных окон, соединенных между собой криволинейными поверхностями описываемыми лекальными кривыми.
1
К недостаткам устройства - прототипа следует отнести невозможность работы устройства в качестве гидротрансформатора, а также использование его для безмоторного подъема воды из природных источников, что обусловлено отсутствием дополнительного выходного окна, которое должно обеспечивать сброс части рабочей жидкости ΔQ, величина которой определяется из условия
1
1
2
2
PQ=ηpQ,
1
2
Q=Q+ΔQ,
1
2
где p, p - давление жидкости на входе и выходе из устройства;
1
2
Q, Q - расходы потока на входе и выходе из устройства;
η - к.п.д. устройства.
Задачей предполагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей пластинчатого насоса, путем обеспечения
ему дополнительной способности гидротрансформатора, а также возможности безмоторного подъема воды из родников.
Для достижения поставленной цели в пластинчатом насосе, содержащем корпус, внутри которого жестко закреплена гильза с окнами всасывания и нагнетания, а во внутренней полости гильзы установлен ротор с радиальными пазами и размещенными в них подвижными пластинами взаимодействующими с нижним, снабженным разгрузочным участком, и верхним замыкателями, выполненными между кромками всасывающих и нагнетательных окон, соединенных между собой криволинейными поверхностями, описываемыми лекальными кривыми, выполнен за нижним замыкателем после разгрузочного участка по направлению вращения ротора дополнительный замыкатель с образованием дополнительного выходного окна.
Рассматриваемый пластинчатый насос является гидромашиной роторного типа, к тому же обратимой, т.е. может быть использован как в качестве насоса, так и в качестве гидромотора.
При использовании его в качестве напорного насоса для каждого межлопастного объема функциональной является половина периода, на протяжении которой происходит уменьшение этого объема. Оставшаяся часть периода, в течение которой происходит заполнение межлопастного пространства, не участвует в создании давления и является холостым ходом.
При использовании устройства в качестве гидромотора, функциональной является часть периода когда происходит увеличение межлопастных объемов. Вторая половина периода, связанная со сбросом жидкости, не участвует в создании момента на валу и также является непроизводительной.
Следовательно в двухсекционных вариантах гидротрансформатора нерабочие части периода не участвуют в создании эксплуатационных показателей, однако вызывают затраты мощности на преодоление сопротивлений, связанных с герметизацией межлопастных объемов. Причем
вследствие того, что такие устройства являются комбинацией двух гидромашин, то и бесполезные затраты эти двойные.
С другой стороны рабочие части периода насоса и гидромотора сопрягаются в пределах одного оборота ротора, и их функции можно сочетать в одном корпусе исключив тем самым холостые фазы и связанные с ними непроизводительные затраты мощности.
Однако для выполнения функции умножения давления при использовании устройства в качестве гидротрансформатора или безмоторного водоподъемника - насоса необходимо чтобы вращающий момент на роторе, созданный силой гидростатического давления входящей жидкости, был достаточен для создания большей величины давления потоку, выходящему из устройства.
Для выполнения этого условия необходимо, чтобы пластина, преодолевающая это давление, имела свой дополнительный замыкатель, обеспечивающий ей меньшую площадь и меньшее плечо до центра вращения ротора. То есть дополнительный замыкатель должен располагаться после нижнего замыкателя, создающего вращающий момент для ротора.
В этом случае соотношение давлений на входе и выходе из устройства определяется соотношением момента площади пластины, находящейся в пределах нижнего замыкателя к разности моментов площадей пластин, находящихся в пределах нижнего и дополнительного замыкателей.
При этом повышенная удельная энергия в виде давления сообщается не всему вошедшему в устройство потоку, а лишь части его, уходящей через дополнительное окно, величина которой зависит от соотношения давлений и определяется соотношением площадей межпластинчатых объемов при их расположении напротив нижнего и дополнительного замыкателей.
Оставшаяся часть потока сбрасывается через известное выходное окно, располагающееся между дополнительным и верхним замыкателями.
В итоге малая по размерам, простая по конструкции схема гидротрансформатора имеет минимальный уровень потерь, что является
очень важным обстоятельством при использовании устройства в качестве безмоторного водоподъемника - насоса.
Сущность технического решения поясняется:
Фиг.1. Поперечный разрез пластинчатого насоса.
Фиг.2. Расчетная схема соотношения входного и выходного объемов.
Фиг.3. Расчетная схема степени возрастания давления.
Пластинчатый насос содержит корпус 1, внутри которого жестко закреплена гильза 2 с входным 3 и выходными окнами 4,5. Во внутренней полости гильзы 2 установлен ротор 6 с радиальными пазами 7 и размещенными в них подвижными пластинами 8, взаимодействующими с нижним 9, снабженным разгрузочным участком 10, верхним 11 и дополнительным промежуточным 12 замыкателями. Замыкатели 9, 11, 12, протяженность которых соответствует шагу лопастей, разделены окнами 3, 4, 5, снабженными патрубками 13, 14, 15, из которых входной 15 и напорный 14 имеют подводящий 16 и отводящий 17 трубопроводы. С торцов устройство закрыто крышками.
Устройство работает следующим образом. При поступлении рабочей жидкости под давлением по подводящему трубопроводу 16, она через входное окно 3 в гильзе 2 попадает в межпластинчатое пространство, образованное внутренней поверхностью гильзы 2, наружной поверхностью ротора 6 и поверхностями пластин 8, находящихся в пределах верхнего 11 и нижнего 9 замыкателей. Площадь и плечо центра тяжести работающей части у нижней пластины (находящейся в пределах нижнего замыкателя) много больше чем у верхней, поэтому величина давления Р1 в подводящей трубе 16 и входном патрубке 15 создает крутящий момент на роторе 6 и он начинает вращаться. То есть эта часть устройства работает в режиме гидромотора, а в качестве источника давления может быть использован либо другой насос, либо столб жидкости от природного родника, либо пневмо-гидроаккумулятор и т.д.
2
Вращение ротора приводит к тому, что каждый межпластинчатый канал пройдя нижний замыкатель уменьшает свой объем, и на первом выходном патрубке 14 это изменение составит величину Q, пропорциональную разности площадей поперечного сечения межпластинчатого пространства при расположении напротив нижнего замыкателя 9 и дополнительного промежуточного 12 (Фиг.2.).
При этом разгрузочный участок 10 замыкателя 9 создает благоприятные условия для радиального движения пластины, которое начинается в момент, когда пластина находится уже вне действия разности давлений на ней.
Последующее движение межпластинчатого объема вызывает полное его исчезновение, что обуславливает слив оставшейся жидкости ΔQ через второй выходной патрубок 13 (Фиг.2.).
изб
Условием самостоятельного вращения ротора 6 является превышение момента от гидромоторной части к суммарному противодействующему моменту от трения, гидравлических потерь и давления, которое создает насосная часть устройства. Так если второй по ходу вращения ротора выходной патрубок 13 выполнить сливным (Р=0), то предлагаемый пластинчатый насос будет способен поднимать жидкость на высоту, превышающую входное давление. Пропорциональность между величинами этих давлений близка к отношению вылета пластины, при ее нахождении в пределах нижнего замыкателя 9 к разнице вылетов между этой пластиной и пластиной, находящейся напротив пормежуточного замыкателя 12.
Использование предлагаемого устройства выгодно отличает его от аналогов: во - первых, потому что оно имеет по отношению к прототипу расширенные технологические возможности, т.е. может использоваться в качестве гидромотора, насоса, гидротрансформатора. Причем одна и та же конструкция может иметь, в зависимости от вариантов функционального использования патрубков, три максимальных величины коэффициента трансформации.
Во-вторых, по сравнению с известными гидротрансформаторами предлагаемое устройство более компактно, имеет меньшую металлоемкость - в нем меньшую долю составляют паразитные объемы, имеет более высокий механический к.п.д., поскольку в нем более чем в 2 раза сокращено число пар трения и уплотняющих элементов, следовательно и объемный к.п.д. у него выше.
В-третьих, по отношению к известному гидротрансформатору импульсного типа - гидротарану, используемому в качестве безмоторного водоподъемника, предлагаемый пластинчатый насос при использовании его с той же целью не создает вибраций и ударных нагрузок, что расширяет его возможную область использования. То есть его можно устанавливать на берегах рек, оползневых склонах, заболоченной местности, в сочетании с существующими инженерными сооружениями.