ПЛАСТИНЧАТЫЙ ОБЪЕМНЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к многоступенчатым пластинчатым объемным насосам, которые могут использоваться для подъема жидкости из нефтяных скважин.
Известен многоступенчатый пластинчатый насос, включающий последовательно размещенные на общем валу ступени, содержащие ротор, установленный с возможностью осевого перемещения на валу, статор, рабочие камеры между ротором и статором, разделительные пластины, перемещающиеся в пазах, расположенных в диаметральной плоскости, нижнюю крышку с входными окнами и верхнюю крышку с выходными окнами. Внутренняя поверхность статора образована двумя парами симметрично расположенных дуг разных радиусов и плавными переходными участками от дуг большего радиуса к дугам меньшего радиуса. Каждая ступень снабжена предохранительным клапаном для сброса избытка давления и уплотнением. Крышки закреплены на статоре с размещением, по меньшей мере, двух окон напротив плавных переходных участков внутренней поверхности статора [Патент №2395720 РФ, F04C 2/344, опубл. 27.07.2010].
Недостатками описанного насоса являются быстрый износ пластин по поверхностям контакта пластины и паза ротора с увеличением частоты вращения вала, риск заклинивания пластины из-за закупорки зазоров (обеспечивающих свободный ход пластины в пазах) абразивными частицами и отсутствия независимого механизма вывода пластины из ротора, необходимого при малых внешних диаметрах насоса, когда величина центробежной силы, выталкивающей пластину к периферии, оказывается малой.
В качестве прототипа заявляемой полезной модели выбрана конструкция пластинчатого насоса, состоящего из одной ступени, содержащей статор с радиальными пазами, в которых с возможностью возвратно-поступательного перемещения диаметрально размещены разделительные пластины, и ротор в виде кулачка, наружная поверхность которого состоит из цилиндрических поверхностей выступов, соединенных цилиндрическими поверхностями большего радиуса. Кулачок концентрично установлен в цилиндрической полости статора с возможностью взаимодействия с пластинами и образованием рабочих камер, попеременно сообщаемых с входными и выходными окнами, выполненными в верхней и нижней крышках, при этом насос снабжен дополнительным корпусом, охватывающим статор с образованием кольцевого нагнетательного зазора, в котором размещен с возможностью взаимодействия с пластинами синхронизирующий элемент в виде пружинного кольца [Патент на полезную модель №11273 РФ, F04C 2/28, опубл. 16.09.1999]. При вращении кулачка пластины скользят по его наружной поверхности с образованием по обеим сторонам пластин рабочих камер переменного объема, соединенных попеременно с входными и выходными окнами, а наличие пружинного кольца, синхронизирующего пластины, предотвращает их заклинивание при попадании во время работы абразивных частиц в зазор между пазами статора и пластинами.
Недостатком известной конструкции, помимо невозможности многоступенчатого исполнения, является повышенный износ торцов пластин и боковой поверхности ротора, связанный с упрощенной формой профиля кулачка, полученной сопряжением дуг окружностей разного радиуса. В этом случае в точке сопряжения происходит разрыв кривизны профиля, приводящий к удару пластины о кулачок и постепенному разрушению контактирующих поверхностей. Кроме того, удар пластины о кулачок происходит после потери контакта между пластиной и кулачком, вследствие недостаточной жесткости синхронизирующего кольца. Чем выше скорость вращения, тем больше риск возникновения ударов и износа рабочих поверхностей. Износ рабочих поверхностей приводит к увеличению зазоров, и, следовательно, увеличению перетечек внутри ступени, что негативно сказывается на эксплуатационных характеристиках ступени.
Задачей настоящей полезной модели является повышение надежности насоса при его эксплуатации на повышенных частотах вращения вала.
Указанный технический результат достигается тем, что пластинчатый объемный насос, содержащий ступень, включающую ротор в виде кулачка, статор с радиальными пазами, в которых диаметрально расположены с возможностью возвратно-поступательного движения разделительные пластины, снабженные синхронизирующим элементом, рабочие камеры, образованные между статором и ротором, нижнюю и верхнюю крышки с входными и выходными окнами соответственно, согласно полезной модели, содержит, по меньшей мере, две ступени, а кулачок выполнен с монотонно меняющейся кривизной профиля, описываемого в полярной системе координат уравнением:
где ρ - радиус-вектор, φ - полярный угол, R - максимальный радиус профиля кулачка, r - минимальный радиус профиля кулачка, k - количество выступов профиля.
При k=3 все отрезки, проходящие через ось вращения кулачка и соединяющие противоположные точки профиля, имеют равную длину. Это обстоятельство позволяет использовать жесткое синхронизирующее кольцо, сохраняющее постоянный контакт между пластинами и кулачком.
Следует отметить, что при использовании в уравнении периодической функции sinkφ вместо coskφ вид профиля кулачка не изменится.
Для работы объемного кулачкового насоса профиль кулачка имеет первостепенное значение, так как определяет кинематику и динамику скользящих по нему пластин. Плавность хода пластин по кулачку, иначе говоря, отсутствие ударов второго рода, при которых происходят мгновенные конечные изменения ускорений и, соответственно, сил действующих на пластину со стороны ротора и разрушающих контактирующие поверхности [см, например, Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин: учеб. для втузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. стр. 517], является главным условием стабильной и безотказной работы насоса. Постоянное прижатие пластин к кулачку в процессе работы, обеспечиваемое жестким синхронизирующим кольцом, сохраняет герметичность камер всасывания и нагнетания.
В связи с этим, для повышения надежности работы насоса необходимо обеспечить плавность хода пластин и использовать кулачок с монотонно меняющейся кривизной. Для получения уравнения, описывающего такой профиль, руководствовались следующими условиями:
1. поскольку профиль представляет собой замкнутую плоскую кривую с осью симметрии, перпендикулярной плоскости кривой, то построение уравнения искомой функции удобнее проводить в полярных координатах (ρ,φ);
/k,
2. порядок оси симметрии равен количеству выступов кулачка, таким образом, функция профиля ρ(φ) должна быть периодической с периодом 2
k -
где число выступов кулачка, а также гладкой, непрерывной в интервале изменения полярного угла от 0 до 2;
,
3. условием отсутствия удара второго рода в относительном движении пластины по кулачку, вращающемуся с частотой  будет монотонность второй
,
,
производной (учтено, что  т.е. функция профиля (ρ,φ) должна быть, по крайней мере, дважды дифференцируема с сохранением монотонности и неразрывности производных в интервале изменения полярного угла от 0 до 2;
= const,
4. жесткое синхронизирующее кольцо, обеспечивающее постоянное прижатие пластин к кулачку, приводит к дополнительному ограничению:  означающему постоянство отрезков, проходящих через центр кулачка и соединяющих крайние точки профиля.
R
r
A=(R-r)/2
R + r.
При заданных в зависимости от подачи максимальном и минимальномрадиусах профиля наиболее простой функцией, удовлетворяющей всем поставленным условиям, является периодическая функция вида  или , где  - средний радиус профиля,  - амплитуда изменения функции (т.к. кривая профиля расположена между r и R). Эта функция дифференцируема бесконечное число раз с сохранением монотонности производных, а значение константы в условии(4) равно
Монотонное изменение кривизны профиля обеспечивает монотонное изменение ускорения при движении пластины по профилю, т.е. гарантирует отсутствие ударов (скачкообразных изменений ускорения), разрушающих контактирующие поверхности кулачка и пластин.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен фрагмент заявляемого пластинчатого объемного насоса из четырех ступеней; на фиг.2 - разнесенный вид ступени насоса; на фиг.3 - вид со стороны выхода потока на ступень заявляемого насоса в сборе, на фиг.4 - распределение кривизны вдоль профиля кулачка заявляемой полезной модели; на фиг.5 - распределение кривизны вдоль профиля кулачка по патенту-прототипу.
Пластинчатый насос состоит из последовательно расположенных одинаковых ступеней. Каждая ступень насоса содержит статор 1, ротор 2, диаметрально расположенные разделительные пластины 3, связанные между собой жестким синхронизирующим элементом 4, например металлическим кольцом (фиг.1). Ротор 2 выполнен в форме кулачка с абсолютно гладкой наружной поверхностью 10, получаемой вытягиванием профиля, описываемого
уравнением (1), в направлении оси вращения. Статор 1 сформирован из двух концентричных втулок 5 и 6, расположенных на донышке 7 и образующих между собой кольцевой зазор 8, в котором размещен синхронизирующий элемент 4 (фиг.2). Во внутренней втулке 5 выполнены радиальные пазы 9, переходящие в пазы на донышке 7. На торцах статора 1 неподвижно установлены нижняя 11 и верхняя 12 крышки, предотвращающие осевое смещение пластин 3 и ротора 2. Крышки могут фиксироваться, например, с помощью штифта, проходящего через отверстия 13 в статоре 1 и отверстия 14 в крышках 11 и 12. Входные окна 15 расположены на нижней крышке 11, а выходные окна 16 - на верхней крышке 12.Нижняя крышка 11 текущей ступени одновременно является верхней крышкой нижестоящей ступени, а верхняя крышка 12 текущей ступени одновременно является нижней крышкой вышестоящей ступени. Рабочие камеры всасывания 17 и нагнетания 18 образуются между внутренней втулкой 5, пластинами 3 и наружной поверхностью кулачка 10 (фиг.3).
Заявляемый пластинчатый насос работает следующим образом. При вращении ротора 2 в цилиндрической полости статора 1 пластины 3, связанные жестким синхронизирующим элементом 4, плавно скользят по профилированной боковой поверхности 10 кулачка 2, образуя рабочие камеры 17 и 18 переменного объема, сообщаемые с входными 15 и выходными 16 окнами. При набегании на выступ ротора 2 пластина 3 утапливается в паз 9, давит на синхронизирующее кольцо 4, которое, в свою очередь, прижимает диаметрально расположенную пластину 3 к ротору 2. Таким образом, обеспечивается постоянный контакт пластин 3 с ротором 2, изолирующий камеры всасывания 17 и нагнетания 18 друг от друга. В те моменты времени, когда объем рабочей камеры увеличивается, происходит всасывание рабочей жидкости через открытые входные окна 15, а в моменты времени, соответствующие уменьшению объема рабочей камеры, жидкость выталкивается через открывающиеся выходные окна 16 - происходит нагнетание. Специально профилированная боковая поверхность кулачка 10 ротора 2 определяет безударность и плавность хода пластин 3 по ротору 2, увеличивая тем самым надежность работы насоса на повышенных частотах вращения вала.
Визуализация предложенного изменения профиля приведена на фиг.4 в сравнении с профилем кулачка-прототипа на фиг.5. Заявляемый профиль кулачка, описываемый зависимостью (1), выглажен не только по первой, но и по второй производной по координате, поэтому гарантирует монотонное изменение
ускорения при движении пластины по профилю, т.е. отсутствие ударов (скачкообразных изменений ускорения), разрушающих контактирующие поверхности кулачка и пластин. Для сравнения на фиг.5 представлен профиль кулачка по патенту-прототипу, состоящий из дуг окружностей равного радиуса, формирующих выступы, и соединительных дуг окружностей большего радиуса, непрерывный и гладкий только в смысле первой производной, но имеющий точки, в которых скачком изменяется кривизна, а значит и сила, действующая на пластину.