БЫСТРОХОДНЫЙ ПЛАСТИНЧАТЫЙ НАСОС МНОГОКРАТНОГО ДЕЙСТВИЯ
HIGH-SPEED MULTIPLE-ACTION VANE PUMP

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к объемным насосам пластинчатого типа, которые могут быть использованы в гидроприводах и насосных установках с высокооборотными приводными двигателями.
Известны пластинчатые насосы двукратного действия, содержащие вал с ротором кулачкового типа, наружная поверхность которого в паре с охватывающей ее цилиндрической поверхностью статора образует рабочие камеры, вытеснителями жидкости в которых служат скользящие по трем кулачкам ротора две подпружиненные пластины, размещенные в пазах статора и разделяющие каналы подвода и отвода жидкости, соединенные с всасывающим и нагнетательным коллекторами соответственно, охватывающий статор корпус с торцевыми крышками и торцевыми уплотнениями ротора с каналами отвода их утечек во всасывающий коллектор (патент RU 2495282 и насос фирмы «Weldon» см. книгу Зайченко И.З., Мышлевского Л.М. «Пластинчатые насосы и гидромоторы» / М. Машиностроение, 1970, стр. 128, рис. 83).
Насосы такой конструкции отличаются простотой и компактностью и способны длительно работать в тяжелых условиях подъема жидкости из нефтяных скважин.
Недостатками таких насосов являются:
1. Значительные (около 1 кг/кВт) массогабаритные показатели, связанные с тяжелонагруженными подшипниками скольжения вала ротора, воспринимающими неуравновешенные силы давления жидкости в трех рабочих камерах, высокими нагрузками на крышку и крепящие ее болты из-за большого диаметра кольцевого нагнетательного коллектора.
2. Невысокий коэффициент полезного действия (~0,8) и ограничение максимального давления нагнетания до 15 МПа, связанные со значительными утечками из рабочих камер по щелевым уплотнениям между вершинами кулачков и статором, зазоры в которых назначаются большими из-за люфтов в подшипниках оси ротора и наличия эксцентриситетов в посадках ротора и статора, а также из-за недопустимости соударения вершин кулачков ротора с кромками пазов статора.
3. Невысокая быстроходность до 3000 об/мин при работе на самовсасывании, вызванная большими потерями напора жидкости в каналах, подводящих ее к рабочим камерам и камерам в пазах за пластинами.
4. Неспособность возобновлять подачу жидкости в сосуд с высоким давлением (более 2 МПа) после попадания во всасывающий коллектор газа (воздуха) из-за его подсоса через неплотности всасывающего трубопровода или временной задержки в поступлении жидкости к нему, связанная с невозможностью отвода газа из корпуса насоса.
Известны гидромашины четырехкратного действия фирмы «Bendix», содержащие четное число пластин и кулачков ротора (4 пластины и 6 кулачков) (см. книгу Зайченко И.З., Мышлевского Л.М. «Пластинчатые насосы и гидромоторы» / М. Машиностроение, 1970, стр. 131, рис. 86). Такая конструкция обеспечивает полное уравновешивание сил давления жидкости на ротор, и, соответственно, отсутствие гидравлической нагрузки на подшипники вала ротора.
Наиболее близким по конструкции к заявленному устройству является насос по патенту US 5989002, содержащий корпус, внутри которого расположен статор с цилиндрической расточкой, охватывающей кулачковый ротор с торцовыми уплотнениями с образованием рабочих камер, подпружиненные пластины, размещенные в пазах статора, причем количество кулачков ротора и пластин статора выражено четными числами, пластины разделяют выполненные в статоре всасывающие и нагнетательные каналы, соединенные с всасывающим и нагнетательным коллекторами соответственно, при этом нагнетательные каналы частично совмещены с пазами под пластины, а вершины кулачков ротора выполнены с радиусом, равным радиусу внутренней поверхности статора, и шириной, превышающей ширину пазов статора. Однако и в этих насосах сохраняются все вышеперечисленные недостатки пластинчатых насосов.
Техническая проблема, поставленная в настоящем изобретении, заключается в устранении указанных недостатков.
Технический результат состоит в сокращении массогабаритных показателей, повышении коэффициента полезного действия и максимального рабочего давления жидкости, увеличении быстроходности и обеспечении возможности возобновлять подачу жидкости в сосуд с высоким давлением после попадания во всасывающий коллектор газа.
Сущность изобретения заключается в том, что быстроходный пластинчатый насос многократного действия содержит корпус, внутри которого расположен статор с цилиндрической расточкой, охватывающей кулачковый ротор с торцовыми уплотнениями с образованием рабочих камер, подпружиненные пластины, размещенные в пазах статора, причем количество кулачков ротора и пластин статора выражено четными числами, пластины разделяют выполненные в статоре всасывающие и нагнетательные каналы, соединенные с всасывающим и нагнетательным коллекторами соответственно, при этом нагнетательные каналы частично совмещены с пазами под пластины, а вершины кулачков ротора выполнены с радиусом, равным радиусу внутренней поверхности статора, и шириной, превышающей ширину пазов статора. Согласно изобретению наружная поверхность статора выполнена с тремя кольцевыми канавками, разделенными уплотнениями между статором и корпусом на две крайние кольцевые полости всасывающего коллектора и центральную кольцевую полость нагнетательного коллектора, причем крайние кольцевые полости соединены между собой каналами, проходящими под центральной кольцевой полостью, которая соединена с выходным портом насоса, расположенным в корпусе в зоне между этими уплотнениями, на валу ротора установлена крыльчатка, размещенная в полости крышки корпуса насоса с центральным подводом жидкости и ее отводом от крыльчатки во всасывающий коллектор, при этом канал отвода утечек жидкости от торцового уплотнения ротора выполнен с выходом во всасывающий коллектор или на наружную поверхность корпуса, а выходные отверстия всасывающих и нагнетательных каналов на внутренней поверхности статора расположены рядами, при этом как выходные отверстия всасывающих каналов, так и нагнетательных разделены перемычками на линии вдоль пазов статора, служащими дополнительными опорными поверхностями для кулачков ротора.
В частных случаях реализации уплотнения между статором и корпусом выполнены в виде клинопрофильных пластмассовых колец с общей поджимной пружиной U-образного поперечного сечения с перфорированным донышком.
Как правило, торцовое уплотнение ротора выполнено в виде шайбы с двумя кольцевыми уплотнителями относительно корпуса или его крышки и полости между этими уплотнителями с подводом в нее жидкости из нагнетательного коллектора через отверстия в шайбе, расположенные напротив торцов пазов статора.
В частных случаях реализации пружины пластин выполнены в виде волнистой ленты и размещены в донной части пазов статора.
В других частных случаях пластины выполнены намагниченными с образованием с магнитопроводным ротором магнитного контура взаимного притяжения.
Как правило, внутри кулачков ротора расположены выходящие на их торцы продольные камеры.
В частных случаях реализации камеры в кулачках ротора сообщены с рабочими камерами насоса через капиллярные каналы, выходящие на передние по ходу вращения грани кулачков.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен быстроходный пластинчатый насос многократного действия в разрезе вдоль оси его вала; на фиг. 2 - разрез по А-А с фиг. 1; на фиг. 3 - разрез по В-В с фиг. 2; на фиг. 4 - разрез по С-С с фиг. 2.
Насос содержит корпус 1 с внутренней 2 и наружной 3 крышками, которые центрируются между собой с помощью втулки 4 и стягиваются болтами 5. В корпусе 1 установлен статор 6 с герметизацией стыка по корпусу 1 клинопрофильными уплотнениями 7, распираемыми общей поджимной пружиной 8 U-образного профиля с перфорированным дном 9. На наружной поверхности статора 6 выполнены кольцевые канавки, образующие всасывающий 10 и нагнетательный 11 коллекторы. Две крайние канавки всасывающего коллектора 10 соединены между собой каналами 12, проходящими под нагнетательным коллектором 11, и со всасывающими каналами 13, выходящими на внутреннюю поверхность статора 6. Центральная канавка с нагнетательным коллектором 11 также соединена с внутренней поверхностью статора 6 через нагнетательные каналы 14 и имеет выход к выходному порту 15 корпуса 1. Выходные отверстия каналов 13 и 14 на внутренней поверхности статора располагаются рядами вдоль пазов 16 под пластины 17, причем в каждом ряду перемычки 18 между отверстиями как каналов 13 та и каналов 14 обеспечивают в их зонах непрерывность внутренней поверхности статора 6 в контакте с ротором 19. Пазы 16 статора 6 могут быть частично совмещены с каналами 14 и содержать ленточные пружины 20, опертые на дно паза 16 и пластины 17. Ротор 19 снабжен кулачками 21 и валом 22. Вершины кулачков 21 имеют радиус R скругления, равный радиусу внутренней поверхности статора 6, и ширину 1 скругления, превышающую ширину L паза 16. На конце вала 22 закреплена крыльчатка 23. Наружная крышка 3 имеет в центральной части полость 24, выходящую наружу через всасывающий порт 25. В полости 24 размещена крыльчатка 23. Внутри кулачков 21 могут располагаться продольные камеры 26, выходящие на торцы ротора 19, и каналы 27, выходящие на передние по ходу вращения грани кулачков 21 и соединяющие камеры 26 с рабочими камерами 28. Торцовое уплотнение ротора 19 состоит из шайбы 29 с двумя кольцевыми уплотнениями 30, герметизирующими ее стык с корпусом 1 с образованием полости 31 с подводом в нее жидкости из нагнетательного коллектора 11 через пазы 16 и стыкуемые с ними отверстия 32 в шайбе 29. Выходящий из корпуса 1 конец вала 22 снабжен комплектом уплотнений 33. Для отвода утечек из рабочих камер 28 по торцу ротора 19 предусмотрен канал 34, соединяющий полость перед уплотнениями 33 со всасывающим коллектором 10. В случае необходимости отвода воздуха из рабочих камер 28 канал 34 выполняется с выходом не во всасывающий коллектор 10, а наружу из корпуса 1 (пунктирные линии на фиг. 1).
Быстроходный пластинчатый насос многократного действия работает следующим образом:
При вращении вала 22 с ротором 19 от приводного двигателя (на чертеже не показан) закрепленная на валу крыльчатка 23 вращает жидкость, поступающую в насос через всасывающий порт 25, и под действием центробежных сил она создает во всасывающем коллекторе 10 давление подпитки, нагнетающее жидкость через всасывающие каналы 13 в рабочие камеры 28 ротора 19, в моменты их прохождения под каналами 13. После выхода из контакта с всасывающими каналами 13 жидкость в рабочих камерах 28 переносится к пластинам 17, постоянно контактирующим с ротором 19, и нагнетательным каналом 14. По мере кольцевого движения объем рабочих камер 28, ограниченный линиями контакта вершин кулачков 21 со статором 6 и линиями контакта пластин 17 с ротором 19, уменьшается и жидкость вытесняется в нагнетательные каналы 14. После прохождения вершин кулачков 21 под пластинами 17 рабочие камеры 28 соединяются со всасывающими каналами 13 и их объем возрастает до момента отключения от всасывающих каналов 13. Цикл наполнения и опорожнения рабочих камер 28 повторяется перед каждой пластиной 17, обеспечивая четырехкратное действие насосу, а его рабочий объем q определяется произведением объема V одной рабочей камеры 28 на их число 6 и число 4 пластин 17, т.е. q=24V.
Шесть рабочих камер 28 герметизируются по цилиндрической поверхности статора 6 беззазорным контактом упругих кулачков 21 ротора 19 за счет установки его в статор 6 с натягом по наружному диаметру и торцовым уплотнением с шайбой 29, поджимаемой уплотнением 30. Повышенная упругость кулачков 21 создается наличием в них продольных камер 26. Для сохранения герметичности при высоких давлениях жидкости камеры 26 снабжены капиллярными каналами 27 для заполнения камер 26 высоким давлением из рабочих камер 28. Благодаря этому, рабочие камеры 28 не имеют присущих прототипу щелевых уплотнений и обеспечивают высокий объемный КПД насосу и работу при повышенных давлениях жидкости. Вытеснение жидкости из рабочих камер 28 осуществляют пластины 17, герметично стыкуемые с ротором 19 за счет пружин 20 или магнитных сил и давления жидкости в нагнетательных каналах 14, подключенных к пазам 16. Причем совмещение пазов 16 с нагнетательными каналами 14 создает прижим пластин 17 и к стенкам пазов 16, обеспечивая высокую герметичность и этих стыков.
Наличие постоянного контакта кулачков 21 со статором 6 при отсутствии неуравновешенных сил от давления жидкости в рабочих камерах 28 на роторе 19 при четных числах кулачков 21 и пластин 17 позволяет отказаться от традиционных подшипников вала, передав их функцию хорошо смазываемой и охлаждаемой рабочей жидкостью паре трения ротор-статор, что существенно повышает массогабаритные показатели насоса.
С целью исключения соударений вершин кулачков 21 с кромками пазов 17 эти вершины выполняются с радиусом R, равным радиусу отверстия статора 6 на протяженности, превышающей ширину пазов 17. С этой же целью отверстия выхода каналов 13 и 14 внутри статора 6 имеют перемычки, служащие опорами ротору 19.
Снижению массогабаритных показателей насоса способствует использование для поджима пластин 17 компактных пружин 20 в виде волнистой ленты или магнитных сил при намагниченных пластинах. Их применение позволяет понизить глубину пазов 16 в статоре 6 и наружный диаметр статора 6 и корпуса 1. Применение компактных клинопрофильных уплотнений 7 с перфорированной распорной пружиной 8 U-образного профиля позволяет уменьшить толщину перегородок в статоре 6, что также повышает компактность насоса. Существенный вклад в уменьшение габаритов насоса вносит размещение полости нагнетательного коллектора 11 между двумя полостями всасывающего коллектора 10. При этом силы давления жидкости на торцевые стенки коллектора 11, принадлежащие статору 6, не передаются на корпус 1 и его крышку 3, связанные болтами 5, что позволяет выполнить их более тонкостенными и компактными.
Размещенная на валу 22 крыльчатка 23 с полостью в крышке 3 образует центробежный насос подпитки, повышающий быстроходность насоса за счет лучшего заполнения рабочих камер 28 жидкостью при увеличении скорости вращения вала 22.
В случае выполнения канала 34 с выходом не во всасывающий коллектор 10, а наружу из корпуса 1 газ, попавший во вращающиеся рабочие камеры 28, отжимается более тяжелой жидкостью к их донной части, откуда через неплотности в торцовом уплотнении с шайбой 29 попадает в зону перед уплотнениями 33 и отводится по каналу 34 наружу корпуса 1. Благодаря этому насос способен возобновлять нагнетание жидкости в сосуд с высоким давлением после попадания воздуха в его всасывающий порт 25.
Таким образом, предложенная конструкция насоса обеспечивает ему пониженные массогабаритные показатели, повышенные коэффициент полезного действия и максимальное рабочее давление, увеличенную быстроходность и способность быстро восстанавливать подачу жидкости в сосуд с высоким давлением после попадания в насос газа.