РОТОРНЫЙ НАСОС
ROTOR PUMP

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к роторным насосам.
Известен роторный насос, включающий в себя полый корпус, содержащий боковую и торцевые стенки, вращающийся вал, установленный на переменном расстоянии относительно боковой стенки корпуса, деформируемые ролики, расположенные и перемещаемые при вращении вала между боковой стенкой корпуса и валом с максимальной деформацией в области минимального расстояния между боковой стенкой корпуса и валом, и герметичные полости, каждая из которых образована двумя смежными первым и вторым роликами, боковой и торцевыми стенками корпуса и валом, причем герметичные полости выполнены с возможностью сообщения с отверстием всасывания при увеличении их объема и с возможностью сообщения с отверстием нагнетания при уменьшении объема, при этом сообщение с отверстием нагнетания происходит при нахождении второго ролика в самой широкой области рабочего пространства, а такт нагнетания происходит до достижения первым роликом самого узкого места рабочего пространства [Патент РФ №2333391, F04C 5/00, опубл. 27.09.2007].
У такого насоса низка энергетическая эффективность, так как много механической энергии переходит в тепло при непрерывном деформировании роликов с большими степенями деформации.
Известны пластинчатые насосы, содержащие корпус с профилированной внутренней поверхностью, ограниченный верхним и нижним основаниями с впускными и выпускными отверстиями, и установленный на валу соосно корпусу ротор с радиальными прорезями, в которых размещены рабочие пластины. Рабочие пластины перемещаются в прорезях под действием пружин или приводятся в движение иным способом, обеспечивая контакт пластин с профилированной внутренней поверхностью корпуса. В пластинчатых насосах поперечное сечение корпуса может быть выполнено в виде эллипса, а ротор может иметь круглое поперечное сечение, при этом геометрические продольные оси корпуса и вала совпадают. Возможно также выполнение насоса с эллиптическим сечением ротора, а корпуса - с круглым сечением. Если корпус и ротор имеют круглое поперечное сечение, то ротор устанавливают с эксцентриситетом относительно корпуса [см., например, патенты RU 2135834,  2172429,  2184875,  2191926,  22093441.
К числу недостатков перечисленных пластинчатых насосов относится недостаточная надежность при перекачивании жидкостей, содержащих абразивные частицы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является роторный насос, содержащий корпус с профилированной внутренней поверхностью, ограниченный верхним и нижним основаниями с впускными и выпускными отверстиями, и установленный на валу соосно корпусу ротор с пазами в форме секторов, в которых размещены рабочие шиберы Г-образной формы, рабочие шиберы снабжены ножками, а в основаниях для них выполнены пазы, обеспечивающие при вращении ротора образование зазора между краем шибера и внутренней поверхностью корпуса [Патент РФ №116 919, F04C 2/344, опубл. 10.06.2012].
Из-за наличия в конструкции деталей, движущихся относительно друг друга с небольшими зазорами (например, между шиберами и пазами), во время работы неизбежно попадание в эти зазоры абразивных частиц и изнашивание деталей, что ведет к увеличению зазоров, появлению вибраций, ускорению износа и, в конечном итоге, заклиниванию или поломке деталей.
Применение износостойких материалов и технологий упрочнения увеличивает надежность лишь незначительно.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности насосов путем уменьшения числа скользящих друг относительно друга частей.
Указанный технический результат достигается тем, что в роторном насосе, содержащем цилиндрический корпус, ограниченный верхним и нижним основаниями с впускными и выпускными отверстиями, установленный на валу ротор и шиберы, разделяющие пространство между ротором и корпусом на камеры, изменяющие свой объем во время вращения ротора, согласно изобретению шиберы выполнены упругими в форме двух сопряженных дуг, при этом один конец шиберов жестко прикреплен к ротору, а другой - снабжен износостойкой насадкой и прижат за счел упругих сил к внутренней поверхности корпуса с возможностью перемещения в радиальном направлении.
Предпочтительно, чтобы сопряженные дуги шиберов были выполнены с радиусом, равным 1,1-1,3 внешнего радиуса ротора, и соединены участком сопряжения, радиус кривизны которого составляет 0,1-0,3 минимального зазора между корпусом и ротором. Кроме того, целесообразно, чтобы концы у каждого шибера были расположены вблизи одной диаметральной плоскости ротора.
Применение упругих шиберов в форме двух сопряженных дуг элементов обеспечивает перемещение конца шибера с насадкой за счет упругой деформации самих шиберов.
Выбор геометрии шиберов обусловлен необходимостью их размещения внутри ограниченного пространства между ротором и корпусом. К тому же такая форма шибера обеспечивает значительные перемещения свободного конца за счет упругих изгибных деформаций в ходе работы насоса.
Длина дуг (и сравнительно небольшая толщина дуг шиберов) обеспечивает необходимую величину радиальных перемещений насадок при допустимых упругих деформациях дуг, величина которых ограничена пределом усталости материала.
Внутренняя поверхность корпуса и ротор могут быть выполнены с круглым поперечным сечением, в этом случае ротор нужно устанавливать с эксцентриситетом и относительно корпуса.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображено поперечное сечение роторного насоса заявляемой конструкции; на фиг.2 - продольный разрез насоса А-А фиг.1; на фиг.3 - поперечный разрез роторного насоса с эксцентриситетом между осями ротора и корпуса.
Роторный насос включает цилиндрический корпус 1 и цилиндрический ротор 2, установленный на валу 3 соосно корпусу 1 (фиг.1). Корпус 1 ограничен в осевом направлении нижним основанием 4 с впускными отверстиями 5 и верхним основанием 6 (фиг.2) с выпускными отверстиями 7 (показано пунктиром на фиг.1). Внутренняя поверхность корпуса может быть профилированной (фиг.1), как в прототипе, или иметь круглое поперечное сечение (фиг.3).
Ротор 2 снабжен шиберами 8 и 9, сформированными из двух сопряженных дуг (фиг.1, 3). Радиус дуг равен 1,1-1,3 внешнего радиуса ротора 2, а участок 10 (фиг.1), соединяющий дуги, выполнен с радиусом кривизны, равным 0,1-0,3 минимального зазора между корпусом 1 и ротором 2. В дальнейшем поверхность шибера в области между двумя дугами будем называть внутренней поверхностью, а противоположную ей поверхность, соответственно, - внешней.
Один конец шиберов 8 и 9 жестко прикреплен к боковой поверхности ротора 2 (фиг.1, 3), а противоположный конец снабжен износостойкой насадкой 11, скользящей по внутренней поверхности корпуса 1. Насадка 11 может быть выполнена из резины, твердого сплава, керамики или другого износостойкого материала. Место жесткого крепления концов шиберов 8, 9 и область скользящего контакта износостойкой насадки 11 должны быть близки по расположению относительно радиуса, проведенного из оси вращения ротора 2 (фиг.1, 3), то есть приближены к одной диаметральной плоскости ротора.
Между внешней поверхностью шибера 9 и внутренней поверхностью соседнего шибера 8 образуются камеры 12, а между внутренней поверхностью шибера 9 и внешней поверхностью соседнего шибера 8 - камеры 13. Камеры 12 и 13 имеют объем, ограниченный верхним и нижним основаниями 4 и 6, внутренней поверхностью корпуса 1 и внешней поверхностью ротора 2. Все четыре камеры равнозначны, при вращении ротора их объем меняется. В момент времени, показанный на фиг.1, камеры 12 имеют наименьший объем, а камеры 13 - максимальный объем.
Все шиберы изготовлены одинаковыми, разная форма шиберов в позициях 8 и 9 объясняется нахождением их в различном деформированном состоянии из-за взаимодействия с различными участками профилированной внутренней поверхности корпуса 1 (фиг.1): шиберы 8 максимально деформированы, а форма шиберов 9 близка к исходной, они лишь слегка деформированы (сжаты) для того, чтобы насадки 11 на их подвижных кромках были прижаты к поверхности корпуса 1.
На фиг.3 показан вариант насоса, в котором внутренняя поверхность корпуса 1 и внешняя боковая поверхность ротора 2 имеют круглые сечения и расположены с эксцентриситетом, шиберы 8 и 9 крепятся к ротору 2, а свободные концы с износостойкими насадками 11 скользят по внутренней поверхности корпуса 1.
Шиберы могут быть изготовлены из специальных сортов стали (или сплавов титана) с высоким сопротивлением усталостному разрушению, которое может быть повышено за счет термообработки или азотирования материала. Жесткость шибера определяется толщиной и упругими свойствами материала. Чтобы избежать значительных деформаций шибера из-за разницы давлений в соседних камерах, его жесткость не должна быть малой.
Роторный насос работает следующим образом.
При запуске насоса ротор 2, расположенный в полости корпуса 1 с профилированной направляющей поверхностью, вращается вместе с шиберами против часовой стрелки (фиг.1, 3). За счет упругих деформаций шиберы меняют форму от 8 к 9 и обратно, а насадки 11 все время прижимаются к внутренней поверхности корпуса 1 и скользят по ней, совершая при этом перемещение в радиальном направлении вследствие того, что меняется расстояние между внутренней поверхностью корпуса 1 и поверхностью ротора 2.
При повороте ротора на 90° объем камер 12, образованных между соседними шиберами, меняется от максимального до минимального, в результате чего жидкость выдавливается из них через выпускные отверстия 7 в верхнем основании 6. Одновременно с этим происходит увеличение объема камер 13, сообщающихся с впускными отверстиями 5, от минимального до максимального размера, в результате в камере 13 создается разрежение и в нее через впускные отверстия 5 в нижнем основании 4 поступает жидкость. При следующем повороте на 90° объем камер 12 меняется от минимального до максимального и всасывание жидкости происходит в них, а из камер 13, объем которых уменьшается до минимального размера, жидкость выдавливается. Далее процессы повторяются.
В насосе, имеющем две камеры (фиг.3), процессы всасывания и нагнетания происходят во время поворота на 180°. Дуги шиберов в этом случае длиннее, причем толщина шиберов может быть больше, чем в первом варианте (фиг.1), при одинаковых по величине радиальных перемещениях свободных концов шиберов.
Предлагаемая конструкция насоса для добычи нефти обеспечивает высокую надежность за счет уменьшения числа скользящих друг относительно друга частей.