ПЛАСТИНЧАТЫЙ РОТОРНЫЙ НАСОС

Предложение относится к устройствам для напорного перемещения среды в результате сообщения ей внешней энергии, а именно, к пластинчатым роторным насосам.
Предложение может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, например, в пищевой промышленности для подачи различных сред, причем эти среды могут быть жидкими, полужидкими, дисперсными, геле - или пастообразными.
Предпочтительно использование заявляемого технического решения в составе машины для формирования сырков определенного размера и веса из творожной массы для подачи этой массы по трубопроводу в поршневой дозатор.
Пластинчатый насос по виду рабочей камеры и сообщению ее с входом и выходом относится к объемному роторно-поступательному шиберному насосу, в состав рабочих органов которого входят шиберы, выполненные в виде пластин.
Рабочими органами пластинчатого насоса являются ротор, вращающийся в эксцентрично расточенном корпусе, и пластины, вставленные в продольные пазы ротора и прижимаемые к корпусу центробежной силой, пружинами или давлением жидкости, подводимой со стороны оси ротора. Рабочие камеры пластинчатых насосов образованы рабочими поверхностями ротора, корпуса, двух смежных пластин и боковых крышек.
Заявляемое предложение касается насосов однократного действия, в которых за один оборот ротора насос подает в напорную линию один объем среды, то есть выполняет один полный цикл работы, включающий процесс всасывания и процесс нагнетания.
Из уровня техники известен пластинчатый насос, который применяют для перекачивания густых, мало текучих продуктов, содержащих влагу (см. Волчков И.И. и др. «Насосы для молока и молочных продуктов», М. Пищевая промышленность, 1980, стр. 176-177).
Насос состоит из корпуса и эксцентрично расположенного в нем ротора с выдвижными пластинами. Корпус закрыт крышками, а ротор расположен на валу и получает от него вращение. Пластины вставлены в пазы ротора и ничем не закреплены. К всасывающему патрубку корпуса насоса присоединен бункер, к нагнетательному патрубку присоединен трубопровод.
Недостатком данного насоса является то, что при его работе наблюдается значительное трение пластин о стенки корпуса и жидкостное трение продукта о стенки корпуса и шибера. Также во время работы при недостаточно точном изготовлении элементов насоса может возникать заклинивание пластин. В тех случаях, когда центробежная сила недостаточна для выхода пластин, например, при низких оборотах в пусковом режиме, в пазах необходимо устанавливать пружины, которые выталкивают пластины по мере вращения ротора.
Известен также пластинчатый насос фирмы «Denison», включающий вращающийся в корпусе ротор, в пазах которого расположены пластины, прижимаемые к внутренней поверхности корпуса пружинами (см. Зайченко И.З. и др. «Пластинчатые насосы и гидромоторы», М.Машиностроение, 1970, стр.117-118, рис. 76).
Недостатками данного насоса являются его низкая надежность из-за возможности поломки пружин, работающих в условиях большого количества циклов нагружения и соответственно частых деформаций, вызывающих усталость металла, а также повышенное трение пластин о корпус, вследствие действия пружин, снижающее эффективный коэффициент полезного действия (далее КПД).
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является пластинчатая машина, содержащая эксцентрично установленный в
полости корпуса ротор, в радиальных пазах которого размещены подвижные пластины, опирающиеся на цилиндрический плавающий элемент, эксцентрично размещенный в расточке ротора (см. патент RU №2011013, F 04 C 2/344, 1994).
Недостатком данного насоса является его неустойчивая работа, как в режиме пуска, так и в рабочем режиме из-за неплотного прилегания пластин к поверхности корпуса. Кроме этого, по мере механического износа торцов пластин, зазор между пластинами и корпусом увеличивается, а это является причиной резкого уменьшения в процессе эксплуатации самовсасывающей способности насоса.
Из анализа уровня техники видно, что пластинчатые насосы просты по конструкции, имеют малое количество деталей, равномерную подачу среды.
Рабочий процесс пластинчатого роторного насоса характеризуется изменяющимся (серповидным) рабочим объемом полостей всасывания и напора. Уплотнение между входным и напорным патрубками осуществляется пластинами, помещенными в пазах ротора, при минимальных радиальных и торцовых зазорах между ротором и корпусом.
Ширина зазоров оказывает существенное влияние на объем текучей среды, циркулирующей внутри насоса, и износ элементов насоса, связанный с увеличением зазора, понижает КПД насоса и ухудшает энергетическую эффективность насоса.
Технический результат предложения заключается в улучшении эксплуатационно-технологических возможностей насоса путем стабилизации его работы, как при пуске, так и в рабочем режиме.
Для достижения указанного технического результата в пластинчатом роторном насосе, содержащем, закрытый с торцов, полый корпус с патрубками всасывания и нагнетания и, эксцентрично установленный в полости корпуса, ротор с внутренней расточкой, в радиальных пазах которого размещены подвижные пластины, опирающиеся на плавающий элемент, эксцентрично размещенный в расточке ротора, согласно
предложению, плавающий элемент выполнен с каналом, который связан через золотниковый узел с патрубками всасывания или нагнетания, а также он конструктивно соединен с расточкой ротора, а по существу с той его зоной, где отсутствует давление рабочей среды на пластины. При этом также согласно предложению, плавающий элемент выполнен в виде втулки, наружная поверхность которой содержит выемки для подачи рабочей среды в расточку ротора, соединенные с внутренним каналом отверстиями.
Наличие отличительных признаков, а именно, выполнение плавающего элемента в виде цилиндрической втулки с каналом для подачи рабочей среды через золотниковый узел от патрубка всасывания при пуске насоса, или от патрубка нагнетания при рабочем режиме, выполнение втулки с выемками и отверстиями для подачи рабочей среды из канала в расточку ротора, в зону, где отсутствует давление рабочей среды на пластины, свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна».
Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид в аксонометрии пластинчатого роторного насоса; на фиг.2 представлен разрез А-А, выполненный по продольной оси насоса; на фиг.3 представлен поперечный разрез насоса Б-Б; на фиг.4 показан вид насоса сбоку В, вид со стороны золотникового узла; на фиг.5 изображен вид сбоку ротора вместе с хвостовиком; на фиг.6 изображен поперечный разрез ротора Д-Д; на фиг.7 показан разрез Г-Г, выполненный по продольной оси насоса;
на фиг.8 представлен общий вид формующей машины модели «ПАСТПАК-Ф».
Следует учесть, что на чертежах для большей ясности представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа технического решения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертежах не представлено.
В предложенном варианте два пластинчатых роторных насоса в соответствии с технологическим процессом установлены в формующей машине модели «ПАСТПАК-Ф».
Формующая машина «ПАСТПАК-Ф» (фиг.8) предназначена для формования сырков определенного размера и веса из творожной массы одного или одновременно двух видов. Творожную массу из бункеров двумя насосами подают в блок дозаторов. Дозированные порции творожных масс затем направляют в блок фильер, формируют в виде жгутов и обрезают.
Общий вид заявляемого пластинчатого роторного насоса представлен на фиг.1, 4.
Пластинчатый роторный насос включает кронштейн 1, имеющий основание и стойку с двумя фланцами 2, 3, на которые с одной стороны установлен мотор - редуктор 4, а с другой стороны с помощью крепежных элементов, например, стяжных шпилек с гайками, смонтированы в одно целое по горизонтали основные элементы насоса.
Насос также включает фланец 5, выполненный с базовым буртом для установки на фланец 3 кронштейна 1.
К фланцу 5 (фиг.2) по горизонтальной продольной оси насоса присоединен корпус б из алюминиевого сплава, выполненный с цилиндрической полостью по вышеупомянутой оси с запрессованной в него стальной нержавеющей гильзой, и герметично закрытый с торцов, соответственно вышеупомянутым фланцем 5 с одного торца и крышкой 7 с другого торца. Корпус 6 включает всасывающий канал 8 (фиг.3) с патрубком 9, конструктивно выполненный, например, в верхней части корпуса 6 со смещением относительно вертикальной оси плоскости продольного сечения насоса, а по существу, размещенный в зоне оптимальных условий для забора среды, а именно, в зоне низкого давления. Корпус 6 включает также нагнетательный канал 10 с патрубком 11, конструктивно выполненный, например, в нижней части корпуса 6 в плоскости перпендикулярной плоскости всасывающего канала 8 со смещением относительно
горизонтальной оси насоса, а по существу, размещенный в зоне оптимальных условий для выхода среды, а именно, в зоне высокого давления. Всасывающий канал 8 через патрубок 9 соединен с питающим бункером, а нагнетательный канал 10 (фиг.3) через патрубок 11 соединен с трубопроводом напорной линии.
Насос также содержит ротор 12 (фиг.5, 6), установленный с возможностью вращения через хвостовик 13 от мотора - редуктора 4 в полости корпуса б со смещением относительно горизонтальной оси плоскости продольного сечения насоса. Таким образом, ось вращения ротора 12 смещена относительно оси полости корпуса 6 на величину эксцентриситета е. В данном варианте исполнения насоса е=7,5мм. При этом ротор 12 также выполнен с расточкой, то есть его рабочая часть имеет вид полого цилиндра, снабженного по длине радиальными сквозными пазами, в которых подвижно размещены кинематически связанные с ротором 12 пластинчатые элементы, например, прямоугольные пластины 14, выполненные из пластмассы.
Причем пластины 14 (фиг.2, 3) разделяют серповидную рабочую полость, образованную поверхностью полости корпуса 6 и наружной поверхностью ротора 12, на рабочие камеры для среды, объем которых непрерывно меняется при вращении ротора. Пластины 14 проходят насквозь тела ротора 12, находясь одновременно в полости корпуса бив расточке ротора 12. При этом пластины 14 сопряжены с цилиндрической поверхностью полости корпуса 6 своими торцевыми поверхностями, назовем их внешними торцами, которые максимально удалены по радиусу от центра полости корпуса 6, создавая внешнюю поверхность прилегания пластин 14. А торцевые поверхности пластин 14, назовем их внутренними торцами, которые расположены ближе по радиусу к центру полости корпуса 6, создают внутреннюю поверхность прилегания за счет сопряжения с наружной поверхностью плавающего элемента, например, втулки 15, расположенной в расточке ротора 12 с возможностью перемещения
вследствие ее контакта с данными торцами пластин 14. Таким образом, из вышесказанного следует, что пластины 14 своими внешними и внутренними торцами создают внешнюю и внутреннюю поверхность прилегания, и их внутренние торцы, аналогично внешним, расположены в пространстве, опираясь на втулку 15.
Втулка 15 (фиг.7) имеет внутренний осевой канал, а ее наружная поверхность содержит выемки 16. Для описываемого варианта исполнения выемки 16 представлены как две концентрические канавки, расположенные по продольной оси симметрии корпуса 6 и вдоль продольной оси втулки 15. При этом выемки 16 соединены с внутренним каналом втулки 15 сквозными отверстиями 17.
2
Следует отметить, что размер высоты пластины 14 и диаметр втулки 15 связаны между собой определенным соотношением. В зависимости от диаметра полости корпуса б, эксцентриситета ротора 12, толщины пластин 14, сумма высот двух пластин 14, взятых по гипотенузе в поперечном сечении, и диаметра втулки 15 должна быть максимально приближена к диаметру полости корпуса 6. Данные размеры подбирают конструктивно в зависимости от рабочих характеристик насоса. Для нашего случая для достижения указанного технического результата при производительности насоса Q=4 л/мин и давлении Р = 1,5 кгс/см высота пластины 14 равна 39мм при ее длине в 80мм, а диаметр втулки составляет 44мм. Размер толщины пластины 14 в зависимости от давления нагнетаемого продукта также влияет на технический результат, пластина 14 должна быть прочной, не гнуться под напором продукта, удерживая давление, и в то же время она не должна быть необоснованно широкой, так как при меньшей ее толщине достигают более плотную внешнюю поверхность прилегания. Для такого продукта как творог толщина пластины 14 составляет 8мм.
К торцовой крышке 7 насоса присоединен золотниковый узел (фиг.7), выполненный в виде тройника с тремя выходами, а именно, с патрубком 18, соосным продольной оси ротора 12 и с патрубками 19 и 20,
расположенными на одной оси в плоскости, перпендикулярной продольной оси насоса. При этом один выход тройника, а именно, патрубок 18 связан с каналом втулки 15 и с частью пространства под пластинами 14 в расточке ротора 12, открытого для прохода рабочей среды (фиг.3, в нашем случае нижняя часть расточки ротора 12). Остальная часть пространства под пластинами 14, которая перекрыта для прямого прохода рабочей среды торцевой поверхностью втулки 15 и попадающими в эту зону пластинами 14, связана с каналом втулки 15 через отверстия 17 и выемки 16 (фиг.3, в нашем случае верхняя часть расточки ротора 12). Второй выход тройника, а именно патрубок 19, связан с патрубком 9 всасывающего канала 8 посредством шланга через ниппель и накидную гайку, а третий выход тройника, а именно патрубок 20, таким же образом связан с патрубком 11 нагнетательного канала 10. Внутренняя полость тройника содержит золотник 21, выполненный в виде сплошного цилиндра, который имеет возможность перемещения от патрубка 19 к патрубку 20 при пуске насоса и в обратном направлении в рабочем режиме.
Устройство работает следующим образом.
При вращении ротора 12 пластины 14 всегда прижаты к поверхности полости корпуса 6 и скользят по ней, создавая внешнюю поверхность прилегания. Из-за наличия эксцентриситета между ротором 12 и корпусом 6 пластины 14 совершают сложное движение: вращение вместе с ротором 12 и возвратно-поступательное движение в пазах ротора 12. При этом заключенный между соседними пластинами 14 объем рабочих камер по мере вращения ротора 12 изменяется. Он увеличивается при движении пластин 14 от полости нагнетательного канала 10 к полости всасывающего канала 8 (процесс всасывания) и уменьшается при движении пластин 14 от полости всасывающего канала 8 к полости нагнетательного канала 10 (процесс нагнетания).
Наибольший выход пластин 14 из пазов ротора 12 соответствует всасывающему патрубку 9, в это время продукт, например творожная масса,
поступает в насос. Так как творог является не текучим продуктом, для подачи его в патрубок 9 всасывающего канала 8 в установке применен бункер со шнеком-питателем.
2
При пуске насоса творожная масса под давлением Р=0,3 кгс/смпоступает из всасывающего канала 8 насоса в рабочую камеру и одновременно через соединительные шланги в патрубок 19 золотникового узла устройства. Попадая в золотниковый узел, творожная масса смещает золотник 21 в сторону патрубка 20, перекрывая его и открывая проход из патрубка 19 в патрубок 18. Затем творожная масса под давлением заполняет, как часть пространства под пластинами 14 в расточке ротора 12, открытого для прохода рабочей среды, так и внутренний канал втулки 15. Из внутреннего канала втулки 15 через отверстия 17 и выемки 16 творожная масса также поступает в расточку ротора 12, а именно в ту его зону, которая перекрыта для прямого прохода рабочей среды торцевой поверхностью втулки 15 и попадающими в эту зону пластинами 14. Таким образом, происходит равномерная подача рабочей среды под давлением во всем пространстве под пластинами 14, при этом творожная масса отжимает все пластины 14 вплотную к поверхности полости корпуса 6 вне зависимости от того, в какой зоне расточки ротора 12 они расположены. Конструкция втулки 15 обеспечивает ее статическое равновесие в среде под давлением и надежную подачу продукта в пространство под пластинами 14.
При дальнейшем повороте ротора 12 пластины 14 передвигают продукт, задвигаются постепенно в пазы ротора 12, рабочие камеры между ними уменьшаются, и продукт выталкивается в нагнетательный патрубок 11.
Таким образом, при вращении ротора в каждой из рабочих камер насоса последовательно происходят следующие процессы:
- процесс всасывания среды (продукта), происходящий при увеличении объема рабочих камер, причем всасывание обуславливается снижением давления, возникающим при увеличении объема;
- процесс переноса среды в рабочей камере из полости всасывания в полость нагнетания, когда объем среды в камере сначала изолируется от полости всасывания, а затем соединяется с полостью нагнетания, при этом пластины 14 перемещаются по поверхности полости корпуса 6;
- процесс нагнетания среды, происходящий при уменьшении объема камер.
2
При наборе давления в установившемся рабочем режиме насоса продукт из полости нагнетания от патрубка 11 под давлением процесса нагнетания Р=1,5 кгс/см через соединительные шланги и патрубок 20 попадает в золотниковый узел и перемещает золотник 21, перекрывая патрубок 19 и соединяя патрубки 20 и 18, а затем через патрубок 18 проходит в пространство под пластинами 14, но уже соответственно с другим давлением, а именно, давлением нагнетания, обеспечивая надежный контакт пластин 14 и поверхности полости корпуса 6.
Таким образом, золотниковый узел автоматически осуществляет коммутацию пространства под пластинами 14 с патрубком 9 всасывающего канала 8 при пуске насоса и с патрубком 11 нагнетательного канала 10 в установившемся рабочем режиме насоса. Это позволяет стабилизировать работу насоса, как при его запуске, так и в установившемся режиме, сохранить высокую работоспособность даже при механическом износе трущихся деталей и повысить КПД насоса.
Пластинчатый роторный насос был разработан и изготовлен на машиностроительном заводе «ТАУРАС-ФЕНИКС» и успешно использован на предприятии заказчика.
Из вышесказанного следует, что изготовление данного устройства промышленным способом не вызывает затруднений, предполагает использование освоенных материалов и стандартного оборудования, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «промышленная применимость».