ВИНТОВАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к области производства и конструирования насосов, компрессоров, гидравлических и пневматических двигателей в различных отраслях промышленности. В частности, заявляемое техническое решение может быть использовано в нефтяной промышленности при создании насосов для добычи нефти и перекачки многофазных сред.
Известна машина - винтовой насос, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, обойму, имеющую винтовую нарезку, и эксцентрично размещенный в ней винт, смонтированный на кривошипе с возможностью относительного планетарного движения и имеющий нарезку с числом заходов нарезки обоймы, а винт кинематически связан с обоймой и имеет возможность относительного планетарного движения без вращения (см. патент РФ №2113624, МПК F04C 2/16. - Винтовой насос. Опубликовано: 20.06.1998). Недостатком известного устройства является относительно низкая технологичность при производстве и при эксплуатации, что связано с большим количеством подвижных деталей при относительно сложной кинематической схеме.
По принципу работы наиболее близкой к заявляемому техническому решению является машина, содержащая корпус с входным и выходным патрубками, обойму с винтовыми каналами и винт, эксцентрично размещенный в обойме, а спиральные части винта размещены в винтовых каналах обоймы, с возможностью радиального смещения обоймы относительно винта (см. патент РФ №43855, класс 27 с. - Коловратная машина. Опубликовано: 31.07.1935). Недостатком известного устройства является относительно низкая технологичность при производстве и при эксплуатации, что связано с большим количеством подвижных деталей при относительно сложной кинематической схеме. Из-за большой массы вращающейся обоймы имеются весьма ограниченные возможности для увеличения мощности машины за счет увеличения длины винта и за счет увеличения частоты вращения ротора.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является повышение технологичности при производстве и при эксплуатации, за счет усовершенствования кинематической схемы машины, при уменьшении количества подвижных деталей и массы ротора машины.
Техническим результатом является создание более технологичных и более мощных машин, за, счет увеличения длины винта и за счет увеличения частоты вращения ротора, при использовании более простой кинематической схемы и более надежной конструкции для осуществления рабочего процесса в машине.
Указанная техническая задача решается за счет использования винтовой машины, содержащей корпус с входным и выходным патрубками, обойму с винтовыми каналами и винт, эксцентрично размещенный в обойме. Спиральные части винта размещены в винтовых каналах обоймы, с возможностью радиального смещения обоймы относительно винта. Обойма выполнена в виде спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке корпуса с образованием щелевых уплотнений в зазоре между спиральной пружиной и корпусом. Винт размещен вблизи от поверхности расточки корпуса с образованием щелевого уплотнения в зазоре между наружной поверхностью винта и поверхностью расточки в корпусе, с возможностью образования внутри корпуса следующих друг за другом спиральных камер, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями. Винт оснащен стопорными элементами, ограничивающими перемещение обоймы - спиральной пружины вдоль винтовой канавки в винте.
Винтовая машина может иметь исполнение, когда расточка корпуса, обойма в виде спиральной пружины и винт выполнены коническими, при этом объем спиральных камер внутри корпуса уменьшается по мере удаления в сторону конической части расточки корпуса с меньшим диаметром.
На фигуре 1 представлен разрез винтовой машины на основном виде.
На фигуре 2 представлен вид сбоку.
На фигуре 3 представлена машина в изометрии, четверть вида удалена для удобства описания конструкции.
На фигуре 4 представлена машина в изометрии (исполнение с коническими формами основных деталей), четверть вида удалена для удобства описания конструкции.
Винтовая машина по фигурам 1-4, содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, обойму 4 с винтовыми каналами 5 и винт 6, эксцентрично размещенный в обойме 4. Спиральные части винта 6 размещены в винтовых каналах 5 обоймы 4, с возможностью радиального смещения обоймы 4 относительно винта 6. Обойма 4 выполнена в виде спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке 7 корпуса 1 с образованием спиральных щелевых уплотнений 8 в зазоре между спиральной пружиной - обоймой 4 и стенками спиральных частей винта 6. Так как обойма 4 выполнена в виде спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке 7 корпуса 1, то между спиральной пружиной 4 и расточкой 7 в корпусе 1 также образуется спиральное щелевое уплотнение 8. Винт 6 размещен вблизи от поверхности расточки 7 корпуса 1 с образованием дополнительного щелевого уплотнения 9, обусловленного наличием зазора между наружной поверхностью винта 1 и поверхностью расточки 7 в корпусе 1. Наличием спиральных щелевых уплотнений и дополнительного щелевого уплотнения обусловлена возможность для образования внутри корпуса 1 следующих друг за другом спиральных камер 10, отделенных друг от друга названными щелевыми уплотнениями 8 и 9. Винт 6 оснащен стопорными элементами 11 (выполненными например, в виде штифтов или винтов), ограничивающими перемещение спиральной пружины - обоймы 4 вдоль винтовой канавки в винте 6. Винт 6 установлен на подшипниках 12.
При вращении винта 6 спиральные камеры 10 перемещаются в направлении от входного патрубка 2 к выходному патрубку 3, в камерах 10 на перекачиваемую среду оказывается силовое воздействие. Под силовым воздействием перекачиваемая среда перемещается к выходному патрубку 3. Таким образом, формируется поток перекачиваемой среды в направлении от входного патрубка 2 к выходному патрубку 3 и реализуется рабочий процесс насоса, как машины для создания потока жидкой среды. Помимо жидкой среды, заявляемая машина может обеспечить перекачку газов, газожидкостных смесей и других многофазных сред.
Винтовая машина может иметь исполнение, когда расточка 7 корпуса 1, обойма 4 в виде спиральной пружины и винт 6 имеют конические формы, при этом объем спиральных камер 10 внутри корпуса 1 уменьшается по мере удаления в сторону конической части расточки 7 корпуса 1 с меньшим диаметром. Такое исполнение машины целесообразно при работе с использованием сжимаемой текучей среды.
Описанное уменьшение объема спиральных камер, помимо представленного конического варианта, может быть также достигнуто путем последовательного соединения нескольких винтовых машин с цилиндрическими расточками 7, но диаметр расточки 7 у каждой последующей машины меньше, чем у предыдущей машины.
Винтовая машина работает следующим образом в режиме насоса (или компрессора). От вала двигателя (на фигурах двигатель не показан) механическая энергия передается на винт 6, установленный на подшипниках 12. При вращении винта 6 во вращательное движение вовлекается и обойма 4, поскольку спиральные части винта 6 размещены в винтовых каналах 5 обоймы 4, с возможностью радиального смещения обоймы 4 относительно винта 6, а винт 6 оснащен стопорными элементами 11, ограничивающими перемещение спиральной пружины - обоймы 4 вдоль винтовой канавки в винте 6. При таком движении винта 6 и обоймы 4 относительно расточки 7 в корпусе 1 осуществляется смещение спиральных камер 10 в направлении от входного патрубка 2 к выходному патрубку 3. Щелевые уплотнения 8 и 9 ограничивают значение объемных потерь мощности и обеспечивают плавное (равномерное) изменение давления по камерам 10, следующим друг за другом. Равномерное распределение (изменение) давления по камерам 10 достигается за счет частичного возвратного перетекания части перекачиваемой среды через каналы щелевых уплотнений 8 и 9. Максимальное давление обеспечивается в спиральной камере 10, сообщающейся с выходным патрубком 3, что соответствует давлению на выходе насоса. Соответственно минимальное давление обеспечивается в спиральной камере 10, сообщающейся с входным патрубком 2, что соответствует давлению на входе насоса.
Винтовая машина по фигуре 4 может иметь исполнение, когда расточка 7 корпуса 1, обойма 4 в виде спиральной пружины и винт 6 выполнены коническими, при этом объем спиральных камер 10 внутри корпуса 1 уменьшается по мере удаления в сторону конической части расточки 7 корпуса 1 с меньшим диаметром. Такое исполнение машины целесообразно использовать при перекачке газов и газожидкостных смесей. Плавное уменьшение объема спиральных камер 10, при движении перекачиваемой среды в направлении от входного патрубка 2 к выходному патрубку 3, способствует повышению эффективности рабочего процесса машины при перекачке сжимаемых сред, аналогично тем рабочим процессам, которые реализуются в известных машинах объемного типа при уменьшении объема рабочей камеры.
Винтовая машина работает следующим образом в режиме двигателя. Во входной патрубок 2 подают под избыточным давлением рабочую жидкость (рабочий газ или газожидкостную смесь). Щелевые уплотнения 8 и 9 ограничивают значение объемных потерь мощности и обеспечивают плавное изменение давления по камерам 10, следующим друг за другом. Максимальное давление обеспечивается в спиральной камере 10, сообщающейся с входным патрубком 2, что соответствует давлению на входе двигателя. Соответственно минимальное давление обеспечивается в спиральной камере 10, сообщающейся с выходным патрубком 3, что соответствует давлению на выходе двигателя. За счет перепада давления в соседних камерах 10 возникают силы и крутящий момент, действующие на обойму 4 и винт 6, так как винт 6 эксцентрично размещен в обойме 4, а спиральные части винта 6 размещены в винтовых каналах 5 обоймы 4, с возможностью радиального смещения обоймы 4 относительно винта 6. Винт 6 вместе с обоймой 4 под действием указанных сил вовлекаются во вращательное движение. Таким образом, гидравлическая энергия преобразуется в механическую энергию, мощность вращающегося винта 6 может быть передана к другим машинам (эти машины на фигурах не показаны).
За счет усовершенствования кинематической схемы машины решена поставленная техническая задача: уменьшено количество подвижных деталей и масса ротора машины - использована более технологичная обойма 4 в виде спиральной пружины, использована более простая и технологичная конструкция винта 6, легко поддающаяся статической и динамической балансировке, что открывает возможности для увеличения частоты вращения ротора машины. Простые геометрические формы используемых деталей открывают возможности для более широкого применения разнообразных конструкционных материалов и технологий поверхностного упрочнения. Таким образом, достигается технический результат по созданию более технологичных и более мощных машин, в том числе за счет увеличения длины винта и за счет увеличения частоты вращения ротора, при использовании более простой кинематической схемы и, соответственно, более надежной конструкции для осуществления рабочего процесса в машине.