КОЛОВРАТНЫЙ НАСОС
ROTARY PUMP

Изобретение относится к области машиностроения, к коловратным роторным машинам, в части применения их в виде насосов, компрессоров и вакуумных насосов.
Известен роторный насос, содержащий корпус с впускным и выпускным отверстиями, ведущий и ведомый роторы, расположенные внутри корпуса на валах. Валы связанны между собой синхронизирующими шестернями, и имеющие идентичные зубья с криволинейными боковыми поверхностями, выполненными по удлиненной эпициклоиде и с внешней цилиндрической поверхностью. Конструкция насоса позволяет обеспечить надежную работу и исключить кавитационные режимы. (Патент РФ №2197641).
Работа всех подобных насосов сопровождается большим шумом синхронизирующих шестерен при смене нагрузок на роторах при проталкивании рабочего тела, за счет удара зубьев в этот момент. Устранить шум можно, лишь заменив материал шестерен со стали на пластмассу, что значительно снизит мощность и ресурс зубчатой передачи. Использование вместо синхронизирующих шестерен зубчатого ремня, решает и как задачу снижения шума, так и задачу увеличения оборотов и соответственно производительности коловратного механизма, за счет больших окружных скоростей ременных передач.
Допустимая окружная скорость синхронизирующих зубчатых колес, выполненных по 6…8 классам точности составляет в среднем 10±5 м/сек. (см. Справочник конструктора-машиностроителя в 3-х томах, Москва, «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 2001 г, автор В.И. Анурьев, том 2 стр. 400, табл. 2 «Окружная скорость колес в зависимости от их точности»). Допустимая окружная скорость звездочек (скорость вращения и диаметры звездочек) зубчатого ремня, выполненных по таким же классам точности, приведена в справочнике SKF (прил. 1) на стр. 48…67. В пересчете на окружную скорость синхронизирующих шестерен она составляет более 40 м/сек, что более чем в 2,5 раза превосходит допустимую максимальную скорость вращения роторов, синхронизируемых шестернями. Стоит отметить, что шестерни, изготовленные по 2…3 классам точности, тоже могут обеспечить окружную скорость до 40 м/сек, но будут значительно дороже в изготовлении и иметь в разы меньший ресурс.
Задачей изобретения является повышение производительности насоса за счет увеличения оборотов и снижение шума при работе насоса.
Поставленная задача достигается тем, что коловратный насос содержит корпус с впускным и выпускным отверстиями и два ротора имеющие похожие зубья с криволинейными боковыми поверхностями, выполненными по эпициклоиде или другой кривой с внешней цилиндрической поверхностью с радиусом R, каждая из поверхностей роторов, расположенная между зубьями, выполнена в виде выпуклой цилиндрической поверхности с радиусом r<R, а расстояние между осями валов роторов равно сумме указанных радиусов, при этом на валах роторов установлены шестерни - звездочки, которые взаимодействуют с разными сторонами двухстороннего зубчатого ремня, который приводит в действие каждый из роторов, обеспечивая встречное вращение роторов от третьей шестерни – звездочки, установленной на приводном двигателе, а угловые размеры цилиндрических поверхностей зубьев радиуса R уменьшены на угловой размер >α, а угловые размеры цилиндрических поверхностей между зубьями радиуса r увеличены на угловой размер >α, где угловую величину α определяет эластичная деформация зубьев приводного ремня под нагрузкой.
Изобретение поясняется графическим материалом, где на фиг. 1 изображено поперечное сечение корпуса насоса; на фиг. 2 - изображен вид корпуса насоса со стороны приводного ремня и шестерен - звездочек; на фиг. 3 - изображено взаимодействие зубьев роторов насоса с указанием дополнительного зазора Δ между зубьями роторов.
Насос содержит корпус 1, имеющем впускное отверстие 2 и выпускное отверстие 3, с установленными в нем валами 4 и 5, на которых установлены ротора 6 и 7, каждый из которых имеет по два похожих зуба 8, расположенных оппозитно друг другу (диаметрально противоположно). На валах 4 и 5 закреплены шестерни - звездочки 9 и 10. Роторы 6 и 7 образуют рабочие полости 11, между корпусом 1 и зубьями 8, имеющими внешний радиус R, между которыми расположены цилиндрические поверхности радиуса r, замыкающие рабочие камеры. Расстояние между валами 4 и 5 равно R+r. На шестернях - звездочках 9 и 10 установлен двухсторонний зубчатый ремень 12, который контактирует с каждой из шестерен- звездочек 9 и 10 своими противоположными сторонами. Одной из сторон двухсторонний зубчатый ремень контактирует с шестерней - звездочкой 13, установленной на валу 14 приводного двигателя.
Коловратный насос работает следующим образом. Ротор 6 вращается по часовой стрелке, а ротор 7 вращается при этом против часовой стрелки. Перекачиваемая среда засасывается через впускное отверстие 2 корпуса 1 в рабочие полости 11, а затем перекачиваемая среда выталкивается через выпускное отверстие 3 (см. стрелки). Если изменить направление вращения роторов 6 и 7, то среда будет перекачиваться в обратном направлении. Приводной двухсторонний зубчатый ремень 12 контактирует разными сторонами с шестернями - звездочками 9 и 10, обеспечивая их противоположное вращение (см. стрелки) третья шестерня - звездочка 13 осуществляет привод обоих роторов насоса 6 и 7 от вала 14 приводного двигателя. Поскольку синхронизирующий зубчатый ремень, в отличии от синхронизирующих шестерен, имеет под нагрузкой эластичность, то, в связи с этим, угловой размер В зубьев 8 уменьшен на величину не менее α, определяемую эластичностью зубчатого ремня под нагрузкой, относительно углового размера зуба А в случае использования синхронизирующих шестерен, обеспечивая необходимый для работы механизма под нагрузкой зазор Δ между боковыми поверхностями зубьев 8 роторов 6 и 7. Угловой размер межзубьевого пространства С соответственно увеличен на величину не менее α относительно углового размера межзубьевого пространства D в случае использования синхронизирующих шестерен, причем D может быть равно А. Такое решение снижает объемную производительность механизма за счет увеличения межзубьевого пространства при взаимодействии роторов 6 и 7 на величину Δ, однако это компенсируется значительным увеличения его оборотов за счет более высоких скоростей работы зубчатого ремня. Насос может работать и как обратная машина, передавая энергию на вал 14. Угловой размер α определяется экспериментальным путем для конкретной мощности и геометрических размеров ременного привода, путем приложения рабочих нагрузок и фиксации угловых смещений звездочек в следствии эластичности резиновых зубьев ремня, т.к. по справочным данным модуль упругости стали составляет 20000 МПа, а резины 7 МПа.
Приложение №1
3 Design of Synchronous Belt Drives