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, содержащая корпус с входом и выходом, секционную обойму с винтообразными каналами и винтообразный ротор, эксцентрично размещенный в обойме, с возможностью радиального смещения обоймы относительно ротора, размещенного на опорах. Обойма выполнена по форме спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке корпуса, с возможностью образования внутри корпуса следующих друг за другом спиралевидных камер, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями. Обойма выполнена из отдельных секций, следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций друг относительно друга и каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, выполненным на роторе (см. патент РФ №116188, F04C 2/00. Винтовая машина. Заявка: 2012102093. Опубликовано: 20.05.2012 Бюл. №14.)
Недостатком известного устройства является снижение эффективности работы щелевых уплотнений при увеличении длины ротора, с соответствующим снижением жесткости ротора, что ограничивает область применения и возможности по созданию мощных машин.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является расширение области применения за счет усовершенствования ротора и проточной части машины.
Техническим результатом является создание более универсальных и более мощных машин, за счет усовершенствования конструкции ротора машины.
Указанная техническая задача решается за счет использования винтовой машины, содержащей корпус с входом и выходом, секционную обойму с винтообразными каналами и винтообразный ротор, эксцентрично размещенный в обойме, с возможностью радиального смещения обоймы относительно ротора, размещенного на опорах. Обойма выполнена по форме спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке корпуса, с возможностью образования внутри корпуса следующих друг за другом спиралевидных камер, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями. Обойма выполнена из отдельных секций, следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций друг относительно друга и каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, выполненным на роторе. В полости спиралевидных камер размещена, по крайней мере, одна дополнительная опора для ротора, и в дополнительной опоре выполнены проточные каналы, сообщающиеся через щелевые уплотнения с входом и с выходом.
Для удобства описания полезной модели на фигурах 1-3, с применением приемов трехмерного моделирования, представлена заявляемая винтовая машина и ее отдельные узлы и детали.
На фигуре 1 представлен продольный разрез винтовой машины.
На фигуре 2 представлен ротор в изометрии.
На фигуре 3 представлен вид - B (с фигура 2), где показаны элементы секционной обоймы следующие друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций друг относительно друга, где каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, выполненным на роторе.
Винтовая машина, по фигурам 1-3, содержит корпус 1 с входом 2 и выходом 3, секционную обойму 4 с винтообразными каналами и винтообразный ротор 5, эксцентрично размещенный в обойме 4, с возможностью радиального смещения обоймы 4 относительно ротора 5, размещенного на опорах 6 и 7. Обойма 4 выполнена по форме спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке 8 корпуса 1. Ротор 5 размещен вблизи от поверхности расточки 8 корпуса 1 с образованием щелевого уплотнения 9 в зазоре между наружной поверхностью ротора 5 и поверхностью расточки 8 в корпусе 1, с возможностью образования внутри корпуса 1 следующих друг за другом спиралевидных камер 10, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями 9. Ротор 5 оснащен стопорными элементами 11, ограничивающими перемещение обоймы 4 относительно ротора 5. Обойма 4 выполнена из отдельных секций 12, 13 следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций 12, 13 друг относительно друга. Каждая секция обоймы 4, например 13, оснащена стопорным элементом 11, выполненным на роторе 5. Стопорный элемент 11 может представлять собой плоскую опорную поверхность, выполненную на роторе 5. Секции в обойме 4 расположены вдоль винтовой линии с образованием ступенчатой структуры, подобно ступеням на винтовой лестнице.
В полости спиралевидных камер 10 размещена, по крайней мере, одна дополнительная опора 14 для ротора 5, и в дополнительной опоре выполнены проточные каналы 15, сообщающиеся через щелевые уплотнения 9 с входом 2 и с выходом 3 корпуса 1. В конструкции может быть использован фиксатор 16, который исключает поворот опоры 14 внутри корпуса 1. Фиксатор 16 может быть выполнен на основе механической системы или на основе магнитной системы.
Ротор 5 установлен на опорах 6, 7 и 14, которые обеспечивают условия, чтобы ротор 5 был эксцентрично размещен в обойме 4, и, соответственно, эксцентрично размещен внутри расточки 8 в корпусе 1. При этом обойма 4 выполнена концентрично размещенной в расточке 8 корпуса 1.
Винтовая машина работает следующим образом в режиме насоса (или компрессора). От вала двигателя (на фигурах двигатель не показан) механическая энергия передается на ротор 5, установленный на опорах 6, 7 и 14. При вращении ротора 5 во вращательное движение вовлекается и обойма 4. Обойма 4 выполнена из отдельных секций 12, 13, следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций 12, 13 друг относительно друга. Каждая секция 13 обоймы 4 оснащена стопорным элементом 11, выполненным на роторе 5. При вращении ротора 5 в спиралевидных камерах 10 обеспечивается силовое воздействие на жидкость, заполняющую полости в камерах 10. Таким образом, формируется поток жидкости в направлении от входа 2 к выходу 3. Щелевые уплотнения 9 уменьшают объемные потери, поскольку ротор 5 размещен вблизи от поверхности расточки 8 корпуса 1 с образованием щелевого уплотнения 9 в зазоре между наружной поверхностью ротора 5 и поверхностью расточки 8 в корпусе 1. Внутри корпуса 1 следующие друг за другом спиралевидные камеры 10, отделены друг от друга щелевыми уплотнениями 9 и элементами секционной обоймы - секциями 12, 13.
При таком движении ротора 5 и обоймы 4 относительно расточки 8 в корпусе 1 осуществляется смещение спиралевидных камер 10 в направлении от входа 2 к выходу 3. Щелевые уплотнения 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 9 достигается за счет частичного возвратного перетекания части перекачиваемой среды через каналы щелевых уплотнений 9. Максимальное давление обеспечивается в спиральной камере 10, сообщающейся с выходом 3, что соответствует давлению на выходе насоса. Соответственно минимальное давление обеспечивается в спиральной камере 10, сообщающейся с входом 2, что соответствует давлению на входе насоса. Поскольку для каждой секции 11 имеется свой отдельный стопорный элемент 11, удается распределить нагрузку на большей площади при уменьшенных контактных напряжениях, что открывает возможности для создания более мощных машин.
Ротор 5 установлен на опорах 6, 7 и 14, которые обеспечивают условия, чтобы ротор 5 был эксцентрично размещен в обойме 4, и, соответственно, эксцентрично размещен внутри расточки 8 в корпусе 1. При этом обойма 4 выполнена концентрично размещенной в расточке 8 корпуса 1. С использованием нескольких промежуточных опор 14 открывается возможность для дальнейшего увеличения длины ротора 5, что позволяет создавать более мощные машины.
В полости спиралевидных камер 10 размещена, по крайней мере, одна дополнительная опора 14 для ротора 5, и в дополнительной опоре выполнены проточные каналы 15, сообщающиеся через щелевые уплотнения 9 с входом 2 и с выходом 3. Перекачиваемая среда проходит через проточные каналы 15, в направлении от входа 2 к выходу 3 насоса. В конструкции может быть использован фиксатор 16, который исключает поворот опоры 14 внутри корпуса 1. Фиксатор 16 может быть выполнен на основе механической системы (штифтовое или шпоночное соединение) или на основе магнитной системы (набор постоянных магнитов). При увеличении давления и мощности насоса следует увеличивать и длину ротора 5. При этом возможно увеличение зазора в щелевом уплотнении 9, что обусловлено действующими на ротор 5 нагрузками и соответствующими упругими деформациями самого ротора 5. При увеличении зазоров в щелевом уплотнении 9 будет снижаться эффективность работы насоса, из-за возрастающих объемных потерь мощности. Эта проблема решается за счет применения дополнительных опор 14 для ротора 5, которые позволяют повысить жесткость конструкции ротора и сохранить стабильными геометрические размеры щелевых уплотнений 10 по всей длине ротора 5, от входа 2 до выхода 3.
При таком конструктивном исполнении становится возможным создание более универсальных и более мощных машин, за счет усовершенствования конструкции ротора машины и ее проточной части. Помимо жидкой среды, заявляемая машина может обеспечить перекачку газов, газожидкостных смесей и других многофазных сред.
Винтовая машина работает следующим образом в режиме двигателя. Во вход 2 подают под избыточным давлением рабочую жидкость (рабочий газ или газожидкостную смесь). Щелевые уплотнения 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 входом 2, что соответствует давлению на входе двигателя. Соответственно минимальное давление обеспечивается в спиральной камере 10, сообщающейся с выходом 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 ротор 5, так как ротор 5 эксцентрично размещен в обойме 4, с возможностью радиального смещения обоймы 4 относительно ротора 5. Ротор 5 вместе с обоймой 4 под действием указанных сил вовлекаются во вращательное движение. Таким образом, гидравлическая энергия преобразуется в механическую энергию, мощность вращающегося ротора 5 может быть передана к другим машинам (эти машины на фигурах не показаны).
За счет усовершенствования ротора и проточной части машины решена поставленная техническая задача по расширению области применения машины. Достигается и технический результат, при создании более универсальных и более мощных машин, за счет усовершенствования конструкции ротора машины.