CN1729361A - 莫瓦诺型泵的定子 - Google Patents

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Abstract

一种莫瓦诺型定子，其包括：带有突起(3)的管(10)，所述突起(3)布置成适于与一转子相互作用的结构，并通过液压成型工艺成型。

Description

莫瓦诺型泵的定子
技术领域
本发明涉及一种形成莫瓦诺型定子(Moineau Stator)的方法以及根据该方法形成的莫瓦诺型定子。
背景技术
传统的渐进式腔泵和泥用马达(又称莫瓦诺型泵，Moineaupumps)具有一个模制的弹性插入件，其牢固地接合在通常由钢材制成的圆筒形壳体的内部。其包括泵或马达装置的定子。该弹性体的内部形成一个形状与螺旋形定子相匹配的螺旋形腔。两部件之间的过盈配合产生容纳腔中的液体的密封线，当转子相对定子旋转时，该密封线沿轴向前进。如果旋转动力施加给定子，该组件用作克服压力差的泵。如果压力差施加在该组件上，则转子输出旋转动力，该组件用作一马达。
当定子腔形成于弹性体外的圆筒形壳体的内部时，定子腔的形状要求弹性体的厚度沿其周边变化。在使用时，厚度最大的位置承受最大的弹性体变形应力。
通过密封位置前后移动而在弹性体中或者绕着定子腔而形成的环形应力在弹性体的中心产生热量，热量必须通过弹性体传导到外部定子壳体或弹性体的内表面而去除，在该处其与所传送的流体发生对流。在传统的设计中，最大的热生成率发生在热去除能力最低的位置。如果发生过热，则弹性体失效，泵/马达的功能受到损害。这对改进腔和马达的性能和结构来说是很大的限制，并且导致均匀厚度弹性体的设计，其中壳体内部形状与所需要的定子腔的形状精密匹配，并且弹性体的相对薄层被模制成该表面而提供最终的定子腔几何形状。
该方法具有几个优点，包括减小热的产生以及膨胀特性。最主要的缺点是为高强度材料的壳体提供相对复杂的内表面所需成本太高。已经有人提出了几种方法，包括冷轧工艺，内表面机加工以及使用挤出工艺形成所需的形状。这些方法成本都很高，尤其在应用于PC泵/马达时所需长度情况下。这些工艺中的其中一些在加拿大专利2,315,043(Krueger等人)，2,333,948(Underwood等人)以及美国专利6,427,787中被公开。
此外，这些专利可以由薄壁定子获得一定的优点，但是所述制造方法不容易将这种定子的公差控制在接近容许公差的范围内。
发明内容
所需要的是一种形成一成型莫瓦诺型定子的替换方法，这种方法用于形成具有薄壁的成型莫瓦诺型定子。
根据本发明，提供一种用于形成具有预定内部形状的莫瓦诺型定子的方法。第一步骤是将易变形金属管放入一液压成型设备。第二步骤是通过液压成型工艺使所述管成型有多个突起。所述突起被布置成适于与转子相互作用的结构。
为了确保高效的流体运动，优选采取又一步骤，即在所述管的内部包覆一弹性体层，其用于形成与转子之间的液封部。如下面将要描述的，液压成型是形成适于加均匀厚度弹性体层衬里的成型莫瓦诺型定子壳体的不同于现有技术的非常经济有效的方法。不过使用这种方法，包覆在所述管的内部的弹性体不是必须均匀。
根据本发明的另一方面，提供一种莫瓦诺型定子，其包括带有突起的管，所述突起布置成适于与一转子相互作用的结构，并通过液压成型工艺成型。优选地，所述管具有内部包覆弹性体，其用于与转子之间形成液封部。这种弹性体包覆层可以是均匀厚度，或者故意制造成不均匀，在沿着所述管的长度上间隔地布置有弹性体包覆层的优选轴向分布。
如上所述，使用这种莫瓦诺型定子可以获得的好处会更加突出，这是由于这种方法可以用于厚壁实施例，也可用于薄壁实施例。厚壁实施例比薄壁实施例具有更大刚度和强度，从而可以支持容纳更大压差，而薄壁实施例具有这样的好处，即，通过所述管壁的非生成热变形而不是生成热的弹性体变形来作用于所述密封干涉的主要部分。
因此，优选地，薄壁实施例由同轴布置的支承外壳包围，支承外壳能够承担整体泵或电机压差的主要部分。该支承外壳可以是圆筒形的；或者，可以具有突起，至少是在其内表面上具有突起，所述内部突起被布置成好像是包括一附加的外部定子，而带突起的定子外部则好像是被用作转子。将径向载荷从所述薄壁定子的外部传递到所述支承外壳内部的装置主要由安置在所述定子和所述支承外壳之间的环形空间中的材料提供，布置成限制穿过薄壁定子的压差，以避免其过大地膨胀或破裂。安置在环形空间中的材料优选是带控制压力的装置的流体。更优选地，该环形空间被布置成考虑环内流体压力沿定子长度的变化，以大致平衡所述环和定子内部之间的压力。通过提供多个大致轴向分布的彼此之间密封隔开的离散腔来支持环内流体压力的不同。
当支承外壳具有布置成与上述薄壁定子相关的内突起时，很容易理解形成多个大致轴向分布的腔。在该实例中，优选地，所述管具有包覆有弹性体的外表面，以便更容易与带突起的支承外壳的内表面密封配合，从而在相邻腔之间提供更可靠的流体密封。
当设置的所述支承外壳是圆筒形时，一或多个轴向分布的隔板被安置在所述管和支承外壳之间的环中。所述隔板被布置成连接到所述管和支承外壳中的至少一个上并与二者密封配合，从而形成轴向分布的离散腔。
还有各种可用来平衡这样形成的腔和定子内部之间的压力的装置。下面将描述一种提供流体通路的方法，其使得来自所述管内部的流体与所述轴向腔相通。
附图说明
从下面结合附图进行的详细说明，本发明各实施例的优点、操作方法以及相关部件的功能很容易理解。这些附图只是为了说明目的而不对本发明的保护范围进行任何的限定。
图1是根据本发明的均匀厚度的莫瓦诺型定子的透视图；
图2是根据本发明的定子液压成型设备的剖开立体图；
图3是图2所示的定子液压成型设备的侧视剖视图，其中插入有准备成型的管；
图4是图2所示的定子液压成型设备的侧视剖视图，其中具有成型工艺结束后的管；
图5是根据本发明的带有厚壁的均匀厚度的莫瓦诺型定子的剖视图；
图6是根据本发明的带有薄壁的均匀厚度的莫瓦诺型定子的剖视图；
图7是根据本发明的带有厚壁的弹性体厚度可变的莫瓦诺型定子的剖视图；
图8是图6所示的带有薄壁的均匀厚度的莫瓦诺型定子的剖视图，其带有圆筒形支承架；
图9是图6所示的带有薄壁的均匀厚度的莫瓦诺型定子的剖视图，其带有圆筒形支承架和不连续的受压轴向腔；
图10是图6所示的带有薄壁的均匀厚度的莫瓦诺型定子的剖视图，其安置在具有多突起的支撑架内。
具体实施方式
下面参照附图1至10描述本发明的优选实施例，均匀弹性体厚度莫瓦诺型定子，其通常由附图标记10表示。
首先参照附图1，所示定子10包括由金属管制成的定子体1，其具有侧壁2，其中布置有多个螺旋形对称突起3，此处示出的是四突起莫瓦诺型定子。弹性体衬垫4安置在定子体1的内表面5上。这些突起通过专门的定子液压成型工艺布置。
液压成型是一种通常采用流体压力使柔性的金属板在模具上变形的制造方法。为了形成例如定子10所需的形状，模具可以采用多种螺旋形的坚硬形式，并且设置成使得定子外壳在液压成型后的内部形状形成为弹性体内表面突起的大致形状。必要的话，该部分在成型后进行热处理以消除残余应力，假定该过程不改变尺寸公差以使该部分不能使用。所期望的定子形状可以使用内压力或外压力通过液压成型使管变形而实现。
参照附图2，在其优选实施例中，设置一液压成型设备100以通过施加内压力实现所述优选的定子液压成型过程。该液压成型设备大致是一紧密适配于大圆筒形部件的同轴组件。从最内部开始逐渐向外，这些部件是：芯轴101；作为工件的定子体1(金属管毛坯)；模具组件103，其包括如果必要可在成型后拆除的零件；外锥形套筒104，其包括卡爪组件105和一个厚壁压力容器，即容器或钟形件106，该容器106能容纳成型压力并成内锥形以与该套筒配合。另外，设置一个在套筒104和钟形件106之间施加轴向位移的装置，例如双作用液压驱动器(未示出)。本领域技术人员很容易理解，通过与钟形件106移动接触的套筒卡爪组件105，所述轴向位移转换成径向位移，以方便安装和拆除紧密适配的部件。
参照附图3，芯轴101设置有与工件毛坯1的内孔2相配合的内密封件110以及在密封件110之间与芯轴外部102相通的流体入口111。因此流过该入口的流体被芯轴101容纳，其与工件1密封配合，允许通过适当的装置对工件1的内表面施加压力，使得可以在液压泵上提供高压空气。
参照附图4，通过入口111施加足够的压力使工件1膨胀并发生弹性变形，直到通过与所容纳的模具的内表面相接触而被限制。这样，使工件1的侧壁膨胀到模具腔107内，从而在定子体1中形成突起3。作用于模具103的压力的一部分又通过套筒104作用于钟形件106。由于套筒104和钟形件106之间的钟形接触面，套筒104可以在钟形件106内滑动，同时使得工件1在压力载荷下发生不期望的膨胀。可以通过施加轴向载荷或在套筒卡爪组件105和钟形件106之间使用其它适当的约束装置来有效防止该运动。当去除成型压力后，很容易拆除芯轴101，但是，在工件1和模具组件103之间存在残余径向应力或相互作用力，其妨碍将工件1和模具组件103从套筒104上拆下。由于形成的突起3在成型后与模具腔107相互锁定，因此，通过使套筒相对于钟形件发生适当的位移来消除残余应力，使得能够拆下工件1和模具组件103的部件。当模具组件103从成型设备100上拆下时，模具组件103可以从已成型的定子体1上拆下。
液压成型设备100优选足够长以确保成型定子10可以形成为一个整体。可替换地，该定子的长度可以较短并组装成一个整体，其长度根据所述泵或电机的所需压力容量而定。如果必须的话，任一个工件的成型过程可以不止一个步骤(即，使用不同模具组件的多步骤液压成型)，以确保外壳中获得塑性应变的优选分布。
下面参照附图1，很容易理解，根据本发明所阐明的液压成型对定子体1的端部6和7进一步精加工，通常是必须的，以便能够将定子10连接到泵或电机的其它零件上，或支承所述泵或电机的钻柱或管柱上。端部几何形状必须适于容纳泵或电机转子以及其它必须穿过定子的部件的插入。在成型结束后，正确的几何形状可以与液压成型设计结合或适配。在一实施例中，在液压成型过程中，定子管的端部6和7保持在初始(相同)直径，以便能够用芯轴101密封。在将成型后的管从该装置上拆卸之后，这些端部被切除。通过焊接或其它装置可实现与所述管柱的其它部件的所需要的连接。
内弹性体层4可以利用各种已知的工业方法施加在定子体1上，但优选利用注射成型方法。再参考图4，液压成型设备100支持这样的操作，其可能需要内部压力比由未被支持的定子体1产生的内部压力大。为完成该任务，确定该弹性体内部形状的芯轴被在成型后的管的内部对中，并且该弹性体根据标准注射成型操作注射成型。
本领域技术人员很容易理解，液压成型定子体1可以根据各种应用的需要被制成薄壁结构或厚壁结构。参照图5，在厚壁结构中，液压定子体1的侧壁2的壁厚可以选择使其在受到转子接触载荷作用下基本上保持刚性，优选具有足够的强度以承受由使用泵或电机中的定子10所可能产生的压差。如图5的剖视图所示，厚壁的液压定子体1的外部形状通常具有与其内部形状相同的特征。通常这是空间有效率最高的设计。这种外部形状在使用中具有多个优点，包括当定子被放置在一井中时减小通过外部环的流量损失，并且增大了安装选项的灵活性。在该实例中，除了支承相关的内部流体压力，定子体1的厚度还必须足够支承在操作过程中产生的扭转和轴向载荷。
图6示出了液压定子10为薄壁结构的剖面图(图5和图6所示的厚壁和薄壁只用来描述定子体1的相对比例)。在该结构中，选择定子体1的侧壁2的厚度，使其在施加转子干涉载荷的作用下偏斜，从而提高其部分柔顺度，这是调节影响密封接触应力的干涉所必须的。其优点是，这是一种降低了对弹性体层4的要求的措施，但是它同时减小了定子体1的压力容量。
除了由均匀壁厚的弹性体产生的好处外，弹性体厚度还被选择地变化以便使电机或泵的性能参数(流体密封质量和一致性(consistency)，弹性体的热量产生和散失，弹性体/外壳接合性能)得到优化。参照图7，图中示出弹性体4具有变化的周边厚度，在主密封位置8处的厚度较大，而在副密封位置9处的厚度较小。在对热生成尤其敏感的一个应用中，在主密封件位置的弹性体厚度可选择比副密封位置处的弹性体厚度大。这将使主密封位置比在弹性体厚度一致时更柔顺，并将减少热生成率对转子和/或定子尺寸公差变化的敏感度。本领域技术人员很容易理解，通过改变弹性体厚度的周边和/或轴向分布，可以获得其它固有性能的优化。通过根据内部压力的选择修改模具组件103的几何形状，液压成型设备100容易支持弹性体厚度的这种控制。
在这种减小的压力能力不足的应用中，定子10优选被一辅助封闭容器支承。在一实施例中，该辅助封闭容器为一圆筒。下面参照图8，在该实施例中，以剖面图形式示了被支承薄壁定子组件200。该薄壁定子体1被同轴安置在形成一内部环202的圆筒形支承外壳201的内部。利用该结构，定子体1容易被一填料进行必要的支承，从而通过设置一将径向载荷穿过环202的装置而避免定子体1过大地膨胀或破裂。这种填料可以通过在环202中安置一柔顺的而不是不能相对压缩的固体，例如弹性体来提供。可替换地，以现有技术的方式，通过环202中的流体压力容易提供径向载荷传递，设置一端部封闭件，用于将定子体1的端部密封地连接到圆筒形支承外壳201和环202上，以允许与泵或电机应用中各个流体压力点相通。
但是，流体压力更优选地布置成沿定子10的长度变化，使该环和定子内部之间的压力大致平衡。很容易理解，这些环形腔中的压力控制提供了减小经过定子10的压降的装置，从而避免了定子体1的过载。
下面参照图9描述一种提供这种累进压力支承的新型装置，其示出了一被支承薄壁定子组件200的间隙。通过提供多个大致轴向分布的不连续的腔203来支持环内流体压力的变化，不连续的腔203被隔板204彼此密封地隔开。隔板204的位置被隔板固定架205保持，隔板固定架205容纳在支承外壳201和相关的端部封闭件内。这种结构还提供一种实现精确的密封元件间隔的简单装置。通过口206提供压力平衡。
下面参照图10，其示出了一更新颖的实施例，以剖视图形式示出了一被支承薄壁定子组件300，其中，通过为该支承提供一带突起的支承外壳301而能够实现累进压力支承，所述带突起的支承外壳301被设计成与定子10相一致的内摆线形状，从而使定子10能够容易地插入到该带突起的支承外壳中。在该实例中，带突起的支承外壳301比主外壳多一个突起，并且具有由辅助内摆线突起与主内摆线突起的比例(ratio of secondary to primary hypocycloidlobes)限定的节距。通过金属与金属之间的密封或(更可能地)通过与施加在定子10外部或该带突起的支承外壳301的内部的中间弹性体层302相接触而在各腔之间产生密封。腔303具有输送流体的出口以提供必须的压力平衡，从而避免定子10的过大变形。这些在电机部分的任一端终止的腔可以被密封，以减小流体沿腔流动的风险。
通过为一薄壁定子10提供辅助外壳，该定子外壳的几何形状使得其制造成本比单个厚壁主外壳的制造成本低。如果电机的整体尺寸过大的话，利用成型的辅助外壳可以简化在定子外壳环中产生轴向压力分布的任务。这两种方法都可为转子/定子密封线提供附加的柔顺度以适应偏差，隆起和热膨胀。这是优于传统均匀壁设计的很重要的优点，对于这种变化，薄弹性体层的刚性具有很低的容许限度。实际上，在很多应用中，认真对薄壁定子进行设计可以完全地减小所需的弹性体厚度或降低弹性体的要求。
本发明主旨的另一实施例是具有以支承结构的薄壁设计，该支承结构由可以在传输流体和环绕流体之间承受全差压(fulldifferential pressure)d高强度复合外罩提供。该外罩的厚度可以随着泵/电机长度的变化而变化，与在长度方向上的差压变化相一致。

Claims (19)

1.一种莫瓦诺型定子，其包括：带有突起(3)的管(10)，所述突起(3)布置成适于与一转子相互作用的结构，并通过液压成型工艺成型。
2.根据权利要求1所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，所述管(10)具有内部包覆弹性体(4)，其用于与转子之间形成液封部。
3.根据权利要求2所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，弹性体(4)是均匀厚度。
4.根据权利要求1所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，所述管(10)是薄壁结构，并且被一支承结构(201)环绕。
5.根据权利要求4所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，所述支承结构(201)是一支承外壳。
6.根据权利要求5所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，所述支承外壳(201)是圆筒形的。
7.根据权利要求5所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，所述支承外壳(301)具有多个突起。
8.根据权利要求5所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，所述管(10)的外表面(6)和所述支承外壳(301)的内表面中的一个被包覆有弹性体。
9.根据权利要求5所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，不连续的受压轴向腔(203)位于在所述管(10)和所述支承外壳(201)之间的环(202)中，并且设置装置(206)使轴向腔(203)中的压力与所述管(10)的内部(5)中的压力相平衡。
10.根据权利要求9所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，用于平衡压力的所述装置包括流体通路(206)，使来自所述管(10)的内部(5)的流体与所述轴向腔(203)相通。
11.根据权利要求2所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，沿着所述管(10)的长度间隔地布置有弹性体包覆层(4)的不均匀的优选轴向分布。
12.根据权利要求2所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，沿着所述管(10)的周边间隔地布置有弹性体包覆层(4)的不均匀的优选周边分布。
13.根据权利要求1所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，所述管(10)被放置在一液压成型设备(100)中，通过液压成型工艺成型并具有突起(3)，突起(3)布置成适于与一转子相互作用的结构。
14.根据权利要求4所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，所述支承结构是一刚性支承外壳(201)，其具有可以承受在所希望的操作环境下工作时受到的压力，扭矩以及轴向载荷，并且，所述管(10)被可变形地支承在所述支承外壳(201)中，所述管(10)具有内表面(5)，外表面(6)，布置成适于与一莫瓦诺型转子相互作用的突起(3)，以及壁(2)，所述壁(2)足够薄，以便可以对由干涉所述转子而施加的面之间的密封力响应而发生弹性变形；以及
设置用于在所述支承外壳(201)内支承所述管(10)的装置，包括用于使作用于所述管(10)内表面(5)上的压力与作用于所述管(10)外表面(6)上的大致相等的压力相平衡的装置，使得所述管(10)响应于压力变化的变形受到限制，同时所述管(10)的壁保持柔顺以有利于所述管(10)随从于所述转子的运动。
15.根据权利要求14所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，用于支承所述管(10)和平衡压力的所述装置是在所述环(202)中的填料(202A)。
16.根据权利要求15所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，所述填料是一柔顺的而不是不能相对压缩的固体。
17.根据权利要求15所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，在所述管(10)和所述支承外壳(201)之间的环(202)被填充有弹性体，从而使作用于所述管(10)内表面(5)上的压力与作用于所述管(10)外表面(6)上的大致相等的压力相平衡，使得所述管(10)响应于压力变化的变形受到限制。
18.根据权利要求15所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，在所述管(10)和所述支承外壳(201)之间的环(202)被填充有流体，从而使作用于所述管(10)内表面(5)上的压力与作用于所述管(10)外表面(6)上的大致相等的压力相平衡，使得所述管(10)响应于压力变化的变形受到限制。
19.根据权利要求14所述的莫瓦诺型定子，其特征在于，所述支承外壳(301)具有布置成适于与所述管(10)上的突起相互作用的结构的多个突起，从而使作用于所述管(10)内表面(5)上的压力与作用于所述管(10)外表面(6)上的大致相等的压力相平衡，使得所述管(10)响应于压力变化的变形受到限制。
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