EA012813B1

EA012813B1 - Объемная роторная машина

Info

Publication number: EA012813B1
Application number: EA200701761A
Authority: EA
Inventors: Александр Владимирович ДИДИН; Илья Яковлевич ЯНОВСКИЙ
Original assignee: Александр Владимирович ДИДИН; Илья Яковлевич ЯНОВСКИЙ
Priority date: 2006-06-06
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2009-12-30
Also published as: CA2654579C; RU2342537C2; RU2006119771A; US8202070B2; US20090185937A1; WO2007142557A3; CA2654579A1; EA200701761A2; EA200701761A3; WO2007142557A2

Abstract

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к роторным машинам с непараллельными осями вращения ротора и поршней. Техническим результатом заявленных изобретений является увеличение надежности синхронизации рабочих органов сферической машины, возможность использования ее в погружном высокооборотном многоступенчатом насосе высокого давления. Сущность изобретения заключается в том, что в роторной объёмной машине, содержащей корпус, рабочая поверхность которого выполнена в виде части сегмента сферы, ротор с концентричной рабочей поверхностью установлен в корпусе с возможностью вращения, кольцевая концентрическая рабочая полость образована корпусом и ротором, разделитель выполнен в виде наклонной шайбы, установлен неподвижно в корпусе и разбивает рабочую полость на две части, причём на рабочей поверхности ротора выполнен по меньшей мере один паз вдоль его геометрической оси вращения, в котором установлен с возможностью совершения вращательных колебаний вокруг геометрической оси, пересекающей перпендикулярно геометрическую ось машины, поршень, выполненный в виде части диска, частично выступающий в рабочую полость для её перекрытия, а в каждой выступающей части поршня имеется прорезь для прохода разделителя. Возможно дополнительное уплотнение прорези и увеличение площади контакта разделителя с уплотнительным синхронизирующим элементом. За счет выполнения сквозных проходов на одном из участков разделителя окно входа и окно выхода удалось расположить по разные стороны разделителя, разнеся вдоль оси ротора, для простоты объединения ступеней.

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к роторным объёмным машинам, которые могут быть использованы в качестве насосов, компрессоров, гидроприводов и т.д.

Уровень техники

Известна объёмная роторная машина (ОРМ) (ЗИ 2004133654, ЗИ 2004124353(1)), у которой имеется корпус с внутренней полостью кольцевой формы. В этой полости установлен разделитель спиральной формы, в котором установлен ротор. Рабочая поверхность ротора является поверхностью вращения, в которой имеется по меньшей мере один паз вдоль оси вращения ротора, в каждом из которых установлен с возможностью вращения поршень, частично выступающий с одной стороны ротора. Поршень имеет при этом по крайней мере один сквозной вырез по периметру, взаимодействующий с разделителем, для синхронизации вращения поршня с вращением ротора. Окно входа машины и окно выхода машины разнесены вдоль оси ротора и отделяются друг от друга разделителем.

Такая машина имеет следующие преимущества.

Поршень надёжно установлен в прорези ротора, выступая из него частью около половины.

Разнесение окон входа и выхода вдоль оси ротора позволяет легко объединять такие машины в многоступенчатые, в том числе с общим ротором для многих ступеней. Такие машины используются в погружных установках. Общий ротор позволяет снять нагрузки с радиальных, а часто и с упорных подшипников ротора за счёт уравновешивания нагрузок отдельных ступеней при их развороте друг относительно друга.

Существенным преимуществом насоса, созданного на основе такой машины, является постоянство подачи.

Недостатком таких машин является сложная форма разделителя и прорези поршня, не позволяющая осуществить их контакт по большой площади для снижения износа этой пары трения (для уменьшения идеальной нагрузки на эту пару трения и для увеличения её ресурса).

Известна ОРМ (1458459 и похожая на неё ΌΕ 3206286 А1), у которой в корпусе имеется полость в виде сегмента сферы, в которой вдоль оси симметрии полости установлен разделитель в виде сектора круга, перекрывающего полость; ротор, установленный с возможностью вращения в корпусе, с рабочей поверхностью в виде двух усечённых конусов, опирающихся вершинами на сферу с противоположных сторон, причём на поверхности сферы под углом к оси симметрии ротора имеется кольцевой паз, выполненный касательно к обоим конусам. В этом пазу закреплён с возможностью вращения поршень, в котором имеется прорезь, способная пропускать разделитель. Причём поршень взаимодействует с разделителем через уплотнительный синхронизирующий элемент (УСЭ), выполненный в виде цилиндра, рассечённого пополам прорезью, начинающейся на одном конце и идущей практически до второго торца. Окно входа рабочего тела и соответствующее ему окно выхода расположено по одну сторону поршня. С другой стороны поршня имеется ещё пара окон входа и выхода.

Преимущества такой машины следующие: хороший контакт поршня с камерой корпуса по сферической поверхности, хороший контакт между поршнем, уплотняющим элементом и разделителем, простые геометрические формы: плоский разделитель, плоский поршень и т.д.

ОРМ имеет также недостатки: неудобство объединения такой машины в многоступенчатую машину, связанное с тем, что окно входа и выхода находятся по одну сторону поршня, и для прохода из ступени в ступень необходимо делать канал, обходящий сферическую полость корпуса вдоль оси ротора. Недостатками также являются неравномерность подачи, слабое крепление поршня (только частью, сидящей в пазу на сфере), которое к тому же ослабляет вал за счёт кольцевого паза, ненадёжное крепление уплотнительного силового элемента в прорези поршня (возможно заклинивание при увеличении нагрузки).

Известна ОРМ (ΌΕ 3146782 А1), у которой имеются корпус с полостью в виде сегмента сферы, ротор, установленный с возможностью вращения, в котором выполнен сквозной разрез вдоль оси ротора. Также имеются поршень в виде диска, установленный в пазу ротора с возможностью вращения, камера в виде сферического сегмента, перегороженная разделителем по ходу вращения ротора, окна выхода и входа, расположенные до и после разделителя соответственно. Причём вращение поршня синхронизировано с вращением ротора при помощи вала, неподвижно идущего через ротор, и системы шестерёнок, одна из которых закреплена на поршне.

Преимуществами этой машины являются сферический контакт поршня и камеры, надёжность крепления поршня, выступающего в обе стороны из вала, наличие прочного вала (продольный паз мало его ослабляет), возможность вывести (развести) окна входа и выхода вдоль вала для объединения нескольких ступеней на одном валу, независимость утечек от износа механизма синхронизации, возможность больших оборотов.

Недостатком является ненадёжный механизм синхронизации, особенно если надо пропустить вал шестерни через несколько ступеней. Известна роторная объёмная машина (заявка № 2006119356), содержащая корпус, рабочая поверхность которого выполнена в виде части сегмента сферы, ротор с рабочей поверхностью вращения, установленный в корпусе с возможностью вращения, кольцевую концентрическую рабочую полость, образованную корпусом и ротором, разделитель, выполненный в виде на

- 1 012813 клонной шайбы, геометрическая ось которой наклонена к геометрической оси вращения ротора, установленный неподвижно в корпусе и разбивающий рабочую полость на две части, причём на рабочей поверхности ротора выполнен по меньшей мере один паз вдоль его геометрической оси вращения, в роторе установлен поршень с возможностью перекрытия (уплотнения) рабочей полости и совершения вращательных колебаний вокруг своей геометрической оси, пересекающей геометрическую ось ротора, причем поршень выполнен в виде по меньшей мере части диска, а в каждом поршне имеется по меньшей мере одна уплотняемая прорезь для прохода разделителя.

Преимуществами этой машины являются сферический контакт поршня и камеры, надёжность крепления поршня, выступающего в обе стороны из вала, наличие прочного вала (продольный паз мало его ослабляет), надежная синхронизация поршня, хорошее уплотнение поршня. ОРМ имеет также недостатки: неудобство объединения такой машины в многоступенчатую машину, связанное с тем, что соответствующие друг другу окно входа и выхода находятся по одну сторону разделителя, и для прохода из ступени в ступень необходимо делать канал, обходящий сферическую полость корпуса вдоль оси ротора. Недостатком также является неравномерность подачи, которая тоже осложняет объединение в многоступенчатую машину.

Целью изобретения является создание объёмной роторной высокооборотной машины повышенной герметичности с прочным валом, надёжным креплением вытеснительного элемента (поршня), надёжным механизмом синхронизации, допускающими многократные кратковременные перегрузки, большим ресурсом, с низкими инерциальными нагрузками со стороны поршня на механизм синхронизации. Эти свойства позволяют использовать машину в погружных многоступенчатых насосах, создающих большие давления и имеющих большой запас прочности, дают возможность повторного запуска после длительного перерыва или кратковременных изменений свойств рабочей среды (например, застывания).

Кроме того, машина должна иметь хорошие удельные характеристики: большую подачу в заданном габарите по диаметру, большое рабочее давление на ступень, большой запас прочности по кратковременному повышению давления на ступень, большой ресурс, обеспеченный как самой конструкцией, так и возможностью применения износоустойчивых материалов в ней.

Желаемого эффекта можно достигнуть, если в машине по заявке № 2006119356 на одном из участков разделителя (например, на нисходящем участке) выполнить сквозные отверстия для прохода через них рабочего тела на другую сторону разделителя. Тогда окно входа и выхода рабочего тела можно будет выполнить в корпусе под и над восходящим участком разделителя, что удобно для многоступенчатой машины. Кроме того, подача такой машины становится практически постоянной. При этом участок разделителя со сквозными проходами на другую сторону продолжает выполнять роль по перекрытию прорези поршня (или в УСЭ при использовании последнего) и синхронизации поршня.

Поставленная задача достигается тем, что согласно изобретению в объёмной роторной машине, содержащей корпус, рабочая поверхность которого выполнена в виде части сегмента тора, ротор с рабочей поверхностью вращения установлен в корпусе с возможностью вращения, кольцевая рабочая полость образована рабочими поверхностями корпуса и ротора, разделитель, выполненный в виде шайбы, установлен неподвижно в корпусе и разбивает рабочую полость под углом к плоскости вращения ротора на две части, имеет два условных участка, восходящий и нисходящий, с примерной границей в двух противоположных местах разделителя, находящихся на максимальном удалении друг от друга вдоль оси ротора, причём на рабочей поверхности ротора выполнен по меньшей мере один паз вдоль его геометрической оси вращения, в каждом пазу ротора установлен поршень с возможностью перекрытия (уплотнения) рабочей полости и совершения вращательных колебаний в плоскости паза, причем поршень выполнен в виде по меньшей мере части диска, а в каждом поршне имеется по меньшей мере одна уплотняемая прорезь для прохода разделителя, отличающейся тем, что в одной из частей разделителя (нисходящей) выполнен по меньшей мере один сквозной проход с возможностью прохода рабочего тела с одной стороны разделителя на другую.

Согласно изобретению рабочая поверхность корпуса выполнена в виде сегмента сферы (сфера - частный случай тора, радиус осевой окружности которого равен нулю).

Согласно изобретению окна входа и выхода рабочего тела выполнены в перепускной части корпуса под и над восходящей частью разделителя соответственно.

Согласно изобретению рабочая поверхность ротора выполнена в виде двух соосных поверхностей усеченных конусов, опирающихся усеченной частью на сферу.

Поставленная задача достигается также тем, что согласно изобретению пазы на рабочей поверхности ротора соединяются в середине ротора.

Поставленная задача достигается также тем, что согласно изобретению разделитель выполнен в виде плоской шайбы.

Поставленная задача достигается также тем, что согласно изобретению разделитель выполнен в виде шайбы с конической рабочей поверхностью.

Поставленная задача достигается также тем, что согласно изобретению разделитель установлен в

- 2 012813 корпусе так, что касается ротора диаметрально противоположными частями разделителя, находящимися на его противоположных сторонах.

Поставленная задача достигается также тем, что согласно изобретению на разделителе в местах касания ротора выполнены выемки.

Поставленная задача достигается также тем, что согласно изобретению разделитель выполнен в виде двух частей шайбы.

Поставленная задача достигается также тем, что согласно изобретению части шайбы соединяются по разъему в виде «>».

Поставленная задача достигается также тем, что согласно изобретению поршень выполнен в виде диска со сферической боковой поверхностью и с двумя прорезями для прохода разделителя.

Поставленная задача достигается также тем, что согласно изобретению поршень выполнен в виде диска с двумя прорезями для прохода разделителя с облегчениями на участках, удаленных от прорезей.

Поставленная задача достигается также тем, что согласно изобретению поршень выполнен в виде усеченного сектора диска менее 180° с одной прорезью для прохода разделителя.

Поставленная задача достигается также тем, что согласно изобретению в прорези поршня установлен по меньшей мере один уплотняющий синхронизирующий элемент.

Поставленная задача достигается также тем, что согласно изобретению уплотняющий синхронизирующий элемент выполнен в виде цилиндра с прорезями на его концах, причём плоскости прорезей совпадают.

Поставленная задача достигается также тем, что согласно изобретению боковые площади прорезей расширены за счёт выступов.

Поставленная задача достигается также тем, что согласно изобретению средняя часть уплотняющего соединительного элемента имеет меньший диаметр.

Поставленная задача достигается также тем, что согласно изобретению уплотняющий синхронизирующий элемент выполнен в виде накладок на прорезь поршня.

Поставленная задача достигается также тем, что согласно изобретению уплотняющий синхронизирующий элемент выполнен в виде двух пластинок, соединённых осью.

Поставленная задача достигается также тем, что согласно изобретению уплотняющий синхронизирующий элемент выполнен в виде ролика.

Согласно изобретению по меньшей мере один проход выполнен под углом к геометрической оси разделителя.

Согласно изобретению машина выполнена многоступенчатой, причем ротор выполнен общим для всех ступеней.

Согласно изобретению после первой ступени и далее через каждые две следующие ступени в корпусе выполнены каналы для разворота потока рабочего тела вокруг ротора на пол-оборота.

Изобретение поясняется при помощи чертежей.

На фиг. 1 представлена в изометрии ступень объёмной роторной машины со снятой нисходящей частью корпуса (при этом для улучшения понимания соответствующая ей часть разделителя оставлена).

На фиг. 2 представлен в изометрии внешний вид ОРМ, видно окно выхода.

На фиг. 3 представлена в изометрии восходящая часть корпуса.

На фиг. 4 представлена в изометрии нисходящая часть корпуса.

На фиг. 5 представлено в изометрии взаимодействие поршня и разделителя через уплотнительный синхронизирующий элемент.

На фиг. 6 представлена в изометрии часть вала ОРМ.

На фиг. 7 представлен в изометрии поршень.

На фиг. 8 представлен в изометрии цилиндрический уплотнительный синхронизирующий элемент (УСЭ) с дополнительными выступами и со средней частью меньшего диаметра.

На фиг. 9 представлен в изометрии поршень с УСЭ.

На фиг. 10 представлен в изометрии цилиндрический УСЭ с прорезями на концах.

На фиг. 11 представлен в изометрии поршень с УСЭ в виде накладок.

На фиг. 12 представлен в изометрии поршень для УСЭ, изображенный на фиг. 11.

На фиг. 13 представлен в изометрии УСЭ в виде накладки.

На фиг. 14 представлен в изометрии ротор ОРМ с пазом под поршень, изображённый на фиг. 12.

На фиг. 15 представлена в изометрии часть поршня с УСЭ в виде двух пластинок, соединённых осью.

На фиг. 16 представлен в изометрии поршень с УСЭ в виде роликов.

На фиг. 17 представлен в изометрии поршень с облегчением и сквозным отверстием под УСЭ.

На фиг. 18 представлены в изометрии два поршня с облегчением и вырезами в поршне, с УСЭ, образующими крестовину.

На фиг. 19 представлен в изометрии один поршень с облегчением и вырезом в поршне, а также УСЭ с пазом под крестовину.

На фиг. 20 представлен в изометрии ротор одной ступени ОРМ с вырезом в одну четверть, с че

- 3 012813 тырьмя поршнями и разделителем.

На фиг. 21 представлен в изометрии поршень ОРМ в виде части диска с прорезью.

На фиг. 22 представлен в изометрии поршень в виде части диска с прорезью и УСЭ в виде накладок, который может работать с ротором с фиг. 20.

На фиг. 23 представлен в изометрии поршень типа «ножницы».

На фиг. 24 представлен в изометрии разделитель с конической рабочей поверхностью, с ножками и щелевыми проходами в нисходящей части.

На фиг. 25 представлен в изометрии разнесённый вид части, состоящей из двух ступеней многоступенчатой машины.

На фиг. 26 представлены в изометрии две части корпуса четырёхступенчатой ОРМ, состоящей из частей, изображённых на фиг. 25.

На фиг. 27 представлена диаграмма, поясняющая работу ступени ОРМ.

На всех фигурах одинаковые элементы обозначены одними номерами, где

- корпус;

- часть корпуса, восходящая половина;

- часть корпуса, нисходящая половина;

- сферическая полость;

- концентрическое отверстие под выход вала ротора;

- геометрическая ось машины;

- ротор;

- поршень;

- разделитель;

- восходящая (перепускная) часть разделителя;

- нисходящая (напорная) часть разделителя;

- окно входа;

- окно выхода;

- канал без разворота потока вокруг корпуса;

- канал для разворота потока вокруг корпуса;

- сферическая часть ротора над конусом;

- поверхность ротора в виде усечённого конуса;

- центральная сферическая часть ротора;

- выход вала ротора;

- рабочая камера;

- паз в роторе под поршень;

- паз в роторе под ось поршня;

- выемка в роторе под УСЭ;

- сферическая поверхность корпуса;

- плоская (коническая) поверхность разделителя;

- геометрическая ось поршня;

- ось поршня;

- внешняя часть поршня;

- центральная утолщённая часть поршня;

- сквозное отверстие в поршне под УСЭ;

- сферическая боковая поверхность поршня;

- переходная сферическая часть поршня;

- прорезь в поршне под разделитель;

- выемка под ролик в прорези поршня;

- дно в прорези поршня;

- боковая поверхность прорези поршня;

- цилиндр на боковой прорези поршня;

- цилиндрическая выемка на боковой прорези поршня;

- цилиндрическое отверстие в поршне под УСЭ;

- разъём разделителя;

- внутренняя сферическая поверхность разделителя;

- проход на разделителе;

- ножки на разделителе;

- уплотнительный синхронизирующий элемент (УСЭ);

- прорезь в УСЭ под разделитель;

- выступы на УСЭ;

- штифт;

- плоская или коническая площадка на УСЭ;

- боковая поверхность прорези УСЭ;

- 4 012813

- дно прорези УСЭ;

- торец УСЭ;

- цилиндрический выступ на УСЭ;

- цилиндрическая выемка на УСЭ;

- пластинки УСЭ;

- ось, соединяющая пластинки УСЭ;

- ролик, устанавливаемый в прорези поршня;

- выборки в поршне под облегчение;

- половинка поршня типа «ножницы»;

- вырез в поршне;

- цилиндрическая часть УСЭ;

- паз в УСЭ под крестовину;

- отверстие в пазу 61 УСЭ для крепления оси крестовины;

- минимальная характерная часть, 1-я половина;

- минимальная характерная часть, 2-я половина;

- участок разрезного ротора;

- корпус четырёхступенчатой машины, 1-я половина;

- корпус четырёхступенчатой машины, 2-я половина.

Описание наилучшего образца выполнения машины.

Ступень объёмной роторной машины (которая может использоваться и самостоятельно) (фиг. 1) устроена следующим образом. В корпусе 1 (фиг. 2), выполненном из двух частей, условно восходящей (перепускной) половины 2 (фиг. 3) и нисходящей (напорной) половины 3 (фиг. 4), имеется полость 4 в виде сегмента сферы (правильнее сегмента тора, который получается вместо сферы в результате допусков на осевой люфт ротора), из которой имеется два концентрических ей отверстия 5 (фиг. 3). В сферической полости 4 под углом к геометрической оси отверстия, являющейся геометрической осью машины 6, установлен разделитель 9, выполненный в виде шайбы с внутренним сферическим отверстием 41 (фиг. 1, 3, 4, 5). Для разборности разделитель 9 выполнен из двух частей: условно восходящей (перепускной) 10 и нисходящей (напорной) 11, каждая из которых крепится к соответствующим частям корпуса 2 и 3 (фиг. 3, 4). На одной из частей разделителя 9, нисходящей 11, выполнены сквозные проходы 42 на другую сторону разделителя 9. В корпусе 1 установлен с возможностью вращения относительно оси 6 корпуса 1 ротор 7 с рабочей поверхностью, выполненной в виде двух поверхностей усечённых конусов 17, опирающихся меньшими основаниями на центральную сферу 18 (фиг. 6). Большие основания конусов соединены с концентричными им выходами вала 19 сегментами сферы 16, концентричными центральной сфере 18 и радиусами, приблизительно равными радиусу рабочей полости 4. На рабочей поверхности ротора 7 имеется сквозной паз 21 вдоль геометрической оси машины 6 (фиг. 6). Для удобства разборки ротор 7 выполнен из двух половинок. Сферической частью корпуса 4, конической частью ротора 17, центральной сферической частью ротора 18 и разделителем 9 образована рабочая полость 20, которую разделитель 9 разделяет на две части (фиг. 1). Разделитель 9 касается конической поверхности 17 ротора 7 противоположными сторонами в двух диаметрально противоположных местах (фиг. 1). Приблизительно эти места касания ограничивают восходящий и нисходящий участки разделителя.

В пазу 21 установлен с возможностью вращательных колебаний вокруг геометрической оси 26, пересекающей перпендикулярно геометрическую ось 6 машины (другими словами, в плоскости паза 21), поршень 8 (фиг. 1), выступающий в обе стороны из сквозного паза 21. Поршень 8 выполнен в виде диска, имеющего внешнюю 28 и центральную утолщённую 29 части (фиг. 5, 7). Внешняя часть поршня 28 ограничена сферической поверхностью 31, радиус которой приблизительно равен радиусу рабочей полости 4. Переход между внешней частью поршня 28 и центральной частью 29 выполнен по сфере 32, радиус которой приблизительно равен радиусу центральной сферы 21. На внешней части 28 имеются две диаметрально противоположных прорези 33 (фиг. 7). Через прорезь 33 по диаметру выполнено цилиндрическое отверстие 39, заходящее на небольшую глубину в утолщённую часть 29 и переходящее далее в сквозное отверстие меньшего диаметра 30. Поршень 8 выполнен зацело с осью 27. В каждом цилиндрическом отверстии 39 поршня 8 установлена часть УСЭ 44, выполненная в виде цилиндра 60, торец 51 которого рассечён прорезью 45 под разделитель 9 (фиг. 5). Для увеличения площади боковой поверхности 48 прорези 45 на цилиндрической части УСЭ 44, рассечённой прорезью 45, выполнены выступы 46 (фиг. 9). В нерассечённой части УСЭ 44 выполнено соосное отверстие под запрессовку штифта (фиг. 25, не пронумеровано). Две части УСЭ 44, установленные в двух диаметрально противоположных прорезях 33, соединены в одно целое с помощью штифта 47 (фиг. 9). Штифт 47 при сборке может дополнительно фиксироваться контактной сваркой. Имеются окно входа 12 и окно выхода 13 рабочего тела, расположенные по разные стороны, соответственно под и над восходящим (перепускным) участком 10 разделителя 9 (снизу или сверху вдоль оси ротора 7) и примыкают к месту касания разделителя 9 с ротором 7 (фиг. 2, 3, 4). При этом окна могут простираться по угловой протяженности на всю длину восходящего участка 10 разделителя 9 и даже залезать на площадки контакта разделителя 9 с коническими поверхностями 17 ротора 7.

- 5 012813

В данной ОРМ также могут применяться поршни других видов, описанных ниже. При этом остальные детали машины почти не изменяются. Характеристики машины также меняются не существенно (если не указано специально). А выбор той или иной конструкции поршня больше определяется наличием оснастки для выполнения тех или иных элементов.

В данной ОРМ может применяться поршень 8 (фиг. 9), выполненный без оси и укомплектованный УСЭ 44 более простой формы. УСЭ 44 выполнен в виде цилиндра, на торцах 51 которого имеются две прорези 45 под разделитель 9. Поршень 8 (фиг. 9) отличается от поршня 8 (фиг. 7) тем, что вместо отверстий разных диаметров 30 и 39 имеется только одно сквозное отверстие 30. УСЭ 44 контактирует с разделителем 9 боковой поверхностью прорези 49 и дном 50 прорези 45, которое имеет сферическую форму (фиг. 10). Отсутствие выступов 46, увеличивающих площадь опоры УСЭ 44, и плечо для вращающего момента может снизить ресурс этого элемента, однако при небольших рабочих перепадах давления и/или достаточно тонких разделителях 9 он может не являться определяющим.

На фиг. 11 изображён поршень 8 без оси 27 с УСЭ 44 в виде накладок. На боковой поверхности 36 (фиг. 21) прорези 33 поршня 8 имеются два цилиндрических выступа 37 и цилиндрическая выемка 38 (фиг. 12). УСЭ с одной стороны имеет два соосных цилиндрических углубления 53, между которыми расположен цилиндрический выступ 52, а с другой стороны плоскую площадку или участок конической поверхности 48 (фиг. 13). Ротор 7 для поршня 8 с таким УСЭ 44 (фиг. 13) имеет выемки 23 под УСЭ в виде накладок (фиг. 14). Поршень 8 (фиг. 12) отличается от поршня 8 (фиг. 9) тем, что он не имеет сквозного отверстия 30. Такие УСЭ 44 могут дополнительно фиксироваться штифтом к поршню 8 через отверстие в УСЭ 44 и поршне 8, соосное цилиндрическим выступам 37 (не показано).

УСЭ 44 может состоять из двух частей, каждая из которых представляет собой две пластинки 54, соединённые осью 55 (фиг. 15). Поршень 8 для такого УСЭ 44 может собираться из двух частей (например, из двух одинаковых дисков с пазами под оси 55 УСЭ 44) любыми известными методами (склеивание, заклепки, сварка ...).

УСЭ 44 может быть выполнен в виде ролика 56 (фиг. 16), расположенного в углублении 34 на боковой поверхности 36 прорези 33 поршня 8.

Поршень 8 может быть выполнен без УСЭ 44 (фиг. 21).

Для уменьшения износа механической синхронизации на больших оборотах можно облегчать поршень 8. Это эффективно делать за счёт выборки материала на частях поршня 8, близких к оси вращения ротора 7, совпадающей с осью 6 машины, за счёт использования материала с меньшей плотностью (особенно в указанных местах), за счёт удаления этих частей поршня 8. В последнем случае, за счёт удаления частей поршня 8 можно сократить длину одной ступени насоса.

На фиг. 17 выполнен облегченный вариант поршня 8. Облегчение представляет собой выборку 57 материала на частях поршня 8, близких к оси 6 вращения машины и удаленных от оси поршня, выборки 57 могут быть несквозными или могут быть заполнены вставками из более легкого материала. Однако при небольших размерах машины, и/или при работе машины на небольших оборотах, или при выполнении всего поршня из достаточно легкого материала выборки 57 не требуются и только уменьшают площадь опоры поршня 8.

Другим направлением модификации машины является увеличение числа поршней 8. Например, если требуется увеличить перепад давления на ступень или увеличить герметичность машины. Для этого нужно увеличить количество пазов 21 в роторе 7. Пример выполнения и взаимного положения двух и более поршней 8 приведены на фиг. 18.

В средней части поршня 8, имеющего облегчение 57, дополнительно сделан вырез 59. В результате две выступающие части поршня 8 соединены друг с другом одной или двумя дугами, что позволяет пересекать поршни 8 под углом друг к другу и не мешать их колебаниям относительно ротора 7. Наличие пустоты в центре каждого поршня 8 позволяет стыковать друг с другом оси УСЭ 44 в виде крестовины (фиг. 19). Для этого в средней части УСЭ 44 выполнен паз 61 до середины цилиндра. Для большей жесткости крестовина может через отверстие 62 в пазу 61 УСЭ 44 фиксироваться осью (ось не показана). Крестовина позволяет использовать простой УСЭ с фиг. 9, устранив его недостатки.

Другой способ добавления поршней 8 изображён на фиг. 20 - сделать прорези 21 в роторе 7 несквозными и в каждую помещать поршни 8, которые выполнены в виде сектора диска менее 180° (фиг. 21). При этом поршни 8 могут удерживаться за счёт контакта с разделителем 9 по плоской (конической) поверхности 25 и по сферической (цилиндрической) поверхности разделителя 41 и/или по сферической поверхности корпуса 24.

В случае глухих пазов 21 и в случае перекрытия ротором 7 выборки 57 (фиг. 20, 17) можно увеличить подачу машины, потеряв подкрутку поршня 8 давлением рабочего тела, или не делать этого. Все зависит от размещения канавок (проходов) для перепуска рабочего тела из защемленных объемов. При сообщении защемленного объема с камерой высокого давления увеличивается подача, при сообщении этих объёмов с камерой низкого давления удаётся сохранить подкрутку.

На фиг. 22 изображён поршень 8, отличающийся от поршня 8 (фиг. 21) наличием УСЭ 44 (фиг. 13). Для таких поршней 8 в пазах ротора 21 или на поверхности поршня 8 могут быть выполнены канавки для исключения защемления жидкости.

- 6 012813

При этом поршни 8 могут удерживаться за счёт контакта с разделителем 9 по плоской (конической) поверхности 25 и по сферической (цилиндрической) поверхности 41 разделителя 9 и/или по сферической поверхности 24 корпуса 1 (фиг. 24).

При этом автоматически за счёт прижатия центробежными силами и силами давления рабочего тела могут выбираться зазоры на сфере 24. Зазоры под разделитель 9 могут выбираться, если толщина разделителя 9 возрастает к периферии.

Для автоматического выбора зазоров между разделителем 9 и прорезью 33 поршня 8 или УСЭ 44 поршень 8 выполняется в виде ножниц (фиг. 23). Такой поршень 8 состоит из двух частей 58. Поршни 8 такого типа могут выполняться как с УСЭ 44, так и без него. В последнем случае ресурс и уплотнение может обеспечить большая истираемая часть поршня 8, в то время как с УСЭ 44 ресурс определяется работой менее нагруженной пары трения.

При этом поджатие двух частей 58 поршня 8 может осуществляться центробежными силами, действующими на части 58 поршня 8, центробежными силами, которые действуют на дополнительный расклинивающий элемент пружиной, давлением рабочей среды.

Поршень 8 при этом может крепиться различными способами. Выбор схемы крепления зависит от возможностей по точности изготовления деталей, доступности пар трения и т. д.

Поршень 8 может изготавливаться зацело с осью вращения 27, тогда ротор 7 выполняется разрезным (фиг. 1, 6, 25). Крепление двух половинок ротора 7 может осуществляться любым известным способом и в зависимости от материала ротора 7: клей, сварка, винтами, напрессовкой втулок, ....

Поршень 8 может изготавливаться с запрессовывающейся осью 27 (в которой имеется отверстие (на фигурах не показано) для пропуска штифта 47 для поршня 8 с фиг. 6). Тогда ротор 7 может быть цельным.

Ось 27 запрессовывается в поршень 8 после вставки поршня 8 в прорезь 21 ротора 7. После этого можно дополнительно закрепить ось 27, например, контактной или ультразвуковой сваркой.

Поршень 8 может изготавливаться с углублениями вместо оси 27 для фиксации в роторе 7 с помощью штифтов.

Поршень 8 может не иметь дополнительной фиксации в роторе 7 (удерживаться в рабочем положении разделителем 9 и/или корпусом 1). Так можно получить меньшие зазоры между УСЭ 44 и разделителем 9.

Поршень 8 может центрироваться за счёт формы паза 21 в роторе 7.

С точки зрения процессов вытеснения, удобно говорить о количестве выступающих в рабочую камеру вытеснителях, не зависимо от того, как они устроены внутри ротора, как закреплены и как уравновешены. Но с точки зрения динамических центробежных и инерционных нагрузок, уплотняющих свойств, нагрузок на пары трения, важно внутреннее устройство и крепление поршней 8. То есть важно, являются ли две выступающие части поршня 8 частями одного поршня 8 или разных, установлен ли в поршне 8 УСЭ 44, выступающий в диаметрально противоположные части рабочей камеры 20 или только в одну сторону, охватывает ли разделитель 9 цельный УСЭ 44, или состоящий из отдельных частей, находящихся по разные стороны разделителя 9.

Для удобства крепления разделителя 9 к корпусу 1 восходящая 10 и нисходящая 11 части разделителя 9 на фиг. 24 имеют ножки 43. В этом случае в корпусе 1 выполняются ответные пазы под ножки 43. Нисходящая часть 11 разделителя 9 также имеет сквозные проходы 42 в форме щелей. Сквозные проходы 42 могут выходить на внутреннюю поверхность 41 разделителя 9. Для уменьшения сопротивления потоку рабочего тела сквозные проходы 42 в виде щелей и отверстий 42 могут выполняться под углом к оси разделителя 9 в сторону движения рабочего тела.

ОРМ работает следующим образом. При вращении ротора 7 одна из выступающих в рабочую полость 20 на нисходящем участке 3 корпуса 1 выступающая часть поршня 3 перекрывает рабочую полость 20, разбивая её на две рабочих камеры уменьшающегося объёма (перед поршнем 8) и увеличивающегося объёма (за поршнем 8). Прорезь 33 в поршне 8 при этом перекрывается участком разделителя 11 со сквозными проходами 42, не препятствуя движению рабочего тела по ходу вращения ротора 7. Рабочее тело из уменьшающейся рабочей камеры 20 выходит в окно выхода 13 на восходящем участке 10, а в увеличивающуюся рабочую камеру 20 поступает через окно входа 12 на восходящем участке 10. При этом поршень 8 проворачивается относительно ротора 7, взаимодействуя непосредственно прорезью 33 или через УСЭ 44 с разделителем 9. При попадании этой части поршня 8 в зону перепуска (окон входа 12/выхода 13) сразу или через некоторое время его заменяет следующая выступающая часть поршня 8. При наличии более двух выступающих частей поршня 8 (в машинах с двумя и более поршнями 8) одновременно несколько выступающих частей поршня 8 могут проталкивать рабочее тело по рабочей полости 20 на нисходящем участке 11. Другие выступающие части поршней 8, проходящие восходящий участок 10 разделителя 9 (возможно за исключением его краев), практически не испытывают (не создают) перепада давления, т. к. проходят перепускную зону. Процесс повторяется.

В рассматриваемых машинах существует явление подкрутки поршня 8 давлением среды в сторону его вращения. Оно может быть полезным только для поршней 8, выступающих из ротора 7 в обе сторо- 7 012813 ны. Для других поршней 8, при наличии защемляемого объема, подкрутка убирается выполнением проходов из защемленного объема в камеру перед поршнем 8. Величина крутящего момента пропорциональна толщине выступающей из ротора части поршня 8. Поэтому толщину этой части поршня 8 следует выбирать исходя из отношения момента сил трения в оси поршня 8 к перепаду давления на поршне 8. Процедура расчётов не приводится в виду очевидности.

При создании многоступенчатой машины, для устранения радиальной нагрузки на подшипники вала, целесообразно выполнять несколько ступеней ротора на одном жестком валу. При этом корпуса каждой ступени следует разворачивать на небольшой угол друг относительно друга или по системе, показанной на фиг. 26: 0°, 180°, 180°, 360° и т.д. При этом через каждые две ступени выполняется канал 15 для разворота потока рабочего тела вокруг ротора 65 на 180°. Ценою за уравновешенность ротора по давлению со стороны рабочего тела является небольшое увеличение длины насоса (конечно, если нет ограничений по диаметру, этот разворот может быть сделан за диаметром рабочей полости).

Многоступенчатая ОРМ, минимальная характерная часть (для отображения в более крупном масштабе) из двух ступеней которой представлена на фиг. 25, состоит из нескольких таких частей, например из двух, как четырёхступенчатый корпус на фиг. 26. При этом для большей жесткости желательно, чтобы все части 63, 64 половинки 66 и 67 многоступенчатого корпуса составляли одно целое. Еще важнее, что бы все или хотя бы две части 65 ротора 7 составляли одно целое. Это снимет радиальные нагрузки с подшипников машины. Характерная часть корпуса состоит из двух половинок 63 и 64, в плоскости разъема которых лежит ось 6 машины. Характерная часть первой половинки корпуса 63 состоит из нисходящей напорной части 3 корпуса ступени, за которой следует канал 15 (фиг. 1, 25, 26) для разворота потока рабочего тела вокруг ротора 65, входящий в окно входа 12 следующей далее восходящей перепускной части 2 корпуса ступени. Характерная часть второй половинки корпуса 64 составлена в обратной последовательности и состоит из восходящей перепускной части 2 корпуса ступени, из окна выхода 13 которой выходит и следует далее вокруг ротора 65 канал 15 для разворота потока рабочего тела, далее следует нисходящая напорная часть 3 корпуса ступени. Каналы для разворота потока 15 вокруг ротора 65 выходят на плоскости разъема половинок 63 и 64 в одном и том же месте так, что после сборки получается один канал, соединяющий окно выхода 13 первой ступени второй части корпуса с окном входа 12 второй ступени первой части корпуса. Первая 63 и вторая 64 части участка корпуса могут представлять собой одну и ту же деталь (возможно за исключением направления разъема 40 на разделителях 9). Для наглядности показан участок из двух ступеней разрезного ротора 65. Плоскость разъема проходит через ось машины 6. Крепление половинок ротора 65 не показано. Может использоваться любой известный способ крепления: клей, сварка, винты и т. д. Вместо разрезного ротора 65 можно использовать цельные роторы с прорезями для поршней, ступени которых представлены на других фигурах. На фиг. 25 использованы поршни, показанные отдельно на фиг. 5.

Наращивать количество ступеней такой машины можно добавлением таких же характерных частей 63 и 64, развернутых вокруг оси машины на 180°. На некоторых расстояниях, зависящих от нагрузок и жесткости ротора 65, имеет смысл ставить промежуточные радиальные подшипники, хотя, в случае наличия износоустойчивых покрытий на роторе и корпусе, можно обойтись и без подшипников.

Две половинки корпуса 66 и 67 четырехступенчатой машины (фиг. 26) получаются из характерных частей (фиг. 25). В некоторых случаях к их торцам удобно добавлять полукорпуса радиальных и/или упорных подшипников.

В приведенных вариантах выполнения многие формы являются наглядными, удобными, но не обязательными для выполнения. Так не является обязательной сферическая поверхность 16 на роторе 7. Конические поверхности 17 ротора 7 могут иметь другую форму, лишь бы их профиль был бы ответным к профилю разделителя 9. Да и это может нарушаться при большом количестве поршней 8, т.к. становится не обязательным контакт конических поверхностей 17 ротора 7 с разделителем 9 (достаточно перекрытия близкого к этому месту участка одним из поршней 8). Не строго обязательной является сферическая форма «центральной сферы» 18. С небольшими потерями в герметичности ее можно заменить, например, цилиндром. Даже сферическая поверхность 24 рабочей поверхности корпуса 1 может выполняться слегка тороидальной (например, в пределах допуска на люфт ротора 7). Еще менее значимы отклонения рабочей поверхности корпуса 7 в сторону тороидальности в случае поршней 8 в виде частей диска меньших половины. Такие отклонения ведут к небольшим отклонениям от плоской формы разделителя 9, несколько уменьшают площадь контакта поршня по корпусу, но не нарушают работоспособности машины. Другим поводом для отклонений от сферичности рабочей поверхности корпуса может служить размывание границы между этой поверхностью 24 и разделителем 9, хотя это тоже уменьшает поверхность контакта поршня 8 и корпуса 1.

Работу ступени машины с четырьмя поршнями 8 поясняет диаграмма (фиг. 27). На ней показаны два поршня 8, проходящие нисходящий (напорный) участок 11 разделителя 9 и корпуса 1 при вращении ротора 9. При этом каждый из них создает перепад давления, которые в сумме дают перепад давления одной ступени насоса. Указанные выступающие части поршней 8, поворачиваясь, смещаются при этом вниз при взаимодействии с разделителем 9. Другая пара поршней 8 проходит восходящий (перепускной)

- 8 012813 участок 10 разделителя 9 и корпуса 1. Они не создают перепада давления. При выходе одного из поршней 8 из напорной части 11 ее место занимает поршень 8, выходящий из перепускной части 10. Процесс повторяется.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Объёмная роторная машина, содержащая корпус со сферообразной рабочей поверхностью, имеющий перепускную и напорную части, ротор с рабочей поверхностью вращения, установленный в корпусе с возможностью вращения, кольцевую рабочую полость, образованную рабочими поверхностями корпуса и ротора, разделитель, выполненный в виде шайбы, закрепленный в корпусе под углом к плоскости вращения ротора и разделяющий рабочую полость на две части, при этом разделитель условно имеет восходящий и нисходящий участки, находящиеся, соответственно, в перепускной и напорной частях корпуса, а окна входа и выхода рабочего тела расположены по разные стороны восходящего участка разделителя, причем на рабочей поверхности ротора выполнен по меньшей мере один паз вдоль его геометрической оси вращения, в каждом пазу ротора установлен поршень с возможностью перекрытия (уплотнения) рабочей полости и совершения вращательных колебаний в плоскости паза, причем поршень выполнен в виде по меньшей мере части диска, а в каждом поршне имеется по меньшей мере одна уплотняемая прорезь для прохода разделителя, причем в нисходящей части разделителя выполнен по меньшей мере один сквозной проход с возможностью прохода рабочего тела с одной стороны разделителя на другую.
2. Объёмная роторная машина по п.1, где рабочая поверхность ротора выполнена в виде двух соосных поверхностей усеченных конусов и части сферы, на которую последние опираются своей усеченной частью.
3. Объёмная роторная машина по п.1, где пазы на рабочей поверхности ротора соединяются в середине ротора.
4. Объёмная роторная машина по п.1, где разделитель выполнен в виде плоской шайбы.
5. Объёмная роторная машина по п.1, где разделитель выполнен в виде шайбы с конической рабочей поверхностью.
6. Объёмная роторная машина по п.1, где разделитель установлен в корпусе так, что касается конических поверхностей ротора диаметрально противоположными частями разделителя, находящимися на его противоположных сторонах.
7. Объёмная роторная машина по п.6, где на разделителе в местах касания ротора выполнены выемки.
8. Объёмная роторная машина по п.1, где разделитель выполнен в виде двух частей шайбы.
9. Объёмная роторная машина по п.1, где поршень выполнен в виде диска со сферической боковой поверхностью и с двумя прорезями для прохода разделителя.
10. Объёмная роторная машина по п.1, где поршень выполнен в виде диска с двумя прорезями для прохода разделителя, причем на участках, удаленных от прорезей, выполнены выборки.
11. Объёмная роторная машина по п.10, где участки, удаленные от прорезей, выполнены из материала с меньшей плотностью.
12. Объёмная роторная машина по п.1, где поршень выполнен в виде усеченного сектора диска менее 180° с одной прорезью для прохода разделителя.
13. Объёмная роторная машина по п.1, где в прорези поршня установлен по меньшей мере один уплотняющий синхронизирующий элемент.
14. Объёмная роторная машина по п.1, где по меньшей мере один сквозной проход выполнен под углом к геометрической оси разделителя.
15. Объёмная роторная машина по п.1, где машина выполнена многоступенчатой, причем несколько ступеней ротора выполнены на одном общем валу.
16. Объёмная роторная машина по п.15, где после первой ступени и далее через каждые две следующие ступени в корпусе выполнены каналы для разворота потока рабочего тела вокруг ротора на пол-оборота.

- 9 012813