Винтовая машина

Полезная модель относится к области производства и конструирования насосов и гидравлических двигателей в различных отраслях промышленности. В частности, она может быть использована в нефтяной промышленности при создании насосов для добычи нефти и перекачки многофазных сред. Технической задачей, решаемой полезной моделью, является расширение диапазона регулирования частоты вращения ротора, а также повышение КПД, за счет усовершенствования конструкции ротора. Указанная техническая задача решается за счет использования винтовой машины, содержащей корпус с входным и выходным патрубками, обойму с винтообразными каналами и винтообразный ротор, эксцентрично размещенный в обойме, с возможностью радиального смещения обоймы относительно ротора. Обойма выполнена по форме спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке корпуса с образованием щелевых уплотнений в зазоре между обоймой и корпусом. Ротор размещен вблизи от поверхности расточки корпуса, с возможностью образования внутри корпуса следующих друг за другом спиралевидных камер, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями. Ротор оснащен стопорными элементами, ограничивающими перемещение обоймы относительно ротора. Обойма выполнена из отдельных секций, следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций друг относительно друга и с возможностью радиального смещения секции относительно корпуса, а каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, выполненным на роторе, при этом на наружной поверхности секции обоймы выполнены разгрузочные канавки, гидравлически связанные с пространством между ротором и секцией обоймы. Техническим результатом является создание более универсальных и более мощных машин, за счет усовершенствования конструкции ротора машины.

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 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.

По принципу работы наиболее близкой к заявляемому техническому решению является машина, содержащая корпус с входным и выходным патрубками, обойму с винтообразными каналами и винтообразный ротор, эксцентрично размещенный в обойме, с возможностью радиального смещения обоймы относительно ротора. Обойма выполнена по форме спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке корпуса с образованием щелевых уплотнений в зазоре между обоймой и корпусом. Ротор размещен вблизи от поверхности расточки корпуса с образованием щелевого уплотнения в зазоре между наружной поверхностью ротора и поверхностью расточки в корпусе, с возможностью образования внутри корпуса следующих друг за другом спиралевидных камер, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями. Ротор оснащен стопорными элементами, ограничивающими перемещение обоймы относительно ротора (см. патент РФ на полезную модель 106678 F04C 2/16. Винтовая машина. Опубликовано: 20.07.2011). Недостатком известного устройства является относительно узкий диапазон изменения частоты вращения ротора, а также снижение КПД машины при уменьшении частоты вращения ротора, что ограничивает возможности по созданию мощных машин.

Технической задачей, решаемой полезной моделью, является расширение диапазона регулирования частоты вращения ротора, а также повышение КПД, за счет усовершенствования уплотнительных устройств в 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 входным и выходным патрубками, обойму с винтообразными каналами и винтообразный ротор, эксцентрично размещенный в обойме, с возможностью радиального смещения обоймы относительно ротора. Обойма выполнена по форме спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке корпуса с образованием щелевых уплотнений в зазоре между обоймой и корпусом. Ротор размещен вблизи от поверхности расточки корпуса с образованием щелевого уплотнения в зазоре между наружной поверхностью ротора и поверхностью расточки в корпусе, с возможностью образования внутри корпуса следующих друг за другом спиралевидных камер, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями. Ротор оснащен стопорными элементами, ограничивающими перемещение обоймы относительно ротора. Обойма выполнена из отдельных секций, следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций друг относительно друга и с возможностью радиального смещения секции относительно корпуса, а каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, выполненным на роторе, при этом на наружной поверхности секции обоймы выполнены разгрузочные канавки, гидравлически связанные с пространством между ротором и секцией обоймы.

Для удобства описания полезной модели на фигурах 1-7 представлена заявляемая винтовая машина и ее отдельные узлы и детали.

На фигуре 1 представлен продольный разрез машины.

На фигуре 2 в изометрии, с применением приемов трехмерного моделирования, отдельно представлена обойма, состоящая из отдельных секций и по форме сходная со спиральной пружиной.

На фигуре 3 отдельно представлен ротор, в изометрии и с применением приемов трехмерного моделирования, где показаны плоские опорные поверхности, которые перпендикулярны оси вращения ротора.

На фигуре 4 в изометрии представлен ротор и секции обоймы в сборе.

На фигуре 5 представлен поперечный разрез машины.

На фигуре 6 представлена изометрия секции обоймы, с выполненными разгрузочными канавками на наружной поверхности.

На фигуре 7 представлен поперечный разрез секции обоймы.

Винтовая машина по фигурам 1-7, содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, обойму 4 с винтообразными каналами и винтообразный ротор 5, эксцентрично размещенный в обойме 4, с возможностью радиального смещения обоймы 4 относительно ротора 5. Обойма 4 выполнена по форме спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке 6 корпуса 1 с образованием щелевых уплотнений 7 в зазоре между обоймой 4 и корпусом 1. Ротор 5 размещен вблизи от поверхности расточки 6 корпуса 1 с образованием щелевого уплотнения 8 в зазоре между наружной поверхностью ротора 5 и поверхностью расточки 6 в корпусе 1, с возможностью образования внутри корпуса 1 следующих друг за другом спиралевидных камер 9, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями 7, 8. Ротор 5 оснащен стопорными элементами 10, ограничивающими перемещение обоймы 4 относительно ротора 5. Обойма 4 выполнена из отдельных секций 11, 12 следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций 11, 12 друг относительно друга и с образованием щелевого уплотнения 13 в зазоре между соседними секциями 11, 12. Каждая секция 11 обоймы 4 оснащена стопорным элементом 10, выполненным на роторе 5. Секции в обойме 4 расположены вдоль винтовой линии с образованием ступенчатой структуры, подобно ступеням на винтовой лестнице.

На представленных фигурах, в зоне контакта ротора 5 с секцией 11 обоймы 4 на роторе 5 и на секции 11 обоймы 4 выполнены плоские опорные поверхности, соответственно 14 и 15, которые перпендикулярны оси вращения 16 ротора 5.

На наружной поверхности секции 11 обоймы 4 выполнены разгрузочные канавки 17.

Ротор 5 установлен на подшипниках 18, которые обеспечивают условия, чтобы ротор 5 был эксцентрично размещен в обойме 4, и, соответственно, эксцентрично размещен внутри расточки 6 в корпусе 1.

При этом обойма 4 выполнена концентрично размещенной в расточке 6 корпуса 1.

Пространство между ротором 5 и секцией 11 обоймы 4 имеет гидравлическую связь с разгрузочными канавками 17. Для обеспечения такой гидравлической связи в секции 11 могут быть выполнены отверстия 19. Отверстия 19 могут быть различного диаметра.

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 подшипниках 18. При вращении ротора 5 во вращательное движение вовлекается и обойма 4. Обойма 4 выполнена из отдельных секций 11, 12, следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций 11, 12 друг относительно друга и с образованием щелевого уплотнения 13 в зазоре между соседними секциями 11, 12. Каждая секция 11 обоймы 4 оснащена стопорным элементом 10, выполненным на роторе 5. При вращении ротора 5 в спиралевидных камерах 9 обеспечивается силовое воздействие на жидкость, заполняющую полости в камерах 9. Таким образом, формируется поток жидкости в направлении от входного патрубка 2 к выходному патрубку 3. Щелевые уплотнения уменьшают объемные потери, поскольку ротор 5 размещен вблизи от поверхности расточки 6 корпуса 1 с образованием щелевого уплотнения 8 в зазоре между наружной поверхностью ротора 5 и поверхностью расточки 6 в корпусе 1. Внутри корпуса 1 следующие друг за другом спиралевидные камеры 9, отделены друг от друга щелевыми уплотнениями 7, 8.

При таком движении ротора 5 и обоймы 4 относительно расточки 6 в корпусе 1 осуществляется смещение спиралевидных камер 9 в направлении от входного патрубка 2 к выходному патрубку 3. Щелевые уплотнения ограничивают значение объемных потерь мощности и обеспечивают плавное (равномерное) изменение давления по камерам 9, следующим друг за другом. Равномерное распределение (изменение) давления по камерам 9 достигается за счет частичного возвратного перетекания части перекачиваемой среды через каналы щелевых уплотнений 7, 8, 13. Максимальное давление обеспечивается в спиральной камере 9, сообщающейся с выходным патрубком 3, что соответствует давлению на выходе насоса. Соответственно минимальное давление обеспечивается в спиральной камере 9, сообщающейся с входным патрубком 2, что соответствует давлению на входе насоса. Поскольку для каждой секции 11 имеется свой отдельный стопорный элемент 10, удается распределить нагрузку на большей площади при уменьшенных контактных напряжениях, что открывает возможности для создания более мощных машин.

В зоне контакта ротора 5 с секцией 11 обоймы 4 на роторе 5 и на секции 11 обоймы 4 выполнены плоские опорные поверхности, соответственно 14 и 15, которые перпендикулярны оси вращения 16 ротора 5. При использовании плоских опорных поверхностей уменьшаются контактные напряжения, и замедляется износ щелевых уплотнений. За счет перепада давления, действующего на секцию 11, обеспечивается прижатие секции 11 обоймы 4 к корпусу 1. Разгрузочные канавки 17, посредством отверстий 19, гидравлически связаны с пространством между ротором 5 и секцией 11 обоймы 4. Таким образом реализуется эффект гидравлической разгрузки и ослабляются силы, прижимающие секцию 11 к корпусу 1. При таком конструктивном исполнении могут быть уменьшены потери мощности на трение и достигнуто повышение КПД, и расширен диапазон регулирования частоты вращения ротора. Как показано на фигуре 5, при таком конструктивном исполнении отдельная секция 11 имеет возможность для радиального смещений относительно корпуса 1 (по фигуре 5 - возможность смещения в направлении к центру ротора 5), что положительно отражается на надежности работы машины при наличии механических примесей в рабочей среде (когда механические примеси могут попасть в зазор между секцией 11 и корпусом 1). Становится возможным создание более универсальных и более мощных машин, за счет усовершенствования конструкции ротора машины. Помимо жидкой среды, заявляемая машина может обеспечить перекачку газов, газожидкостных смесей и других многофазных сред.

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 7, 8, 13 ограничивают значение объемных потерь мощности и обеспечивают плавное изменение давления по камерам 9, следующим друг за другом. Максимальное давление обеспечивается в спиральной камере 9, сообщающейся с входным патрубком 2, что соответствует давлению на входе двигателя. Соответственно минимальное давление обеспечивается в спиральной камере 9, сообщающейся с выходным патрубком 3, что соответствует давлению на выходе двигателя. За счет перепада давления в соседних камерах 9 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 конструкции ротора, в проточной части машины, решена поставленная техническая задача по расширению диапазона регулирования частоты вращения ротора, созданы условия для снижения сил трения и для повышения КПД машины. Достигается и технический результат, при создании более универсальных и более мощных машин, за счет усовершенствования конструкции ротора машины.

Винтовая машина, содержащая корпус с входным и выходным патрубками, обойму с винтообразными каналами и винтообразный ротор, эксцентрично размещенный в обойме с возможностью радиального смещения обоймы относительно ротора, обойма выполнена по форме спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке корпуса с образованием щелевых уплотнений в зазоре между обоймой и корпусом, ротор размещен вблизи от поверхности расточки корпуса с образованием щелевого уплотнения в зазоре между наружной поверхностью ротора и поверхностью расточки в корпусе с возможностью образования внутри корпуса следующих друг за другом спиралевидных камер, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями, а ротор оснащен стопорными элементами, ограничивающими перемещение обоймы относительно ротора, отличающаяся тем, что обойма выполнена из отдельных секций, следующих друг за другом с возможностью углового смещения отдельных секций относительно друг друга и с возможностью радиального смещения секции относительно корпуса, а каждая секция обоймы оснащена стопорным элементом, выполненным на роторе, при этом на наружной поверхности секции обоймы выполнены разгрузочные канавки, гидравлически связанные с пространством между ротором и секцией обоймы.