Роторный объемный насос

Роторный объемный насос относится к области машиностроения. Роторный объемный насос состоит из корпуса, разделенного на две детали плоскостью разъема, в которых выполнена сферическая полость с центром, лежащим в плоскости разъема и подвижно установленного в этой полости ротора из упругого материала. Ротор, в свободном состоянии, имеет форму шара с двумя диаметрально расположенными жесткими валами и набором рабочих камер, открытых с поверхности, но изолированных друг от друга в теле ротора, при этом центры их объемов лежат в плоскости большого круга, перпендикулярного полуосям и равномерно распределены по нему. Отверстия для выведения из корпуса полуосей ротора ориентированы на центр сферической полости и выполнены на линии разъема корпуса в позициях отличных от диаметральной, что позволяет, за счет упругости стенок рабочих камер ротора, вместить ротор в корпус насоса в конфигурации с пересекающимися осями. Отверстия для ввода и вывода рабочего тела выполнены в корпусе в местах, тяготеющих: для ввода - к зоне наибольшего объема рабочих камер; для вывода - к зоне наименьшего объема рабочих камер.

Роторный объемный насос относится к машиностроению и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой и фармацевтической промышленности.

Известна объемная роторная гидромашина [1], конструкция которой сложна, имеет большое количество деталей и как следствие большой потенциал проблем надежности, сложна и высокозатратна в изготовлении (корпус имеет сферическую полость, ротор сложносоставной с рабочими камерами переменного объема, часть элементов ротора имеют внешние поверхности, сопрягающиеся со сферической полостью корпуса, наличествует не параллельность осей вращения взаимодействующих элементов, упругие деформации стенок рабочих камер не предусмотрены).

Известен, как прототип, роторно-поршневой насос [2, 3], реализующий принцип вытеснения, кинематическая схема которого представляет из себя шарнир Гука с измененной конструкцией, выразившейся в том, что все плоские звенья сферического шарнирного четырехзвенника выполнены трехмерными в специальной конфигурации, одно из которых, в виде трехмерной крестовины (четырех лопастный ротор) и два других, в виде трехмерных вилок (дугообразные поршни), сопряжены, посредством кинематических пар III класса [4], в роторно-поршневую группу сферической формы с четырьмя рабочими камерами переменного объема, четвертое звено шарнира выполнено в виде дискообразного корпуса с внутренней сферической полостью, в которую помещена роторно-поршневая группа.

Рассмотренный роторно-поршневой насос имеет следующие конструктивные недостатки:

1. Неравномерность скорости вращения одного из дугообразных поршней;

2. Фиксированное количество рабочих камер и их геометрия;

3. Поверхности сопряжения у кинематических пар III [4] класса имеют взаимное пересечение, что предъявляет высокие требования к точности их изготовления, чистоте обработки поверхностей и полагает всю конструкцию высокозатратной.

4. Высокая уязвимость конструкции в отношении мелкодисперсных абразивов. Задача, которую решает данное изобретение, заключается в создании роторного объемного насоса (РОН), со сферическим ротором, реализующего принцип вытеснения, кинематическая схема которого представляет из себя шарнир Гука с измененной конструкцией, при этом одно плоское звено которого также выполнено в виде жесткого трехмерного корпуса со сферической полостью и с двумя кинематическими парами вращения V класса [4], но роторно-поршневая группа выполнена в виде единого монолитного трехмерного тела специальной конфигурации со сферической внешней поверхностью, причем телу придана четвертая мерность в виде упругих свойств материала, при этом модуль упругости E=const.

Для данной конструкции насоса характерны два особенных состояния сферического ротора:

- свободное состояние, в котором ротор изготавливается, оно характеризуется диаметральным положением осей валов, строительной геометрией перегородок рабочих камер и отсутствием упругих деформаций;

- рабочее состояние ротора, в котором ротор смонтирован в корпусе, реализует потенциал 4-й мерности и характеризуется пересечением осей валов в центре ротора (который совпадает с центром сферической полости корпуса), наличием упругих монтажных деформаций перегородок рабочих камер и приповерхностного наружного слоя.

Предлагаемый РОН состоит из корпуса 1, который в свою очередь состоит из двух корпусных деталей, жестко соединенных между собой по плоскости разъема, в которых выполнена сферическая полость с центром, лежащим в плоскости разъема. Отверстия для выведения из корпуса валов ротора выполнены по их продольным осям, лежащим в плоскости разъема корпуса с ориентацией этих осей на центр сферической полости, но в позициях отличных от диаметральной.

Ротор 2, в свободном состоянии (рис.2), имеет форму шара с двумя диаметрально расположенными жесткими валами 3, вмонтированными в тело ротора на глубину (b) менее его радиуса (R_r) известным способом объемного взаимодействия (зацепления), исключающим осевую подвижку и проворачивание валов вне пределов упругих деформаций материала ротора. В шаровом поясе ротора, симметричном относительно плоскости большого круга, перпендикулярного оси валов ротора в свободном состоянии, высота которого (Н) удовлетворяет условию Н2R_r-2b, размещены рабочие камеры 4, открытые с наружной поверхности ротора, но изолированные друг от друга в теле ротора. Поверхность рабочих камер является внутренней поверхностью ротора. Количество рабочих камер (N) удовлетворяет условию N2, при этом центры их объемов лежат в плоскости большого круга ротора перпендикулярного осям валов и равномерно распределены по шаровому поясу. Часть объема ротора, заключенного между рабочими камерами и ограниченное основаниями шаровых поясов являются перегородками. Рабочие камеры могут быть сформированы разнообразными поверхностями: призматической, пирамидальной, конической, при этом ориентированных одноименными ребрами или вершинами на центр ротора или сферической, эллипсоида вращения и другими, более сложными поверхностями с иными принципами ориентирования. Ротор может содержать рабочие камеры, как одного вида поверхности, так и нескольких.

С целью обеспечения плотного прилегания ребер перегородок рабочих камер к корпусу при их растяжении, по внешней поверхности ротора в его свободном состоянии, делается обвышение всех ребер перегородок в виде компенсационных гребней 5 с локальным радиусом (г) при r<R_r в пределах шарового пояса. Величина локального радиуса устанавливается практическим путем.

В сферической полости корпуса установлен в рабочем состоянии ротор, плотно прилегающий всей своей наружной поверхностью к внутренней поверхности сферической полости (рис.3). За счет упругости перегородок рабочих камер, ротор помещен в сферическую полость корпуса насоса в конфигурации с осями валов, пересекающимися в центре ротора, который совпадает с центром полости корпуса. Угол пересечения осей валов () удовлетворяет условию 0º. В рабочем состоянии ротора упругая деформация перегородок рабочих камер знакопеременна относительно двугранного угла исходящего из перпендикуляра к плоскости разъема в центре сферической полости (ребро АВ) по лучам, совпадающим с осями физических тел валов (рис.4). По граням этого угла (полуплоскости Р и Q) деформация перегородок отсутствует. Внутри двугранного угла она растет, как деформация сжатия (+), по направлению от граней двугранного угла к плоскости экстремумов деформации F (ПЭД) построенной на вышеупомянутом ребре АВ и биссектрисе CD линейного угла вышеупомянутого двугранного угла, на самой плоскости деформация сжатия достигает своего максимума. За пределами этого двугранного угла она растет, как деформация растяжения (-), по направлению от граней двугранного угла к вышеупомянутой ПЭД, на самой плоскости деформация растяжения достигает своего максимума. Объемы рабочих камер также следуют этой закономерности, поскольку сжатие перегородок уменьшает их объем, а растяжение - увеличивает.

Круговой цикл изменения объемов рабочих камер выглядит следующим образом: рабочая камера, центр объема которой лежит за пределами двугранного угла в ПЭД, где деформация растяжения перегородок достигает своего максимума, имеет максимальный объем; рабочая камера, центр объема которой лежит на ребре двугранного угла имеет объем равный объему камеры ротора в свободном состоянии; рабочая камера, центр объема которой лежит внутри двугранного угла в ПЭД, где деформация сжатия перегородок достигает своего максимума, имеет минимальный объем; рабочая камера, центр объема которой лежит на ребре двугранного угла имеет объем равный объему камеры ротора в свободном состоянии и т.д.

Отверстия для подвода 6 (всасывания) и отвода 7 (вытеснения) рабочего тела выполнены в корпусе в местах, тяготеющих: для подвода - к зоне наибольшего объема рабочих камер; для отвода - к зоне наименьшего объема рабочих камер.

С целью усиления перегородок рабочих камер ротора также может применяться их объемное армирование.

С целью частично разгрузить конструкцию от осциллирующих инерционных нагрузок, порождаемых внутрицикловой вариативностью передаточного отношения шарнира Гука [4], действующих на упругие перегородки рабочих камер, шаровой сегмент ротора и связанный с ним ведомый вал, посредством перераспределения нагрузок с ведомых сегмента и вала на малоинерционные упругие перегородки, предлагается синхронизация вращения ведущего и ведомого валов насоса, осуществляемая с помощью известного шестеренчатого механизма 8, обозначенного на рис.3 в виде кинематической схемы.

На представленных чертежах (схемах) изображено:

1. на рис.1 - общий вид насоса в разъединенном состоянии (ротор показан в рабочем состоянии);

2. на рис.2 - ротор в свободном состоянии;

3. на рис.3 - сечение насоса по плоскости разъема корпуса;

4. на рис.4 - пояснения геометрии статических деформаций ротора в рабочем состоянии;

5. на рис.5 - пояснения 1-го варианта архитектуры 5-й мерности ротора;

6. на рис.6 - пояснения 2-го варианта архитектуры 5-й мерности ротора.

Поставленная задача решается следующим образом:

Роторный объемный насос, состоящий из корпуса и сферического ротора с валами, имеющего рабочие камеры, которые сформированы поверхностями различных видов, пространство между камерами образует перегородки, ребра перегородок, выходящие на внешнюю поверхность ротора, имеют компенсирующие гребни, при этом в конструкцию ротора привнесена 4-я мерность, реализованная за счет материала с упругими свойствами, в свободном состоянии валы расположены диаметрально и ротор не имеет внутренних напряжений (деформаций), в корпусе ротор принимает рабочее напряженное состояние реализующие потенциал 4-й мерности, при котором оси валов пересекаются в центре ротора, перегородки рабочих камер упруго деформируются, объемы рабочих камер знакопеременно изменяются по отношению к первоначальным, валы соединены механизмом синхронизации вращения.

С целью усиления перегородок рабочих камер ротора также может применяться их объемное армирование.

Кроме этого, роторный объемный насос может быть исполнен без механизма синхронизации вращения валов.

Кроме этого, конструкция роторного объемного насоса допускает установку между корпусом и ротором плотно прилегающую к ним вставку в виде шарового кольца из упругого материала с единым для обеих полостей центром, плоскость разъема вставки и отверстия в ней совпадают с плоскостью разъема и отверстиями корпуса.

Кроме этого, ротор насоса может быть выполнен с добавлением 5-й мерности в структуру упругого материала в виде градиента модуля упругости (gradE):

- его увеличения (+) симметрично в направлении от плоскости большого круга перпендикулярной осям валов (исключая сами валы) (рис.5).

- его уменьшения (-) от оси валов ротора (исключая сами валы) по радиальным направлениям прямой круговой цилиндрической поверхности (рис.6).

При этом на плоскости большого круга и оси валов ротора начальное значение модуля упругости постоянно.

Работа насоса происходит следующим образом: к одному из валов (ведущему) прикладывается момент вращения от внешнего источника, вал, жестко соединен с сегментом, который через упругие перегородки рабочих камер, выполняющих функцию крестовины, передает вращение на другой сегмент и связанный с ним вал (ведомый), ротор начинает вращение, через отверстие всасывания в рабочую камеру, имеющую максимальный объем, поступает рабочее тело, которое, за счет вращения ротора, запирается в рабочей камере, вышедшей из-под отверстия всасывания, и перемещается к отверстию вытеснения. При этом объем рабочей камеры непрерывно уменьшается за счет сходимости плоскостей шаровых сегментов ротора, которые в рабочем состоянии ротора выполняют функцию поршней. В позиции наименьшего объема рабочая камера, с максимально сжатым рабочим телом, подходит к отверстию вытеснения, и рабочее тело вытесняется из камеры.

Конструкция предлагаемого насоса по отношению к прототипу:

- предельно проста и состоит из двух узлов - корпуса (две жесткие разъемные детали), ротора с валами (три неразъемные детали: упругий ротор и два жестких вала) и механизма синхронизации;

- технологична, поскольку шаровая пара в виде жесткого корпуса и упругого тела ротора позволяет предъявить пониженные требования к точности изготовления, чистоте обработки поверхности сферической полости корпуса и технологии изготовления ротора, и в силу этого малозатратна;

- имеет не регламентированное конструкцией количество рабочих камер и их форму, что позволяет варьировать форму и толщину перегородок рабочих камер в широких пределах с целью адаптации конструкции под конкретное назначение;

- позволяет синхронизировать вращение ведущего и ведомого валов ротора и частично разгрузить конструкцию от осциллирующих инерционных нагрузок, порождаемых внутрицикловой вариативностью передаточного отношения шарнира Гука, перераспределяя этим вышеупомянутые нагрузки на малоинерционные упругие перегородки рабочих камер;

- позволяет, при надлежащем подборе материалов корпуса и ротора, сделать конструкцию пригодной для перекачки агрессивных и/или загрязненных сред, когда ресурс механизма лимитирован химическим и/или абразивным износом и применение дорогой конструкции лишено экономического смысла. Литература:

1. Патент RU 2012823

2. Патент RU 6,135,743

3. Патент RU 2264559

4. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат.лит., 1988. Стр. 21-28, 168-172.

1. Роторный объемный насос, состоящий из корпуса и сферического ротора с валами, отличающийся тем, что ротор выполнен из упругого материала с рабочими камерами, пространство между которыми образуют перегородки, ребра перегородок, выходящие на внешнюю поверхность ротора, имеют компенсирующие гребни, в корпусе ротор находится в рабочем состоянии, при этом оси валов пересекаются в центре ротора, объем каждой рабочей камеры знакопеременно изменяется по отношению к их первоначальному свободному состоянию.

2. Роторный объемный насос по п.1, отличающийся тем, что валы соединены механизмом синхронизации вращения.

3. Роторный объемный насос по п.1, отличающийся тем, что между корпусом и ротором установлена вставка в виде шарового кольца из упругого материала с единым для обеих полостей центром, плоскость разъема вставки и отверстия в ней совпадают с плоскостью разъема и отверстиями корпуса.

4. Роторный объемный насос по п.1, отличающийся тем, что значение модуля упругости материала ротора имеет положительный градиент в обе стороны от плоскости большого круга, перпендикулярной осям валов.

5. Роторный объемный насос по п.1, отличающийся тем, что значение модуля упругости материала ротора имеет отрицательный градиент в направлении от оси валов ротора по радиальным направлениям круговой цилиндрической поверхности.

6. Роторный объемный насос по п.1, отличающийся тем, что перегородки рабочих камер ротора усилены объемным армированием.