Роторная машина с внутренним зацеплением (варианты)
Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к гидромашинам объемного вытеснения, а именно, к гидравлическим двигателям и насосам с внутренним зацеплением роторов и к мультифазному их использованию. Машина содержит корпус с торцевыми крышками, внешний ротор с внутренними зубьями и установленный внутри него с эксцентриситетом внутренний ротор с внешними зубьями. Между торцевыми крышками и торцами роторов установлены кольцевые торцевые диски, выполненные с плоской кольцевой поверхностью со стороны торцов роторов и соосной кольцевой цилиндрической полостью или с цилиндрической полостью, открытой со стороны соответствующей торцевой крышки, и жестко закрепленные на внешнем роторе с примыканием к торцам последнего, соосно с ним и с возможностью вращения вокруг его оси на подшипниках, размещенных внутри или снаружи цилиндрической полости диска с примыканием к цилиндрической полости корпуса. Машина дополнительно снабжена опорно-уплотнительными элементами, каждый из которых установлен на валу и выполнен в виде соосного с торцевым диском ступенчатого кольца с уменьшающимся в направлении роторов наружным диаметром ступеней. Согласно первому варианту исполнения внутри кольцевой полости диска размещены две ступени кольца и подшипник установлен на наружном диаметре первой ступени этого кольца, выполненной с наименьшим наружным диаметром. Вторая ступень опорно-уплотнительного элемента по первому варианту исполнения снабжена
плавающей втулкой, установленной на наружном диаметре этой ступени с возможностью осевой фиксации подшипника по его наружному диаметру, а третья ступень снабжена кольцевым упором, И ее торцевая часть установлена с возможностью фиксации торца наружной стенки полости диска, открытой со стороны соответствующей торцевой крышки. Согласно второму варианту исполнения каждой подшипник установлен снаружи цилиндрической полости корпуса и выполнен с возможностью фиксации по наружному диаметру посредством упорного кольца. Ступени опорно-уплотнительных элементов снабжены кольцевыми уплотнениями предпочтительно с гидродинамической смазкой. Повышается К.П.Д. машины путем повышения эффективности уплотнения зазоров, в частности подшипниковой зоны, а также повышается надежность машины путем устранения «сухого трения».
Техническое решение относится к области машиностроения, в частности к гидромашинам объемного вытеснения, а именно, к гидравлическим двигателям и насосам с внутренним зацеплением роторов, в частности мультифазному их использованию.
Из патентной литературы уже известна и принята в качестве прототипа роторная машина с внутренним зацеплением, содержащая корпус с цилиндрической полостью и каналами всасывания и нагнетания рабочей среды, закрытый с двух сторон торцевыми крышками, коаксиально размещенный в полости корпуса внешний ротор с внутренними зубьями и установленный внутри него с эксцентриситетом внутренний ротор с внешними зубьями, жестко закрепленный на валу, при этом между торцевыми крышками и торцами роторов установлены кольцевые торцевые диски, выполненные с плоской кольцевой поверхностью со стороны торцов роторов и соосной кольцевой цилиндрической полостью, открытой со стороны соответствующей торцевой крышки, и жестко закрепленные на внешнем роторе с примыканием к торцам последнего, соосно с ним и с возможностью вращения вокруг его оси на подшипниках, размещенных внутри кольцевой полости диска. Крепление торцевых дисков к торцам внешнего ротора осуществлено с помощью резьбовых элементов (DE 3633329 А1, 07.04.1998, F 01 С 1/10).
В известном решении осевая фиксация подшипников и торцевых дисков осуществляется посредством прижатия непосредственно торцевыми крышками, без возможности регулирования ее величины.
Возникающий при эксплуатации машины осевой люфт приводит к снижению герметизации камер всасывания и нагнетания из-за неэффективного уплотнения зазоров, а, следовательно, - к уносу рабочей среды и снижению коэффициента полезного действия машины.
Задачей технического решения является повышение коэффициента полезного действия машины путем повышения эффективности уплотнения зазоров, в частности между торцевыми дисками и подшипниками и между торцами цилиндрических стенок кольцевых полостей этих дисков, открытых со стороны соответствующих торцевых крышек и их (дисков) внутренней поверхностью, а также повышение надежности машины путем повышения эффективности уплотнения зон расположения подшипников и устранения «сухого трения».
Для решения поставленной задачи с достижением заявленного технического результата машина с внутренним зацеплением по первому варианту исполнения, содержащая корпус с цилиндрической полостью и каналами всасывания и нагнетания рабочей среды, закрытый с двух сторон торцевыми крышками, коаксиально размещенный в полости корпуса внешний ротор с внутренними зубьями и установленный внутри него с эксцентриситетом внутренний ротор с внешними зубьями, жестко закрепленный на валу, при этом между торцевыми крышками и торцами роторов установлены кольцевые торцевые диски, выполненные с плоской кольцевой поверхностью со стороны торцов роторов и соосной кольцевой цилиндрической полостью, открытой со стороны соответствующей торцевой крышки, и жестко закрепленные на внешнем роторе с примыканием к торцам последнего, соосно с ним и с возможностью вращения вокруг его оси на подшипниках, размещенных внутри кольцевой цилиндрической полости диска, согласно полезной модели, по первому варианту исполнения, машина дополнительно снабжена опорно-уплотнительными
элементами, каждый из которых установлен на валу между подшипником и соответствующей торцевой крышкой и выполнен в виде соосного с торцевым диском ступенчатого кольца с уменьшающимся в направлении роторов наружным диаметром ступеней, причем подшипник установлен внутри кольцевой полости диска на наружном диаметре первой ступени этого кольца, выполненной с наименьшим наружным диаметром, вторая ступень опорно-уплотнительного элемента снабжена плавающей втулкой, установленной на наружном диаметре этой ступени с возможностью осевой фиксации подшипника по его наружному диаметру, а третья ступень кольца с наибольшим наружным диаметром ступеней может быть снабжена кольцевым упором, закрепленным на нем посредством резьбовых элементов с возможностью перемещения вдоль плавающей втулки, причем торцевая часть третьей ступени установлена с возможностью фиксации торца наружной цилиндрической стенки кольцевой полости диска, открытой со стороны соответствующей торцевой крышки, а каждый упор в зоне сопряжения с плавающей втулкой и в зоне сопряжения с цилиндрической поверхностью третьей ступени кольца снабжен кольцевыми уплотнениями.
Каждый опорно-уплотнительный элемент, как по первому, так и по второму варианту исполнения снабжен кольцевым уплотнением в зоне сопряжения цилиндрической поверхности по меньшей мере одной его ступени с валом и с торцевым диском. Кроме того по обоим вариантам исполнения каждый торцевой диск снабжен по меньшей мере одним кольцевым уплотнением в зоне сопряжения с цилиндрической полостью может быть корпуса, причем одно из этих уплотнений размещено с примыканием к торцу ротора.
По первому варианту варианту исполнения длина образующей цилиндра наружной цилиндрической стенки кольцевой полости диска превышает длину образующей внутренней цилиндрической стенки этой полости.
По второму варианту исполнения в роторной машине с внутренним зацеплением в отличии от первого варианта исполнения, торцевые кольцевые диски, жестко закрепленные на внешнем роторе, выполнены с соосной цилиндрической полостью, открытой со стороны соответствующей торцевой крышки, т.е. отсутствует внутренняя цилиндрическая стенка, более близкая к оси вращения вала, ограничивающая полость диска, а каждый подшипник установлен снаружи цилиндрической полости торцевого диска и с примыканием к цилиндрической полости корпуса, а также с возможностью осевой фиксации подшипника по наружному и внутреннему его диаметрам, посредством упорного кольца, размещенного между торцевым диском и гильзой, ограничивающей цилиндрическую полость корпуса. Машина снабжена опорно-уплотнительными элементами, каждый из которых установлен на валу между подшипником и соответствующей торцевой крышкой и выполнен в виде соосного с диском ступенчатого кольца, причем каждый торцевой диск установлен с примыканием цилиндрической стенки, ограничивающей его полость, к наружному диаметру по меньшей мере одной из ступеней опорно-уплотнительного элемента. Внутри каждого упорного кольца со стороны торцевого диска расположено кольцевое уплотнение с гидродинамической смазкой, а со стороны полости корпуса - обычное кольцевое уплотнение.
Кольцевые уплотнения с гидродинамической смазкой, ограничены стороны уплотняемой поверхности двумя цилиндрическими поверхностями разного диаметра, сопряженными между собой коническим участком, выполненным в виде замкнутой синусоидообразной полосы,
размещенной по периметру контакта уплотнения с уплотняемой поверхностью, причем поперечное сечение уплотнения выполнено переменным по периметру кольца уплотнения, а образующая конуса участка сопряжения наклонена в заданном осевом направлении для осуществления гидро-динамической смазки и выброса абразива.
Машина по второму варианту исполнения выполнена с опорно-уплотнительными элементами, каждый из которых установлен на валу между подшипником и соответствующей торцевой крышкой и выполнен в виде соосно с диском кольца, установленного внутри полости 14 диска. Кольцевые уплотнения выполнены из упругого материала.
Сущность полезной модели поясняется графически.
На фиг.1 схематично показан продольный разрез предлагаемой роторной машины в зоне размещения торцевого диска /по первому варианту исполнения/ На фиг.2 - то же для второго варианта исполнения. На фиг.3 укрупненно показано поперечное сечение кольцевого уплотнения с гидродинамической смазкой. На фиг.4 показано уплотнение с гидро-динамической смазкой в момент выброса масла с частицами абразива.
На фиг.5 показано поперечное сечение роторной машины в зоне роторов. Роторная машина содержит корпус 1 с цилиндрической полостью 2, закрытый с двух сторон торцевыми крышками 3. Внутри полости 2, ограниченной гильзой 4, коаксиально размещен внешний ротор 5 с внутренними зубьями и установленный внутри него внутренний ротор 6 с внешними зубьями 7 с эксцентриситетом «е» между осями 8 и 9 вращения соответственно внешнего и внутреннего роторов. Внутренний ротор 6 жестко закреплен на валу 10, например, посредством шпонки 11.
Между торцевыми крышками 3 и торцами роторов установлены кольцевые торцевые диски 12, выполненные с плоской кольцевой поверхностью 13 со стороны торцов роторов и соосной кольцевой цилиндрической полостью 14 / по первому варианту исполнения, фиг.1/,
отрытой со стороны соответствующей торцевой крышки 3, или соосной цилиндрической полостью 14 /по второму варианту исполнения, фиг.2/. Торцевые диски 12 жестко закреплены на внешнем роторе 5 с примыканием к его торцам и соосно с ним. Торцевые диски 12 вместе с внешним ротором 5 вращаются как единая деталь вращения вокруг оси 8 этого ротора на подшипниках 15, размещенных внутри кольцевой цилиндрической полости 14 по первому варианту исполнения и размещенных снаружи цилиндрической полости 14 по второму варианту исполнения.
На валу 10 роторной машины между подшипником 15 и соответствующей торцевой крышкой 3 установлен опорно-уплотнительный элемент 16, выполненный в виде соосного с торцевым диском 12 ступенчатого кольца, по первому варианту исполнения, причем наружные диаметры ступеней элемента 16 выполнены с уменьшением величины в направлении роторов 5 и 6. Внутри полости 14 по первому варианту исполнений размещены две ступени 17 и 18 элемента 16. На первой ступени 17 с наименьшим наружным диаметром, установлен подшипник 15, причем он установлен с примыканием к цилиндрической стенке 18, которая выполнена по первому варианту исполнения с образующей 19 большей длины по сравнению с образующей цилиндра цилиндрической стенки 20, расположенной ближе к оси вращения диска 12. По второму варианту исполнения длина образующей внутренней цилиндрической стенки 20 полости диска равна нулю, а внутри полости 14 размещена ступень 17 с наименьшим наружным диаметром, сопряженная с торцевым диском 12. Вторая ступень 18 опорно-уплотнительного элемента 16 по первому варианту исполнения снабжена плавающей втулкой 21, размещенной на наружном диаметре этой второй ступени с возможностью осевой фиксации подшипника 15 по его наружному диаметру. Третья ступень 22
элемента 16 снабжена /по первому варианту исполнения/ кольцевым упором 23, закрепленном на этом элементе посредством резьбовых элементов 24, с помощью которых может быть проведено и регулирование осевого перемещения упора 23.
Кольцевой упор 23 установлен коаксиально с плавающей втулкой 21 и с возможностью перемещения вдоль этой втулки 21. Торцевая часть каждого упора 23 установлена с примыканием к торцу 25 наружной части цилиндрической стенки 19 кольцевой полости диска, открытой со стороны соответствующей торцевой крышки 3. Крепление торцевого диска 12 к торцу ротора 4 выполнено посредством резьбовых элементов 26.
Каждый опорно-уплотнительный элемент 16 выполнен с кольцевым уплотнением 27 в зоне его сопряжения с валом 10 и кольцевым уплотнением 28 в зоне его сопряжения с торцевым диском 12. Оба уплотнения 27 и 28 по двум вариантам исполнения выполнены с гидродинамической смазкой.
Каждый торцевой диск снабжен по меньшей мере одним кольцевым уплотнением 29 в зоне сопряжения диска с цилиндрической полостью 2 корпуса, ограниченной гильзой 4, запрессованной в корпус 1.
Кроме того, каждый кольцевой упор 23 по первому варианту исполнения также снабжен кольцевыми уплотнениями 30 и 31 в зоне сопряжения с плавающей втулкой 21, причем уплотнение 30 выполнено с гидродинамической смазкой.
По второму варианту исполнения каждый подшипник 15 установлен снаружи цилиндрической полости 14 торцевого диска 12 и с примыканием к цилиндрической полости 2 корпуса посредством упорного кольца 32, а также с возможностью осевой фиксации подшипника 15 по наружному и внутреннему его диаметрам.
Каждое упорное кольцо 32 по второму варианту исполнения снабжено кольцевыми уплотнениями 33 и 34, из которых последнее с гидродинамической смазкой,
причем подшипник 15 установлен непосредственно на цилиндрическую наружную стенку торцевого диска 12 и фиксирован упорным кольцом 32 по наружному диаметру подшипника и торцом диска - по внутреннему диаметру подшипника. Торцевой диск установлен с примыканием цилиндрической стенки своей полости 14 к наружному диаметру ступени опорно-уплотнительного элемента 16.
Представленное на фиг.3 уплотнительное кольцо со стороны уплотняемой поверхности ограничено двумя цилиндрическими поверхностями 35, 36 разного диаметра, сопряженными между собой коническим участком 37 поверхности, выполненным в виде замкнутой синусоидообразной полосы 38, размещенной по периметру контакта уплотнения с уплотняемой поверхностью. При этом образующая конического участка наклонена в заданном осевом направлении для возможности выброса масла с абразивсодержащими включениями. По периметру кольца поперечное сечение уплотнения выполнено переменным.
На внутреннем роторе установлено кольцевое уплотнение 39, выполненное с диаметром, меньшим диаметра впадин между зубьями внутреннего роторами, и предназначенное для герметизаций камер всасывания и нагнетания. Использование эластичных упругих полимерных материалов в качестве материала уплотнений существенно повышает герметизацию камер всасывания и нагнетания, а также уплотняет зазоры в сопрягаемых деталях и в частности подшипниковых зонах машины, предотвращая унос смазки из подшипников и возникновение «сухого трения» в сопрягаемых деталях, а, следовательно, позволяет повысить коэффициент полезного действия роторной машины, а также надежность ее работы.
Выполнение опорно-уплотнительных элементов ступенчатыми также позволит существенно улучшить уплотнение каждого подшипникового узла за счет многократного уплотнения сопрягаемых деталей на каждой ступени опорно-уплотнительного элемента и использования торцевых уплотнений. Использование уплотнений с газодинамической смазкой в местах изоляции
рабочей среды от масляной системы существенно повышает эффективность уплотнения, особенно при работе на абразивсодержащих средствах.
Предлагаемая роторная машина может работать как в режиме насоса, так и в режиме двигателя, причем как на жидких рабочих средах и даже с абразивными включениями, так и на газовых и газожидкостных рабочих средах.
При работе машины в режиме насоса вал 10, который в данном случае является приводным валом, приводит во вращение внутренний ротор 6, который посредством внутреннего зацепления своих зубьев 7 и зубьями внешнего ротора 5 приводит во вращательное движение последний. При вращении роторов вращательного узла рабочая жидкость поступает во всасывающую камеру, рабочий объем которой расширяется, а затем из камеры нагнетания, объем которой уменьшается, вытесняется к потребителю.
При работе в режиме гидродвигателя рабочая жидкость подается под давлением в расширяющиеся рабочие камеры и приводит во вращение вращательный узел с его роторами, сначала приводя в движение вокруг своей оси внешний ротор 5, а затем посредством внутреннего зацепления зубьев внешнего ротора 5 с зубьями 7 внутреннего ротора 6, приводя во вращательное движение вал 10, при этом объем рабочих камер уменьшается и рабочая жидкость вытесняется из них.
Предлагаемая роторная машина позволит существенно повысить коэффициент полезного действия за счет повышения эффективности уплотнения зазоров, в частности между торцевыми дисками и подшипниками и между торцами цилиндрических стенок кольцевых полостей этих дисков, а также позволит повысить надежность машины при мультифазном ее исполнении и работе с абразивсодержащими рабочими средствами путем повышения эффективности уплотнения зон расположения подшипников и устранения возможного при эксплуатации таких машин «сухого трения», а также предотвращения попадания рабочей среды в маслянную систему машины.
Предлагаемая машина успешно прошла испытания и готовится к внедрению на нефтеразработках.
1. Роторная машина с внутренним зацеплением, содержащая корпус с цилиндрической полостью и каналами всасывания и нагнетания рабочей среды, закрытой с двух сторон торцевыми крышками, коаксиально размещенный в полости корпуса внешний ротор с внутренними зубьями и установленный внутри него с эксцентриситетом внутренний ротор с внешними зубьями, жестко закрепленный на валу, при этом между торцевыми крышками и торцами роторов установлены кольцевые торцевые диски, выполненные с плоской кольцевой поверхностью со стороны торцов роторов и соосной кольцевой цилиндрической полостью, открытой со стороны соответствующей торцевой крышки, и жестко закрепленные на внешнем роторе с примыканием к торцам последнего, соосно с ним и с возможностью вращения вокруг его оси на подшипниках, размещенных внутри кольцевой цилиндрической полости диска, отличающаяся тем, что машина дополнительно снабжена опорно-уплотнительными элементами, каждый из которых установлен на валу между подшипником и соответствующей торцевой крышкой и выполнен в виде соосного с торцевым диском ступенчатого кольца с уменьшающимся в направлении роторов наружным диаметрам ступеней, причем подшипник установлен внутри кольцевой полости диска на наружном диаметре первой ступени этого кольца, выполненной с наименьшим наружным диаметром, а вторая ступень опорно-уплотнительного элемента снабжена плавающей втулкой, установленной на наружном диаметре той ступени с возможностью осевой фиксации подшипника по его наружному диаметру.
2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что третья ступень кольца снабжена кольцевым упором, закрепленным на ней посредством резьбовых элементов с возможностью перемещения вдоль плавающей втулки, причем торцевая часть третьей ступени установлена с возможностью фиксации торца наружной цилиндрической стенки кольцевой полости дика, открытой со стороны соответствующей торцевой крышки.
3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что каждый опорно-уплотнительный элемент снабжен кольцевым уплотнением с гидродинамической смазкой, размещенным в зоне сопряжения его ступеней с валом и с торцевым диском.
4. Машина по п.2, отличающаяся тем, что каждый кольцевой упор в зоне сопряжения с плавающей втулкой снабжен кольцевым уплотнением с гидродинамической смазкой.
5. Машина по любому из п.3 или 4, отличающаяся тем, что кольцевое уплотнение с гидродинамической смазкой ограничено со стороны уплотняемой поверхности двумя цилиндрическими поверхностями разного диаметра, сопряженными между собой коническим участком, выполненным в виде замкнутой синусоидальной полосы, размещенной по периметру контакта уплотнения с уплотняемой поверхностью, причем поперечное сечение уплотнения выполнено переменным по периметру кольца уплотнения, а образующая конуса участка сопряжения наклонена в заданном осевом направлении.
6. Машина по п.1, отличающаяся тем, что каждый торцевой диск снабжен по меньшей мере одним кольцевым уплотнением, размещенным в зоне сопряжения с цилиндрической полостью корпуса.
7. Машина по п.2, отличающаяся тем, что каждый кольцевой упор в зоне сопряжения с цилиндрической поверхностью третьей ступени опорно-уплотнительного элемента снабжен кольцевым уплотнением.
8. Машина по п.1, отличающаяся тем, что длина образующей цилиндра наружной цилиндрической стенки кольцевой полости диска превышает длину образующей внутренней цилиндрической стенки этой полости.
9. Роторная машина с внутренним зацеплением, содержащая корпус с цилиндрической полостью и каналами всасывания и нагнетания рабочей среды, закрытый с двух сторон торцевыми крышками, коаксиально размещенный в полости корпуса внешний ротор с внутренними зубьями и установленный внутри него с эксцентриситетом внутренний ротор с внешними зубьями, жестко закрепленный на валу, при этом между торцевыми крышками и торцами роторов установлены кольцевые торцевые диски, выполненные с плоской кольцевой поверхностью со стороны торцов роторов и соосной цилиндрической полостью, открытой со стороны соответствующей торцевой крышки, и жестко закрепленные на внешнем роторе с примыканием к торцам последнего, соосно с ним и с возможностью вращения вокруг его оси на подшипниках, отличающаяся тем, что машина дополнительно снабжена опорно-уплотнительными элементами, каждый из которых установлен на валу между подшипником и соответствующей торцевой крышкой и выполнен в виде соосного с торцевым диском ступенчатого кольца, причем каждый торцевой диск установлен с примыканием цилиндрической стенки своей полости к наружному диаметру по меньшей мере одной ступени опорно-уплотнительного элемента, а каждый подшипник установлен снаружи цилиндрической полости торцевого диска и с возможностью осевой фиксации подшипника по наружному и внутреннему его диаметрам.
10. Машина по п.9, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена упорными кольцами, размещенными между каждым торцевым диском и цилиндрической полостью корпуса, выполненными с примыканием к подшипникам и с возможностью фиксации подшипников по их наружному диаметру и снабженными кольцевыми уплотнениями со стороны полости корпуса и кольцевыми уплотнениями с гидродинамической смазкой - со стороны торцевых дисков.
11. Машина по п.9, отличающаяся тем, что каждый опорно-уплотнительный элемент снабжен кольцевым уплотнением с гидродинамической смазкой, размещенным в зоне сопряжения цилиндрической поверхности его ступени с валом и с торцевым диском.
12. Машина по любому из п.10 или 11, отличающаяся тем, что кольцевое уплотнение с гидродинамической смазкой ограничено со стороны уплотняемой поверхности двумя цилиндрическими поверхностями разного диаметра, сопряженными между собой коническим участком, выполненным в виде замкнутой синусоидообразной полосы, размещенной по периметру контакта уплотнения с уплотняемой поверхностью, причем поперечное сечение уплотнения выполнено переменным по периметру кольца уплотнения, а образующая конуса участка сопряжения наклонена в заданном осевом направлении.
13. Машина по п.9, отличающаяся тем, что цилиндрическая полость корпуса ограничена гильзой, а каждый торцевой диск снабжен по меньшей мере одним кольцевым уплотнением, размещенным в зоне сопряжения с гильзой цилиндрической полости корпуса.
