Универсальная прямозубая машина объемного действия



Универсальная прямозубая машина объемного действия
Универсальная прямозубая машина объемного действия
Универсальная прямозубая машина объемного действия
Универсальная прямозубая машина объемного действия
Универсальная прямозубая машина объемного действия

 


Владельцы патента RU 2538188:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано при создании машин объемного действия, использующихся для подачи жидкости под напором и газа под давлением. Прямозубая машина объемного действия содержит корпус, всасывающее окно и нагнетательный клапан 17, размещенные соответственно в линии всасывания и нагнетания 12, рабочий цилиндр 3 с размещенным в нем основным ротором 4, имеющим, по крайней мере, один выступ, радиус которого равен радиусу цилиндра 3, и вспомогательный ротор 7, имеющий впадину для размещения в ней выступа ротора 4. Оба ротора 4 и 7 имеют кинематическую связь, обеспечивающую их синхронное вращение. Роторы 4 и 7 размещены таким образом, что их оси скрещиваются. Плоскость вращения ротора 7 находится под углом 90° к плоскости вращения ротора 4. Торцевая поверхность ротора 7, обращенная в сторону цилиндра 3, расположена относительно оси вращения ротора 4 на расстоянии, равном радиусу ротора 4. Линия 12 содержит золотник с отверстием 15 и установленным в нем подвижным элементом 16, который имеет два фиксированных положения вдоль оси отверстия 15. Клапан 17 размещен в элементе 16. В одном из положений элемента 16 цилиндр 3 соединен с дополнительной линией нагнетания. Изобретение направлено на расширение области применения за счет обеспечения высокой эффективности работы как с газами, так и с жидкостью. 5 ил.

 

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано при создании универсальных машин, использующихся для подачи жидкости под напором и газа под давлением в быту (лакокрасочные работы, полив и опыление на приусадебных участках, откачка воды при подтоплении помещений и т.д.), сельском хозяйстве (поливные и ирригационные работы), в подразделениях МЧС (откачка воды с затопленных территорий, подача питьевой воды и жидкого топлива), на маломерных морских судах (откачка воды из трюма), в условиях производственных мастерских (питание пневмоинструмента, лакокрасочные работы, продувка магистралей, заправка емкостей жидкостью) и в других случаях, когда не требуется большой напор жидкости (до 5-6 бар) и равномерность ее подачи, и давлений газа (преимущественно - воздуха, давление до 2,5-4 бар), а основными показателями является простота и надежность, высокий удельный расход рабочего тела и низкая стоимость.

Известны прямозубые машины объемного действия, содержащие цилиндр с размещенным в нем ротором (см., например, А.С. СССР №513160, Роторная машина объемного действия, опубл. 05.05.1976, кл. F01C 1/08, F04C 17/14).

Наиболее близккими к заявляемому техническому решению являются прямозубые машины объемного действия, содержащие корпус, всасывающее окно и нагнетательный клапан, размещенные соответственно в линии всасывания и нагнетания, рабочий цилиндр с размещенным в нем основным ротором, имеющим, по крайней мере, один выступ, радиус которого равен радиусу цилиндра, и вспомогательный ротор, имеющий впадину для размещения в ней выступа основного ротора, причем оба ротора имеют кинематическую связь, обеспечивающую их синхронное вращение, и основной и вспомогательный роторы размещены таким образом, что их оси скрещиваются, а плоскость вращения вспомогательного ротора находится под углом 90° к плоскости вращения основного ротора, причем торцевая поверхность вспомогательного ротора, обращенная в сторону цилиндра, расположена относительно оси вращения основного ротора на расстоянии, равном радиусу основного ротора (патент РФ на ПМ №43925 Машина объемного действия, опубл. 10.02.2005, кл. F04C 29/04).

Недостатком известных конструкций является невозможность их эффективно работать при использовании существенно различающихся по своим физическим свойствам рабочих тел, например - газов и жидкостей. Так, для нормальной перекачки жидкости в режиме насоса такая машина не может работать с частотой более 500-700 мин-1 из-за динамики нагнетательного клапана, который должен присутствовать в нагнетательной линии, т.к. без него машина не сможет работать с газом. В то же время такая низкая частота вращения ротора приводит к тому, что утечки и перетечки газа при работе в режиме компрессора буквально «съедают» всю производительность, и работа машины с газом становится чрезвычайно неэффективной, т.к подобные конструкции компрессоров требуют частоты вращения 1500 мин-1 и более.

Задачей изобретения является расширение области применения за счет обеспечения высокой эффективности работы как с газами, так и с жидкостью.

Данный технический результат достигается тем, что в прямозубой машине объемного действия, содержащей корпус, всасывающее окно и нагнетательный клапан, размещенные соответственно в линии всасывания и нагнетания, рабочий цилиндр с размещенным в нем основным ротором, имеющим, по крайней мере, один выступ, радиус которого равен радиусу цилиндра, и вспомогательный ротор, имеющий впадину для размещения в ней выступа основного ротора, причем оба ротора имеют кинематическую связь, обеспечивающую их синхронное вращение, и основной и вспомогательный роторы размещены таким образом, что их оси скрещиваются, а плоскость вращения вспомогательного ротора находится под углом 90° к плоскости вращения основного ротора, причем торцевая поверхность вспомогательного ротора, обращенная в сторону цилиндра, расположена относительно оси вращения основного ротора на расстоянии, равном радиусу основного ротора, согласно изобретению, линия нагнетания содержит золотник с отверстием и установленным в нем подвижным элементом, который имеет два фиксированных положения вдоль оси этого отверстия, нагнетательный клапан размещен в этом подвижном элементе, причем в одном из положений последнего рабочий цилиндр соединен с дополнительной линией нагнетания.

Устройство универсальной машины объемного действия поясняется чертежами.

На фиг.1 приведено фронтальное схематичное изображение машины, на фиг.2 - ее сечение вдоль оси ротора, на фиг.3 - фрагмент сечения вдоль оси отверстия линии нагнетания в положении подвижного элемента золотника при работе машины в режиме компрессора, на фиг.4 - тот же фрагмент при работе машины в режиме насоса, на фиг.5 - индикаторная диаграмма работы машины в режиме насоса.

Универсальная машина объемного действия (фиг.1 и фиг.2) состоит из корпуса, содержащего кронштейн 1 с пластиной 2, в которой имеется рабочий цилиндр 3 с концентрично размещенным основным ротором 4 с выступом 5, наружная поверхность которого имеет радиус, равный радиусу цилиндра 3. Ротор 4 установлен неподвижно на приводном валу 6, ось его вращения скрещивается с осью вспомогательного ротора 7 под углом 90 градусов, причем торцевая поверхность вспомогательного ротора, обращенная в сторону цилиндра, расположена относительно оси вращения основного ротора 4 на расстоянии, равном радиусу основного ротора, и при вращении основной ротор 4 своей цилиндрической поверхностью касается плоскости вспомогательного ротора 7. Вспомогательный ротор 7 имеет впадину 8 с формой, позволяющей выступу 5 проходить в ней при синхронном вращении роторов 4 и 7 за счет их кинематической связи. Вращение ротора 7 осуществляется вместе с валом 9. С фронтальной стороны цилиндр 3 перекрыт крышкой 10, в которой расположено всасывающее окно 11 и нагнетательный тракт 12 линии нагнетания. Зубчатое зацепление 13-14 осуществляет кинематическую связь роторов 4 и 7 и служит для синхронизации вращения валов 6 и 9 и соответственно роторов 4 и 7.

Линия нагнетания 12 содержит золотник с отверстием 15 в стенке 10 (фиг.3), в котором находится подвижный в осевом направлении элемент 16 с обратным самодействующим клапаном 17. Подпружиненный фиксатор 18 и выточки на элементе 16 позволяют фиксировать его в двух положениях вдоль оси отверстия 15. На фиг.3 показано положение, при котором полость цилиндра 3 подсоединена к проходному сечению клапана 17 и далее через открытый вентиль 19 и гибкий шланг 20 - к потребителю газа, движение которого при открытом клапане 17 показано утолщенными стрелками. При данном положении элемента 16 он перекрывает дополнительную линию нагнетания, выполненную в виде углового отверстия 21 в крышке 10, которая соединяет рабочий цилиндр 3 с потребителем жидкости через гибкий шланг 22.

Положение элемента 16, при котором дополнительная линия нагнетания 21 соединена с полостью рабочего цилиндра 3, показано на фиг.4 (элемент 16 переведен в крайнее правое положение, зафиксирован фиксатором 18, вентиль 19 закрыт, движение жидкости потребителю показано утолщенными стрелками.

Универсальная машина объемного действия работает следующим образом.

Режим компрессора

Элемент 16 золотника зафиксирован в левом (по рисунку) положении (фиг.3), вентиль 19 открыт.

При вращении ротора 4 (направление вращения показано стрелкой на фиг.1) выступ 5 сначала перекрывает всасывающее окно 11 линии всасывания, а затем проходит его. При этом радиальная поверхность ротора 4 входит в контакт с нижней гладкой частью вспомогательного ротора 7, синхронно вращающегося с ротором 4, в результате чего часть цилиндра 3, заключенная между фронтальной поверхностью выступа 5 и плоскостью ротора 7 (в зоне линии нагнетания 12) оказывается уменьшающейся в объеме при дальнейшем вращении ротора 4, а часть цилиндра 3, заключенная между тыльной поверхностью выступа 5 и плоскостью вспомогательного ротора 7 (в зоне всасывающего окна 11) - увеличивающейся в объеме. При этом газ, находящийся в зоне линии нагнетания 12, сжимается, а при достижении давления потребителя открывает нагнетательный клапан 17 и истекает потребителю. В то же время из-за увеличения объема части цилиндра 3, находящейся с тыльной стороны выступа 5, давление в этой зоне падает, что приводит к всасыванию газа, например воздуха, из атмосферы, с которой соединена линия всасывания.

В конце своего поворота (это положение показано на фиг.1 штриховыми линиями) выступ 5 сначала перекрывает линию нагнетания 12 (процесс нагнетания заканчивается, клапан 17 закрывается), а затем входит в зацепление с впадиной 8. При этом положении клапан 17 закрыт, и сжатый газ из линии нагнетания 12 не может протекать назад в полость цилиндра 3, а сама полость оказывается заполненной газом под давлением источника газа (например, воздухом под атмосферным давлением).

В дальнейшем работа машины в режиме компрессора повторяется. Таким образом, за один поворот основного ротора 4 в цилиндре 3 осуществляются одновременно процессы всасывания, сжатия и нагнетания газа.

Режим насоса.

Элемент 16 золотника зафиксирован в правом (по рисунку) положении (фиг.4), вентиль 19 закрыт.

Синхронизированное движение основного ротора 3 с выступом 5 и вспомогательного ротора 7 с впадиной 8 происходит так же, как и при работе в режиме компрессора (фиг.1). При этом жидкость всасывается через всасывающее окно и нагнетается в линию нагнетания 12. Но в линии нагнетания 12 (в отличие от компрессорного режима) жидкость (фиг.4) не может двигаться через клапан 17, и движется через отверстие 21 к потребителю.

В процессе сжатия-нагнетания жидкости она разгоняется выступом 5 в цилиндре 3 и разгоняет (проталкивает) всю жидкость, находящуюся в линии нагнетания (отверстие 21, гибкий шланг 22, рабочий объем самого потребителя). В конце процесса сжатия-нагнетания жидкости выступ 5 перекрывает линию нагнетания 12, и подача жидкости в линию нагнетания 12 прекращается, а в следующий момент времени выступ 5 проходит мимо сечения линии нагнетания 12 и входит во впадину 8 вспомогательного ротора 7, и линия нагнетания 12 через объем заполненного под давлением всасывания цилиндра 3 соединяется с линией всасывания через всасывающее окно 11. При этом происходят следующие процессы.

Как только выступ 5 перекрывает линию нагнетания 12, жидкость, находящаяся в этой линии, под действием сил инерции продолжает движение в сторону потребителя. Но поскольку движения жидкости из объема полости цилиндра 3 в линию нагнетания 12 нет, постольку это инерционное движение происходит в пределах упругой деформации жидкости, и жидкость, продолжая движение в сторону потребителя, как бы «растягивается» в пределах объема линии нагнетания, давление в ней падает ниже давления потребителя, после чего, под действием давления потребителя, она начинает снова сжиматься.

За промежуток времени, в течение которого происходят процессы сначала расширения, а потом сжатия жидкости в линии нагнетания 12 (при этом расхода жидкости из полости цилиндра 3 в линию нагнетания 12 нет, как нет и обратного потока), выступ 5 при достаточно высокой частоте вращения роторов 4 и 7 успевает войти во впадину 8, выйти из нее, перекрыть всасывающее окно 11 и начать сжатие находящейся в полости цилиндра 3 жидкости и ее вытеснение в сторону линии нагнетания 12.

В это же время в общем случае жидкость в линии нагнетания 12 начинает обратное движение в сторону полости цилиндра 3 и встречается с потоком жидкости, вытесняемой выступом 5 в сторону линии нагнетания 12. Происходит сначала торможение обратного потока жидкости, текущей из линии нагнетания 12 в сторону цилиндра 3, его остановка, после которой движение жидкости в линии нагнетания 12 начинает определяться движением выступа 5, и ее поток через линию нагнетания 12 в сторону потребителя восстанавливается. Торможение обратного потока жидкости сопровождается повышением давления (кинетическая энергия движения превращается в потенциальную энергию давления).

Следует учесть, что все вышеописанные явления при правильном подборе параметров машины (секундный вытесняемый из цилиндра 3 объем жидкости, объем линии нагнетания и др.) происходят в пределах упругих перемещений жидкости и практически не влияют на производительность насоса вследствие малой сжимаемости жидкости.

Для подтверждения высказанных положений был проведен эксперимент с натуральным образцом машины со следующими конструктивными параметрами: диаметр цилиндра 3 - 166 мм, диаметр основного ротора 4 - 134 мм, ширина выступа 5 - 10 мм, толщина цилиндра 3 (соответственно и толщина ротора 4 и выступа 5) - 20 мм. На фиг.5 показана типичная индикаторная диаграмма работа машины в режиме насоса. Обозначения: P - давление, Рн - давление нагнетания, Рв - давление всасывания, φ - угол поворота ротора 4, за φ=0 принято положение, показанное на фиг.1. Сплошной линией показана диаграмма насоса предложенной конструкции, штриховой - при прохождении нагнетаемого потока через самодействующий нагнетательный клапан. Данная индикаторная диаграмма была получена при частоте вращения ротора 4 величиной 700 мин-1, когда нагнетательный клапан в линии нагнетания 12 еще мог нормально работать. На диаграмме хорошо видно, как происходит избыточное повышение давления жидкости в начале процесса нагнетания (сплошная линия) по сравнению с давлением, образующимся при нагнетании с установленным в линии нагнетания 12 обратным клапаном (штриховая линия). Это повышение давления, как сказано выше, обусловлено торможением обратного потока жидкости из линии нагнетания 12 в сторону цилиндра 3.

В результате экспериментов было также установлено, что снижение производительности насоса без клапана в линии нагнетания 12 (предложенная конструкция) даже при низких частотах вращения ротора 4 незначительно по сравнению с конструкцией с обратным клапанов на линии нагнетания и не превышает погрешности эксперимента (3-4%).

При минимальных частотах вращения, характерных для компрессорных роторных машин (около 1000 мин-1), снижения производительности предложенной машины, работающей в режиме насоса, уже не происходит, а при дальнейшем увеличении частоты вращения производительность предложенной конструкции начинает превышать производительность машины с клапаном, установленным в линии нагнетания 12, т.к. жидкостный обратный клапан не в состоянии нормально работать на высоких частотах.

Таким образом, предложенная конструкция имеет возможность эффективно работать, как в режиме компрессора, так и в режиме насоса без изменения частоты вращения привода, характерном для обеспечения высокой эффективности работы компрессорных роторных машин, что позволяет расширить сферу ее применения и использовать с высокой эффективностью как в режиме компрессора, так и в режиме насоса.

Прямозубая машина объемного действия, содержащая корпус, всасывающее окно и нагнетательный клапан, размещенные соответственно в линии всасывания и нагнетания, рабочий цилиндр с размещенным в нем основным ротором, имеющим, по крайней мере, один выступ, радиус которого равен радиусу цилиндра, и вспомогательный ротор, имеющий впадину для размещения в ней выступа основного ротора, причем оба ротора имеют кинематическую связь, обеспечивающую их синхронное вращение, и основной и вспомогательный роторы размещены таким образом, что их оси скрещиваются, а плоскость вращения вспомогательного ротора находится под углом 90° к плоскости вращения основного ротора, причем торцевая поверхность вспомогательного ротора, обращенная в сторону цилиндра, расположена относительно оси вращения основного ротора на расстоянии, равном радиусу основного ротора, отличающаяся тем, что линия нагнетания содержит золотник с отверстием и установленным в нем подвижным элементом, который имеет два фиксированных положения вдоль оси этого отверстия, нагнетательный клапан размещен в этом подвижном элементе, причем в одном из положений последнего рабочий цилиндр соединен с дополнительной линией нагнетания.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к гидравлической технике и может использоваться для подачи жидкостей под давлением, преимущественно при питании гидроприводов различного назначения.

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения. Ротационная гибридная машина объемного действия содержит корпус, всасывающее окно 11 и нагнетательный клапан, размещенные соответственно в линии всасывания и нагнетания 12, рабочий цилиндр 3 с размещенным в нем основным ротором 4, имеющим, по крайней мере, один выступ, радиус которого равен радиусу цилиндра 3, и вспомогательный ротор 7, имеющий впадину для размещения в ней выступа ротора 4. Роторы 4 и 7 размещены таким образом, что их оси скрещиваются. Плоскость вращения ротора 7 находится под углом 90° к плоскости вращения ротора 4. Линия 12 содержит золотник с отверстием и установленным в нем подвижным элементом, который имеет два фиксированных положения вдоль оси отверстия. Нагнетательный клапан размещен в подвижном элементе. В одном из положений подвижного элемента цилиндр 3 соединен с дополнительной линией нагнетания, которая снабжена участком с наклонными в сторону прямого потока поверхностями, образующими ступенчатый канал. Изобретение направлено на снижение потерь работы в процессе нагнетания жидкости за счет активного торможения обратного потока. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано для сжатия и подачи потребителю газов и жидкостей под давлением. Ротационная машина объемного действия содержит рабочий цилиндр 2 с размещенным в нем основным ротором 3, имеющим по крайней мере один выступ 4, радиус которого равен радиусу цилиндра 2, и вспомогательный ротор 6, имеющий впадину 7 для размещения в ней выступа 4 ротора 3. Оба ротора 3 и 6 имеют кинематическую связь, обеспечивающую их синхронное вращение. Одна из шестерен кинематической связи, обеспечивающих синхронное вращение роторов 3 и 6, выполнена в виде цилиндрической прямозубой шестерни, а другая - в виде П-образной чашки, стенки которой содержат зубья, количество которых равно количеству зубьев цилиндрической шестерни. Изобретение направлено на повышение ремонтопригодности ресурса работы, а также на упрощение технологии изготовления и сборки машины. 2 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве гидронасоса. Роторный насос включает полый корпус 1, ротор 3, всасывающий клапан 7, поршень 2, затвор 5, выпускной клапан 10. Клапаны 8 регулирования давления расположены по обе стороны подвижного затвора 5. Затвор 5 расположен между всасывающим клапаном 7 и выпускным клапаном 10. Изобретение направлено на упрощение конструкции и повышение производительности. 1 ил.

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения. Ротационная гибридная машина объемного действия содержит корпус, всасывающее окно 11 и нагнетательный клапан, размещенные соответственно в линии всасывания и нагнетания 12, рабочий цилиндр 3 с размещенным в нем основным ротором 4, имеющим, по крайней мере, один выступ, радиус которого равен радиусу цилиндра 3, и вспомогательный ротор 7, имеющий впадину для размещения в ней выступа ротора 4. Роторы 4 и 7 размещены таким образом, что их оси скрещиваются. Плоскость вращения ротора 7 находится под углом 90° к плоскости вращения ротора 4. Линия 12 содержит золотник с отверстием и установленным в нем подвижным элементом, который имеет два фиксированных положения вдоль оси отверстия. Нагнетательный клапан размещен в подвижном элементе. В одном из положений подвижного элемента цилиндр 3 соединен с дополнительной линией нагнетания, которая снабжена участком с наклонными в сторону прямого потока поверхностями, образующими ступенчатый канал. Изобретение направлено на снижение потерь работы в процессе нагнетания жидкости за счет активного торможения обратного потока. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано для сжатия и подачи потребителю газов и жидкостей под давлением. Ротационная машина объемного действия содержит рабочий цилиндр 2 с размещенным в нем основным ротором 3, имеющим по крайней мере один выступ 4, радиус которого равен радиусу цилиндра 2, и вспомогательный ротор 6, имеющий впадину 7 для размещения в ней выступа 4 ротора 3. Оба ротора 3 и 6 имеют кинематическую связь, обеспечивающую их синхронное вращение. Одна из шестерен кинематической связи, обеспечивающих синхронное вращение роторов 3 и 6, выполнена в виде цилиндрической прямозубой шестерни, а другая - в виде П-образной чашки, стенки которой содержат зубья, количество которых равно количеству зубьев цилиндрической шестерни. Изобретение направлено на повышение ремонтопригодности ресурса работы, а также на упрощение технологии изготовления и сборки машины. 2 ил.
Наверх