RU2082020C1

RU2082020C1 - Rotary displacement hydraulic machine

Info

Publication number: RU2082020C1
Application number: RU95114241A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Гусев
Original assignee: Владимир Петрович Гусев
Priority date: 1995-08-07
Filing date: 1995-08-07
Publication date: 1997-06-20

Abstract

FIELD: hydropneumatic machinery engineering. SUBSTANCE: rotary hydropneumatic machine has housing with inlet and outlet holes and stator with cylindrical rotor eccentrically located in it. Rotor has one or several diametral grooves where gates with end cylindrical slots are located; cylindrical slots are used for mounting the inserts whose surface consists of two convex intersecting cylindrical surfaces; rotors form arcs of different radii. Stator profile has form of circle or curve whose radius is equal to large radius of generating arcs of insert at zones of maximum pressure differential of working medium and/or maximum contact loads. EFFECT: enhanced reliability. 4 dwg

Description

Изобретение относится к гидропневмомашиностроению и может быть использовано в качестве гидро- и пневмонасоса и двигателя, компрессора, в приводах машин многих отраслей промышленности, например, нефтяной, нефтехимический, автомобильной, сельскохозяйственной, станкостроительной, горнодобывающей. The invention relates to hydropneumatic engineering and can be used as a hydraulic and pneumatic pump and engine, compressor, in the drives of machines in many industries, for example, petroleum, petrochemical, automotive, agricultural, machine-tool, mining.

Известны роторные объемные машины, содержащие статор с входным и выходным отверстиями, эксцентрично установленный цилиндрический ротор, обладающий в осевой плоскости одним или несколькими пазами для шиберов (пластин), перемещающихся в этих пазах, взаимодействующих с внутренней поверхностью статора и образующих рабочие полости (Авт. свид. СССР N 1463967, 1988). Known rotary volumetric machines containing a stator with inlet and outlet openings, an eccentrically mounted cylindrical rotor having in the axial plane one or more grooves for gates (plates) moving in these grooves, interacting with the inner surface of the stator and forming working cavities (Auth. . USSR N 1463967, 1988).

Общим недостатком таких машин является недостаточное уплотнение между лопастями и внутренним профилем статора в зоне контакта из-за их малой площади соприкосновения. Контакт трущихся пар в основном представляет линейное соприкосновение (линейный контакт), что приводит к недостаточной герметичности между рабочими полостями всасывания, нагнетания и соответственно к снижению объемной производительности. Линейный контакт между трущимися парами не позволяет значительно снизить контактные нагрузки и исключить быстрый износ кромок пластин и внутреннего профиля статора, уменьшить потери на трение и повысить надежность машин. A common disadvantage of such machines is insufficient sealing between the blades and the internal profile of the stator in the contact zone due to their small contact area. The contact of the rubbing pairs is mainly a linear contact (linear contact), which leads to insufficient tightness between the working cavities of the suction, discharge and, accordingly, to a decrease in volumetric productivity. Linear contact between the rubbing pairs does not significantly reduce contact loads and exclude rapid wear of the edges of the plates and the internal stator profile, reduce friction losses and increase machine reliability.

Известна роторная машина, принятая за прототип, которая содержит корпус с входным и выходным отверстиями, статорное кольцо, эксцентрично установленный ротор, в радиальных пазах которого имеются шиберы (пластины) на концах с подвижными уплотнительными элементами в виде роликов определенного диаметра (Авт. свид. N 1359484, 1987). Known rotary machine adopted for the prototype, which contains a housing with inlet and outlet openings, a stator ring, an eccentrically mounted rotor, in the radial grooves of which there are gates (plates) at the ends with movable sealing elements in the form of rollers of a certain diameter (Auth. 1359484, 1987).

Но известная роторная машина также имеет недостатки, влияющие на поддержание высоких параметров по производительности давлению и надежности из-за ограничения в принятии большего эксцентриситета, зависимого от диаметров роликов и ротора шиберный насос заведомо имеет малую производительность; наличие в конструкции только подпружиненных шиберов ограничивает применение такого шиберного насоса на высоких рабочих давлениях; применение ролика на конце шибера предусматривает его качение по профилю статора, что возможно при определенных заданных условиях работы насоса, а различные отклонения от номинального режим работы, например, большое содержание абразивосодержащих примесей или резкое импульсивное изменение давления, неизбежно приведут к отсутствию качения ролика и неравномерному износу его цилиндрической поверхности, а следовательно потере уплотнения между полостями всасывания и нагнетания, в результате чего снижается надежность машины по большинству рабочих параметров. But the well-known rotary machine also has disadvantages that affect the maintenance of high parameters for pressure performance and reliability due to the limitation in accepting a larger eccentricity, depending on the diameters of the rollers and the rotor, the vane pump obviously has low productivity; the presence in the design of only spring-loaded gates restricts the use of such a vane pump at high operating pressures; the use of a roller at the end of the gate provides for its rolling along the stator profile, which is possible under certain specified operating conditions of the pump, and various deviations from the nominal operating mode, for example, a high content of abrasive impurities or a sharp impulsive change in pressure, will inevitably lead to the absence of rolling of the roller and uneven wear its cylindrical surface, and consequently the loss of compaction between the suction and discharge cavities, resulting in reduced machine reliability for most in operating parameters.

Целью изобретения является максимальное устранение перечисленных выше недостатков и повышение функциональных качеств создаваемых объемных роторных машин в широком колебательном диапазоне числа оборотов ротора, в том числе в реверсивном режиме за счет надежного радиального уплотнения между шиберами и внутренним профилем статора. The aim of the invention is to maximize the elimination of the above disadvantages and increase the functional qualities of the created volumetric rotary machines in a wide oscillatory range of rotor speed, including in reverse mode due to reliable radial sealing between the gates and the inner profile of the stator.

Это достигается в роторно-шиберной объемной гидропневмомашине, состоящей из корпуса с входным и выходным отверстиями статора, эксцентрично установленного в нем цилиндрического ротора с одним или несколькими диаметрально ориентированными в осевой плоскости пазами, в которых выполнены шиберы с подвижными уплотнительными элементами на концевых контактных кромках в виде вкладышей, которые при вращении ротора обеспечивают постоянную герметизацию между полостями всасывания и нагнетания. В качестве уплотнительного элемента в отличие от прототипа используется вкладыш, представляющий в сечении профиль, ограниченный двумя выпуклыми дугами разных радиусов, меньший из которых равен радиусу концевого цилиндрического паза шибера, а больший равен радиусу окружности или неизменяемому радиусу дуг, составляющих кривизну профиля внутренней поверхности статора в зонах наибольшего перепада давления рабочей среды и/или наибольших контактных нагрузок между вкладышами и внутренней боковой поверхностью статора, при этом дуга большего радиуса профиля вкладыша проходит через центр дуги меньшего радиуса, расположенного на центральной линии шибера, равноудаленной от его боковых поверхностей. В результате две соединенные цилиндрические поверхности вкладыша постоянно контактируют: с одной стороны с цилиндрическим концевым пазом шибера, а с другой стороны с внутренней боковой поверхностью статора. При этом взаимодействие вкладыша с другими элементами отмечается зависимостью, при которой его центр профиля малой дуги всегда лежит на центральной линии шибера и практически контактирует с профилем статора, и одновременно при полном обороте ротора вкладыш производит относительно центра его малой дуги маятниковое, плавающее движение в цилиндрическом пазу шибера, отклоняясь в обе стороны на равное расстояние от центральной плоскости шибера, неизменно сохраняя постоянное расстояние, равное радиусу малой дуги между шибером по его центральной линии и профилем статора. Такая самоустанавливающаяся способность вкладыша позволяет использовать предлагаемую роторную машину не только с подпружиненными шиберами (пластинами), подобно прототипу, но и проектировать машины с цельными сквозными шиберами, имеющими на своих концах плавающие вкладыши и сохраняющими линейный размер по центральной линии шибера практически постоянным независимо от угла поворота ротора, для чего необходимо, чтобы центральная плоскость шибера, равноудаленная от его боковых поверхностей, совпадала с осевой плоскостью ротора, а любое множество секущих перпендикулярных к внутреннему профилю статора, совпадающему с центральной плоскостью шибера и осевой плоскостью ротора, были по существу равны длине шибера по его центральной плоскости между точками касания вкладышей с профилем статора, который выбирается таким образом, чтобы кроме окружности как в прототипе, он состоял, в основном, из полуокружностей и/или дуг одного радиуса, и располагались эти дуги преимущественно в зона наибольшего перепада давления рабочей среды и/или наибольших контактных нагрузок, а любая другая точка кривой, образующая внутренний профиль статора соединяющих дуги и лежащая на одной секущей внутреннего профиля статора должна быть равноудалена на полную длину шибера по его центральной линии, включая в эту длину два радиуса малой дуги, равных концевых вкладышей, при этом длина радиуса равна или меньше половины толщины шибера. This is achieved in a rotary-vane volumetric hydropneumatic machine, consisting of a housing with inlet and outlet openings of the stator, an eccentrically mounted cylindrical rotor in it with one or more grooves diametrically oriented in the axial plane, in which the gates are made with movable sealing elements at the end contact edges in the form liners, which, when the rotor rotates, provide constant sealing between the suction and discharge cavities. As a sealing element, unlike the prototype, an insert is used that represents a section in the profile limited by two convex arcs of different radii, the smaller of which is equal to the radius of the end cylindrical groove of the gate, and the larger is equal to the radius of the circle or the constant radius of the arcs that make up the curvature of the profile of the inner surface of the stator in areas of the greatest pressure drop of the working medium and / or the greatest contact loads between the liners and the inner side surface of the stator, while the arc is larger The radius of the liner profile passes through the center of the arc of a smaller radius, located on the center line of the gate, equidistant from its side surfaces. As a result, two connected cylindrical surfaces of the liner are constantly in contact: on the one hand with the cylindrical end groove of the gate, and on the other hand with the inner side surface of the stator. In this case, the interaction of the insert with other elements is marked by a dependence in which its center of the profile of the small arc always lies on the center line of the gate and is practically in contact with the profile of the stator, and at the same time, with the full revolution of the rotor, the insert performs pendulum, floating movement in a cylindrical groove relative to the center of its small arc the gate, deviating on both sides by an equal distance from the central plane of the gate, invariably maintaining a constant distance equal to the radius of the small arc between the gate in its center Flax line and stator profile. This self-adjusting ability of the liner allows you to use the proposed rotary machine not only with spring-loaded gates (plates), like a prototype, but also to design machines with solid through gates, having floating liners at their ends and keeping the linear dimension along the center line of the gate almost constant regardless of the angle of rotation rotor, for which it is necessary that the central plane of the gate, equidistant from its side surfaces, coincides with the axial plane of the rotor, and any the set of secant cuts perpendicular to the inner profile of the stator, coinciding with the central plane of the gate and the axial plane of the rotor, were essentially equal to the length of the gate along its central plane between the points of contact of the liners with the profile of the stator, which is chosen so that, in addition to the circle as in the prototype, it consisted mainly from semicircles and / or arcs of the same radius, and these arcs were located mainly in the zone of the greatest pressure drop of the working medium and / or the greatest contact loads, and any other I am the point of the curve forming the inner profile of the stator connecting the arcs and lying on the same secant inner profile of the stator should be equidistant to the full length of the gate along its center line, including two small arc radii equal to the end inserts in this length, while the radius length is equal to or less than half the thickness of the gate.

В свою очередь толщина шибера, практически равная ширине паза ротора, выбирается из конструктивных требований проектируемых машин, по правилу: чем выше параметры, более напряженные и сложные условия работы, тем больше выбирается толщина шибера и соответственно принимается большим радиус малой дуги вкладыша. Это увеличивает длину дуги большего радиуса вкладыша и соответственно площадь цилиндрической поверхности вкладыша, контактирующей с внутренней поверхностью статора. In turn, the thickness of the gate, which is almost equal to the width of the groove of the rotor, is selected from the design requirements of the designed machines according to the rule: the higher the parameters, more intense and difficult working conditions, the more the thickness of the gate is selected and, accordingly, the larger the radius of the small arc of the liner is taken. This increases the length of the arc of a larger radius of the liner and, accordingly, the area of the cylindrical surface of the liner in contact with the inner surface of the stator.

Так решается основная задача изобретения создание объемных роторно-шиберных машин с большой заданной площадью идеальных беззазорных контактирующих поверхностей между шибером и статором, что позволяет значительно снизить контактные нагрузки, действующие изнашивающие силы, сократить перетоки в зонах нагнетания и всасывания и, в целом, создать машины с высокими параметрами по давлению, вакууму, объемной производительности при гарантированной надежности и долговечности также и при малых оборотах ротора, в том числе в реверсивном и колебательном режимах. This solves the main objective of the invention to create volumetric rotor-vane machines with a large predetermined area of ideal clearance-free contact surfaces between the gate and the stator, which can significantly reduce contact loads, acting wear forces, reduce overflows in the discharge and suction zones, and, in general, create machines with high parameters for pressure, vacuum, volumetric productivity with guaranteed reliability and durability also at low rotor speeds, including reverse and live modes.

Цилиндрические поверхности вкладыша позволяют ему действующим равновесием сил и моментов самоустанавливаться между шибером и статором независимо от угла поворота и направления вращения ротора и сохранять радиальное уплотнение при изменяющихся режимах работы машин, что значительно расширяет область применения объемных машин с использованием предлагаемого изобретения не только на чистых средах, но и газожидкостных смесях, жидкостях с высокой вязкостью и механическими примесями. The cylindrical surfaces of the liner allow it to establish a working balance of forces and moments between the gate and the stator regardless of the rotation angle and direction of rotation of the rotor and maintain a radial seal under varying operating conditions of the machines, which significantly expands the scope of volumetric machines using the invention not only in clean environments, but also gas-liquid mixtures, liquids with high viscosity and mechanical impurities.

Упрочнение рабочих поверхностей и/или изготовление таких деталей, как шибер, вкладыш из композиционных, твердых или сверхтвердых материалов расширяет область применения машин на работу с агрессивными с ложными средами. Hardening of working surfaces and / or the manufacture of parts such as a gate, a liner made of composite, hard or superhard materials expands the scope of the machines to work with aggressive environments.

На фиг. 1 и 2 изображена объемная роторно-шиберная машина в разрезе соответственно с одним и тремя шиберами; на фиг. 3 концевая часть шибера с вкладышем в соприкосновении с ротором и внутренним профилем статора; на фиг. 4 профиль поперечного сечения статора с двумя шиберами. In FIG. 1 and 2 depict a volumetric rotary-vane machine in a section, respectively, with one and three gates; in FIG. 3 end part of the gate with the liner in contact with the rotor and the inner profile of the stator; in FIG. 4 cross-sectional profile of a stator with two gates.

Объемная роторно-шиберная машина содержит статор 1, являющийся одновременно корпусом, имеющим внутренний профиль 2 с впускным 8 и выпускным 9 отверстиями. В корпусе статора 1 с эксцентриситетом ε размещен ротор 3 с одним или несколькими равнораспределенными по окружности диаметральными пазами 4, в которых выполнены плоские шиберы 5 прямоугольного сечения с концевыми цилиндрическими пазами 6 и расположенными в этих пазах вкладышами 7, имеющими две цилиндрические выпуклые поверхности ответные соответственно пазу шибера 6 и радиусу кривизны R_c внутреннего профиля 2.Volumetric rotary vane machine contains a stator 1, which is simultaneously a housing having an internal profile 2 with inlet 8 and outlet 9 holes. In the stator housing 1 with eccentricity ε, a rotor 3 is placed with one or more diametrical grooves 4 equally spaced around the circumference, in which there are flat gates 5 of rectangular cross section with end cylindrical grooves 6 and liners 7 located in these grooves, having two cylindrical convex surfaces corresponding to the groove gate 6 and the radius of curvature R _{c of the} inner profile 2.

Поперечное сечение профиля 2 статора 1 имеет форму фигуры ограниченной в зависимости от назначения машины: или окружностью с центром О_c, или двумя равными касающимися дугами одного радиуса R_c(еkа, в, с) и (с, d, е, k, аbcde), или несколькими, как равными, так и неравными дугами одного радиуса R_c, касающимися своими концами, например, в точках abcdeka, в, с, d, е, k₁ или сочетаниями дуг одного радиуса R_c и отрезков кривых, отвечающих во всех случаях требованию, при котором длина L шибера 5 вместе с двумя вкладышами 7 при любом вращательном положении ротора 3, оставаясь неизменной, равна любой секущей, например, аа₁вв₁сс₁dd₁ее₁kk₁, перпендикулярной внутреннему профилю 2, совпадающему с центральной плоскостью шибера 5 и осевой плоскостью ротора 3.The cross section of the profile 2 of the stator 1 has the shape of a figure limited depending on the purpose of the machine: either a circle with a center О _c , or two equal tangent arcs of the same radius R _c (еkа, в, с) and (с, d, е, k, аbcde ), or several, both equal and unequal arcs of the same radius R _c , touching their ends, for example, at the points abcdeka, b, c, d, e, k _1, or combinations of arcs of the same radius R _c and segments of curves corresponding to in all cases, the requirement that the length L of the slide 5 together with two liners 7 for any rotational position of the rotor 3, the rest unchanging, it is equal to any secant, for example, aa ₁ cc ₁ cc ₁ dd ₁ its ₁ kk ₁ , perpendicular to the inner profile 2, coinciding with the central plane of the gate 5 and the axial plane of the rotor 3.

В предлагаемой машине с одним диаметральным пазом 4 шибер 5 может иметь как цельную неразрезную конструкцию, так и разрезную подпружиненную в средней части, причем ротор 3 устанавливается с возможностью касания внутреннего профиля 2 в точке а, а у машин, имеющих несколько цельных сквозных шиберов 5, в средней части имеются прямоугольные вырезы, размеры которых определяются в зависимости от геометрических размеров и расположения ротора 3 в корпусе статора 1 с расчетом, что при вращении ротора 3 и одновременном скольжении шиберов 5 в пазах 4 не происходит взаимного заклинивания шиберов 5, причем касание ротора 3 с внутренним профилем 2 в точке а необязательно, что важно для машин, работающих на средах с механическими примесями. In the proposed machine with one diametral groove 4, the gate 5 can have both a solid continuous structure and a split spring-loaded structure in the middle part, the rotor 3 being installed with the possibility of touching the inner profile 2 at point a, and for machines having several integral through gates 5, in the middle part there are rectangular cutouts, the dimensions of which are determined depending on the geometric dimensions and the location of the rotor 3 in the stator housing 1 with the expectation that when the rotor 3 rotates and the sliders 5 slide in the grooves 4 mutual jamming of the sliders 5 occurs, and the contact of the rotor 3 with the internal profile 2 at point a is not necessary, which is important for machines operating on media with mechanical impurities.

Чтобы исключить заклинивания и касания боковых кромок шиберов 5 с внутренним профилем 2 выбирается угол a исходящий из центра О_r вкладыша 7, ограничивающий максимальную длину боковых кромок шиберов 5 при любом вращательном положении ротора 3, при этом чем больше принимается эксцентриситет e ротора 3, тем больше угол a и, соответственно, получается больший срез боковых кромок шибера 5.In order to prevent jamming and touching of the lateral edges of the sliders 5 with the inner profile 2, an angle a is selected, coming from the center О _{r of the} insert 7, which limits the maximum length of the lateral edges of the sliders 5 at any rotational position of the rotor 3, and the more the eccentricity e of the rotor 3 is taken, the more angle a and, accordingly, a larger cut of the side edges of the gate 5 is obtained.

Объемная роторно-шиберная машина работает следующим образом. При вращении ротора 3 шиберы 5 скользят возвратно-поступательно в пазах 4, при этом концевые вкладыши 7 постоянно самоустанавливаются, тем самым уплотняя радиальный зазор между шибером 5 и профилем 2 статора 1. Volumetric rotary vane machine operates as follows. When the rotor 3 rotates, the sliders 5 slide back and forth in the grooves 4, while the end shells 7 are constantly self-installing, thereby sealing the radial clearance between the slide 5 and the profile 2 of the stator 1.

Подбирается кривизна профиля 2, и саморегулируемый постоянный линейный размер шиберов с вкладышами не допускает заклинивания или выпадания вкладышей 7 при любом вращательном положении ротора 3, в том числе в реверсивном режиме, поэтому функции машины обратимы. При работе машины в качестве насоса и вращении ротора 3 по часовой стрелке происходит процесс передачи рабочей среды от впускного отверстия 8 к выпускному 9, а при изменении вращения ротора против часовой стрелки рабочая среда перекачивается в противоположную сторону от отверстия 9 к отверстию 8. При работе машины в качестве гидропневмодвигателя шиберы движутся под действием рабочей среды под давлением, а ротором машины передается момент на рабочий орган в любую сторону в зависимости от направления подачи рабочей среды. The curvature of profile 2 is selected, and the self-regulating constant linear size of the gates with the bushings does not allow jamming or falling out of the bushings 7 at any rotational position of the rotor 3, including in the reverse mode, therefore the functions of the machine are reversible. When the machine is operating as a pump and the rotor 3 is rotated clockwise, the medium is transferred from the inlet 8 to the outlet 9, and when the rotor rotates counterclockwise, the medium is pumped in the opposite direction from hole 9 to hole 8. When the machine is operating as a hydraulic motor, the gates move under the action of the working medium under pressure, and the rotor of the machine transfers the moment to the working body in any direction, depending on the direction of supply of the working medium.

Так как функции машины обратимы, то появляется возможность использования предлагаемой машины в качестве привода различных механизмов. Since the functions of the machine are reversible, it becomes possible to use the proposed machine as a drive for various mechanisms.

Claims

Rotary volumetric hydropneumatic machine, comprising a housing with inlet and outlet openings, a stator, a cylindrical rotor eccentrically located in it with one or more diametrical grooves, in which sliders are made with end cylindrical grooves and liners installed in them, characterized in that the side surfaces of the liners are made up of two convex intersecting cylindrical surfaces, the generators of which represent arcs with different radii, the smaller of which is equal to the radius of the end cylindrical the slot of the gate, and the larger is equal to the radius of the circle or the radius of curvature of the inner surface of the stator in the zones of the greatest pressure drop of the working medium and / or the greatest contact loads between the liners and the inner side surface of the stator, while the arc of the liner of a larger radius passes through the center of the arc of a smaller radius located on the center line of the gate, equidistant from its side surfaces.