способ работы сферической объёмной роторной машины и устройства его реализующие.

область техники, к которой относится изобретение

изобретения относятся к области машиностроения, именно к роторным объёмным машинам, которые могут быть использованы в качестве насосов, компрессоров, гидроприводов и т.д., в частности в многоступенчатых погружных установках.

уровень техники.

известна объёмная роторная машина (OPM) (SU 2004133654, SU 2004124353(1)), у которой имеется корпус с внутренней полостью кольцевой формы. в этой полости установлен разделитель спиральной формы, в котором установлен ротор. рабочая поверхность ротора является поверхностью вращения, в которой имеется, по меньшей мере, один паз вдоль оси вращения ротора, в каждом из которых установлен с возможностью вращения поршень, частично выступающий с одной стороны ротора. поршень имеет при этом, по крайней мере, один сквозной вырез по периметру, взаимодействующий с разделителем, для синхронизации вращения поршня с вращением ротора. окно входа машины и окно выхода машины разнесены вдоль оси ротора и отделяются друг от друга разделителем. поршень такой машины вращается в одном направлении относительно ротора, и, вместе с ротором, вращается относительно корпуса.

такая машина имеет следующие преимущества.

поршень надёжно установлен в пазу ротора, выступая из него частью около половины.

разнесение окон входа и выхода вдоль оси ротора позволяет легко объединять такие машины в многоступенчатые, в том числе с общим ротором для многих ступеней. такие машины используются в погружных установках. общий ротор позволяет снять нагрузки с радиальных, а часто и с упорных подшипников ротора за счёт уравновешивания нагрузок отдельных ступеней при их развороте друг относительно друга.

существенным преимуществом насоса, созданного на основе такой машины, является постоянство подачи.

недостатком таких машин является сложная форма разделителя и прорези поршня, не позволяющая осуществить их контакт по большой площади, для снижения износа этой пары трения (для уменьшения идеальной нагрузки на эту пару трения и для увеличения её ресурса).

известна OPM (GB 1 458 459 и похожая на неё Dб 32 06 286A1), у которой в корпусе имеются полость в виде сегмента сферы, в которой вдоль оси симметрии полости установлен разделитель в виде сектора круга, перекрывающего полость; ротору установленный с возможностью вращения в корпусе, с рабочей поверхностью в виде двух усечённых конусов, опирающихся вершинами на сферу с противоположных сторон, причём на поверхности сферы (в пределах рабочей полости), под углом к оси симметрии ротора, имеется кольцевой паз, выполненный касательно к обоим конусам. в этом пазу закреплён с возможностью вращения относительно ротора поршень, в котором имеется прорезь, способная пропускать разделитель. причём поршень взаимодействует с разделителем через уплотнительный синхронизирующий элемент (усэ), выполненный в виде цилиндра, рассечённого пополам, пазом, начинающемся на одном торце и идущем практически до второго торца. окно входа рабочего тела и

соответствующее ему окно выхода расположено по одну сторону поршня. с другой стороны поршня имеется ещё пара окон входа и выхода. поршень такой машины колеблется относительно корпуса, а ротор машины вращается относительно колеблющегося поршня.

преимущества такой машины следующие: хороший контакт поршня с камерой корпуса по сферической поверхности, хороший контакт между поршнем, уплотняющим элементом и разделителем, простые геометрические формы: плоский разделитель, плоский поршень и т.д.

OPM имеет также недостатки: неудобство объединения такой машины в многоступенчатую машину, связанное с тем, что окно входа и выхода находятся по одну сторону поршня, и для прохода из ступени в ступень необходимо делать канал, обходящий сферическую полость корпуса вдоль оси ротора. недостатками также являются неравномерность подачи, слабое крепление поршня (только частью, сидящей в пазу на сфере), которое к тому же ослабляет вал за счёт кольцевого паза, ненадёжное крепление уплотнительного силового элемента в прорези поршня (возможно заклинивание при увеличении нагрузки).

известна OPM (DE 3146782 Al), у которой имеются корпус с полостью в виде сегмента сферы, ротор, установленный с возможностью вращения, в котором выполнен сквозной разрез вдоль оси ротора. также имеются поршень в виде диска, установленный в пазу ротора с возможностью вращения, камера в виде сферического сегмента, перегороженная разделителем по ходу вращения ротора, окна выхода и входа, расположенные до и после разделителя соответственно. причём вращение поршня синхронизировано с вращением ротора при помощи вала неподвижно идущего через ротор и системы шестерёнок, одна из которых закреплена на поршне. поршень такой машины вращается в одном

направлении относительно ротора, и, вместе с ротором, вращается относительно корпуса.

преимуществами этой машины являются сферический контакт поршня и камеры, надёжность крепления поршня, выступающего в обе стороны из вала, наличие прочного вала (продольный паз мало его ослабляет), возможность вывести (развести) окна входа и выхода вдоль вала для объединения нескольких ступеней на одном валу, независимость утечек от износа механизма синхронизации, возможность больших оборотов.

недостатком является ненадёжный механизм синхронизации, особенно если надо пропустить вал шестерни через несколько ступеней.

данной заявкой открывается новая разновидность насосов (приводов, компрессоров), применение которых ожидается во многих отраслях (от добычи нефти и газа, транспорта до бытовых нужд), ниже приведены различные варианты выполнения одних и тех же по функциям узлов машины, отвечающие разным требованиям по себестоимости, надежности, ресурса, герметичности. поскольку OPM предназначена для работы с разными рабочими жидкостями (от высоко вязкой жидкости с абразивом до газа) и с разными подачами (размер), на разных оборотах, приводятся различные способы ее работы (способы перекрытия прорези поршня на напорном участке). разнообразие вариантов связано также с разными возможностями потенциальных производителей.

далее идет описание типа OPM, возникновение которого связано с применением нового способа работы сферических OPM (область применимости способа).

целью данной заявки является описание способа работы сферической (имеющей в корпусе полость в виде сегмента сферы, часть которой является поверхностью рабочей камеры) OPM ₇ который позволяет сделать подачу такой машины ттоактически постоянной на всем iщкле и оазнести окно

входа рабочего тела и окно выхода рабочего тела вдоль оси вращения ротора машины (последнее позволяет удобно объединять отдельные ступени OPM в многоступенчатый агрегат с общим ротором, для использования в скважинных погружных установках). характерной особенностью данной OPM является наличие, по меньшей мере, одного поршня установленного в пазу ротора и совершающего вращательные колебания относительно ротора и вращающегося в одну сторону вместе с ротором относительно корпуса. конструктивно, такое движение поршня обусловлено тем, что в корпусе неподвижно, под наклоном к плоскости вращения ротора, установлен разделитель, перегораживающий кольцевую рабочую камеру, образованную между корпусом и ротором, а паз ротора под поршень имеет больший угол наклона к плоскости вращения ротора, чем угол наклона разделителя. в болышшстве вариантов паз расположен вдоль оси ротора. в самом простом случае, поршень представляет собой плоский диск со сферической боковой поверхностью, диаметр которой практически равен диаметру сферической полости корпуса. однако (см. далее), для улучшения некоторых характеристик, приходится использовать поршень с разной по радиусу и/или по углу толщиной, а также использовать в качестве поршня часть диска, например, в виде усеченного сектора или диск с выборками в отдельных местах. это требуется, например, для возможности установки множества поршней, для возможности выборки зазоров центробежными силами, для облегчения поршня за счет удаления неиспользуемых частей и т.д. при использовании поршня в виде целого диска, паз под поршень в роторе выполняется сквозным, и в поршне имеются две сквозные прорези для пропускания разделителя находящиеся на приблизительно диаметрально противоположных частях поршня. при использовании поршня в виде сектора диска, паз под поршень в роторе можно выполнять глухим (это увеличивает подачу машины), и в поршне имеется одна сквозная прорезь для пропускания разделителя. в самом

простом случае разделитель, представляет собой плоскую шайбу, диаметр рабочей части которой (в нее не входит крепление шайбы к корпусу) практически равен диаметру полости корпуса, и на участке которой выполнены сквозные проходы (отверстия, щели) с одной стороны (плоскости) шайбы на противоположную сторону. в предельном случае просто отсутствует около половины шайбы, на ее месте выполнен один большой проход. этот предельный случай логично относить к тому же типу машин, а оставшийся от разделителя участок называть участком шайбы, т.к. форма разделителя обусловлена траекторией прорези поршня, которая по- прежнему остается замкнутой. причем прорезь поршня описывает замкнутую траекторию, идущую только вокруг ротора в отличие от, например, принципиально спиральной (вокруг осевой окружности тора) траектории прорези поршня из заявки SU 2004124353, и в отличие от других заявок, где прорезь качается относительно корпуса. однако в ряде случаев (см. далее), полезными являются отклонения формы разделителя от плоской формы. простейшие отюiøкешш связаны с изменением толщины шайбы вдоль ее радиуса. они связаны с ее прочностными свойствами и прочностными свойствами ответных деталей, а также с экономией места в рабочей полости. в ряде случаев встречается изменение толщины вдоль окружности, и реже встречается искривление шайбы для оптимизации углов наклона по отношению к поршню или скорости поршня на разных участках цикла машины. поршень может быть снабжен уплотнительным силовым элементом (усэ) часть которого выступает в одну или в обе прорези поршня. силовым он назван, т.к. передает усилие от разделителя к поршню для синхронизации последнего, а ушюткительным, потому что, имея благодаря дополнительным степеням свободы, большую возможность отслеживать угол наклона разделителя, осуществляет более плотный контакт с разделителем, по большей площади. усэ логично считать частью поршня. наконец, еще одним отклонением, является отклонение полости

корпуса от сферы связанные как с допусками на изготовление, припусками на возможные люфты в системе (например на осевой люфт вала), так и с отклонениями от сферичности связанными с увеличением некоторых характеристик за счет других. так, при нескольких поршнях в виде секторов диска, можно увеличить производительность машины, превращая сферу в бочку, и далее, вплоть до цилиндра. при этом плавно изменяются другие характеристики: прилегание поршня к стенке корпуса сначала ухудшается, а затем улучшается по мере приближения к цилиндру, инерционная нагрузка на поршень растет.

основные факторы, влияющие на форму и размеры деталей OPM.

ротор данной OPM, для ее технологичности и для получения максимальных давлений (особенно в многоступенчатом варианте, когда через ротор первых или последних ступеней передается максимальный крутящий момент от привода на все остальные ступени), следует выполнять цельным. в нем выполняется, по возможности, плоская прорезь под поршень, расположенная в большинстве случаев вдоль оси вращения ротора. возможны небольшие отклонения по углу прорези и ее плоскостности для распределения площади опоры поршня в целях оптимизации момента сил трения действующего на поршень. поршень в такой прорези может самоустанавливаться. т.е. ротор за счет своих подшипников и/или за счет, например, сферических или других поверхностей устанавливается в корпусе OPM. независимо от ротора, поршень устанавливается в корпусе OPM (по координате вдоль оси ротора и по координате по радиусу поршня перпендикулярно оси ротора) за счет опоры на сферическую поверхность корпуса, а по координате вдоль геометрической оси поршня его устанавливает опора на прорезь ротора. при такой установке значительно ослабляются требования к точности

δ позиционирования поршня в роторе, снижаются необходимые для возможности работы машины зазоры.

при этом нежелательно делать поршень слишком толстым. т.к. увеличение толщины поршня ослабляет прочность ротора, увеличивает подкрутку поршня сверх необходимой ее величины, уменьшая подачу машины (если не принимать дополнительные меры, усложняющие и ограничивающие машину).

уменьшение толщины разделителя в напорной части корпуса увеличивает производительность машины. в этой части разделитель испытывает в основном не большую продольную нагрузку, в то время как в перепускной части (там он отделяет окно входа рабочего тела от окна выхода) на нем лежит большая поперечная нагрузка. толщина разделителя в перепускной части корпуса не влияет на производительность машины.

по прямому назначению (для разделения камер с разными давлениями) в основном используется только восходящая, находящаяся в зоне перепуска часть разделителя. нисходящая его часть, находящаяся в напорной части корпуса, наоборот должна пропускать через себя весь поток рабочего тела.

при уплотнении прорези поршня уплотнительным синхронизирующим элементом (усэ), геометрическая ось которого проходит через центр поршня (центр сферы), выступающая в рабочую камеру часть этого элемента должна быть разрезана на две части прорезью для возможности прохода разделителя, поэтому нужно позаботиться о наличии достаточной площадки для надежного крепления этих частей к общему основанию. ось усэ тоже должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать случайные перегрузки, связанные с возможным попаданием в

машину механических примесей или временных изменений свойств рабочей среды.

поскольку увеличение толщины разделителя (особенно в центральной части) отрицательно сказывается на прочности усэ, желательно уменьшить его толщину. но прочностью разделителя (особенно его восходящей части) определяется максимальный напор машины. поэтому возникает задача оптимального разделения разделителя на части и максимально прочного (жесткого) соединения этих частей. при этом для технологичности и точности изготовления желательно сохранить плоскую форму разделителя.

противоречивость требований состоит в том, что ось усэ должна находиться внутри поршня (не вылезать за его толщину), и основание для крепления двух выступающих частей усэ тоже желательно разместить внутри поршня.

в первом варианте OPM прорезь поршня на напорном участке перекрывается нисходящей частью разделителя, на которой выполнены проходы для пропуска рабочего тела на другую сторону этого нисходящего участка. при этом угловой размер проходов вдоль движения поршня ограничен (иначе разделитель не перекроет прорезь поршня), что увеличивает сопротивление проходу рабочего тела. позже был найден другой способ обеспечения герметичности прорези поршня на напорном участке. оказалось, что существует огромное множество вариантов перекрытия прорези поршня при помощи введения дополнительных элементов. в данной заявке рассмотрены только некоторые из них для иллюстрации нового способа. за счет применения нового способа удалось существенно увеличить угловую длину проходов для пропуска рабочего тела. в пределе, один большой проход выполнен на всей части нисходящей (напорной) части разделителя.

поставленная задача решается за счет того, что, по меньшей мере, один участок прорези поршня на напорном участке перекрывается при помощи дополнительных элементов, назовем их заслонками, при этом разделитель не принимает участия в перекрытии прорези поршня на этом участке. это увеличивает проход для рабочего тела, снижая гидравлическое сопротивление машины. а также во многих случаях создает запас по износу прорези и разделителя, исключая появление перетечек через зазоры.

метод основан на том, что высота прорези намного меньше высоты камеры машины. следовательно, заслонка может быть маленькой и совершать небольшие колебательные движения относительно поршня.

при небольших перепадах давления, разделитель может быть достаточно тонким, а прорезь в поршне, следовательно, может быть узкой. для высокооборотной машины может не потребоваться перекрывать прорезь механически. достаточно ее гидравлического сопротивления. оптимальная форма захода в прорезь и выхода из нее хорошо известна из справочников.

простейшим способом перекрытия прорези поршня является уплотнение ее при помощи эластичного упругого элемента. такое уплотнение хорошо подходит при небольшой толщине разделителя (при малых перепадах давления на ступени машины). улучшает условия для установки такого уплотнения наличие в прорези усэ. тогда уплотнение устанавливается в прорезь усэ.

следующий способ работает и при больших давлениях. это механическая задвижка, которая вращается вокруг оси поршня или близкой к ней. существует несколько способов управления такой задвижкой.

1) задвижка стремится находиться в закрытом состоянии за счет действия на нее центробежных сил и/или упругих элементов и сил от перепада давления жидкости на поршне. при этом она имеет удлиненный выступ с фаской, которым она налетает на вьiσгупающий заостренный

конец разделителя, вследствие чего и открывается в нужный момент. формой выступа и фаски можно свести к минимуму (к нулю) силу удара. можно использовать для этих деталей эластичные материалы. желательно, снять с задвижки перед столкновением нагруженность давлением. для чего в корпусе делается углубление, проходя которое поршень временно теряет герметичность. недостатками являются ненадежность закрытия, и удары при наличии в системе люфтов.

2) выступ задвижки все время движется по направляющей канавке выполненной на сферической поверхности корпуса и полностью контролирует ее положение. недостаток состоит в том, что канавки увеличивают диаметр машины (важно для погружных вариантов), накапливают абразив, выступ истирается. истирание выступа ухудшает уплотнение.

3) положение задвижки контролируется направляющей, проходящей по корпусу в напорной части. недостаток состоит в том, что прорезь поршня тоже должна пропускать эту направляющую, следовательно, больше по размеру, что увеличивает задвижку и нагрузку на нее. износ прорези задвижки и направляющей ухудшает уплотнение.

4) задвижка управляется углом разделителя, находящегося с противоположной стороны поршня. например, когда роль задвижки играет усэ, ось которого проходит через центр поршня, перпендикулярно оси поршня. недостаток состоит в том, что на довольно большом переходном участке угол разделителя изменяется медленно, растягивая процесс перекрытия.

5) задвижка управляется толщиной разделителя, находящегося с противоположной стороны поршня. недостаток состоит в том, что это увеличивает толщину разделителя, высоту прорези поршня и размеры задвижки.

6) наиболее интересен случай, когда задвижкой управляет положение поршня относительно ротора. требуется приводить задвижку в открытое положение только в одном месте - в точке максимального отклонения прорези поршня, например, вниз (если задвижка находится выше прорези). во всех остальных положениях, она закрыта, если не находится на разделителе. преимущество состоит в том, что скорость поршня относительно ротора не велика (в центре ноль), и это место более защищено от абразива (центробежными силами, уплотнениями). простейшая возможность управления — сделать паз в виде дуги вблизи оси задвижки, а в роторе установить штифт (упор). когда задвижка вместе с поршнем доходит до положения для захода на разделитель, штифт достигает конца паза и задвижка останавливается, а поршень может провернуться еще.

поставленная задача решается за счет выполнения основания усэ конусообразным.

поставленная задача решается за счет выполнения фасок (скруглений) между дном прорези усэ и его боковыми сторонами.

поставленная задача решается за счет выполнения профиля прорези усэ и, соответственно, профиля разделителя более узким к центру машины.

поставленная задача решается за счет выполнения фасок в месте выхода паза в роторе под поршень на центральную сферу. в результате в появившемся пространстве удается разместить более прочное основание усэ.

поставленная задача решается за счет выполнения выборки (углубления вдоль ребра) в месте стыковки паза в роторе под поршень и центральной сферы. в результате в появившемся пространстве удается разместить более прочное основание усэ.

поставленная задача решается за счет установки в прорезь поршня специальной шайбы играющей роль уплотнения между усэ, поршнем и ротором.

поставленная задача решается за счет выполнения выступающей в рабочую камеру части усэ в виде тела вращения (например, цилиндр плюс конус или сфера) диаметр которого больше диаметра оси усэ.

поставленная задача решается за счет выполнения поршня из, по меньшей мере, двух частей (деление может быть вдоль его торцовых поверхностей), по меньшей мере, на одной из которых выполнено утолщение, а в пазу ротора имеется полость под это утолщение. это отличается от простого утолщения поршня тем, что оно упрятано внутрь ротора и его перемещение с поршнем вдоль паза ротора при самоустановке поршня не приводит к увеличению зазоров между ротором и поршнем.

поставленная задача решается за счет разбиения разделителя на неравные части (несколько несоответствующее условному делению на восходящую и нисходящую части). причем восходящая часть больше нисходящей части. сквозные проходы при этом могут частично размещаться и на концах восходящей части.

поставленная задача решается за счет выполнения усэ с осью, проходящей через центр камеры, цельным. поршень при этом выполняется сборным, состоящим, по меньшей мере, из двух частей (деление может быть вдоль его торцовых поверхностей).

поставленная задача решается за счет того, что на поршне, в районе дна прорези, выполнено утолщение, а паз ротора расширен посредине для пропускания этого утолщения поршня при сборке. участок расширения паза ротора может перекрываться дополнительным элементом - вставкой в ротор, которая вставляется в ротор вместе с поршнем. дополнительно, для упрочнения поршня, в его центре может быть выполнен

выступ. тогда во вставке в ротор дополнительно выполняется углубление или сквозное отверстие для размещения выступа.

изобретение поясняется при помощи чертежей.

на фиг.l представлена в изометрии ступень объёмной роторной машины со снятой нисходящей (названа по направлению движения прорези поршня при поступательном вращении ротора) напорной частью корпуса (при этом для улучшения понимания соответствующая ей нисходящая часть разделителя оставлена). статор машины состоит из двух продольных половинок.

на фиг.2 представлен в изометрии в разобранном виде узел, состоящий из ротора, вставок в ротор, поршня и усэ.

на фиг. 3 представлен в изометрии разделитель.

на фиг. 4 представлен в изометрии плоский вариант поршня.

на фиг. 5 представлен в изометрии в разобранном виде усэ для плоского варианта поршня.

на фиг.6 представлена в изометрии часть ротора соответствующая одной ступени OPM для плоского варианта поршня.

на фиг.7 представлены в изометрии две части плоского варианта поршня с выступом.

на фиг.8 представлен в изометрии плоский вариант поршня с шайбами.

на фиг.9 представлена в изометрии шайба для плоского варианта поршня.

на фиг.10 представлен в изометрии вариант ротора одной ступени для плоского поршня с шайбой.

на фиг.11 представлен в изометрии плоский вариант поршня с усэ без выступов.

на фиг.12 представлен в изометрии другой вариант разделителя.

на фиг.13 представлена в изометрии сборка из корпусов двух ступеней OPM по фиг.1.

на фиг.14 представлен в изометрии крупным планом усэ с фиг.l.

на фиг.15 представлен в изометрии вариант OPM по фиг.l, у которого прорезь усэ перекрывается на напорном участке выступом поршня и, дополнительно, упругим элементом.

на фиг.16 представлен в изометрии в разобранном виде узел варианта OPM по фиг.15 состоящий из разделителя, ротора, вставок в ротор, поршня и усэ.

на фиг.17 представлен в изометрии крупным планом усэ с фиг.15.

на фиг.18 представлен в изометрии другой вариант OPM по фиг.l, у которого прорезь поршня перекрывается на напорном участке задвижкой.

на фиг.19 представлен в изометрии в разобранном виде узел варианта OPM по фиг.18 состоящий из разделителя, поршня и задвижек.

на фиг.20 представлен в изометрии другой вариант OPM по фиг.l и фиг.18, у которого прорезь поршня перекрывается на напорном участке другим вариантом задвижки.

на фиг.21 представлен в изометрии в разобранном виде узел варианта OPM по фиг.20 состоящий из разделителя, поршня и задвижек.

на всех фигурах одинаковые по функциям элементы обозначены одними номерами, где

1 - корпус;

2 - часть корпуса, восходящая половина;

3 - часть корпуса, нисходящая половина;

4 - сферическая полость;

5 - концентрическое отверстие под выход вала ротора;

6 - геометрическая ось машины

- ротор; - поршень; - разделитель; - восходящая (перепускная) часть разделителя; - нисходящая (напорная) часть разделителя; - окно входа; - окно выхода; - канал без разворота потока вокруг корпуса; - канал для разворота потока вокруг корпуса; - сферическая часть ротора над конусом; - поверхность ротора в виде усечённого конуса; - центральная сферическая часть ротора; - выход вала ротора; - рабочая полость; - паз в роторе под поршень; - паз в корпусе под разделитель; - выемка в роторе под усэ; - сферическая поверхность корпуса; - плоская (коническая) поверхность разделителя; - геометрическая ось поршня; - ось поршня; - плоская часть поршня; - центральная утолщённая часть поршня; - сквозное отверстие в поршне под усэ; - сферическая боковая поверхность поршня; - геометрическая ось усэ; - прорезь в поршне под разделитель; - торец поршня; - дно в прорези поршня;

36 - боковая поверхность прорези поршня;

37 - цилиндрическая поверхность на боковой прорези поршня;

38 - коническая часть отверстия в прорези поршня под основание усэ;

39 - цилиндрическое отверстие в поршне под усэ;

40 - разъём разделителя;

41 - внутренняя сферическая поверхность разделителя;

42 - проход на разделителе;

43 - фаска, соединяющая торец поршня и цилиндрическую поверхность на боковой стороне прорези поршня;

44 - уплотнительный синхронизирующий элемент (усэ);

45 - прорезь в усэ под разделитель;

46 - выступы на усэ;

47 - штифт;

48 - плоская или коническая площадка на усэ;

49 - боковая поверхность прорези усэ;

50 - дно прорези усэ;

51 - сферический торец усэ;

52 - коническое основание усэ;

53 - ось усэ;

54 - отверстие под штифт в оси усэ;

55 - фаска между дном прорези усэ и боковой поверхностью прорези усэ;

56 - внутренняя сферическая поверхность усэ;

57 - выборки в поршне под облегчение;

58 - плоская поверхность паза ротора;

59 - углубление на плоской поверхности паза ротора;

60 - цилиндрическая часть усэ.

61 - фаска на стыке центральной сферы ротора и его паза;

62 - отверстие в поршне меньшего диаметра под штифт усэ;

63 - выступ на поршне для его усиления;

64 - отверстие для заклепок;

65 - шайба для установки в прорезь поршня;

66 - боковая плоская (коническая) сторона шайбы;

67 - цилиндрическое дно шайбы;

68 - сферический верх шайбы;

69 - коническое отверстие в шайбе;

70 - ответная прорези поршня сторона шайбы;

71 - паз на стыке центральной сферы ротора и его паза;

72 - фаска на стыке центральной сферы ротора и его конической части;

73 - коническая часть тела вращения усэ;

74 - фаска на внутренней части разделителя;

75 - выступ на поршне для перекрытия прорези усэ;

76 - сход с разделителя;

77 - выступ на поршне под основание усэ;

79 - упругий элемент в прорези усэ;

80 - вставка в вал;

81 -заходнаразделитель;

82 -площадкакасаниякротору;

83 -заходнаразделитель длязадвижки;

84-сход сразделителядлязадвижки;

85 -паз напоршне под задвижку;

86 -задвижка;

87 - выемка в роторе под задвижку;

88 - выступ на задвижке;

89 - ось задвижки;

90 - канавка на задвижке под управляющий штифт;

91 - упругий элемент для привода задвижки.

описание наилучшего образца выполнения машины.

ступень объёмной роторной машины (которая может использоваться и самостоятельно) (фиг. 1) устроена следующим образом. в корпусе 1 (фиг.l, 13), выполненном из двух частей, условно восходящей (перепускной) половины 2 и нисходящей (напорной) половины 3, имеется полость 4 в виде сегмента сферы (правильнее сегмента тора, который получается вместо сферы в результате допусков на осевой люфт ротора), из которой имеется два концентрических ей отверстия 5. в сферической полости 4 под углом к геометрической оси отверстия, являющейся геометрической осью машины 6, установлен разделитель 9 (фиг.l, 3), выполненный в виде шайбы с внутренним сферическим отверстием 41. разделитель 9 по функциям, условно, можно разделить на две части: восходящую (перепускную) 10 идущую снизу вверх при обходе ротора справа на лево, и нисходящую (напорную) 11 идущую сверху вниз при обходе ротора справа на лево. хотя для прочности он выполнен из двух частей несколько несовпадающих с функциональным делением, для простоты будем называть их так же. каждая из частей разделителя 10 и 11 крепится к соответствующим частям корпуса 2 и 3. в данном исполнении они вставляются в пазы 22 на обеих частях корпуса. на одной из частей разделителя 9, нисходящей 11, выполнены сквозные проходы 42 на другую сторону разделителя 9. в корпусе 1 установлен с возможностью вращения относительно оси 6 корпуса 1 ротор 7 с рабочей поверхностью, выполненной в виде двух поверхностей усечённых конусов 17, опирающихся меньшими основаниями на центральную сферу 18 (фиг.l).

большие основания конусов соединены с концентричными им выходами вала 19 сегментами сферы 16, концентричными центральной сфере 18 и радиусами приблизительно равными радиусу рабочей полости 4. на рабочей поверхности ротора 7 имеется сквозной паз 21 вдоль геометрической оси машины 6 (фиг.l). для возможности разборки в пазу 21 на плоской поверхности 58 выполнено углубление 59, в которое вставляется вставка 80 (фиг.2). сферической частью корпуса 4, конической частью ротора 17, центральной сферической частью ротора 18 и разделителем 9 образована рабочая полость 20, которую разделитель 9 разделяет на две части (фиг.l). разделитель 9 касается конической поверхности 17 ротора 7 противоположными сторонами в двух диаметрально противоположных местах (фиг.l). приблизительно эти места касания ограничивают восходящий и нисходящий участки разделителя. в месте касания для увеличения площади контакта выполнена коническое углубление 82. перед углублением (перед местом касания) может быть выполнена канавка для предотвращения затирания абразива (не показана).

в пазу 21 установлен с возможностью вращательных колебаний вокруг геометрической оси 26 пересекающей перпендикулярно геометрическую ось 6 машины (другими словами, в плоскости паза 21) поршень 8 (фиг.l), выступающий в обе сtороны из сквозного паза 21. поршень 8 выполнен в виде диска, имеющего плоскую 28 и центральную утолщённую 29 части (фиг.2). на плоской части 28 имеются две диаметрально противоположные прорези 33 (фиг.7). на плоской части поршня 28 в районе прорези 33, для: увеличения толщины поршня в этом месте, выполнены выступы 77. через прорезь 33 по диаметру выполнено сквозное отверстие 39. оно имеет конические заходы 38 на небольшую глубину. поршень 8 выполнен сборным из двух дискообразных частей. в отверстии 39 собранного поршня 8 установлен усэ 44, выполненный в виде двух цилиндров 60 соединенных осью 53. торец каждого цилиндра 60

рассечён прорезью 45 под разделитель 9 (фиг.2). для увеличения площади боковой поверхности 48 прорези 45 на одной цилиндрической части 60 усэ 44, рассечённой прорезью 45 выполнены выступы 46 (фиг.2, 14). в другую цилиндрическую часть 60 усэ 44, для разборности, такие выступы 46 вставляются в виде пластинок. имеются окно входа 12 и выхода 13 рабочего тела, расположенные по разные стороны, соответственно под и над восходящим (перепускным) участком 2 разделителя 9 (снизу или сверху вдоль оси ротора 7) и примыкают к месту касания разделителя 9 с ротором 7 (фиг.2). при этом окна могут простираться по угловой протяженности на всю длину восходящего участка 3 разделителя 9 и даже залезать на площадки 82 контакта разделителя 9 с коническими поверхностями 17 ротора 7. собирается OPM следующим образом. усэ 44 устанавливается в отверстии 39 между двумя частями поршня 8. части поршня 8 прочно соединяются между собой любым известным способом (винты, заклепки, сварка). на поршень 8 с двух сторон накладываются вставки 80. весь этот узел вставляется в паз 21 ротора 7. при этом вставки 80 могут входить в углубления 59 свободно или запрессовываться. далее собранный узел заключается между двумя половинками 2 и 3 корпуса 1 с уже вставленными в них частями 10 и 11 разделителя 9. далее корпус 1 может просто плотно вставляться в трубу (обычная часть сборки многоступенчатых погружных насосов), или части 2 и 3 крепятся друг к другу любым известным способом (винты, кольца).

для того, чтобы OPM стала более технологичной (ширпотребом), в нее могут быть внесены следующие изменения.

поршень 8 на фиг.4 выполнен в виде плоского диска (для возможности самоустановки в сферической полости 4 корпуса 1, 2, 3 и в пазу 21 ротора 7) со сферической боковой поверхностью 31. торцы 34 поmrrня 8 выполнены плоскими, хотя яопvекаются небольшие отклонения

(например, поднятие или обнижение середины поршня для регулирования момента трения поршня 8 в пазу 21 ротора 7) или смазочные и разгрузочные канавки, выборки 57 для облегчения, полости для жидкости (как в гидроподшипниках) на диаметрально противоположных сторонах диска выполнены сквозные прорези 33 для установки в них усэ 44. на боковой стенке 36 прорези 33 имеется цилиндрический участок 37, соединенный фасками 43 с торцевыми поверхностями 34 поршня 8. дно 35 прорези имеет сферический участок, в центре которого выполнено цилиндрическое отверстие 39 идущее вдоль диаметра поршня 8. при выходе наружу, отверстие становится коническим 38. причем конус 38 выходит на торцевые поверхности 34 поршня 8. это позволяет увеличить для прочности основание 52 усэ 44. для простоты изготовления цилиндрическое отверстие 39 может выполняться сквозным, одного диаметра. но более прочный поршень получается, если в центре поршня отверстие 39 проходят меньшим диаметром 62 (под штифт 47 усэ 44).

на фиг.5 изображен в разобранном виде усэ 44 для поршня 8 с фиг.4. он состоит из двух одинаковых концов соединяемых штифтом 47. на оси 53 усэ 44 имеется коническое основание 52, на котором имеется рассеченная сквозной прорезью 45 цилиндрическая часть 60. на рассеченной цилиндрической части 60 имеются выступы 46, продлевающие сквозную прорезь 45. дно 50 прорези 45 выполнено в виде участка сферы (для простоты и в виду небольших размеров, может выполняться в виде участка цилиндра, или даже плоским). чтобы минимизировать ослабление усэ 44 пазом 45, между дном 50 прорези 45 и его боковыми стенками 49 оставлены фаски 55 (радиусы скругления). на противоположном торце оси 53 усэ 44 выполнено отверстие 54 под штифт 47 соединяющий два конца усэ 44. диаметр конца оси 53 усэ 44, в который запрессовывается штифт 47 немного (например, на несколько соток) занижен. цилиндрическая часть 60 усэ 44 имеет сферический торец 51 для контакта по сфере 4 корпуса 1 и

сферический противоположный участок 56 для контакта по сфере 18 ротора 7.

участок ротора 7 (фиг.6) соответствующий одной ступени OPM выполнен для работы с поршнем 8 с фиг.4 и усэ 44 с фиг.5. между входным и выходным валом 19 ротора 7 имеется сферическая часть 16. в экваториальной части которой выполнен круговой паз. дном паза является центральная сфера 18, а боковыми стенками паза служат конические поверхности 17. через сферу 16, вдоль геометрической оси 6 вращения ротора 7, симметрично, выполнен, для простоты, прямоугольный (не считая радиусов скругления) сквозной паз 21. паз 21 может немного заходить на входной и выходной вал 19, а его короткие стороны могут быть не прямыми (например, дуга). на стыке паза 21 ротора 7 и центральной сферы 18 выполняются фаски 61 для плотного прохождения конического основания 52 усэ 44.

такое решение довольно простое. сборка происходит следующим образом. в паз 21 ротора 7 вставляется поршень 8. в отверстие 39 (62) поршня 8 вставляется штифт 47, и далее с двух сторон в отверстие 39 поршня 8 вставляются и напрессовываются на штифт два конца усэ 44. прорези 45 усэ 44 при этом ориентируются параллельно. для более надежной фиксации, можно покрывать отверстие 39 (62) поршня 8 тонким слоем электроизолирующего лака, а на поверхности штифта 47 создавать тонкую пленку окисла (для увеличения локального сопротивления току). при пропускании электрического разряда с одного конца усэ 44 на другой происходит сварка концов усэ 44 со штифтом 47.

ось усэ 44 ослабляет поршень 8 (делит его на две части). для устранения этого недостатка, предлагается поршень 8 (фиг.7), состоящий из двух частей. деление происходит вдоль плоскости торцов 34. при этом появляется возможность на одной из частей в средней части поршня 8 выполнить выступающую площадку 63. основная цель площадки 63 —

упрочнение поршня 8 за счет увеличения толщины в слабом месте. при необходимости площадка 63 может быть использована в качестве оси 27 вращения. заодно, на примере этого поршня показан пример выполнения облегчения поршня 8 за счет выборок 57 материала изнутри. пустоты 57 можно заполнить более легким веществом. две части поршня 8 могут крепиться друг к другу, например, с помощью заклепок через отверстия 64 находясь уже в пазу 21 ротора 7.

для работы с таким поршнем 8 в центральной части паза 21 ротора 7, по меньшей мере, на одной из его сторон (фиг.6). выполняется углубление 59 произвольной формы, достаточное для размещения выступа 63. при самоустанавливающемся поршне 8 выступ 63 должен входить в углубление 59 с достаточным люфтом, а при использовании выступающей площадки 63 в качестве оси 27 люфт должен быть небольшим.

т.к. в этой OPM все границы раздела объемов с разными давлениями являются площадками (что уменьшает утечки и размывание металла жидкостью с абразивом), а не линиями, кроме границы между конусом 52 основания усэ 44 и фаской 61 на роторе 7, желательно и это место выполнить по-другому.

на фиг.8 показан поршень 8 с шайбой 65, которая устанавливается в прорезь 33 поршня 8 после его установки в паз 21 ротора 7. шайба 65 функционально имеет четыре стороны, две 66 из которых плоские (конические), и две 70 имеют форму ответную боковым стенкам прорези 33 поршня 8 (для фиксации в ней). дно 67 шайбы 65 цилиндрическое (может быть сферическим), верх 68 сферический. в ней выполнено конусное (цилиндрическое) отверстие 69 под усэ 44. на роторе 7 в этом случае требуется выполнить канавки 71 вдоль стыка центральной сферы 18 с пазом 21 (фиг.10). прорезь 33 поршня 8 требуется углубить для размещения шайбы 65. в увеличенном виде шайба 65 показана на фиг.9.

поршень 8 с усэ 44 без выступов 46 (фиг.11) является более дешевым и более герметичным вариантом, но его ресурс из-за отсутствия выступов 46 может быть ниже. этот усэ 44 отличается еще и тем, что прорезь 45 имеет профиль, зауженный к центру поршня 8. основание 52 усэ 44 не нарушает торцевую поверхность 34 поршня 8 (отверстие 38 вписывается в площадь дна 35 прорези 33). выступающая в рабочую камеру 20 часть усэ 44 выполнена в виде тела вращения состоящего из конуса 73 и цилиндра 60.

на фиг л 2 показан разделитель 9, выполненный в виде многоугольника. такая форма упрощает выполнение канавки на сферической поверхности 4 корпуса 1 для крепления разделителя 9. для прочности деление разделителя 9 выполнено на две не равные части. меньшей сделана часть 11 со сквозными проходами 42 (напорная), т.к. она испытывает только продольную нагрузку от перепада давления, в отличие от другой (перепускной) части 10. разъем 40 выполнен в виде ступеньки выходящей в центре разделителя 9 на диаметрально противоположные точки (или несколько далее на напорную часть). при сборке желательно дополнительно зафиксировать разъем 40 при помощи контактной сварки или другого известного метода. на стыке внутренней сферической поверхности 41 с боковой (плоской) поверхностью выполнена фаска 74. в этом случае ответная фаска 72 выполняется на роторе 7 (фиг.10).

на фиг. 13 показано как стыкуются две ступени корпусов OPM из фиг.l. для разгрузки вала OPM от радиальной нагрузки, две ступени стыкуются между собой с разворотом на пол оборота относительно оси 6 машины. из таких блоков можно набирать машину с большим числом ступеней. для жесткости (поскольку каждая ступень OPM создает довольно большое давление), желательно выполнять продольную половину корпуса, состоящего из нескольких ступеней цельной. однако это часто (в

зависимости от имеющегося оборудования) нетехнологично. ротор многоступенчатой машины еще важнее выполнять цельным из двух, четырех или более ступеней. он может получаться просто сложением отдельных ступеней (без разворота).

вариант исполнения OPM по фиг.15 отличается отсутствием нисходящего участка 11 разделителя 9. его роль в OPM по фиг.l сводилась к перекрытию прорези 45 усэ 44 на напорном участке, и разделителем 9 он назван как продолжение одной детали. роль разделения камер с разными давлениями рабочего тела выполняет только восходящий участок 10 разделителя. прорезь 45 усэ 44 в данной варианте OPM перекрывается выступом 75 (фиг.16) на поршне 8 при повороте усэ 44 разделителем 9 (бывшим восходящим участком 10), находящимся на противоположной стороне поршня 8. при этом пришлось убрать выступы 46 усэ 44. для снижения перетоков на переходных участках (фиг.16) - заходе 81 на разделитель 9 и сходе 76 с него, когда прорезь 45 усэ 44 еще не полностью перекрыта выступом 75, в прорези 45 в углублении установлен упругий эластичный элемент 79 (фиг.17), перекрывающий прорезь 45 в отсутствие в ней разделителя 9. пространство под этим элементом 79 соединено с камерой перед поршнем, так, что давление рабочего тела не оказывает влияния на его положение. за счет смещения линии контакта упругого эластичного элемента 79 с верхней площадкой 48 усэ 44 вперед, можно создать усилие на запирание прорези 45 давлением рабочего тела. в остальном данный вариант OPM не отличается от варианта по фиг.l .

вариант исполнения OPM по фиг.18 отличается от варианта по фиг.15 отсутствием усэ 44. его роль в перекрытии прорези 33 поршня 8 выполняет новый элемент - заслонка 86. для его установки, на плоской части поршня выполнен паз 85 представляющий собой цилиндрическое

углубление в центре соединенное с сектором выходящим в окрестности паза 33 (фиг.19). в пазу 85 с возможностью вращения установлена заслонка 86, представляющая собой круг, соединенный ножкой с площадкой. дальняя сторона площадки ограничена сферической поверхностью для уплотнения по сфере 24 корпуса. ближняя - тоже по сфере, но меньшего радиуса для контакта по сферическому дну прорези 33 поршня 8. на круговой части задвижки 86 выполнен паз 90 в виде дуги. на противоположном конце поршня 8 на противоположной его стороне (симметрично относительно вертикальной оси) выполнен такой же паз 85, и в нем расположена еще одна задвижка 86. две задвижки 86 могут быть неподвижно состыкованы между собой осью 89 через отверстие в центре поршня 8 или подпружинены упругим элементом 91 в сторону перекрытия прорези 33. запрессованный в отверстие в роторе 7 (не показано) в даз 21 ротора 7 выставляется штифт, который попадает в канавку 90 задвижки 86. его цель - останавливать задвижку 86 при движении прорези 33 поршня 8 вниз на высоте, при которой задвижка 86 не врежется в заход 83 (т.е. открывать паз 21 перед разделителем 9). дополнительно, на задвижке может быть выступ 88, а на разделителе - заход 83 для задвижки 86 и может быть сход 84. форма рабочей поверхности выступа 88 похожа на часть функции косинус. т.е. начальный участок вдоль скорости движения, далее угол изменяется. при набегании на заход 83 задвижка открывается. выступ 88 на одной из задвижек 86 крепится к ней уже яосле вставки в паз 21 ротора 7 любым известным способом. достаточно одной из двух описанных систем открытия задвижки 86. если две задвижки 86 соединены осью 89 неподвижно, то открытие (подъем) одной из них разделителем 9 ведет к принудительному закрытию (опусканию) другой. дополнительно на фиг.19 показаны места для выборки 57 материала поршня 8 эффективно снижающие его инерционность для снижения инерционной нагрузки на разделитель 9. места близкие к плосжости разделителя 9 почти не создают

инерционной нагрузки, т.к. движутся по естественным траекториям под действием центробежных сил инерции. паз 21 ротора вьmолняется плоским.

вариант исполнения OPM по фиг.20 отличается от варианта по фиг.18 немного другим устройством задвижки 86. ее площадка, перекрывающая прорезь 33 поршня 8, не лежит в пазу 85 поршня 8, а накладывается сверху на плоский торец 28 поршня 8. это сделано для того, что бы паз 85 не уменьшал рабочей площади прорези 33 поршня 8. хотя для разборности придется крепить площадку задвижки 86 к ножке уже после вставки поршня 8 в паз 21 ротора 7 или использовать вставку.

корпуса 1 вариантов OPM по фиг. 15, 18 и 20 не отличаются друг от друга и, за исключением отсутствия паза под разделитель 9 в напорной части 3, не отличаются от корпуса 1 OPM по фиг.l. точно так же могут объединяться их ступени. роторы 7 тоже очень похожи.

при точном исполнении данных OPM, их поршни могут быть снабжены осями. это может увеличить ресурс.

вариант OPM по фиг.l работает следующим образом. при вращении ротора 7 одна из выступающих в рабочую полость на нисходящем участке 3 корпуса 1 выступающая часть поршня 8 перекрывает рабочую полость 20 разбивая её на две рабочих камеры уменьшающегося объёма (перед поршнем 8) и увеличивающегося объёма (за поршнем 8). прорезь 33 в поршне 8 при этом перекрывается усэ 44 и участком разделителя 11 со сквозными проходами 42. участок разделителя 11, при этом, не препятствует движению рабочего тела по ходу вращения ротора 7 по рабочей полости 20. рабочее тело из уменьшающейся рабочей камеры выходит в окно выхода 13 на восходящем участке 10, а в увеличивающуюся рабочую камеру поступает через окно входа 12 на восходящем участке 10. при этом поршень 8 проворачивается относительно ротора 7,

взаимодействуя прорезью 33 через усэ 44 с разделителем 9. при попадании этой части поршня 8 в зону перепуска (окон входа 12/выxoдa 13) сразу или через некоторое время его заменяет следующая выступающая часть поршня 8. процесс повторяется. при этом следует отметить, что инерционные нагрузки в OPM создает часть поршня 8, удаленная от оси 32 усэ 44. сам же усэ 44 и прилегающая часть поршня 8, под действием центробежных сил, колебалась бы с периодом близким к периоду вращения ротора. так что при облегчении удаленной от оси 32 усэ 44 части поршня 8, OPM может работать на очень высоких оборотах, т.к. колебания поршня будут в значительной степени обеспечиваться центробежными силами.

вариант OPM по фиг л 5 работает следующим образом. при вращении ротора 7 одна из выступающих в рабочую полость 20 на нисходящем участке 3 корпуса 1 выступающая часть поршня 8 перекрывает рабочую полость 20 разбивая её на две рабочих камеры уменьшающегося объёма (перед поршнем 8) и увеличивающегося объёма (за поршнем 8). прорезь 33 в поршне 8 при этом перекрывается усэ 44 и: выступом 75. рабочее тело из уменьшающейся рабочей камеры выходит в окно выхода 13 на восходящем участке 10, а в увеличивающуюся рабочую камеру поступает через окно входа 12 на восходящем участке 10. при этом поршень 8 проворачивается относительно ротора 7, взаимедействуя прорезью 33 через усэ 44 с разделителем 9 в восходящей части корпуса. при попадании этой части поршня 8 в зону перепуска (окон входа 12/выxoдa 13) сразу или через некоторое время его заменяет следующая выступающая часть поршня 8. при этом усэ 44 проворачивается разделителем на другой стороне поршня и вскоре его прорезь 45 перекрывает выступ 75 поршня 8. еще до этого момента, сразу при сходе с разделителя 9 прорезь 45 перекрывается упругим эластичным элементом 79. после прохода нисходящего напорного участка корпуса 3, прорезь 45 усэ 44, проворачиваемого разделителем 9, выходит из области перекрытия выступом 75 поршня 8. в нее входит заходный

участок 81 разделителя 9 и отгибает упругий элемент 79. процесс повторяется.

вариант OPM по фиг.18 работает следующим образом. при вращении ротора одна из выступающих в рабочую полость 20 на нисходящем участке 3 корпуса 1 выступающая часть поршня 8 перекрывает рабочую полость 20, разбивая её на две рабочих камеры: уменьшающегося объёма (перед поршнем 8) и увеличивающегося объёма (за поршнем 8). прорезь 33 в поршне 8 при этом перекрывается задвижкой 86. рабочее тело из уменьшающейся рабочей камеры выходит в окно выхода 13 на восходящем участке 10, а в увеличивающуюся рабочую камеру поступает через окно входа 12 на восходящем участке 10. при этом поршень 8 проворачивается относительно ротора 7, взаимодействуя прорезью 33 с разделителем 9 в восходящей части 2 корпуса 1. при попадании этой части поршня 8 в зону перепуска (окон входа 12/выxoдa 13) сразу или через некоторое время его заменяет следующая выступающая часть поршня 8. при этом при подходе прорези 33 поршня 8 к заходному участку 83 штифт внутри паза 21 ротора 7 доходит до края канавки 90 заслонки 86 и останавливает ее в положении, когда она не перекрывает прорезь 33 поршня 8. в случае износа этого механизма, заслонка выступом налетает на заходную часть 83 разделителя 9 и тоже открывается. далее разделитель 9 приподымает заслонку, которая, будучи жестко связана осью с заслонкой на противоположном краю поршня 8, входящей в этот момент в напорную часть корпуса, опускает ее закрывая прорезь 33. в случае не жесткой связи двух заслонек 86, заслонки 86 закрываются под действием центробежной силы и/или упругого элемента 91. процесс повторяется.

вариант OPM по фжг.20 работает аналогично варианту OPM по фиг.18, за исключением отсутствия участия выступа 88 и упругого элемента 91.