Роторно-поршневой насос

Принцип работы конструкции

Устройство сконструировано на базе роторно-поршневого механизма (РПМ) от двигателя известного немецкого изобретателя Ванкеля. Но для выполнения функции перекачки жидкости и газа РПМ преобразован следующим образом. Для трехвершинного поршня выбрана другая рабочая поверхность вместо старой по треугольнику Рëло. Для внутренней поверхности камеры применена также новая поверхность, дающая механизму более точное функционирование, выведены ее математические формулы.
По принципу работы насос относится к объемным устройствам с всасыванием и последующим выдавливанием жидкости или газа из внутренней полости.

Область применения насоса и преимущества

Целью разработки насоса явилась возможность универсально применять его для:
̶ использования в отрасли нефтедобычи вместо шахтных поршневых насосов с громоздким наземным оборудованием, дорогих многовинтовых насосов и, в основном предназначенных для сравнительно “чистой” нефти, центробежных насосов;
̶ обслуживания систем перекачки жидкости или газа, а также для силовых систем (гидравлических и пневматических) контроля и управления с электронным обеспечением, например, в автомобилях;
̶ водоснабжения жилых строений вместо зубчатых, поршневых, центробежных и др. типов насосов.
Преимущества (пока расчетные) нового насоса перед вышеуказанными:
̶ производительность в 1,5 раза выше (при равных габаритах и массе);
̶ КПД насоса > 0,92 (у вышеуказанных≈0,85).

Краткое описание конструкции основных звеньев

На рисунках представлены два варианта Роторно-поршневого насоса:
‒ вар.Ⅰс всасывающим и нагнетающим патрубками на торцевых крышках;
‒ вар.Ⅱс всасывающим и нагнетающим штуцерами, размещенными на корпусе.
На рис.1a изображен в сборе насос по вар.Ⅰ, на рис.1b – то же по вар.Ⅱ. На рис.2 представлен насос варианта Ⅱ в разобранном состоянии.
В вар.Ⅰзвено корпус-гильза – это единая деталь, в вар.Ⅱ- это две разные детали. К группе основных звеньев относятся также поршень, эксцентриковый вал и две крышки.
Ниже дано дополнительно краткое описание конструкции этих звеньев.
Гильза 1служит для размещения роторного механизма. Для обеспечения равномерной перекачки внутренняя поверхность гильзы должна быть обработана по специальной фигурной поверхности, по которой точно скользит и перекатывается поршень 2. Рассчитаны и выведены математические формулы этой поверхности.
Поршень 2 служит для вытеснения и всасывания жидкости или газа при вращении вала. Для получения равномерной перекачки наружная поверхность поршня выбрана специальная с другой направляющей (вместо старой направляющей – ∆ Рëло), которая также имеет три скругленные вершины. Внутренняя поверхность поршня – цилиндрическая и служит для подвижной посадки на эксцентрик вала. Торцы поршня плоские..
Эксцентриковый вал 3 служит для передачи энергии вращения роторному узлу насоса. Внутренняя часть вала выполнена в виде эксцентрика 5 для подвижной посадки на него поршня 2.
Крышки 6, 7 служат для опоры вала 3 и ограничения продольного смещения поршня 2 и эксцентрика 5 с валом, которые во время функционирования насоса свободно скользят своими плоскими торцам по внутреннему плоскому торцу каждой крышки. В вар.Ⅰ на внешних торцах крышек размещены всасывающий и нагнетающий патрубки.
Примечание. На рисунках не показаны вспомогательные детали такие, как уплотнения, подшипники, опорные стойки, крепеж и т.д.

Общее описание функционирования насоса

На основе подетально описанной выше конструкции устройства ниже разобрана последовательность функционирования насоса вар. Ⅱ при перекачке, например, жидкости. В вар. Ⅰ принцип функционирования аналогичен, но трассировка жидкости значительно проще – поток поступает в патрубок (штуцер) или выходит из него непосредственно без окружных каналов, а канальные отверстия Ⅰ – IV фигурные и намного крупнее. На рис.3a показан общий вид насоса в поперечном разрезе для вар. Ⅰ, на рис.3b – то же для вар.Ⅱ. В основных линиях, показаны неподвижные детали и одно из возможных промежуточных положений звеньев роторного механизма насоса, а в тонких линиях – начальное положение поршня и вала. Для простого восприятия принципа работы насоса надо исходить из следующих условий: − в начальной ситуации одна из вершин поршня С_о находится на вертикали в верхнем положении; − вал 3 вращается с постоянной скоростью n₃ против час. стр.; − отношение скоростей вращения поршня 2 и вала 3 равно: n₂/ n₃=1/3. В любой момент времени в поперечном сечении устройства поршень имеет не менее 4 точек контакта с гильзой, которые делят пространство между поршнем и гильзой на переменные по объему части. При повороте вала 3 с кулачком 5 на угол α против часовой стрелки поршень, выйдя из начального положения 2_о, показанное в тонких линиях, займет положение 2_α, повернувшись вокруг своей оси на угол α/3. Такое точное вращение обеспечивается специально рассчитанной формой внутренней поверхности гильзы и внешней – поршня под воздействием сил давления жидкости и реакций в точках контакта поршня с гильзой. При этом из полостей M и m вытесняется жидкость, которая через канальные отверстия Ⅰ, Ⅱ и окружной канал связи 13 поступает в левый нагнетающий штуцер 11. Одновременно полости N и n расширяются, всасывая жидкость через другие канальные отверстия Ⅲ, Ⅳ и другой окружной канал связи 13 ^l (находящийся за каналом 13) из правого всасывающего штуцера 11^l. При дальнейшем повороте вала и поршня эта поступившая жидкость вытесняется в левый нагнетающий штуцер как описано выше в начале процесса. Такая прокачка жидкости происходит постоянно при вращении вала в любом положении поршня. При вращении вала 3 в обратном направлении – по часовой стрелке вышеприведенный поток жидкости меняет направление и перекачка будет происходить в обратную сторону. Очевидно, что за один оборот представленный насос всасывает и дальше выдавливает больше жидкости (в ≈2 раза), чем шестернями зубчатого насоса, условно вставленными во внутренние габариты на рис.3 (из-за ограниченности высоты зубьев).

Характеристика насоса

На рис.3 представлено схематично взаимное расположение поршня относительно четырех отверстий, из которых Ⅰ и Ⅱ работают как нагнетающие, а Ⅲ и Ⅳ ̶ как всасывающие при вращении поршня и вала против час. стр. Характеристики насоса по подаче показаны на рис.4.
Выбраны два типа характеристик подачи:
̶ на рис.4a представлена удельная подача по углу поворота вала
̶ угловая подача V_уг (см³/град.);
̶ на рис.4b дана удельная временная подача, т.е. за единицу времени ̶ V_вр (см3/сек.).
Характеристика подачи через определенное отверстие прослеживается по соответствующей линии:
̶ подача через отв.Ⅰ изображена сплошной тонкой линией V^Ⅰ,
̶ подача через отв.Ⅱ – тонкой штриховой V^Ⅱ;
̶ суммарная подача насоса изображена утолщенной сплошной линией V^∑.

На графиках видно, что при неизменных оборотах суммарная подача постоянна. Это было подтверждено экспериментально на опытном образце: выходящий поток был равномерный без пульсаций, рассеивания и закручивания.
Закономерность характеристик подачи базируется на смещенной недеформированной синусоиде y = a + b sin (x – c), из которой выведены следующие формулы:

Доказательством неизменной подачи насоса в единицу времени при постоянных оборотах является симметричность др. др. двух кривых относительно их общей продольной оси. Как наглядно показано на рис.4b, в любой произвольный момент, соответствующий секущей линии с-с, ордината точки V_(c-c)^∑ на линии общей подачи равна сумме ординат точек V_(c-c)^Ⅰ и V_(c-c)^Ⅱ на кривых линиях подач из отверстий.
Графики на рис.4 построены по результатам испытания опытного образца, имеющего следующие данные: рабочий объем V_p = 90см³/об., n = 300 об/мин., рабочее давление р <5 бар, производительность Q = 27 л/мин. Прокачивалось масло гидравлическое RANDO HD46 (вязкость 46 сСт).