具有改進進口通道的齒輪泵的製作方法

2023-06-23 06:29:06 1

專利名稱：具有改進進口通道的齒輪泵的製作方法
技術領域：
本發明涉及容積泵，更具體而言，本發明涉及一種具有改進進口通道 的齒輪泵。
背景技術：
諸如迴轉泵之類的齒輪泵眾所周知，並且長期以來廣泛地用於多種應 用。這種泵是容積泵，其中使轉子組旋轉以對工作流體加壓，所述轉子組包括內轉子和外轉子，所述內轉子具有給定齒數N而所述外轉子具有至少 N+l齒。轉子組的內轉子的旋轉中心相對於轉子組的外轉子的旋轉中心偏心 定位，從而當轉子組被驅動時，在內轉子和外轉子的齒之間形成一系列可 變容積的泵送室。當泵送室的容積開始增大時，該泵送室與泵的進口通道 形成流體連通，從而低壓工作流體被抽入泵送室。當轉子組繼續旋轉時， 泵送室的容積到達其最大值，並且泵送室移動而使泵送室不再與進口通道 流體連通，從而使得工作流體加壓。當轉子組繼續進一步旋轉時，泵送室 的容積開始減小，並且泵送室與泵的出口通道形成流體連通。當泵送室的 容積繼續減小時，其中的工作流g壓入出口通道進而壓入泵出口。雖然被廣泛地使用，但是這種泵仍具有許多問題。特別地，已證實當 進口壓力低和/或泵的操作速度高時難以從泵進口對泵送室進行填充，這種困難會導致氣穴現象並使操作噪聲增大。最早的改進泵送室填充的方法包 括嘗試提供最大實際尺寸的進口通道。然而，這種設計所獲得的結果在許多應用中因多種原因而不能4^人滿意。授予MacLeod的美國專利4,836,760教示了另一種增強泵送室填充的 方法，其中，進口通道位於泵送室外徑的徑向內部。MacLeod認識到轉子 組旋轉所產生的離心力使泵送室中的工作流體承受壓力梯度，其中鄰近轉6子組外徑的流體處於最高壓力。通過徑向向內移動進口通道，MacLeod教 示了由於工作流體在這樣的位置進入泵送室而改進了填充效果，其中在所 述位置處，已經iiX泵送室的工作流體的壓力小於鄰近轉子外徑的高壓工 作流體。近來，其它方法涉及沿轉子組的旋轉方向加長鄰近泵送室的外徑向部 分、內徑向部分或兩者的進口通道。然而，這些方法的填充效率同樣低於 所需水平。授予Ike等人的美國專利6,896,500教示了減小進口通道的深度，使 其在泵送室即將閉合之前相對較淺，顯然，這麼作旨在將工作流體引導至 泵送室中以更好地填充泵送室。儘管MacLeod和其他人給予教示，但是齒輪泵仍然由於泵送室的低 效填充而具有不合要求的空穴現象和操作噪聲。發明內容本發明的一個目的在於提供一種新型齒輪泵，所述齒輪泵消除或緩解 現有技術的至少一個缺點。根據本發明的第一方面，提供了一種用於工作流體的齒輪泵，所述齒 輪泵包括泵殼，所述泵殼限定轉子室以及泵進口和泵出口；轉子組，所 述轉子組位於所述轉子室中，所述轉子組包括內轉子和外轉子，所述內轉 子能夠旋轉從而使所述轉子組旋轉，所述內轉子和所述外轉子的齒隨所述 轉子組的旋轉而形成嚙合和脫離嚙合，從而在所述轉子齒之間形成泵送 室，所述泵送室的容積隨所述齒形成嚙合以及脫離嚙合而改變；出口通道， 所述出口通道與所述泵出口流體連通並在轉子組的使得所述泵送室的容 積得以減小的角位置處接收來自所述泵送室的加壓工作流體；以及進口通 道，所述進口通道和所述泵進口流體連通以在所述轉子組的使得所述泵送 室的容積得以增大的角位置處接收從所述泵進口流向所述泵送室的工作 流體，所述進口通道沿所述轉子組的旋轉方向終止於徑向向內延伸的坡面 部分，所述坡面部M作用而將工作流體徑向向內引導至越過所述坡面部 分的泵室內，從而充分地對所述泵送室進行填充。


現在參考附圖並僅作為示例描述本發明的優選實施方式，所述附圖為圖l示出了用於常規齒輪泵的轉子組以及進口和出口通道；圖2示出了圖1中的泵的通道的幾何形狀；圖3示出了用於根據本發明的齒輪泵的轉子組以及進口和出口通道；圖4示出了圖3中的泵的通道的幾何形狀；圖5示出了圖3中的轉子組的一部分，圖中示出了內轉子的齒的厚度的 效果；圖6a至圖6d示出了用於圖3中的泵的其它一些可行的進口通道的幾 何形狀；圖7a和圖7b分別示出了從箭頭a和b所示方向觀察的圖3中的進口 通道輪廓的示意性側視圖；圖8a和圖8b分別示出了從箭頭a和b所示方向觀察的圖3中的替代 性的坡面型進口通道^v泰的示意性側視圖；圖9示出了圖3中的泵的通道的幾何形狀,其中所述泵具有替代性的延 遲的通道的幾何形狀；以及圖IO示出了雙重進口通道輪廓的平面示意圖。
具體實施方式
在圖1中，常規的齒輪泵以10表示。在圖中，泵10包括轉子組14， 所述轉子組14包括外轉子18和內轉子22。內轉子22由原動機(未圖出) 驅動並使轉子組14在泵殼(未圖出)內旋轉，並且在所示出的構造中，轉 子組14沿逆時針或泵送方向旋轉。當轉子組14旋轉時，內轉子22的齒與外轉子18的齒嚙合及脫離以 形成一系列連續的泵送室26。顯然，各泵送室26的容積隨轉子組14在泵 殼內旋轉而改變。轉子組14疊置在進口通道30 (以虛線表示)上，所述進口通道30 與泵10的進口 34流體連通。進口通道30供應有來自進口 34的工作流體， 並當泵送室26的容積開始增大時允許工作流體i^泵送室26。轉子組14還疊置在出口通道38 (同樣以虛線表示)上，所述出口通 道38與泵10的出口 42流體連通。出口通道38供應有工作流體，所述工 作流體在泵送室26的容積隨轉子組14的旋轉而減小時在泵送室26中受 壓。在圖2中可更好地看到進口通道30和出口通道38的幾何形狀，特別 是能夠看到進口通道30的鄰近泵送室26的外徑向部分和內徑向部分且沿 轉子組14的旋轉方向延伸的加長部46。加長部46在本領域中通常稱作"雞 尾"，其旨在改進泵送室26的填充，並且是一種最常用的改進泵送室填充 的方法之一。然而，具有這種雞尾的泵由於對泵送室的填充缺乏效率，因此所述泵 仍然具有氣穴現象和/或操作噪聲。由於泵送室26中的流體的動量，因此 工作流體受到徑向向外推壓，導致泵送室26有效地分隔為徑向外高壓區和 徑向內低壓區。較高壓力的流體趨於洩回到泵進口 30，導致泵送室26形 成低效填充。實質上試圖延長泵送室的填充時間的加長部46事實上在較高 壓力的工作流體與進口通道30處於流體連通時趨於經由加長部46而使洩 漏持續更長時間從而增大所述洩漏。具體而言，泵送室中其壓力大於進口 中的工作流體壓力的工作流體一即位於泵送室的外徑向周邊處的工作流體 —洩回到進口。圖3示出了才艮據本發明的齒輪泵100。泵100包括轉子組104，所述 轉子組104包括外轉子108和內轉子112。內轉子112由原動機(未圖出) 驅動並使轉子組104在泵殼105內旋轉，並且在所示出的構造中，轉子組 104沿逆時針的泵送方向旋轉。如前述，內轉子112和外轉子108的齒在齒的峰部和谷部之間形成一系列連續的泵送室126。泵送室各自具有隨轉子組104在泵殼中沿泵送方 向旋轉而改變的容積。當內轉子112的齒離開外轉子108的齒時，泵送室 126的容積增大至最大容積。在上死點最大容積時，內轉子112的相鄰齒 的峰部接觸外轉子108的相鄰齒的峰部。進一步的旋轉將使內轉子112的 齒朝向與外轉子108的齒接合或實現與其掩^的方向相對移動，從而使泵 送室126的容積減小到下死點最小容積。在最小容積時，外轉子108的齒 的峰部將嵌在內轉子112的相鄰齒之間的根部中。轉子組104疊置在進口通道116 (以虛線表示)上，所述進口通道116 與泵100的進口 120流體連通。進口通道116供應有來自進口 120的工作 流體，並當由轉子組104形成的泵送室126的容積開始增大時允許工作流 體ii^所述泵送室126。轉子組104還疊置在出口通道124 (同樣以虛線表示)上，所述出口 通道124與泵100的出口 128流體連通。出口通道124供應有工作流體， 所述工作流體在泵送室126的容積隨轉子組104旋轉而減小時在泵送室 126中受壓。在圖4中可更好地看到出口通道124特別是進口通道116的幾何形狀。 如圖所示，出口通道124具有常規的構造，即具有上遊端125、下遊端127、 內側壁129以及外側壁131。內側壁129沿著連接內轉子112的齒的根部 的徑向線從上遊端125延伸至下遊端127。外側壁131沿著連接外轉子108 的齒的根部的徑向線從上遊端延伸至下遊端127。由於內轉子112和外轉 子108並不同心，因此側壁129和131取決於齒的幾何形狀也同樣不同心 並且具有預定的偏移度。進口通道116具有上遊端131並具有沿轉子組104的旋轉方向終止的 徑向向內逐漸變尖的下遊端部132,所述下遊端部132被本發明的發明人 稱作"鵝頭"。內側壁133沿著連接內轉子112的齒的根部的徑向線從上遊 端131延伸至下遊端部132。外側壁135沿著連接外轉子108的齒的根部 的徑向線從上遊端延伸至下遊端部132。側壁133和135取決於齒的幾何 形狀也同樣不同心並且具有預定的偏移度。端部132包括坡面部分136，所述坡面部分136從內側壁133延伸至 外側壁135。坡面部分136用於將工作流體從進口 116引至越過端部132的一系列泵送室的徑向內低壓區，由此使得泵送室的填充得以改進。端部132的定向該:計成能引導來自進口 116的工作流體以在對徑向外 高壓部分進行填充之後對泵送室126的徑向內低壓區進行填充，並且使從 高壓部分洩回到進口 116的洩漏減到最小。特別地，當泵送室126的徑向 外高壓部分最外側的容積微元被填充至其最大值時，所述最外側的容積微 元由於越過端部132而得到密封，從而防止其洩回到進口 116。換言之， 外轉子108的根部的前緣109是徑向外部分的越過端部132而使閉合過程 開始進行的第一點。接著，泵送室126中鄰近第一容積微元的下一個容積 微元得到填充並同樣在越過端部132時得到密封。該過程逐漸繼續，直到 泵送室126的整個高壓徑向外區進而低壓徑向內部分得到填充。泵送室126 的徑向內部分最後得到填充並閉合。徑向內部分位於內轉子112的相鄰齒 的根部或槽部的附近。由於齒的曲率和端部132的構造，因此最後閉合的 位置將位於後緣110上，即位於連接內轉子112的齒的根部的徑向線的附 近。換言之，端部132與內轉子和外轉子配合以從徑向外部分至徑向內部 分逐漸地閉合泵送室126。參考圖7和圖8，進口通道116可以具有均勻的深度，如圖7a和圖 7b所示。如需要，進口通道116的深度可以從上遊處(接近泵進口 120) 的最大深度減小至鄰近端部132的最小深度，如圖8a和圖8b所示。可以 預期的是,對於一些操作條件和/或工作流體，以所述方式減小進口通道116 的深度能夠進一步改進泵送室126的填充效率。除了上述優點之外，本發明還具有以下優點，即泵送室126僅具有單 個閉合點，而非現有技術的"雞尾"設計中的兩個閉合點。本領域的技術 人員顯然清楚，通過消除閉合點以及泵送室126中相應的流體死區，相關 的渦流和湍流同樣得以減小，從而進一步增強泵送室126的填充並且由於 流體能量沒有消耗在產生這些渦流和湍流上而改進了泵的效率。此外，優 選地，當泵送室靠近閉合點(即當泵送室相對於進口通道即將完全密封) 時，單個閉合點定位在鄰近泵送室內的壓力不足區(較少填充區)處，即 位於內轉子112的較小直徑附近或較小直徑上。進一步地，已經確定通過轉子組的設計而獲得泵送室填充效率的改 進，在所述轉子組設計中，減小內轉子112的齒的厚度(即寬度)或使其目應地修改外轉子108的共軛齒的設計，從而減小在對 泵送室進行填充時所產生的死區的尺寸。圖5示出了轉子組104的一部分, 其中示出了內轉子112的兩個不同齒的厚度的效果。如圖所示，與圖中由 A表示的形成較小死區130的較薄的齒厚度相比，圖中由B表示的化享的 齒形成較大的死區128。圖6a至圖6d示出了端部132的其它幾何形狀的示例。圖6a示出了 一種實施方式，其中端部132的特徵是具有凸出的坡面部分150。圖6b示 出了一種實施方式，其中端部132的特徵是具有凹入的坡面部分154。圖 6c示出了一種實施方式，其中端部132的特徵是具有三平面式坡面部分 158，另外圖6d示出了一種實施方式，其中端部132的特徵是具有雙平面 式坡面部162。可以預期的是，端部132的所述這些或其它坡面部分的設 計—包括具有兩個以上平面的坡面部分—可以取決於轉子組104的設計、泵100設計用於的工作流體、轉子組104的徑向尺寸以及泵100的預期操 作速度而得到有利地利用。本發明在以下情況下被認為特別有用及有利，即當泵100通過曲軸 安裝在內燃機上，或串連安裝在傳動裝置上，或用在內轉子112的驅動直 徑相對較大從而在工作流體上形成較大離心力和較高速度的應用場合中。 通過使用進口通道116的上述構造，可以獲得改進的泵送室126的填充效 果以及改進的泵效率。參考圖9,通過使具有最大容積的泵送室126在上死點時的角位置延 遲角度6 、並且隨後對進口和出口通道U6，和124，進行構造以獲得所需密 封以及泵的泵送作用，可進一步改進泵100在高轉速(RPM)應用情形中 的效率。使通il^遲特定角度不一定表示使兩個通道(即進口和出口通道) 延&目同的角度。實質上，延遲通道的方式包括在泵送室126處於最大容 積時4吏轉子108、 112旋轉所需角度。在圖3中可看到當內轉子112的齒的 峰部在接觸點107處接觸外轉子的峰部時具有最大容積。所需角度的範圍 從1至20。。鵝頭設計的進口和出口通道116，和124，於是位於這樣的角位 置，即閉合泵送室126並隨後打開泵送室126以進行排放。實質上，泵送 室126的延遲使得進口處的流體在經過上死點之後能夠與進口通道116，更 久地連通，從而進一步改進填充效果。進口通道116，的延遲增長了流體連 通的時間，但是對排量造成負面影響。任選地，殼體105"可以設置成能對泵送室進行雙重填充，如圖10所 示。雙重填充方案提供了與進口通道116直接相對的第二進口通道117， 以從轉子組104的兩側對泵送室進行填充。進口通道117與進口 120，連通， 所述進口 120，又與進口 120連通。雙重進口通道不必非得對稱或繞著泵送 室呈角度對稱。與鵝頭設計結合的雙重進口通道進一步改進泵送室的填充 效率，從而使氣穴現象和噪聲均得以減小。本發明的上述實施方式旨在作為本發明的示例，並且在不脫離完全由 本發明所附的權利要求書限定的本發明的範圍的情況下，本領域的技術人 員可對本發明進行改變和修改。
權利要求
1.一種用於工作流體的齒輪泵，所述齒輪泵包括泵殼，所述泵殼限定轉子室以及泵進口和泵出口；轉子組，所述轉子組位於所述轉子室中並能夠沿泵送方向旋轉，所述轉子組包括內轉子和外轉子，所述內轉子和所述外轉子各自具有齒，所述齒隨所述轉子組的旋轉而形成嚙合和脫離嚙合，從而在所述轉子齒之間形成一系列連續的泵送室，各泵送室具有隨所述齒脫離嚙合而增大並且隨所述齒形成嚙合而減小的容積；出口通道，隨著所述泵送室的容積減小，所述出口通道使所述泵出口和所述泵送室流體連通；以及進口通道，隨著所述泵送室的容積增大，所述進口通道使所述泵進口和所述泵送室流體連通，所述進口通道沿所述泵送方向終止於徑向向內延伸的坡面部分，所述坡面部分起作用而在徑向內部分處閉合各連續泵室。
2.如權利要求1所述的齒輪泵，其中，所述坡面部^*作用而在徑 向外部分處開始閉合各個所述泵送室並且逐漸地閉合至所述徑向內部 分。
3. 如權利要求2所述的齒輪泵，其中，所述坡面部分沿所述轉子組 的泵送方向呈大體凸出。
4. 如權利要求2所述的齒輪泵，其中，所述坡面部分沿所述轉子組 的泵送方向呈大體凹入。
5. 如權利要求2所述的齒輪泵，其中，所述坡面部分由至少兩個平 面部分形成。
6. 如權利要求2所述的齒輪泵，其中，所述進口通道的深度沿所述 轉子組的泵送方向減小。
7.如權利要求3所述的齒輪泵，其中，所述進口通道的深度沿所述 轉子組的泵送方向減小。
8.如權利要求4所述的齒輪泵，其中，所述進口通道的深度沿所述 轉子組的泵送方向減小。
9.如權利要求5所述的齒輪泵，其中，所述進口通道的深度沿所述 轉子組的泵送方向減小。
10.如權利要求2所述的齒輪泵，其中，所述內轉子的各個齒具有 周向寬度，所述周向寬度選定為具有相對較細的外形以減小隨著各個泵 送室經過所述進口通道的下遊端所形成的死區。
11. 如權利要求2所述的齒輪泵，其中，所述轉子組設計成能使各 個所述泵送室在所述內轉子的根部直徑附近的點閉合。
12. 如權利要求2所述的齒輪泵，其中，所述進口通道的下遊端和 所述出口通道的上遊端沿所述泵送方向延遲。
13. 如權利要求12所述的齒輪泵，其中，所述進口通道和所述出口 通道相對於上死點延遲l。至20。。
14.如權利要求1所述的齒輪泵，其中，所述坡面部分徑向向內引 導所述流體。
15.如權利要求1所述的齒輪泵，其中，所述坡面部分逐漸地閉合 各個連續的泵室。
16. 如權利要求1所述的齒輪泵，所述齒輪泵進一步包括第二進口 通道，隨著所述泵送室的容積增大，所述第二進口通道4吏所述泵進口和 所述泵送室流體連通，所述第二進口通道位於所述轉子組的與所述進口 通道相對的一側。
17. 如權利要求16所述的齒輪泵，其中，所述第二進口通道與所述 進口通道對稱。
18. 如權利要求16所述的齒輪泵，其中，所述第二進口通道與所述 進口通道不對稱。
19. 如權利要求16所述的齒輪泵，其中，所述第二進口通道形成與 所述進口通道對稱的形狀，並沿所述泵送方向在所述進口通道之前終 止。
20.如權利要求16所述的齒輪泵，其中，所述第二進口通道形成與 所述進口通道不對稱的形狀，並沿所述泵送方向在所述進口通道之前終 止。
21. —種用於工作流體的齒輪泵，所述齒輪泵包括泵殼，所述泵殼限定轉子室、連通所述轉子室和泵進口的進口通道、 以及連通所述轉子室和泵出口的出口通道；轉子組，所述轉子組位於所述轉子室中並能夠沿泵送方向旋轉，所 述轉子組包括內轉子和外轉子，所述內轉子和所述外轉子各自具有齒， 所述齒隨所述轉子組的旋轉而形成嚙合和脫離嘧合，從而在所述轉子齒 之間形成一系列連續的泵送室，各泵送室具有隨所述齒脫離嚙合而增大 並且隨所述齒形成嚙合而減小的容積；所述出口通道隨著所述泵送室的容積減小與所述泵送室流體連通；以及所述進口通道隨著所述泵送室的容積增大與所述泵送室流體連通， 所述進口通道具有端部，所述端部與所述轉子組配合以在徑向外部分閉 合各個連續的泵室並且逐漸地閉合至徑向內部分。
全文摘要
當進口壓力低或操作速度高時，通過傳統型齒輪泵的進口設計很難對泵送室進行填充。本發明提供了一種齒輪泵(100)，所述齒輪泵(100)包括進口通道(116)，所述進口通道(116)沿轉子組(104)的泵送方向終止於徑向向內延伸的坡面部分(132)。所述坡面部分(132)起作用而將來自所述進口(116)的工作流體徑向向內引導至所述轉子組(104)的越過所述坡面部分(132)的泵送室(126)中。通過在徑向向內點閉合所述泵送室(126)，改進了所述泵送室(126)的填充效率，從而使氣穴現象和/或泵的操作噪聲均得以減小。
文檔編號F04C2/00GK101253329SQ200680022289
公開日2008年8月27日 申請日期2006年6月22日 優先權日2005年6月22日
發明者彼得·利特·明·昌 申請人:Stt技術有限公司(麥格納動力系有限公司和Shw有限公司的合資公司)