ЖИДКОСТНО-КОЛЬЦЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1996 года по МПК F04C7/00 F04C19/00 

Изобретение относится к компрессоростроению и вакуумной технике, конкретно к жидкостно-кольцевым насосам и компрессорам.

Известна жидкостно-кольцевая машина (ЖКМ), содержащая корпус, торцовые крышки с каналами подвода и отвода рабочей среды, эксцентрично размещенное рабочее колесо с лопатками, изогнутыми в направлении вращения (Головинцов А. Г. Ротационные компрессоры. М. Машгиз, 1964, с.153, фиг.97).

Недостатком указанной конструкции является низкий КПД из-за потерь мощности на вихреобразование при отрыве пограничного слоя на внешней стороне периферийных частей лопаток при обтекании жидкостью лопаток рабочего колеса, а также возникающий из-за этого высокий шум, износ поверхностей лопаток и внутренней поверхности корпуса.

Известна также жидкостно-кольцевая машина, содержащая корпус, торцовые крышки с каналами подвода и отвода рабочей среды, эксцентpично размещенное рабочее колесо с лопатками, изогнутыми в направлении вращения, при этом периферийные части лопаток выполнены изогнутыми против направления вращения с радиусом кривизны 0,01 0,25 радиуса колеса, а угол между касательными к окружности колеса и окружности изгиба лопатки в точке их соединения находится в пределах 90 140^o (SU, N 1405490, кл. F 04 C 7/00, 1986).

Недостатками этой конструкции являются:
низкий КПД и неустойчивая работа ЖКМ на режимах высокого вакуума из-за уменьшения скорости жидкости в безлопаточном пространстве вследствие увеличения угла выхода лопаток колеса (угла между касательной к средней линии лопатки и касательной к окружности колеса) на его наружном диаметре до значений 90 140^o;
потери мощности на турбулизацию потока жидкости в безлопаточном пространстве из-за несовпадения линий тока в безлопаточном пространстве и на наружном диаметре колеса;
сложность технологии и высокая стоимость изготовления лопаток такого профиля;
большой износ концевых поверхностей по сравнению с остальными частями лопаток.

Наиболее близкой по технической сущности является ЖКМ, содержащая корпус с окнами всасывания и нагнетания и эксцентрично расположенное в корпусе рабочее колесо, выполненное в виде ступицы с криволинейными лопатками, при этом периферийный участок каждой лопасти выполнен со скосом, причем кромка лопатки образована внешней криволинейной рабочей поверхностью лопатки и поверхностью скоса, а угол между плоскостями, касательными к указанным поверхностям со стороны кромки лопасти, является острым (SU, N 1700282, кл. F 04 C 7/00, 19/00, 1988).

Недостатком указанной конструкции является низкий КПД из-за увеличения потерь мощности на вихреобразование при отрыве пограничного слоя на внешней стороне периферийных частей лопаток, вызванном увеличением диффузорности канала между лопатками.

Техническая задача повышение КПД ЖКМ, уменьшение шума и износа поверхностей лопаток.

Технический результат достигается тем, что в предложенной жидкостно-кольцевой машине периферийные части лопаток выполняются профилированными таким образом, чтобы угол между перпендикуляром к нормали, опущенной из конца лопатки колеса к периферийной поверхности спинки соседней с ней лопатки, и касательной к периферийной поверхности спинки лопатки был в пределах 0 15^o.

На фиг.1 представлена жидкостно-кольцевая машина, на фиг.2 фрагмент рабочего колеса ЖКМ, на фиг.3 фрагмент колеса ЖКМ с криволинейными лопатками, изогнутыми в направлении вращения, на фиг.4 фрагмент колеса с лопатками, периферийные участки которых выполнены прямолинейными.

Жидкостно-кольцевая машина содержит корпус 1, торцовые крышки 2 со всасывающими и нагнетательными окнами 3 и 4, эксцентрично размещенное рабочее колесо 5 с лопатками 6, изогнутыми в направлении вращения.

Периферийные поверхности лопаток 7 выполнены профилированными таким образом, чтобы угол между перпендикулярно 8 к нормали 9, опущенной из конца лопатки 10 к периферийной поверхности спинки 11 соседней к ней лопатки, и касательной 12 в конечной точке к периферийной поверхности спинки лопатки был в пределах 0 15^o.

Форма лопатки описывается уравнениями, принятыми при проектировании ЖКМ (Фролов Е.С. и др. Механические вакуумные насосы).

R_c R₁ + (R₂ R₁)/3
R₅=(R22

-R2c)/(2•R₂•cos(β_2л));

R₁ 0,4•R₂
где R_c радиус точек сопряжения криволинейной и радиальной части лопатки;
R₂ наружный радиус колеса;
R₅ радиус средней линии криволинейной части лопатки;
R₃ радиус центров окружностей, описывающих криволинейную часть лопатки;
R₁ радиус втулки колеса.

Из точки К (конец лопатки) проведена дуга окружности до касания с периферийной поверхностью спинки соседней с ней лопатки в точке. Тогда КЛ - нормаль к указанной поверхности. Нормаль КЛ проходит также через точку С - центр, из которого очерчена периферийная поверхность спинки лопатки; ЛЛ' - перпендикуляр к нормали КЛ.

Пусть KK' и DD' касательные к двум соседним лопаткам в токах на наружном радиусе колеса, угол между ними равен углу между двумя соседними лопатками, т.е. 2π/Z. Тогда затылочный угол равен

где т.к. , то
и т.к. , то
Угол ВКС равен

где ,


Тогда
Тогда находится

DC r₅,



Тогда

где KD=2•r₂•sin(π/Z);

Из точки К (конец лопатки) проведена дуга окружности до касания с периферийной поверхностью спинки соседней лопатки в точке L.

Тогда KL нормаль к указанной поверхности; LL' перпендикуляр к нормали KL. , DD' касательная к лопатке.

Затылочный угол равен углу между LL' и ED или углу между перпендикулярам к ним, т.е. углу .

Если периферийная поверхность спинки лопатки прямолинейная, по крайней мере, до пересечения с нормалью, опущенной из точки К, то величина затылочного угла равна нулю.

Тогда минимальная длина прямолинейного участка 1 определяется длиной ED равной ND, т.е. ED ND, .

Из треугольника KND
ND=KD•cos(β_2л-π/Z)
KD=2•r₂•sin(π/Z)
Однако, так как величина затылочного угла ограничена 15^o, то минимальная длина прямолинейного участка периферийной части лопатки может быть соответственно уменьшена на величину NE.

Приняв из треугольника и NKE определяем длины NL и LE.

NL KN•tg(15^o)
KN=KD•sin(β_2л-π/Z)
LE r₅•sin(15^o).

Тогда длина отрезка ED может быть приближенно определена

Учтем погрешность изготовления лопаток, составляющую 0,85 0,95 от длины периферийной части лопатки 1.

Окончательно длина прямолинейного участка периферийной поверхности лопатки 1 составит

Так как угол β_2л в ЖКМ всегда находится в пределах 30 60^o, z 12 36, 0,2•r₂ < r₅ < r₂ (Фролов В.С. и др. Механические вакуумные насосы. М. Машиностроение, 1989).

Тогда, 1>0,4•r₂•sin(π/Z)
Жидкостно-кольцевая машина работает следующим образом.

При вращении колеса 5 образуется жидкостное кольцо. На стороне всасывания жидкость выходит между лопатками 6 колеса 5 к корпусу 1 и происходит всасывание газа через всасывающие окна 3. На стороне сжатия жидкость выходит между лопатками 6 в колесо 5 и выталкивает газ в нагнетательное окно 4.

Таким образом выполнение периферийных частей лопаток профилированными приводит к повышению КПД жидкостнокольцевой машины, так как снижаются потери мощности на вихреобразование. ЫЫЫ2

Использование: в компрессоростроении и вакуумной технике, а именно в жидкостнокольцевых насосах и компрессорах. Сущность изобретения: периферийные участки лопаток рабочего колеса выполнены изогнутыми в направлении вращения таким образом, что угол между перпендикулярном к нормали, опущенной из конца лопатки колеса к периферийной поверхности спинки соседней с ней лопатки, и касательной к периферийной поверхности спинки лопатки в конечной ее точке находится в пределах от 0 до 15^o. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Жидкостно-кольцевая машина, содержащая корпус, торцовые крышки с всасывающими и нагнетательными окнами, эксцентрично размещенное рабочее колесо с лопатками, изогнутыми в направлении вращения, отличающаяся тем, что периферийные участки лопаток выполнены профилированными, при этом угол между перпендикуляром к нормали, опущенной из конца лопатки колеса к периферийной поверхности спинки соседней с ней лопатки, и касательной к периферийной поверхности спинки лопатки в конечной ее точке находится в пределах 0 15^o. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что периферийные участки лопаток выполнены профилированными по прямой линии с минимальной длиной прямоугольного участка, определяемой из соотношения
1>0,4•r2•sin(π/z),
где r2 наружный радиус колеса;
z число лопаток колеса.