ЖИДКОСТНО-КОЛЬЦЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1998 года по МПК F04C7/00 F04C19/00 

Изобретение относится к компрессоростроению и вакуумной технике, конкретно к жидкостнокольцевым насосам и компрессорам.

Известна двухступенчатая жидкостнокольцевая машина (ЖКМ), содержащая корпус, торцевые крышки с каналами подвода и отвода рабочей среды, два рабочих колеса, эксцентрично размещенных в корпусе.

Недостатками указанной конструкции являются низкий КПД при давлении больше 20 кПа, т.к. в двухступенчатых ЖКМ каждая ступень работает в узком интервале давлений, высокая материалоемкость и сложность конструкции.

Наиболее близкой по технической сущности является ЖКМ, содержащая корпус, торцевые крышки с каналами подвода и отвода рабочей среды, эксцентрично размещенное в корпусе рабочее колесо, вал которого соединен через муфту с электродвигателем [1]
Недостатками этой конструкции являются низкий КПД при давлении меньше 20 кПа из-за значительных перетечек газа с нагнетания на всасывание на торцевых поверхностях ступицы колеса, большой расход жидкости на уплотнение торцевых поверхностей ступицы колеса, высокая материалоемкость конструкции.

Технической задачей изобретения является повышение КПД ЖКМ при давлении, меньшем 20 кПа. Другими задачами являются уменьшение расхода уплотняющей жидкости, материалоемкости, стоимости конструкции.

Поставленная задача в жидкостнокольцевой машине, содержащей корпус, торцевые крышки с каналами подвода и отвода рабочей среды, эксцентрично размещенное в корпусе рабочее колесо, вал которого соединен через муфту с электродвигателем, достигается подбором размеров проточной части ЖКМ таким образом, чтобы величина диаметра колеса определялась из оптимального соотношения диаметра колеса и отношения производительности к ширине колеса.

Известно [1] что ЖКМ имеют низкий КПД при давлении, меньшем 20 кПаб из-за потерь производительности от перетечек газа с нагнетания на всасывание по торцевым поверхностям ступицы колеса. Очевидно, что величина торцевых перетечек для ЖКМ разной производительности определяется диаметральными размерами колеса.

Отличительным признаком предложенной жидкостнокольцевой машины является то, что величина диаметра колеса D определяется из соотношения

где Q производительность ЖКМ при 20 кПа, м³/с;
B ширина колеса, м;
n частота вращения, 1/с;
A коэффициент пропорциональности;
A=1,275.1,845 и n=25 1/с (1500 об/мин), если Q≤0,25 м³/с;
A=1,287.1,847 и n=16,6 1/с (1000 об/мин), если 0,25<Q≤0,50 м³/с;
A=1,280.2,040 и n=12,5 1/с (750 об/мин), если 0,50<Q≤0,90 м³/с.

На чертеже представлена жидкостнокольцевая машина.

Жидкостнокольцевая машина содержит корпус 1, торцевые крышки 2 со всасывающими и нагнетательными окнами 3 и 4, эксцентрично размещенное рабочее колесо 5 со ступицей 8 на валу 7. На торцевой поверхности ступицы 8 колеса 5 часть газа перетекает с нагнетания на всасывание ЖКМ, уменьшая производительность и КПД.

Величина потерь производительности от перетечек для ротационных машин может быть оценена по методике (см. Сакун И.А. Винтовые машины, 1970), согласно которой масса перетекающего газа определяется по формуле

где P₁ давление газа на стороне всасывания;
P₂ давление газа на стороне нагнетания;
R газовая постоянная;
T₂ температура газа на нагнетании;
g ускорение свободного падания;
K_p коэффициент, определяемый по графику (см. Сакун И.А. Винтовые машины, 1970, рис. 116), все последующие графики берутся из указанной книги;
F площадь торцевого зазора между ступицей колеса и торцевой крышкой
F = Δ(R₁-R_в) (2)
где Δ зазор между ступицей колеса и торцевой крышкой;
R₁ радиус втулки колеса;
R_B радиус вала.

При расчете в первом приближении за исходную величину принимается удельный критический расход q_кр для щели

где K показатель адиабаты;
ρ₂ плотность газа на нагнетании.

Затем по критическому расходу определяется число Рейнольдса

где m динамическая вязкость газа при температуре нагнетания;
По известному графику определяется коэффициент C_R.

Параметр сопротивления S' определяется

где l длина щели.

По известному графику находится значение и определяются величины

Далее методом последовательных приближений по формулам 5, 6, 7 окончательно определяется значение K_p и по формуле 1 значение G_y.

Величина перетечек Q_пер, выраженная объемным расходом, находится по формуле

где T₁ температура газа всасывания.

Действительная производительность ЖКМ Q определится как разность между теоретической производительностью Q_теор и величиной перетечек Q_пер
Q=Q_теор-Q_пер
Из формулы (1) очевидно, что при прочих равных условиях (физические константы откачиваемого газа, давление всасывания и нагнетания) величина G_y зависит только от площади зазора между ступицей колеса и торцевой крышкой F.

F = Δ(R₁-R_в)
где R₁ радиус ступицы колеса
R₁ = γR₂ = (0,4 ... 0,55)R₂
Δ зазор между ступицей и торцевой крышкой
D = δR₂ = (0,011 ... 0,03)R₂
R₂ радиус колеса, R₂=D/2
R_B радиус вала.

(см. Фролов Е.С. и др. Механические вакуумные насосы. М. Машиностроение, 1989, с. 178, 187).

Из приведенных выше зависимостей очевидно, что величина F прямопропорциональна радиусу колеса R₂ (диаметру D) и, следовательно, для снижения перетечек газа по торцевым поверхностям колеса требуется уменьшение диаметра колеса.

В ЖКМ диаметр колеса зависит от выбранных геометрических соотношений (ψ, γ, ε, δ) и числа оборотов электродвигателя n (см. [1]).

Так как

где E_u число Эйлера, которое зависит от величин ψ, γ, ε, δ;
j коэффициент, учитывающий влияние толщины лопаток колеса;
j 0,65.0,9;
e относительный эксцентриситет ee/R₂=0,125.0,145;
r_ж плотность жидкости.

Поэтому для уменьшения диаметра колеса требуется
подбор оптимальных соотношений ψ, γ, ε, δ;
увеличение числа оборотов n.

Диаметр колеса может быть определен из формулы (см. Фролов Е.С. и др. Механические вакуумные насосы. М. Машиностроение, 1989, с. 178).

Так как Q_теор = Q/λ
где Q действительная производительность при давлении 20 кПа;
λ коэффициент подачи, зависящий от d, ε,
то
Примем следующие допущения:
а) для ЖКМ с производительностью Q при давлении 20 кПа Q≤0,25 м³/с
ψ0,81.0,90
g0,35.0,40
l0,60.0,99
n=1500 об/мин
б) для ЖКМ с производительностью Q при давлении 20 кПа 0,25<Q≤0,5 м³/с
j0,78.0,90
g0,37.0,45
l0,60.0,99
n=1000 об/мин
в) для ЖКМ с производительностью Q при давлении 20 кПа 0,50<Q≤0,9 м³/с
j0,78.0,91
g0,37.0,43
l0,60.0,99
n=750 об/мин
Тогда диаметр колеса D будет

где A=1,275.1,845 и n=25 1/с (1500 об/мин), если Q<$E<=>0,25 м³/с
A=1,287.1,847 и n=16,6 1/с (1000 об/мин), если 0,25<Q≤0,50 м³/с
A=1,280.2,040 и n=12,5 1/с (750 об/мин), если 0,50<Q≤0,90 м³/с.

Пример. По предлагаемому соотношению, а также по вышеизложенной методике определения перетечек газа и методике расчета ЖКМ (см. Фролов Е.С. и др. Механические вакуумные насосы. М. Машиностроение, 1989, с. 199) были проведены расчеты параметров, предлагаемых ЖКМ.

Данные наиболее распространенных серийно выпускаемых машин ВВН-12, ВВН-25, ВВН-50 (см. ОСТ 26-12-1113-83 и каталог вакуумного оборудования, М. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1990, с. 26-30). Исходными данными для расчета приняты
1. Давление всасывания P₁=10 кПа;
2. Давление нагнетателя P₂=100 кПа;
3. Рабочий газ воздух;
4. Рабочая жидкость вода.

Результаты расчета параметров представлены в таблице.

Из данных таблицы видно, что определение диаметра колеса из предлагаемых соотношений позволяет повысить производительность и, следовательно, КПД ЖКМ на 3,2 11,0%
Кроме того, снижаются расход уплотняющей жидкости, металлоемкость и стоимость машины.

Жидкостнокольцевая машина (см. чертеж) 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. По торцевой поверхности ступицы 8 колеса 5 часть газа перетекает с нагнетания на всасывание.

Определение диаметра колеса из предлагаемых соотношений приводит к повышению КПД жидкостнокольцевой машины, т.к. уменьшаются потери производительности в ЖКМ от перетечек газа с нагнетания на всасывание по торцевым поверхностям ступицы колеса. Кроме того, снижается расход уплотняющей жидкости, металлоемкость и стоимость машины.

Использование: в области компрессоростроения и вакуумной техники, а именно в жидкостнокольцевых насосах и компрессорах. Сущность изобретения: жидкостнокольцевая машина содержит корпус, торцевые крышки с каналами подвода и отвода рабочей среды, эксцентрично размещенное в корпусе рабочее колесо, вал которого соединен через муфту с электродвигателем. Диаметр колеса определяется из соотношения , где Q - производительность ЖКМ при 20 кПа, м³/с, B - ширина колеса, м; A - коэффициент пропорциональности, n - частота вращения. 1 табл, 1 ил.

Жидкостно-кольцевая машина, содержащая корпус, торцевые крышки с каналами подвода и отвода рабочей среды, эксцентрично размещенное в корпусе рабочее колесо, вал которого соединен через муфту с электродвигателем, отличающаяся тем, что величина диаметра колеса D определяется из соотношения

где Q производительность ЖКМ при 20 кПа, м³/с;
B ширина колеса, м;
n частота вращения, с^-1;
A коэффициент пропорциональности, равный: А 1,275 1,845 и n 25 с^-1 (1500 мин^-1), если Q ≤ 0,25 м³/с; A 1,287 - 1,847 и n 16,6 с^-1 (1000 мин^-1), если 0,25 < Q ≤ 0,50 м³/с; A 1,280 2,040 и n 12,5 с^-1 (750 мин^-1), если 0,50 < Q ≤ 0,90 м³/с.