КОЛЬЦЕВОЙ ДИФФУЗОР СТАТОРА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА Российский патент 1998 года по МПК F04D29/44 

Изобретение относится к области механики, а более конкретно к насосам и компрессорам необъемного вытеснения.

В технике известны и нашли широкое распространение кольцевые диффузоры различного конструктивного исполнения в статорах центробежных насосов и компрессоров. Так патент ФРГ на изобретение N 3442665 по МКИ F 04 D 29/44 выдан на диффузор для компрессора.

В этом техническом решении имеется кольцо диффузора компрессора. Кольцо содержит внутреннюю цилиндрическую поверхность. Имеются также равномерно расположенные по окружности каналы от внутреннего к внешнему контуру кольца.

Каждый канал имеет цилиндрическую поверхность. Выходная часть каналов выполнена расширяющейся. Это техническое решение выбираем в качестве аналога предлагаемого изобретения.

Недостаток аналога в том, что он имеет значительные радиальные габариты. В нем не использованы хорошие возможности для снижения радиальных габаритов за счет оптимизации гидравлического тракта диффузора при сохранении его осевой протяженности.

Известен лопаточный диффузор центробежного компрессора, в котором образованные боковыми стенками и лопатками каналы диффузора имеют среднюю линию, выполненную по логарифмической спирали (авт. св. СССР N 1546717 по МКИ5 F 04 D 29/44). Это техническое решение выбираем также в качестве аналога изобретения. Недостаток этого аналога в том, что проходное сечение каналов в диффузоре имеет большое отношение периметра к площади проходного сечения, что неблагоприятно сказывается на пульсационных характеристиках КПД насоса.

Известен также центробежный компрессор с трубчатым направляющим аппаратом за рабочим колесом из патента по заявке Великобритании N 2050510 по МКИ F 04 D 29/44. Диффузор имеет кольцо. Кольцо имеет внутреннюю цилиндрическую поверхность. Имеются также равномерно расположенные по окружности каналы от внутреннего к внешнему контуру кольца диффузора. Канал на входе имеет цилиндрическую форму, а на выходе выполнен расширяющимся коническим. Это техническое решение выбираем в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Недостаток прототипа в том, что вследствие недостатков в профилировании выходной части каналов диффузора устройства, оно имеет излишние радиальные габариты.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что кольцевой диффузор статора центробежного насоса выполнен в виде кольца с внутренней цилиндрической поверхностью и имеет равномерно расположенные по окружности каналы от внутреннего к внешнему контуру кольца. Входная часть каналов цилиндрическая, а выходная либо цилиндрическая, либо расширяющаяся, например, в виде конической поверхности. Выходная часть каналов с внутренней стороны снабжена криволинейным скосом, образованным вращением дуги окружности вокруг оси, которая параллельна и эксцентрична оси кольца причем не менее трех точек преимущественно в начале, конце и середине скоса в сечении симметрии кольца лежат на логарифмической спирали, полюс которой находится на оси кольца. Дуга окружности и ось, вокруг которой ее вращают, лежат в одной плоскости. Кроме того, входная кромка равномерно расположенных по окружности каналов может быть скруглена радиусом. Это способствует также повышению КПД насоса.

Задача, на решение которой было направлено предложенное техническое решение, состояла в совершенствовании профилирования равномерно расположенных по окружности каналов кольцевого диффузора.

Технический результат от реализации изобретения заключается в снижении габаритов конструкции.

На фиг. 1 представлен кольцевой диффузор статора центробежного насоса в сечении симметрии кольца; на фиг. 2 представлен вид М на участке кольцевого диффузора в зоне одного из равномерно расположенных по окружности каналов; на фиг. 3 представлено место I в увеличенном размере по отношению к фиг. 1; на фиг. 4 представлено сечение ТТ на фиг. 3; на фиг. 5 представлен кольцевой диффузор со звездообразным наружным контуром.

Представленный на фиг. 1 кольцевой диффузор имеет трубчатый направляющий аппарат и содержит: 1 - внутренняя цилиндрическая поверхность кольца; 2 - наружная цилиндрическая поверхность кольца. Между внутренней и наружной поверхностями кольца выполнены равномерно расположенные по окружности каналы.

Каждый канал имеет входной цилиндрический элемент 3, выходной конический элемент 4. Выходная часть канала также содержит криволинейный скос 5.

Радиус r₂ дуги окружности скоса 5 равен радиусу r₁ окружности цилиндрического элемента 3, как видно на фиг. 2, 3 и 4.

Плоскость дуги окружности r₂ перпендикулярна плоскости на фиг. 1 (фиг. 4).

Криволинейный скос 5 получен вращением указанной дуги вокруг оси, эксцентричной оси кольца с координатами а, b и радиусом R (фиг. 1 и 3).

Величины a, b и R определяются следующим образом.

Вначале определяются координаты 3-х точек E, G, H на фиг. 3. Эти точки принадлежат логарифмической спирали. Уравнение логарифмической спирали, как известно (в полярных координатах) имеет вид: ρ = ce^kϕ , где ρ - текущий радиус, c - начальное сечение радиуса, e - основание натуральных логарифмов, K - коэффициент пропорциональности, ϕ - центральный угол наклона логарифмической спирали.

Полюс спирали в начале координат в точке 0 (фиг. 1 и 3). В декартовых координатах это уравнение имеет вид:
,
где X и Y - значение точек логарифмической кривой в системе декартовых координат.

Второе уравнение получаем в результате дифференцирования этого уравнения по X.

.

Из конструктивной разработки известны координаты точки и угол касательной к логарифмической спирали в этой точке.

Исходя из этого и объединяя уравнение 1 и 2 в систему и решая ее, подставляя в нее значения X, Y и dy/dx в точке E, получаем значение величины C и K. Величины C и K могут быть получены не только математическим расчетом, например, на ЭВМ, но и методом конструктивного прочерчивания.

Касательная к логарифмической спирали в точке E совпадает с образующей конической поверхности 4. Из уравнения 1 получим значение Y в точках G и H, для которых задаемся значениями X.

Таким образом получим три точки логарифмической спирали E(X₁; Y₁); G(X₂; Y₂); H(X₃; Y₃).

На фиг. 3 данная логарифмическая спираль показана штрихпунктирной линией.

Значение радиуса R и координаты положения его центра (а, b) определяем, подставляя значения X и Y в точках E, G и H, т. е. система уравнений для этого будет иметь вид:
(X₁-a)²+(Y₁-b)²=R²
(X₂-a)²+(Y₂-b)²=R²
(X₃-a)²+(Y₃-b)²=R²
Таким образом, поверхность скоса 5 получена вращением дуги окружности, совпадающей с окружностью поверхности 4 вокруг оси P, параллельной оси кольца диффузора.

Радиус этой дуги может быть и меньшим, что снизит эффективность скоса 5.

Входные кромки 6 каналов на фиг. 1 по контуру S.U.N. в ряде случаев могут быть выполнены скругленными. Это обеспечивает снижение гидравлических потерь на входе в каналы.

Кольцевой диффузор по наружному диаметру может иметь звездообразную форму (фиг. 5) при этом равномерно расположенные по окружности каналы (с элементами 3, 4, 5) идентичны каналам (с элементами 3, 4, 5) на фиг. 1 и 3. Следует также отметить, что поверхность 4 может быть цилиндрической, являясь продолжением поверхности 3.

Направление потока на фиг. 3 показано стрелками. При работе кольцевого диффузора в насосе поток после рабочего колеса имеет траекторию движения по логарифмической спирали. (Миллионщиков М.Д. Турбулентные течения в пристеночном слое и трубах. М.: Атомная энергия, 1979, т. 28, вып. 3).

Вследствие этого выполнения скоса 5 по логарифмической спирали обеспечивает снижение потерь потока, т. е. повышение КПД и снижение пульсаций давления на выходе из насоса.

Также такое конструктивное исполнение каналов кольцевого диффузора способствует снижению его габаритов.

Отметим, что, как известно из теории, выполнение поверхности 4 конической во многих случаях эффективнее чем выполнение ее цилиндрической.

Возможно также, что точки E, G и H будут находится не в сечении кольцевого диффузора как это имеет место на фиг. 1, а в сечениях, параллельных этому сечению. Кроме того, точки E, G и H могут быть расположены в других местах представленного на фиг. 3 участка логарифмической спирали.

Использование: в насосах и компрессорах необъемного вытеснения. Сущность изобретения: кольцевой диффузор выполнен в виде кольца с внутренней цилиндрической поверхностью. Между внутренней и наружной поверхностями кольца выполнены равномерно расположенные по окружности каналы. Входная часть каналов выполнена цилиндрической, а выходная часть в виде цилиндрической или расширяющейся поверхности, например, конической. Выходная часть каналов с внутренней стороны кольца снабжена криволинейным скосом, образованным вращением дуги окружности вокруг оси. Эта ось параллельна и эксцентрична оси кольца. При этом не менее трех точек (в начале, конце и середине скоса в сечении симметрии кольца) лежат на логарифмической спирали, центр которой находится на оси кольца. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Кольцевой диффузор статора центробежного насоса, выполненный в виде кольца с внутренней цилиндрической поверхностью и имеющий равномерно расположенные по окружности каналы от внутреннего к внешнему контуру кольца, входная часть которых выполнена цилиндрической, а выходная в виде цилиндрической или расширяющейся поверхности, например, конической, отличающийся тем, что выходная часть каналов с внутренней стороны кольца снабжена криволинейным скосом, образованным вращением дуги окружности вокруг оси, которая параллельна и эксцентрична оси кольца, причем не менее трех точек преимущественно в начале, конце и середине скоса в сечении симметрии кольца лежат на логарифмической спирали, центр которой находится на оси кольца. 2. Диффузор по п.1, отличающийся тем, что входная кромка равнорасположенных по окружности каналов скруглена.