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

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

Известен жидкостно-кольцевой вакуум-насос, содержащий корпус с рабочим колесом и торцевыми крышками, в котором на ступице рабочего колеса выполнены кольцевые цилиндрические буртики, входящие в соответствующие выемки торцевых крышек с образованием между сопряженными поверхностями заданных зазоров. (а. с. N 361310, кл. F 04 C 7/00, 1973).

Недостатками указанной конструкции являются: низкий КПД при давлении меньше 20 кПа от потерь давления во всасывающих окнах из-за их перекрытия уплотнительной жидкостью, выходящей из торцевых зазоров между ступицей колеса и торцевыми крышками; сложность конструкции.

Наиболее близкой по технической сущности является жидкостно-кольцевая машина (ЖКМ), содержащая корпус, торцевые крышки с всасывающими и нагнетательными окнами, эксцентрично размещенное в корпусе рабочее колесо (Фролов Е. С. и др. Механические вакуумные насосы.- М.: Машиностроение, 1989, с.197, рис.136).

Недостатками этой конструкции являются: низкий КПД при давлении меньше 20 кПа от потерь давления во всасывающих окнах из-за их перекрытия уплотнительной жидкостью, выходящей из торцевых зазоров между ступицей колеса и торцевой крышкой; 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.

Техническая задача изобретения - повышение КПД ЖКМ при давлении меньше 20 кПа; уменьшение расхода уплотнительной жидкости.

Поставленная задача в жидкостно-кольцевой машине, содержащей корпус, торцевые крышки с всасывающими и нагнетательными окнами, эксцентрично размещенное в корпусе рабочее колесо, достигается выполнением сопряженных участков торцевых поверхностей торцевых крышек таким образом, чтобы уплотнительная жидкость выходила из зазоров между указанными поверхностями под некоторым углом к плоскостям всасывающих окон.

Известно (там же), что ЖКМ имеет низкий КПД при давлении меньше 20 кПа из-за потерь производительности от перетечек газа с нагнетания на всасывание по торцевым поверхностям ступицы колеса. Для уменьшения величины этих перетечек в зазоры между ступицей колеса и торцевыми крышками подается уплотнительная жидкость. Однако, выходя из этих зазоров, жидкость образует пленку, перекрывающую всасывающие окна.

На фиг.1,2 представлена жидкостно-кольцевая машина - ЖКМ, которая содержит корпус 1, торцевые крышки 2 с всасывающими и нагнетательными окнами 3 и 4, эксцентрично размещенное рабочее колесо 5 со ступицей 8 и лопатками 6 на валу 7. По каналу 16 к ступице колеса подается уплотнительная жидкость.

На фиг, 3 представлен фрагмент ЖКМ. В зазоры между ступицей колеса 8 и торцевыми крышками 2 подается уплотнительная жидкость, которая, выходя из этих зазоров, образует пленку, перекрывающую всасывающие окна 3.

На фиг.4 представлен фрагмент ЖКМ. Сопряженные участки торцевой поверхности ступицы колеса 10 и торцевой поверхности торцевой крышки 11 перед окном всасывания 3 выполнены профилированными по конической поверхности. Уплотнительная жидкость при этом отклоняется от плоскости окна всасывания 12 на угол α.

Под основными потерями давления во всасывающих окнах понимаются:
1 - P_рас - потери на быстрое расширение газа в момент открытия всасывающего окна;
2 - P_пл - потери от гидравлического сопротивления движению газа пленкой уплотнительной жидкости, выходящей из торцевых зазоров между ступицей колеса и торцевыми крышками.

Уменьшение КПД ЖКМ от суммарных потерь давления во всасывающих окнах равно 5-6%. Расчет потерь давления проводится согласно методике (Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям.- М.: Госэнергоиздат, 1960).

P_пот = P_рас + P_пл ,

где
ξ - коэффициент местного сопротивления;
ρ_г -плотность всасываемого газа;
V_г - скорость газа в окне всасывания.

P_пл= ρ_жv2ж

где
P_о - давление уплотнительной жидкости на входе в зазор, обычно P_о = 1,5 • 10⁵ Па;
Г₁ - наружный радиус ступицы;
Г - текущий радиус.

Тогда

Из последнего уравнения очевидно, что P_рас целиком определяется давлением всасывания, и, следовательно, при низких давлениях (P_вс < 20кПа для ЖКМ) P_рас можно пренебречь, что соответствует результатам экспериментов.

Окончательно:
.

Результаты расчета представлены на фиг.5, из которой очевидно, что величина потерь от гидравлического сопротивления движения газа пленкой уплотнительной жидкости P_пл, даже при завышенных оценочных значениях, сопоставима с величиной P_вс, что приводит к снижению КПД ЖКМ при давлении меньше 20 кПа.

Для уменьшения влияния пленки жидкости на процесс всасывания достаточно отклонить движение жидкости от радиального направления в плоскости окна всасывания. Для этого сопряженные участки торцевых поверхностей ступицы колеса и торцевых поверхностей крышек выполняются по некоторым поверхностям, например, коническим. Влияние пленки будет уменьшаться при увеличении α - угла выхода жидкости из зазора между описанными поверхностями, так как увеличится площадь поверхности для прохождения газа в ячейку колеса, заключенной между пленкой жидкости и торцевой крышкой. Максимальное значение угла α ограничено 90^oC, соответствующее выполнению втулки колеса в виде цилиндра.

Жидкостно-кольцевая машина работает следующим образом.

При вращении колеса 5 образуется жидкостное кольцо. На стороне всасывания жидкость проходит 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. Для уменьшения перетечек газа с нагнетания на всасывание на торцевые поверхности ступицы колеса подается уплотнительная жидкость. Выполнение сопряженных участков торцевых поверхностей ступицы колеса и торцевых поверхностей торцевых крышек перед окнами всасывания профилированными по конической поверхности с углом между профилированными поверхностями и плоскостью всасывающих окон, выбираемым из диапазона α = 0-90^o, приводит к увеличению КПД ЖКМ на 5-6%.

Использование: в компрессоростроении и вакуумной технике. Сущность: в жидкостно-кольцевой машине сопряженные участки торцевых поверхностей ступицы колеса и торцевых поверхностей торцевых крышек перед окнами всасывания выполнены профилированными по конической поверхности. Угол между профилированными поверхностями и плоскостью всасывающих окон выбран из диапазона α = 0-90^o. 5 ил.

Жидкостно-кольцевая машина, содержащая корпус, торцевые крышки со всасывающими и нагнетательными окнами, эксцентрично размещенное в корпусе рабочее колесо, отличающаяся тем, что сопряженные участки торцевых поверхностей ступицы колеса и торцевых поверхностей торцевых крышек перед окнами всасывания выполнены профилированными по конической поверхности, причем угол между профилированными поверхностями и плоскостью всасывающих окон выбран из диапазона α = 0...90^°.а