ВИХРЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1998 года по МПК F04D5/00 F04D23/00 

Изобретение относится к насосно- и компрессоростроению, а именно к конструкциям насосов и компрессоров вихревого типа.

Известная вихревая машина, содержащая рабочее колесо, на котором равномерно по окружности расположены лопатки, рабочий канал, расположенный в корпусе и образующий с лопатками вихревую камеру. Всасывающий и нагнетательный участки канала разделены перегородкой, называемой разделителем (Виршубский И.М. и др. Вихревые компрессоры:-Л.: Машиностроение, 1988).

Принцип действия вихревой машины заключается в следующем. Рабочая среда поступает на участок всасывания рабочего канала, а затем в межлопаточные каналы рабочего колеса. Подсос рабочей среды в межлопаточные каналы осуществляется под действием центробежных сил за счет неразрывности потока. Здесь происходит преобразование механической энергии двигателя в энергию рабочей среды. Под действием центробежных сил частицы рабочей среды выбрасываются в рабочий канал вихревой машины, где происходит преобразование кинетической энергии потока рабочей среды в потенциальную энергию напора. Тангенциальная скорость движения частиц уменьшается, они начинают отставать от рабочего колеса и через некоторый промежуток времени опять попадают в межлопаточные каналы рабочего колеса. Таким образом, в вихревой камере, состоящей из межлопаточных каналов рабочего колеса и рабочего канала, образуется вихревое движение, характеризующееся циркуляционной V_Ω и осевой Cug скоростями рабочей среды. При этом лопатки рабочего колеса вихревой машины в отличие от других машин динамического сжатия воздействуют на частицы рабочей среды не один, а несколько раз. Это обеспечивает получение значительно большего напора в вихревых машинах, чем, например, в центробежных.

Известна вихревая машина, выбранная в качестве прототипа, содержащая корпус с входным и выходным патрубками, между которыми расположен разделитель, рабочее колесо с лопатками, установленное в корпусе с возможностью вращения, причем в корпусе выполнен рабочий канал (а. с. СССР N 1250730, кл. F 04 D 29/40, 1985).

Эта вихревая машина работает так же, как и описанная ранее.

Недостатком известных вихревых машин является невысокий КПД, обусловленный тем, что динамическая часть напора вихревого течения на выходе вихревой машины полезно не используется, а в дальнейшем превращается в бесполезное тепло.

Действительно, рабочая среда, поступающая из рабочего канала, в соответствии с законом сохранения момента инерции приобретает в рабочем колесе импульс, пропорциональный разности скоростей рабочего колеса и скорости рабочей среды в вихревом канале:
I = 2(Um - Cuf),
где I - импульс;
Um - окружная скорость рабочего колеса;
Cug - осевая скорость рабочей среды в вихревом канале.

Для определения циркуляционной скорости вихря, которая однозначно связывает соотношение параметров колеса и параметров вихревой камеры, имеем следующую зависимость:
2(Um-Cug)Dm = V_Ωtp = V_Ωd_Ω,
где tp - шаг лопаток рабочего колеса;
d_Ω -диаметр вихревой камеры;
Dm - средний диаметр рабочего колеса;
V_Ω - циркуляционная скорость в вихревой камере.

При этом шаг лопаток рабочего колеса tp выбирается примерно равным диаметру вихревой камеры d_Ω.

Циркуляционная скорость равна:
V_Ω= 2(Um-Cug)Dm/d_Ω, .

Полный напор вихревой машины есть сумма статического и динамического напоров вихревого потока:
Hн = Hp+Hv = V_Ω/g+V_Ω/2g,
где Hн - полный напор;
Hp - статический напор;
Hv - динамический напор.

Отсюда полезный напор, являющийся основной характеристикой вихревой машины и состоящий из статического напора, равен:
Hp = 2/3 Hн.

Таким образом, треть напора полезно не используется и превращается в тепло, следовательно, для повышения КПД вихревой машины необходимо воздействовать на структуру выходного потока, преобразуя его в безвихревой осевой поток.

Для этого в вихревой машине, содержащей корпус, в котором выполнен рабочий канал, вход и выход которого сообщены соответственно с входным и выходным патрубками, между которыми расположен разделитель, рабочее колесо с лопатками, установленное в корпусе с возможностью вращения, в выходном патрубке установлен центральный конусный обтекатель с лопаточным спрямляющим аппаратом, установленным в основании конуса, причем на участке конусного обтекателя выходной патрубок выполнен с увеличением площади меридионального сечения в направлении движения потока.

Кроме того, для обеспечения лучшей структуры потока центральный конусный обтекатель снабжен неподвижными лопатками, установленными по спирали.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение вихревой машины; на фиг. 2 - развертка проточной части вихревой машины.

Вихревая машина содержит рабочее колесо 1 с лопатками 2, установленное в корпусе 3, в котором выполнен периферийно-боковой рабочий канал, охватывающий сверху и сбоку межлопаточный канал рабочего колеса 1. Рабочий и межлопаточный каналы образуют вихревую камеру 4. Выходной патрубок 5 является естественным продолжением вихревой камеры 4 и содержит центральный конусный обтекатель 6 с лопаточным спрямляющим аппаратом 7, установленным в основании конуса. Причем на участке центрального конусного обтекателя 6 выходной патрубок 5 выполнен с увеличением площади меридионального сечения в направлении движения потока. Центральный конусный обтекатель 6 может быть снабжен неподвижными лопатками 8.

При работе вихревой машины рабочая среда из входного патрубка поступает в рабочий канал и далее на лопатки 2 рабочего колеса 1, откуда, получив энергию, поступает обратно в рабочий канал.

Этот процесс происходит неоднократно. Затем рабочая среда в виде вихревого жгута поступает в выходной патрубок 5, имея циркуляционную V_Ω и осевую Cug скорости, причем циркуляционная скорость значительно превышает осевую.

В выходном патрубке 5 с установленным в нем центральным конусным обтекателем 6 с лопаточным спрямляющим аппаратом 7, установленным в основании конуса, происходит торможение в основном циркуляционной скорости потока V_Ω . При этом статический напор повышается, что увеличивает полный напор повышается, что увеличивает полный напор вихревой машины.

Таким образом, предлагаемое конструктивное решение вихревой машины позволяет повысить ее КПД за счет увеличения полезного напора при неизменной мощности привода.

Использование: в насосо - и компрессоростроении, а именно в конструкциях насосов и компрессоров вихревого типа. Сущность: вихревая машина содержит корпус, в котором выполнен рабочий канал, вход и выход которого сообщены соответственно с входным и выходным патрубками, между которыми расположен разделитель, рабочее колесо с лопатками. В выходном патрубке установлен центральный конусный обтекатель с лопаточным спрямляющим аппаратом, установленным в основании конуса, причем на участке конусного обтекателя выходной патрубок выполнен с увеличением плошади меридиального сечения в направлении движения потока. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вихревая машина, содержащая корпус, в котором выполнен рабочий канал, вход и выход которого сообщены соответственно с входным и выходным патрубками, между которыми расположен разделитель, рабочее колесо с лопатками, установленное в корпусе с возможностью вращения, отличающаяся тем, что в выходном патрубке установлен центральный конусный обтекатель с лопаточным спрямляющим аппаратом, установленным в основании конуса, причем на участке конусного обтекателя выходной патрубок выполнен с увеличением площади меридионального сечения в направлении движения потока. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что центральный конусный обтекатель снабжен неподвижными лопатками, установленными по спирали.