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

Изобретение относится к области компрессоростроения и вакуумной техники, конкретно, к жидкостнокольцевым насосам и к компрессорам.

Известна двухступенчатая жидкостнокольцевая машина (ЖКМ), содержащая корпус, торцевые крышки с каналами подвода и отвода рабочей среды, два рабочих колеса с лопатками, изогнутыми в направлении вращения, эксцентрично размещенные в корпусе (см. Фролов Е.С. и др. Механические вакуумные насосы. - М.: Машиностроение, 1989, с. 192).

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 с лопатками, изогнутыми в направлении вращения (см. Фролов Е.С. и др. Механические вакуумные насосы. - М.: Машиностроение, 1989, с. 197, рис. 136).

Недостатками этой конструкции являются:
- Низкий КПД при давлении меньшем 40 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.

Техническая задача изобретения - повышение КПД ЖКМ при давлении меньшем 40 кПа, уменьшение расхода уплотняющей жидкости, материалоемкости и стоимости конструкции.

Поставленная задача достигается в жидкостнокольцевой машине, содержащей корпус, эксцентрично размещенное в корпусе рабочее колесо, выполнением лопаток колеса изогнутыми против направления вращения и подбором размеров проточной части ЖКМ таким образом, чтобы величина диаметра колеса определялась из оптимального соотношения диаметра колеса и отношения производительности к ширине колеса.

Известно (см. Фролов Е. С. и др. Механические вакуумные насосы. - М.: Машиностроение, 1989), что ЖКМ имеют низкий КПД при давлении меньше 40 кПа 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.

Известно также (см. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы. - М.: Машиностроение, 1960), что выполнение лопаток колеса, изогнутыми против направления вращения при одновременном увеличении частоты вращения, приводит к уменьшению диаметральных размеров колеса.

Отличительным признаком предложенной жидкостнокольцевой машины является то, что лопатки колеса выполнены изогнутыми против направления вращения, а величина диаметра колеса D определяется из соотношения

где
Q - производительность ЖКМ при давлении всасывания 40 кПа, м³/с;
B - ширина колеса, м;
n - частота вращения;
A - коэффициент пропорциональности: A = 1,25 ... 2,48 и n = 25 ...50 1/с, если Q ≤ 0,17 м³/с; A = 1,25 ... 2,01 и n = 16,6 ... 25 1/с, если 0,17 < Q ≤ 0,58 м³/с; A = 1,26 ... 2,09 и n = 12,5 ... 16,6 1/с, если 0,58 < Q ≤ 1,25 м³/с; A = 1,26 ... 2,09 и n < 12,5 1/с, если Q > 1,25 м³/с.

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез ЖКМ. Жидкостнокольцевая машина содержит корпус 1, торцевые крышки 2 со всасывающим и нагнетательными окнами 3 и 4, эксцентрично размещенное рабочее колесо 5 с лопатками 6.

На фиг. 2 представлен продольный разрез ЖКМ. По торцевой поверхности ступицы колеса часть газа перетекает с нагнетания на всасывание, уменьшая производительность и КПД ЖКМ.

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;
g - ускорение свободного падения;
T₂ - температура газа на нагнетании;
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_B) (2)
где
Δ- - зазор между ступицей колеса и торцевой крышкой,
R₁ - радиус втулки колеса;
R_В - 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
μ- динамическая вязкость газа при температуре нагнетания.

По графику рис. 114 определяется коэффициент C_R.

Параметр сопротивления S¹ определяется:

где
l - длина щели.

По графику рис. 117 находится значение и определяются величины


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

Величина перетечек Q_пер, выраженная объемным расходом, находится по формуле

где
T₁ - температура газа на всасывании.

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_у зависит только от площади зазора между ступицей колеса и торцевой крышкой F.

F=Δ(R₁-R_B)
где
R₁ - радиус ступицы колеса, R₁=γR₂=(0,3...0,6)R₂
Δ- - зазор между ступицей и торцевой крышкой
Δ=δR₂=(0,011...0,03)R₂
R₂ - радиус колеса,
R_в - 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 прямо пропорциональна радиусу колеса R₂ (диаметр S) 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 (см. Фролов Е.С. и др. Механические вакуумные насосы. - М.: Машиностроение, 1989, с. 171).

Так как
,


где
E_и - число Эйлера, которое зависит от величин (ψ, γ, ε, δ);
ψ - коэффициент, учитывающий влияние толщины лопаток колеса;
ψ = 0,65 ... 0,9;
ε - относительный эксцентриситет;
ρ_ж - плотность жидкости.

Поэтому для уменьшения диаметра колеса требуется:
1) Подбор оптимальных соотношений
2) Увеличение числа оборотов n с одновременным изгибом лопаток колеса против направления вращения.

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

Так как

где
Q - действительная производительность при давлении 40 кПа
λ- коэффициент подачи, зависящий от δ, ε.
То

Примем следующие допущения:
а) для ЖКМ с производительностью Q при давлении 40 кПа Q ≤ 0,17 м³/с
1. ψ== = 0,65...0,90
2. γ = = 0,30 ... 0,60
3. λ = = 0,50 ... 0,99
4. n = 1500...3000 об/мин.

б) Для ЖКМ с производительностью Q при давлении 40 кПа 0,17 < Q ≤ 0,58 м³/с
1. ψ == = 0,70...0,90
2. γ = = 0,30...0,50
3. λ = = 0,60...0,99
4. n = 1000...1500 об/мин.

в) Для ЖКМ с производительностью Q при давлении 40 кПа 0,58 < Q ≤ 1,25 м³/с
1. ψ = 0,70...0,90
2. γ = 0,31...0,55
3. λ = 0,60...0,99
4. n = 750...1000 об/мин.

г) Для ЖКМ с производительностью Q при давлении 40 кПа Q > 1,25 м³/с
1. ψ = 0,70...0,90
2. γ = 0,31...0,55
3. λ = 0,60...0,90
4. n < 75 об/мин.

Тогда диаметр колеса D будет равен

где A = 1,25...2,48 и n= 25...50, если Q ≤ 0,17 м³ /с A = 1,25...2,01 и n = 16,6...25, если Q,17 < Q ≤ 0,58 м³/с; A = 1,26...2,09 и n = 12,5...16,6, если Q,58 < Q ≤ 1,25 м³/с; A = 1,26...2,09 и n < 12,5, если Q > 1,25 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 ВВH-12, ВВH-25, ВВН-50 (см. ОСТ 26-12-1113-83 и каталог вакуумного оборудования, ЦИНТИхимнефтемаш.- М.: 1990, с. 26 - 30).

Исходными данными для расчета приняты:
1. Давление всасывания P₁ = 10 кПа;
2. Давление нагнетания P₂ = 100 кПа;
3. Рабочий газ - воздух.

Из таблицы видно, что определение диаметра колеса из предлагаемых соотношений позволяет повысить производительность и, следовательно, КПД ЖКМ на 7 . .. 14%. Кроме того, снижается расход уплотняющей жидкости, материалоемкость и стоимость машины.

Жидкостнокольцевая 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 входит между лопатками 6 в колесо 5 и выталкивает газ в нагнетательное окно 4.

Выполнение лопаток колеса изогнутыми против направления вращения и определение диаметра колеса из предлагаемых соотношений приводит к повышению КПД жидкостнокольцевой машины, т. к. уменьшаются диаметральные размеры колеса и потери производительности от перетечек газа с нагнетания на всасывание. Кроме того, снижается расход уплотняющей жидкости, материалоемкость и стоимость машины.

Жидкостно-кольцевая машина может быть использована в области компрессоростроения и вакуумной технике. Жидкостно-кольцевая машина содержит корпус 1, торцевые крышки 2 со всасывающими и нагнетательными окнами 3, 4, эксцентрично размещенное в корпусе 1 рабочее колесо 5 с лопатками 6. Лопатки 6 изогнуты против направления вращения. Диаметр колеса 5 определяется из соотношения где Q - производительность при 40 кПа, B - ширина колеса, A - коэффициент пропорциональности, n - частота вращения. Повышается КПД при давлении меньше 40 кПа, уменьшается расход уплотняющей жидкости, материалоемкость и стоимость конструкции. 2 ил.,1 табл.

Жидкостно-кольцевая машина, содержащая корпус, эксцентрично размещенное в корпусе рабочее колесо, отличающаяся тем, что лопатки колеса изогнуты против направления вращения, а величина диаметра колеса D определяется из соотношения

где Q - производительность ЖКМ при давлении всасывания 40 кПа, м³/с;
B - ширина колеса, м;
n - частота вращения, 1/с;
A - коэффициент пропорциональности: A = 1,25 ... 2,48 и n = 25 ... 50 1/с, если Q≤0,17 м³/с, A = 1,25 . .. 2,01 и n = 16,6 ... 25 1/с, если 0,17<Q≤0,58 м³/с, A = 1,26 ... 2,09 и n = 12,5 ... 16,6 1/с, если 0,58<Q≤1,25 м³/с, A = 1,26 ...2,09 и n<12,5 1/с, если Q>1,25 м³/с.