ЖИДКОСТНО-КОЛЬЦЕВАЯ МАШИНА Российский патент 2004 года по МПК F04C7/00 F04C19/00 

Изобретение относится к вакуумной и компрессорной технике и может быть использовано в жидкостно-кольцевых машинах (ЖКМ).

Известна жидкостно-кольцевая машина (RU 2000480 С1, F 04 С 7/00, F 04 С 19/00, 07.09.1993), содержащая корпус с цилиндрической внутренней расточкой, торцовые крышки с всасывающими и нагнетательными окнами и эксцентрично установленное в расточке рабочее колесо со ступицей и лопатками, в которой эксцентриситет определяется из соотношения

где ε - относительный эксцентриситет, б/р;

е - абсолютный эксцентриситет, м;

ψ - коэффициент загромождения объема рабочего колеса, б/р;

а - минимальная величина погружения лопаток рабочего колеса в жидкостное кольцо (в месте наибольшего удаления рабочего колеса от внутренней расточки корпуса), м;

ν =r₁/r₂, б/р;

r₁ = радиус ступицы рабочего колеса, м;

r₂ = наружный радиус рабочего колеса, м;

δ =Δ /r₂, б/р;

Δ - минимальный зазор между лопатками рабочего колеса и внутренней расточкой корпуса (минимальная высота безлопаточного пространства), м;

ζ =b/b₀,_б/р;

b - ширина безлопаточного пространства, м;

b₀ - длина ротора без учета толщины ребра жесткости, м;

k₁ - эмпирический коэффициент, учитывающий отход внутренней поверхности жидкостного кольца от ступицы рабочего колеса в сечении с минимальной высотой безлопаточного пространства, б/р;

k₁₁ - эмпирический коэффициент, характеризующий величину отношения средней окружной скорости течения жидкости в безлопаточном пространстве в месте наименьшего удаления рабочего колеса от внутренней расточки корпуса к окружной скорости концов лопаток рабочего колеса, б/р;

k₂₂ - эмпирический коэффициент, характеризующий величину отношения средней окружной скорости течения жидкости в безлопаточном пространстве в месте наибольшего удаления рабочего колеса от внутренней расточки корпуса к окружной скорости концов лопаток рабочего колеса, б/р.

Недостатком данной конструкции является значительная потеря мощности на трение жидкостного кольца о внутреннюю расточку корпуса.

Известна также жидкостно-кольцевая машина (SU 1629611, F 04 С 7/00; F 04 С 19/00, опубл. 23.02.91), содержащая корпус с цилиндрической внутренней расточкой, торцовые крышки с всасывающими и нагнетательными окнами, эксцентрично установленное в расточке рабочее колесо со ступицей и лопатками, а также концентрично установленную в расточке с возможностью вращения тонкостенную втулку с продольными пазами на внутренней поверхности. При вращении рабочего колеса под действием центробежных сил жидкость отбрасывается к периферии, образуя жидкостное кольцо, которое вращает тонкостенную втулку с частотой, близкой к частоте вращения рабочего колеса. Это приводит к увеличению средней скорости течения жидкости в безлопаточном пространстве в тангенциальном направлении и уменьшению градиента скорости жидкости в радиальном направлении. Благодаря этому уменьшается жидкостное трение в кольце и, следовательно, затрата мощности на привод ЖКМ.

Недостатком данной конструкции является отсутствие учета влияния тонкостенной втулки с пазами, вращаемой жидкостным кольцом, на изменение скорости течения жидкости в безлопаточном пространстве ЖКМ, а также точности определения величины эксцентриситета.

Технической задачей изобретения является уменьшение удельной мощности ЖКМ.

Технический результат достигается тем, что в жидкостно-кольцевой машине, содержащей корпус с цилиндрической внутренней расточкой, торцовые крышки со всасывающими и нагнетательными окнами, эксцентрично установленное в расточке рабочее колесо со ступицей и лопатками, а также концентрично установленную в расточке с возможностью вращения тонкостенную втулку с продольными пазами на внутренней поверхности, при этом задняя по направлению вращения стенка каждого паза расположена по нормали к поверхности втулки, а передняя стенка сопряжена с задней у ее основания с образованием острого угла и выполнена плоской или криволинейной, а величина эксцентриситета ε определяется из следующего соотношения:

где ε - относительный эксцентриситет, б/р;

е - абсолютный эксцентриситет, м;

ψ - коэффициент загромождения объема рабочего колеса, б/р;

а - минимальная величина погружения лопаток рабочего колеса в жидкостное кольцо (в месте наибольшего удаления рабочего колеса от внутренней расточки корпуса), м;

ν =r₁/r₂, б/р;

r₁ = радиус ступицы рабочего колеса, м;

r₂ = наружный радиус рабочего колеса, м;

δ =Δ /r₂, б/р;

Δ - минимальный зазор между лопатками рабочего колеса и внутренней расточкой корпуса (минимальная высота безлопаточного пространства), м;

ζ =b/b₀, б/р;

b - ширина безлопаточного пространства, м;

b₀ - длина ротора без учета толщины ребра жесткости, м;

k₁ - эмпирический коэффициент, учитывающий отход внутренней поверхности жидкостного кольца от ступицы рабочего колеса в сечении с минимальной высотой безлопаточного пространства, б/р;

k₁₁ - эмпирический коэффициент, характеризующий величину отношения средней окружной скорости течения жидкости в безлопаточном пространстве в месте наименьшего удаления рабочего колеса от внутренней расточки корпуса к окружной скорости концов лопаток рабочего колеса, б/р;

k₂₂ - эмпирический коэффициент, характеризующий величину отношения средней окружной скорости течения жидкости в безлопаточном пространстве в месте наибольшего удаления рабочего колеса от внутренней расточки корпуса к окружной скорости концов лопаток рабочего колеса, б/р;

k_вт - эмпирический коэффициент, учитывающий, при прочих равных условиях, увеличение средней скорости течения жидкости в безлопаточном пространстве при введении в цилиндрическую внутреннюю проточку корпуса тонкостенной втулки, б/р.

Рекомендуемые диапазоны значений параметров, входящих в соотношение для определения величины эксцентриситета:

0,7≤ ψ ≤ 0,9,

0,005≤ а/r²≤^0,015,

0,35≤ ν≤ 0,60,

0,005≤ δ ≤ 0,030.

Эмпирические коэффициенты k₁, k₁₁, k₂₂ и k_вт предлагается определять по следующим зависимостям:

где Е_u=(р_н-р_вс)/рu22

- число Эйлера, б/р;

τ =р_н/р_вc - номинальная степень повышения давления, б/р;

р_н, р_вc - номинальное давление соответственно в нагнетательном и всасывающем патрубках, Па;

р - плотность рабочей жидкости, кг/м³;

u₂=2π r₂n_рк - окружная скорость концов лопаток рабочего колеса, м/с;

n_рк - частота вращения рабочего колеса, с^-1.

Значение k₁ определено для 1≤ τ ≤ 3 в диапазоне 0,2≤ Е_u≤_{0,85 и для 3<τ ≤ 7,5 в диапазоне 0,2≤ Еu≤0,55. По физическим соображениям не может быть k1>1, поэтому, если в результате вычислений по данной зависимости значение k1>1, то принимают k1=1}

k₁₁=(k_11рад-kμ · μ )· k_oc,

где k_11рад=(1,583· 10^-3·^β2

+0,598) - эмпирический коэффициент, учитывающий влияние выходного угла наклона лопаток рабочего колеса на окружную скорость течения жидкости в безлопаточном пространстве в месте наименьшего удаления рабочего колеса от внутренней расточки корпуса, б/р;

β ₂ - величина выходного угла наклона лопаток рабочего колеса, град;

kμ - эмпирический коэффициент, учитывающий влияние вязкости рабочей жидкости на скорость ее течения в безлопаточном пространстве, kμ =3,59;

μ - динамическая вязкость рабочей жидкости, Па· с;

k_oc=(l-3· 10^-3/b) - эмпирический коэффициент осреднения, учитывающий неравномерность окружной скорости течения жидкости по ширине безлопаточного пространства, б/р; определен для значений b ≥ 0,03 м;

k₂₂=(kψ -kμ · μ )· k_oc·_kвc;

где kψ ={[1-(1-ν )/π · tgβ ₂]· μ _z}^1/2 - коэффициент, учитывающий влияние формы и числа лопаток рабочего колеса, б/р;

μ _z=[1+π · sin β ₂/2· z· (1-ν )]^-1, б/р;

π ≈ 3,1416;

z - число лопаток рабочего колеса, б/р;

k_вс=(1,081-2,017· 10^-6·^{Р_вс) - эмпирический коэффициент, учитывающий влияние давления всасывания на окружную скорость течения жидкости в безлопаточном пространстве в месте наибольшего удаления рабочего колеса от внутренней расточки корпуса, б/р.}

Здесь k₁, k₁₁ и k₂₂ определены для следующих условий работы ЖКМ:

р_вс≤_{100 кПа, 100 кПа≤ рн≤115 кПа, 1· 10^-3Па· с≤ μ ≤ 80· 10^-3Па· с,}

870 кг/м³≤^{р≤ 1200 кг/м3.}

Для других режимов работы ЖКМ значения данных коэффициентов могут быть определены дополнительно.

k_вт=1+2,5· 10^-3(u_вт/u₂)+7,5· 10^-2(u_вт/u₂)²;

так как:

u_вт=2π r_втn_вт - окружная скорость внутренней поверхности втулки, м/с;

r_вт - радиус внутренней поверхности втулки, м;

n_вт - частота вращения втулки, с^-1;

следует, что:

k_вт=1+2,5· 10^-3(r_втn_вт/r₂n_рк)+7,5· 10^-2(r_втn_вт/r₂n_рк)².

По физическим соображениям значение n_вт может составлять 0≤ n_вт≤_{nрк. Это значит, что максимального значения коэффициент kвт достигает при nвт=nрк и составляет}

k_втmax=1+2,5· 10^-з(r_вт/r₂)+7,5· 10^-2(r_вт/r₂)²,

а минимального, при n_вт=0 (тонкостенная втулка неподвижна) и составляет k_ктmin=1.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показан разрез ЖКМ.

Жидкостно-кольцевая машина содержит корпус 1 с цилиндрической внутренней расточкой 2, торцовые крышки 3 с всасывающими окнами 4 и нагнетательными окнами 5, эксцентрично установленное в расточке 2 рабочее колесо 6 со ступицей 7 и лопатками 8, а также концентрично установленную в расточке 2 с возможностью вращения тонкостенную втулку 9 с продольными пазами 10 на внутренней поверхности, при этом задняя по направлению вращения стенка каждого паза расположена по нормали к поверхности втулки, а передняя стенка сопряжена с задней у ее основания с образованием острого угла и выполнена плоской или криволинейной, а эксцентриситет ε определяется из следующего соотношения:

где ε - относительный эксцентриситет, б/р;

е - абсолютный эксцентриситет, м;

ψ - коэффициент загромождения объема рабочего колеса, б/р;

а - минимальная величина погружения лопаток рабочего колеса в жидкостное кольцо (в месте наибольшего удаления рабочего колеса от внутренней расточки корпуса), м;

ν =r₁/r₂, б/р;

r₁ = радиус ступицы рабочего колеса, м;

r₂ = наружный радиус рабочего колеса, м;

δ =Δ /r₂, б/р;

Δ - минимальный зазор между лопатками рабочего колеса и внутренней расточкой корпуса (минимальная высота безлопаточного пространства), м;

ζ =b/b₀,_б/р;

b - ширина безлопаточного пространства, м;

b₀ - длина ротора без учета толщины ребра жесткости, м;

k₁ - эмпирический коэффициент, учитывающий отход внутренней поверхности жидкостного кольца от ступицы рабочего колеса в сечении с минимальной высотой безлопаточного пространства, б/р;

k₁₁ - эмпирический коэффициент, характеризующий величину отношения средней окружной скорости течения жидкости в безлопаточном пространстве в месте наименьшего удаления рабочего колеса от внутренней расточки корпуса к окружной скорости концов лопаток рабочего колеса, б/р;

k₂₂ - эмпирический коэффициент, характеризующий величину отношения средней окружной скорости течения жидкости в безлопаточном пространстве в месте наибольшего удаления рабочего колеса от внутренней расточки корпуса к окружной скорости концов лопаток рабочего колеса, б/р;

k_вт - эмпирический коэффициент, учитывающий, при прочих равных условиях, увеличение средней скорости течения жидкости в безлопаточном пространстве при введении в цилиндрическую внутреннюю проточку корпуса тонкостенной втулки, б/р.

Жидкостно-кольцевая машина работает следующим образом.

Находящаяся внутри корпуса 1 рабочая жидкость при вращении рабочего колеса 6 со ступицей 7 и лопатками 8 под действием центробежных сил отбрасывается к периферии, образуя жидкостное кольцо, вращающее тонкостенную втулку 9, взаимодействуя с продольными пазами 10 на ее внутренней поверхности. Между внутренней поверхностью жидкостного кольца, торцовыми крышками 3, ступицей 7 и лопатками 8 рабочего колеса 6 образуются ячейки, газовый объем которых изменяется при вращении рабочего колеса 6 вокруг его оси вследствие наличия эксцентриситета, при этом объем сначала увеличивается и газ через всасывающее окно 4 поступает в ЖКМ, а затем уменьшается и сжатый газ через нагнетательное окно 5 удаляется из ЖКМ. Максимальный объем имеет ячейка, наиболее удаленная от внутренней расточки 2 корпуса 1 или внутренней поверхности тонкостенной втулки 9, вращаемой жидкостным кольцом с частотой, близкой к частоте вращения рабочего колеса 6. Наличие вращающейся тонкостенной втулки 9 приводит к увеличению средней скорости течения жидкости в безлопаточном пространстве в тангенциальном направлении и уменьшению градиента скорости жидкости в радиальном направлении. Это приводит к уменьшению жидкостного трения в кольце и удельной мощности на привод ЖКМ. Благодаря установлению рабочего колеса 6 относительно внутренней расточки 2 корпуса 1 с эксцентриситетом ε , величина которого определяется из предложенного соотношения, данная ячейка имеет максимально возможную величину газового объема, кроме того, обеспечивается гарантированное погружение лопаток 8 рабочего колеса 6 в жидкостное кольцо, что препятствует перетеканию газа между ячейками.

Таким образом, изобретение позволяет уменьшить удельную мощность ЖКМ путем повышения точности расчета величины эксцентриситета.

Изобретение относится к вакуумной и компрессорной технике и может быть использовано в жидкостно-кольцевых машинах (ЖКМ). Жидкостно-кольцевая машина содержит корпус с цилиндрической внутренней расточкой, торцовые крышки со всасывающими и нагнетательными окнами, эксцентрично установленное в расточке рабочее колесо со ступицей и лопатками, а также концентрично установленную в расточке с возможностью вращения тонкостенную втулку с продольными пазами на внутренней поверхности. Задняя по направлению вращения стенка каждого паза расположена по нормали к поверхности втулки, а передняя стенка сопряжена с задней у ее основания с образованием острого угла и выполнена плоской или криволинейной. Эксцентриситет ε определяется по определенной зависимости. Повышается точность расчета величины эксцентриситета, сокращается продолжительность и стоимость доводочных работ, направленных на уменьшение удельной мощности ЖКМ. 1 ил.

Жидкостно-кольцевая машина, содержащая корпус с цилиндрической внутренней расточкой, торцовые крышки со всасывающими и нагнетательными окнами, эксцентрично установленное в расточке рабочее колесо со ступицей и лопатками, а также концентрично установленную в расточке с возможностью вращения тонкостенную втулку с продольными пазами на внутренней поверхности, отличающаяся тем, что задняя по направлению вращения стенка каждого паза расположена по нормали к поверхности втулки, а передняя стенка сопряжена с задней у ее основания с образованием острого угла и выполнена плоской или криволинейной, а эксцентриситет ε определяется из следующего соотношения:

где ε - относительный эксцентриситет, б/р;

е - абсолютный эксцентриситет, м;

ψ - коэффициент загромождения объема рабочего колеса, б/р;

а - минимальная величина погружения лопаток рабочего колеса в жидкостное кольцо (в месте наибольшего удаления рабочего колеса от внутренней расточки корпуса), м;

ν=r₁/r₂, б/р;

r₁ = радиус ступицы рабочего колеса, м;

r₂ = наружный радиус рабочего колеса, м;

δ=Δ/r₂, б/р;

Δ - минимальный зазор между лопатками рабочего колеса и внутренней расточкой корпуса (минимальная высота безлопаточного пространства), м;

ζ=b/b₀,_б/р;

b - ширина безлопаточного пространства, м;

b₀ - длина ротора без учета толщины ребра жесткости, м;

k₁ - эмпирический коэффициент, учитывающий отход внутренней поверхности жидкостного кольца от ступицы рабочего колеса в сечении с минимальной высотой безлопаточного пространства, б/р;

k₁₁ - эмпирический коэффициент, характеризующий величину отношения средней окружной скорости течения жидкости в безлопаточном пространстве в месте наименьшего удаления рабочего колеса от внутренней расточки корпуса к окружной скорости концов лопаток рабочего колеса, б/р;

k₂₂ - эмпирический коэффициент, характеризующий величину отношения средней окружной скорости течения жидкости в безлопаточном пространстве в месте наибольшего удаления рабочего колеса от внутренней расточки корпуса к окружной скорости концов лопаток рабочего колеса, б/р.

К_вт - эмпирический коэффициент, учитывающий при прочих равных условиях увеличение средней скорости течения жидкости в безлопаточном пространстве при введении в цилиндрическую внутреннюю проточку корпуса тонкостенной втулки, б/р.