Патент на изобретение №2238435

(54) ЖИДКОСТНО-КОЛЬЦЕВАЯ МАШИНА

(57) Реферат:

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 определяется по определенной зависимости. Повышается точность расчета величины эксцентриситета, сокращается продолжительность и стоимость доводочных работ, направленных на уменьшение удельной мощности ЖКМ. 1 ил.

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 – относительный эксцентриситет, б/р;

е – абсолютный эксцентриситет, м;

– 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;

=r₁/r₂, б/р;

r₁ = радиус ступицы рабочего колеса, м;

r₂ = наружный радиус рабочего колеса, м;

= /r₂, б/р;

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

=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 определяется из следующего соотношения:

где – относительный эксцентриситет, б/р;

е – абсолютный эксцентриситет, м;

– 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;

=r₁/r₂, б/р;

r₁ = радиус ступицы рабочего колеса, м;

r₂ = наружный радиус рабочего колеса, м;

= /r₂, б/р;

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

=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 0,9,

0,005 а/r² 0,015,

0,35 0,60,

0,005 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;

=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=2 r₂n_рк – окружная скорость концов лопаток рабочего колеса, м/с;

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

Значение k₁ определено для 1 3 в диапазоне 0,2 Е_u 0,85 и для 3< 7,5 в диапазоне 0,2 Е_u 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-k ) k_oc,

где k_11рад=(1,583 10^-3 ₂+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;

₂ – величина выходного угла наклона лопаток рабочего колеса, град;

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

– 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=(k -k ) k_oc k_вc;

где k ={[1-(1- )/ tg ₂] _z}^1/2 – коэффициент, учитывающий влияние формы и числа лопаток рабочего колеса, б/р;

_z=[1+ sin ₂/2 z (1- )]^-1, б/р;

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 р_н 115 кПа, 1 10^-3Па с 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=2 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 n_рк. Это значит, что максимального значения коэффициент k_вт достигает при n_вт=n_рк 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 определяется из следующего соотношения:

где – относительный эксцентриситет, б/р;

е – абсолютный эксцентриситет, м;

– 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;

=r₁/r₂, б/р;

r₁ = радиус ступицы рабочего колеса, м;

r₂ = наружный радиус рабочего колеса, м;

= /r₂, б/р;

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

=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 , 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.

Формула изобретения

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 определяется из следующего соотношения:

где – относительный эксцентриситет, б/р;

е – абсолютный эксцентриситет, м;

– 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;

=r₁/r₂, б/р;

r₁ = радиус ступицы рабочего колеса, м;

r₂ = наружный радиус рабочего колеса, м;

=/r₂, б/р;

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

=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.

РИСУНКИ