жидкостно-кольцевая машина

Формула изобретения

1. Жидкостно-кольцевая машина, содержащая корпус со всасывающим и нагнетательным окнами и установленный эксцентрично корпусу вал, на котором расположено рабочее колесо, имеющее два несущих диска и установленные между ними заподлицо с их наружными краями с образованием рабочих ячеек лопатки, отличающаяся тем, что рабочее колесо выполняют с установленными по его краям, параллельно несущим, двумя клапанными дисками, диаметр которых определяют из выражения

D_к=e/(2)^0,5+((D_н-2е)²-7е²/2)^0,5,

где D_н - диаметр несущего диска;

е - эксцентриситет рабочего колеса и корпуса,

между несущими и клапанными дисками размещают криволинейные перегородки с образованием каналов, каждый из которых сообщен с рабочей ячейкой в непосредственной близости к валу, а наружные отверстия каналов разносят равномерно по окружности рабочего колеса, при этом со стороны входа в машину первый по направлению вращения край каждого наружного отверстия сдвигают вперед по направлению вращения относительно радиальной плоскости, делящей объем рабочей ячейки, соединенной с данным каналом, пополам, на угол, определяемый из выражения

₁ = 135-d₁,

а второй по ходу вращения, задний край каждого канала выполняют опережающим указанную плоскость на угол

₂ = 45+d₂,

где d₁ - угол задержки начала и d₂ - угол опережения завершения всасывания, задаваемые технологическими условиями работы машины и конструктивными особенностями ее частей, а со стороны выхода из машины первый по направлению вращения край каждого наружного отверстия сдвигают относительно радиальной плоскости, делящей объем рабочей ячейки, соединенной с данным каналом, пополам, против направления вращения на угол, определяемый выражением

₁ = 45+d₁,

а второй, задний по ходу вращения край этого канала выполняют с отставанием от упомянутой плоскости на угол

₂ = 135-d₂,

где d₁ - угол задержки начала и d₂ - угол опережения завершения нагнетания, задаваемые технологическими условиями работы машины и конструктивными особенностями ее частей.

2. Жидкостно-кольцевая машина по п.1, отличающаяся тем, что по обе стороны от рабочего колеса на валу устанавливают, параллельно несущим, по одному ограничивающему диску, диаметр которого равен или превышает диаметр несущего диска, корпус же оборудуют двумя торцевыми крышками, а также четырьмя перпендикулярными оси рабочего колеса диафрагмами, попарно образующими своими внутренними краями всасывающее и нагнетательное окна, размещенные по обе стороны рабочего колеса между ним и ограничивающими дисками, причем крышки и диафрагмы выполняют с внутренним диаметром, определяемым выражением

D_н-2е>D_д>2е+d,

где D_н - диаметр несущего диска;

е - эксцентриситет рабочего колеса и корпуса;

D_д - внутренний диаметр диафрагм и крышек;

d - диаметр сечения вала плоскостью диафрагмы.

3. Жидкостно-кольцевая машина по п.2, отличающаяся тем, что для возможности оперативного варьирования величины эксцентриситета рабочего колеса, отверстия в крышках корпуса и диафрагмах выполняют концентрическими таким образом, чтобы их края не касались вала, а их диаметр был меньше внутреннего диаметра образующегося под влиянием центробежной силы жидкостного кольца, определяемого выражением

d_ж=D_н-2е,

а в ее корпусе предусмотрены штуцера для подачи жидкости при вращающемся колесе перед началом рабочего процесса и ее удаления перед остановкой машины, а также, при их соединении, для выравнивания уровня рабочей жидкости по обе стороны каждой пары диафрагм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к насосному и компрессорному машиностроению и может найти применение во всех областях науки и техники, использующих эти машины и процессы.

Известна жидкостно-кольцевая машина (а.с. 1560062, МКИ F 04 С 7/00), содержащая корпус с торцовыми крышками, рабочее колесо с лопатками, установленное на валу, эксцентричном корпусу, и распределительные диски с окнами подвода и отвода перекачиваемого газа. Распределительные диски установлены с возможностью осевого перемещения. Необходимая регулировка зазора между рабочим колесом и дисками первоначальная и по мере износа трущихся поверхностей, а также фиксация их положения обеспечиваются устройством в виде упорных винтов, установленных в торцовых крышках.

Известна жидкостно-кольцевая машина (а.с. 1137245, МКИ F 04 С 7/00), рассматриваемая в качестве прототипа, содержащая корпус и эксцентрично установленный в нем вал, на котором консольно расположено рабочее колесо. Рабочее колесо состоит из двух дисков с установленными между ними с образованием рабочих ячеек лопатками. К одному из дисков рабочего колеса поджат газораспределитель сжатого газа. В этом диске в зоне газораспределителя выполнены выпускные отверстия.

Устройство аналогично описанному выше, но менее совершенно в регулировке. Сжатый газ поступает в объем, ограниченный уровнем рабочей жидкости, цилиндрическим корпусом и его верхней крышкой. На крышке имеются газоотводной патрубок и сальниковое уплотнение для прохода вала рабочего колеса, препятствующее утечке сжатого газа. Лопатки снабжены каналами, сообщенными с одной стороны со всасывающим окном машины, газ к которому поступает по подводящему патрубку, а с другой - с рабочими ячейками.

При повороте рабочего колеса, после выпуска сжатого газа и перекрытия выпускного окна, свободный объем рабочей ячейки начинает увеличиваться за счет уменьшения погружения ограничивающих его лопаток во вращающееся эксцентричное жидкостное кольцо, и в ячейке создается разрежение. По мере уменьшения глубины погружения лопатки из-под уровня жидкости освобождается выходное отверстие канала и через него в ячейку засасывается газ. Последующее погружение лопатки в жидкость приводит к перекрытию последней отверстия канала, после чего дальнейшее уменьшение объема рабочей ячейки обеспечивает сжатие отсеченной порции газа.

Описанная конструкция обладает рядом недостатков, в частности:

1) Наличие сальника в месте входа вала в объем сжатого газа является источником повышенных энергозатрат на трение, а также утечек сжатого газа или рабочей жидкости, подаваемой к сальнику для уплотнения.

2) Расположение каналов в теле лопаток синхронизирует моменты достижения рабочей ячейкой увеличенного объема и открытие выходного отверстия канала таким образом, что, чем ближе это отверстие к концу лопатки, тем позже оно открывается и тем раньше оно закрывается. При расположении отверстия вблизи от конца лопатки оно выходит из-под уровня жидкости практически при достижении ячейкой максимального объема и сразу же погружается. В этом случае давление в рабочей ячейке в момент открытия отверстия значительно ниже исходного давления перекачиваемого газа, что требует большой затраты энергии, которая теряется при дросселировании газа, поступающего с большой скоростью через отверстие в рабочую ячейку. Повышенный вакуум в ячейке до впуска газа ведет к излишнему испарению рабочей жидкости; пары жидкости занимают часть объема ячейки, уменьшая ее полезную емкость, а при уменьшении объема ячейки препятствуют повышению давления в ней до своей полной конденсации, т.е. понижают достижимую степень сжатия. При расположении отверстия канала ближе к корню лопатки всасывание газа начинается до достижения ячейкой наибольшего объема, что обеспечивает отсутствие излишнего вакуума. Однако, при последующем уменьшении объема ячейки газ выталкивается из нее без сжатия до момента перекрытия отверстия, что ведет к фактическому уменьшению действующего объема ячейки на величину изменения объема ячейки, происходящего за время, пока канал открыт.

При любом варианте расположения отверстия происходит разогрев рабочей жидкости за счет диссипации энергии потерь вследствие неоптимальности процесса всасывания. Это совместно с поступлением тепла в результате механических потерь в сальниковом уплотнении и устройстве распределения на нагнетании приводит к существенному повышению давления паров рабочей жидкости и снижению показателей работы машины.

Задачей изобретения является снижение потерь, обусловленных трением элементов машины, а также неправильно организованной аэродинамикой газовых потоков.

Поставленная задача решена в жидкостно-кольцевой машине, содержащей корпус со всасывающим и нагнетательным окнами и установленный эксцентрично корпусу вал, на котором расположено рабочее колесо, имеющее два несущих диска и установленные между ними заподлицо с их наружными краями с образованием рабочих ячеек лопатки, согласно изобретению рабочее колесо выполняют с установленными по его краям, параллельно несущим, двумя клапанными дисками, диаметр которых определяют из выражения

D_к=e/(2)^0,5+((D_н-2е)²-7е²/2)^0,5,

где D_н - диаметр несущего диска,

е - эксцентриситет рабочего колеса и корпуса,

между несущими и клапанными дисками размещают криволинейные перегородки с образованием каналов, каждый из которых сообщен с рабочей ячейкой в непосредственной близости к валу, а наружные отверстия каналов разносят равномерно по окружности рабочего колеса, при этом со стороны входа в машину первый по направлению вращения край каждого наружного отверстия сдвигают вперед по направлению вращения относительно радиальной плоскости, делящей объем рабочей ячейки, соединенной с данным каналом, пополам, на угол, определяемый из выражения

₁ = 135-d₁,

а второй по ходу вращения задний край каждого канала выполняют опережающим указанную плоскость на угол

₂ = 45+d₂,

где d₁ - угол задержки начала,

d₂ - угол опережения завершения всасывания,

задаваемые технологическими условиями работы машины и конструктивными особенностями ее частей, а со стороны выхода из машины первый по направлению вращения край каждого наружного отверстия сдвигают относительно радиальной плоскости, делящей объем рабочей ячейки, соединенной с данным каналом, пополам, против направления вращения на угол, определяемый выражением

₁ = 45+d₁,

а второй задний по ходу вращения край этого канала выполняют с отставанием от упомянутой плоскости на угол

₂ = 135-d₂,

где d₁ - угол задержки начала,

d₂ - угол опережения завершения нагнетания,

задаваемые технологическими условиями работы машины и конструктивными особенностями ее частей.

Кроме того, в жидкостно-кольцевой машине по обе стороны от рабочего колеса на валу устанавливают, параллельно несущим, по одному ограничивающему диску, диаметр которого равен или превышает диаметр несущего диска, корпус же оборудуют двумя торцевыми крышками, а также четырьмя перпендикулярными оси рабочего колеса диафрагмами, попарно образующими своими внутренними краями всасывающее и нагнетательное окна, размещенные по обе стороны рабочего колеса между ним и ограничивающими дисками, причем крышки и диафрагмы выполняют с внутренним диаметром, определяемым выражением

D_н - 2е > D_д > 2е + d,

где D_н - диаметр несущего диска,

е - эксцентриситет рабочего колеса и корпуса,

D_д - внутренний диаметр диафрагм и крышек,

d - диаметр сечения вала плоскостью диафрагмы.

Кроме того, для возможности оперативного варьирования величины эксцентриситета рабочего колеса отверстия в крышках корпуса и диафрагмах могут быть выполнены концентрическими таким образом, чтобы их края не касались вала, а их диаметр был меньше внутреннего диаметра образующегося под влиянием центробежной силы жидкостного кольца, определяемого выражением

d_ж=D_н-2е,

а в ее корпусе предусмотрены штуцера для подачи жидкости при вращающемся колесе перед началом рабочего процесса и ее удаления перед остановкой машины, а также при их соединении для выравнивания уровня рабочей жидкости по обе стороны каждой пары диафрагм.

На фиг.1 изображена схема продольного разреза жидкостно-кольцевой машины; на фиг.2 - разрез по А-А; на фиг.3 - разрез по Б-Б.

Жидкостно-кольцевая машина содержит корпус 1 с крышками 2. Вал 3 диаметром d установлен с эксцентриситетом е. На валу 3 расположено рабочее колесо, которое содержит два несущих диска 4, установленные между ними равномерно по окружности с образованием рабочих ячеек 5 радиальные лопатки 6 (не менее двух, в описываемом примере - четыре), установленные с обеих сторон рабочего колеса ограничивающие диски 7, а между ними и несущими дисками 4 клапанные диски 8. Лопатки 6 выполнены заподлицо с наружными краями несущих дисков 4, диаметр Do ограничивающихся дисков 7 равен или больше диаметра D_н несущих дисков 4, а диаметр клапанных дисков 8 определен из выражения

D_к = e/(2)^0,5+((D_н-2e)²-7e²/2)^0,5.

Все элементы рабочего колеса закреплены симметрично его оси. Между несущими 4 и клапанными 8 дисками выполнены криволинейные перегородки 9 с образованием каналов 10, каждый из которых сообщен с одной рабочей ячейкой 5 в непосредственной близости к валу 3 сквозным окном в несущем диске 4 (или каналом в теле вала 3). Края каждого наружного отверстия каналов 10 разнесены равномерно по окружности рабочего колеса со сдвигом относительно положения радиальной плоскости, делящей объем рабочей ячейки 5, соединенной с этим каналом, пополам, на углы

i_к + di_k,

где di_k - углы конструктивно-технологической задержки опережения процесса.

Со стороны входа газа в машину первый по направлению вращения край каждого наружного отверстия каналов 10 сдвинут в направлении вращения (опережает обслуживаемую ячейку 5, т.е. упомянутую делящую плоскость) на угол, определяемый выражением

₁ = 135-d₁,

а второй по ходу вращения задний край каждого канала выполняют опережающим указанную плоскость на угол

₂ = 45+d₂.

Со стороны выхода газа из машины первый по направлению вращения край наружного отверстия каждого канала 10 сдвинут против направления вращения (отстает) относительно рабочей ячейки 5, соединенной с этим каналом, на угол

₁ = 45+d₁,

а второй задний по ходу вращения край этого канала выполняют с отставанием от упомянутой плоскости на угол

₂ = 135-d₂.

Рабочий ход ячейки любого направления изменения объема (min --> max или max --> min) всегда составляет 90^o+90^o=180^o. Теоретический угловой размер наружных отверстий каналов 10 ( = ₁-₂ и = ₂-₁) не зависит от количества и углового размера рабочих ячеек 5 и всегда равен

= = 90

(фактические: _ф = 90-d₁-d₂;; _ф = 90-d₁-d₂, a теоретический угол "перекрытия" зон соединения рабочих ячеек с окнами

_вх = _вых = 180

(фактические: _вх = 180-d₁-d₂; _вых = 180-d₁-d₂).

В приводимом примере конструкции, где рабочие ячейки 5, образуемые четырьмя рабочими лопатками 6, занимают по 90^o на окружности рабочего колеса, наружные отверстия каналов 10, умещающиеся каждое также на участке не больше 90^o, располагаются на одной окружности; в случае количества рабочих лопаток (и, соответственно, рабочих полостей) более четырех, наружные выходы каналов 10, соединенных с этими ячейками, не смогут разместиться на одной окружности и должны быть разнесены в осевом направлении с сохранением вышеприведенных угловых соотношений.

Корпус 1 снабжен четырьмя диафрагмами 11, внутренний диаметр которых (также, как и размер отверстия в крышках 2) определен выражением

D_н - 2е > D_д > 2е + d,

(вариант экцентрично расположенных отверстий с D_д > d менее рационален).

Диафрагмы 11 расположены в объемах между клапанными 8 и ограничивающими 7 дисками перпендикулярно валу 3 попарно.

Всасывающее 12 и нагнетательное 13 окна образованы кольцевыми зазорами между внутренними краями каждой пары диафрагм 11 соответственно со стороны входа и со стороны выхода газа из машины. В крышках 2 выполнены штуцеры 14 для установления и контроля уровня рабочей жидкости в корпусе 1, в котором выполнены штуцеры 15 для выравнивания при их соединении уровня рабочей жидкости по обе стороны каждой пары диафрагм 11. На подводе и отводе газа соответственно ко всасывающему 12 и от нагнетательного 13 окон установлены запорно-регулирующие заслонки 16.

В корпус 1 заливается рабочая жидкость в количестве, обеспечивающем образование при работе машины жидкостного кольца внутренним диаметром

d_ж=D_н-2е.

Работа машины происходит следующим образом.

После пуска машины и залива рабочей жидкости последняя образует под влиянием центробежной силы вращающееся кольцо внутренним диаметром d_ж (направление вращения показано на фиг. 2 и 3 стрелками), образуя по обоим концам рабочего колеса цилиндрические объемы газа, замкнутые с торца ограничивающими дисками 7, а по окружности - поверхностью жидкости, и связанные при открытых обеих заслонках 16 с опоражниваемой и наполняемой емкостями газа (на фиг. не показаны). Между непогруженными в жидкость участками краев клапанных дисков 8 и поверхностью рабочей жидкости образуются серповидные зазоры 17, через которые газ, находящийся в цилиндрических объемах у торцов рабочего колеса, соединен посредством выходящих к этому участку клапанного диска 8 криволинейных каналов 10, образованных криволинейными перегородками 9, несущим 4 и клапанным 8 дисками, со связанными с этими каналами рабочими ячейками 5.

На стороне всасывания (фиг.2, разрез А-А) газ через серповидный зазор 17 и один из криволинейных каналов 10 (горизонтальная штриховка, выполненная штриховыми, а на участках видимых - через окно в несущем диске 4 и в месте, вскрытом вырывом - сплошными линиями) поступает в рабочую ячейку 5 (на чертеже справа вертикальная штриховка сплошными линиями), объем которой увеличивался на протяжении поворота рабочего колеса на 90^o, предшествовавшего изображенному моменту, от минимальной величины в верхнем положении, и будет расти еще 90^o до максимальной величины при нижнем положении, после прохождения 180^o.

В рассматриваемом положении рабочего колеса серпообразный зазор 17 по всей длине совпадает с каналом 10 (90^o поворота рабочего колеса), открывающимся в рассматриваемую ячейку 5, контакт этот начался в момент выхода первой по направлению вращения перегородки 9 из-под уровня жидкости, а прервется в момент ухода под уровень задней по направлению движения перегородки 9, ограничивающей рассматриваемый канал 10.

На стороне нагнетания (фиг.3, разрез Б-Б) перегородки 9 имеют направление изгиба зеркальное относительно перегородок на стороне всасывания, что обеспечивает синхронизацию момента открытия канала 10 (в момент выхода конца первой по направлению вращения перегородки 9 из-под уровня жидкости при положении рабочего колеса на 90^o ранее положения, изображенного на чертеже) с рабочей ячейкой 5, с которой этот канал связан в нижнем положении (при котором она имеет наибольший объем).

В изображенном на чертеже положении ячейки 5 связанный с нею канал 10 полностью перекрывает серпообразный зазор 17, т.е. в данный момент эта ячейка одна соединена с цилиндрическим объемом газа у нагнетательного окна 13, ячейка, движущаяся впереди нее по направлению вращения (верхняя на чертеже), только что отсоединилась, а ячейка, следующая за ней (нижняя на чертеже), в следующий момент войдет в соединение с указанным объемом.

В промежуточных положениях ячеек 5 как на стороне всасывания, так и на стороне нагнетания, они через серпообразный зазор 17 оказываются попарно связанными друг с другом, что обеспечивает демпфирование процессов всасывания и нагнетания перекачиваемого газа.

Необходимо отметить, что "перекрытие" фаз впуска на входе в машину и выпуска на выходе из нее для соседних рабочих ячеек 5, равное в описываемом случае 45^o, - величина теоретическая (предельная). Фактическое "перекрытие" ограничивается величинами задержки/опережения всасывания и нагнетания (соответственно, d_1,2 и d_1,2) в зависимости от конкретных конструктивных особенностей машины, свойств применяемой жидкости и перекачиваемого газа, а также требуемых рабочих параметров процесса.

Например, если давление газа на входе и выходе из машины сильно отличается, то открытие рабочей ячейки 5, завершившей процесс сжатия и отключившейся от объема газа, связанного с нагнетательным окном 13, в объем газа, связанный со всасывающим окном 12, при ее положении, соответствующем минимальному объему, приведет к вытеканию сжатого газа, оставшегося в "мертвом объеме" ячейки, в сторону всасывающего окна, и лишь после выравнивания давления начнется процесс всасывания.

Задержка момента начала всасывания обеспечивает снижение давления остатков газа за счет увеличения объема ячейки при ее повороте на d₁ до давления газа перед машиной и лишь после этого происходят соединение рабочей ячейки со всасывающим окном и плавный набор порции газа.

Аналогичные процессы (вход газа, имеющего повышенное давление, в рано открывшуюся рабочую ячейку) предотвращаются введением необходимой задержки начала нагнетания d₁ до момента достижения газом, замкнутым в рабочей ячейке, давления, равного или несколько более высокого, чем давление в заполняемом объеме. В случае перемещения газа без компримирования, когда ему необходимо преодолеть лишь незначительное сопротивление газового тракта, угловые размеры отверстий каналов могут быть выполнены практически равными теоретическим, что обеспечивает минимальное внутреннее аэродинамическое сопротивление проточной части машины.

Пример выполнения

Предложенная конструкция жидкосто-кольцевой машины была реализована в виде лабораторной установки.

На рабочем колесе, размещенном в цилиндрическом корпусе 1 на валу 3 диаметром d = 32 мм с эксцентриситетом е = 13 мм, укреплены несущие диски 4 теоретическим диаметром 110 мм, фактический диаметр несущего диска 4 принят 116 мм, таким образом, чтобы его край и край рабочей лопатки 6 в месте наименьшего погружения рабочего колеса в жидкостное кольцо был заглублен на 3 мм.

Остальные элементы характеризовались размерами:

- для ограничивающих дисков 7 D₀ = 118 мм (теоретический - 110 мм),

- для клапанных дисков 8 D_к = 90 мм (теоретический - 89,595 мм),

- для отверстий в диафрагмах и крышках D_д = 60 мм (84 > 60 > 58).

Рабочая жидкость (вода) заливалась при вращающемся рабочем колесе через верхний из штуцеров 14 в количестве, обеспечивающем при работе машины образование жидкостью кольца внутренним диаметром d_ж=84 мм. Задаваемый экспериментально диапазон изменения уровня (80-90 мм) поддерживался переливом избытка жидкости через регулируемый нижний из штуцеров 14, имевший конструктивную возможность перемещения по радиусу корпуса. Соединенные шлангом штуцера 15 обеспечивали равенство уровней жидкости в частях корпуса, разъединенных диафрагмами 11.

Для предотвращения попадания воды в зазоры между попарно установленными диафрагмами 11 и вытекания ее через отверстия в торцевых крышках корпуса 1 подача рабочей жидкости в машину перед началом рабочего процесса через штуцера 14 на крышке 2 и ее удаление перед остановкой машины через корпусные штуцера 15 производились при вращающемся рабочем колесе и закрытых заслонках 16 (отключенной сети).

Использование крышек и диафрагм с эксцентричным отверстием малого диаметра, позволяющих сохранять наличие рабочей жидкости в корпусе машины и при ее остановке, ограничивало возможность оперативного варьирования величины эксцентриситета рабочего колеса, а также требовало повышенного пускового расхода энергии (завышенной мощности привода) для одномоментного разворота большого количества жидкости и было признано нецелесообразным.

Описанная установка предназначалась для качественной оценки используемых в ее конструкции новых элементов, поэтому размеры составляющих ее частей принимались близкими к теоретическим, и в опытах, подтвердивших работоспособность предлагаемой конструкции, производилось перемещение газа без повышения его давления.