Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ЖИДКОСТНО-КОЛЬЦЕВАЯ МАШИНА
ЖИДКОСТНО-КОЛЬЦЕВАЯ МАШИНА

ЖИДКОСТНО-КОЛЬЦЕВАЯ МАШИНА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: 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.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2119098
Класс(ы) патента: F04C7/00, F04C19/00
Номер заявки: 96116296/06
Дата подачи заявки: 06.08.1996
Дата публикации: 20.09.1998
Заявитель(и): Данилин Александр Сергеевич
Автор(ы): Данилин Александр Сергеевич
Патентообладатель(и): Данилин Александр Сергеевич
Описание изобретения: 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;
Kp - 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-RB) (2)
где
Δ- - зазор между ступицей колеса и торцевой крышкой,
R1 - радиус втулки колеса;
RВ - радиус вала.
При расчете в первом приближении за исходную величину принимается удельный критический расход Qкр 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 CR.
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 Kр и по формуле 1 значение Gу.
Величина перетечек Qпер, выраженная объемным расходом, находится по формуле

где
T1 - температура газа на всасывании.
Действительная производительность ЖКМ Q определится как разность между теоретической производительностью Qтеор. и величиной перетечек Qпер.
Q = Qтеор - Qпер.
Из формулы 1 очевидно, что при прочих равных условиях (физические константы откачиваемого газа, давление всасывания и нагнетания) величина Gу зависит только от площади зазора между ступицей колеса и торцевой крышкой F.
F=Δ(R1-RB)
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,
Rв - 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
Eи - 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;
ρж - 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
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
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
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
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.
Формула изобретения: 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.