ОСЕРАДИАЛЬНОЕ РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ТОННЕЛЬНОГО ТИПА
AXIAL-RADIAL TUNNEL BLADE WHEEL

Изобретение относится к компрессоростроению и насосостроению, в частности к устройствам, предназначенным для сжатия и подачи газа или жидкости под действием центробежной силы инерции, возникающей при вращении рабочего колеса.
Известно осерадиальное рабочее колесо компрессора, содержащее ступицу и расположенные на ней лопатки, передняя и задняя поверхности каждой из которых имеют прямолинейные образующие, причем в осевой части лопаток прямолинейные образующие расположены в плоскостях, перпендикулярных оси колеса [RU 1137251 A1, F04D 29/26, 30.01.1985].
Недостатком устройства является относительно низкий КПД.
Известно также осерадиальное рабочее колесо компрессора, содержащее ступицу с расположенными на ней лопатками переменной толщины, изогнутыми против направления вращения колеса в плоскостях, перпендикулярных его оси, лицевая и тыльная поверхности которых расположены под переменным углом к меридианальной плоскости, причем образующие линии лицевой и тыльной поверхностей лопаток в плоскостях, перпендикулярных оси вращения, выполнены в виде дуг окружностей, радиусы которых на каждом шаге вдоль оси непрерывно и плавно изменяются по величине и связаны с радиусами скелетных окружностей, проходящих через ось колеса, толщинами лопатки на наружном обводе, углами утолщения сечений и радиусами удаления точек наружного обвода от оси колеса соответствующими формульными соотношениями [RU 2334129 C1, F04D 29/28, 20.09.2008].
Недостатком этого устройства является относительно низкий КПД.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является осерадиальное рабочее колесо, выполненное в виде установленных на оси вращения рабочего колеса переднего кольцеобразного диска и заднего диска [RU 2220310 С2, F02K 3/02, F04D 17/02, 27.12.2003].
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкий КПД, относительно большое лобовое сопротивление, относительно малая допустимая скорость вращения и относительно высокий уровень шума.
Задача изобретения - повышение КПД и уменьшение уровня шума.
Требуемый технический результат заключается в уменьшении лобового сопротивления вращению и увеличении максимально допустимой скорости вращения.
Требуемый технический результат достигается тем, что в осерадиальном рабочем колесе, выполненном в виде установленных на оси вращения рабочего колеса переднего кольцеобразного диска и заднего диска, согласно изобретению в заднем диске выполнены основные и связующие каналы, при этом передний кольцеобразный диск с входным отверстием для подвода жидкости или газа внутрь рабочего колеса и задний диск, на котором выполнены основные каналы и связующие каналы, образуют основные тоннели и связующие тоннели, причем суммарная ширина основных тоннелей выбирается равной длине окружности входного отверстия переднего кольцеобразного диска.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что основные и связующие тоннели расположены под углом к вектору радиуса рабочего колеса в сторону его вращения.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что ширина основных каналов выполнена неизменной по длине.
На фиг.1 представлен общий вид осерадиального рабочего колеса тоннельного типа.
На фиг.2 - разрез 1-1 осерадиального рабочего колеса тоннельного типа на фиг.1.
Осерадиальное рабочее колесо тоннельного типа содержит установленные на оси вращения рабочего колеса в соединенном состоянии передний кольцеобразный диск 1 с входным отверстием для подвода жидкости или газа внутрь рабочего колеса и задний диск 2, в котором выполнены основные каналы 3, связующие каналы 4 и отверстие для установки на вал двигателя.
В соединенном состоянии передний кольцеобразный диск 1 с входным отверстием и задний диск 2 образуют основные тоннели и связующие тоннели, выполненные под углом к вектору радиуса рабочего колеса в сторону его вращения. Суммарная ширина основных тоннелей должна равняться длине окружности входного отверстия переднего кольцеобразного диска 1. Ширина основных каналов 3 выполнена неизменной по длине. Боковые стенки тоннелей, набегающие на поток, являются несущими поверхностями.
Работает осерадиальное рабочее колесо тоннельного типа следующим образом.
Поток жидкости или газа через входное отверстие переднего диска 1 попадает в основные каналы 3, несущие поверхности которых отбрасывают поток в сторону выхода из тоннелей. При вращении рабочего колеса на несущих поверхностях тоннелей образуется подъемная сила, в результате чего во входном отверстии создаются условия для подсасывания потока. Рабочее колесо при вращении придает жидкости или газу дополнительную (индуктивную) скорость, отбрасывая поток на периферию рабочего колеса и одновременно закручивая поток. Образование подъемной силы на несущих поверхностях тоннелей существенно компенсирует падение давления в рабочем колесе.
Часть потока жидкости или газа проходит через связующие каналы 4, значительно уменьшая индуктивное сопротивление, что ведет к повышению КПД рабочего колеса.
Увеличение давления достигается за счет увеличения оборотов рабочего колеса и длины основных каналов 3, а увеличение расхода - за счет увеличения высоты каналов.
Создание высокого давления и большого расхода жидкости или газа достигается за счет совместной работы центробежной силы инерции и силы реакции жидкости или газа при создании подъемной силы несущими поверхностями тоннелей, которыми являются боковые стенки тоннелей.
Несущая поверхность создает подъемную силу, и одновременно в противоположном направлении создается сила давления. Для их создания необходимо затратить дополнительную энергию (мощность) на отбрасывание жидкости или газа перпендикулярно касательной к окружности рабочего колеса. При этом молекулам жидкости или газа сообщается индуктивная скорость V, которая называется скоростью подсасывания.
При торможении индуктивной скорости на выходе из рабочего колеса увеличивается сила давления.
Вращающиеся боковые стенки тоннелей рабочего колеса, вследствие вязкости жидкости или газа, испытывают силу сопротивления вращению. В эту силу входят все силы сопротивления в зависимости от условий работы рабочего колеса. Они объединены в единое лобовое сопротивление, состоящее из профильного и индуктивного сопротивления.
Лобовое сопротивление изменяется в очень широком диапазоне в зависимости от окружной скорости, расхода, угла атаки и т.д., и поэтому пренебрегать изменением его величины недопустимо, так как это непосредственно влияет на КПД рабочего колеса.
Индуктивное сопротивление появляется у несущих поверхностей конечного размаха и зависит от подъемной силы, а его величина резко увеличивается по мере роста угла атаки.
Поток жидкости или газа, проходя через связующие каналы 4, сдувает пограничный слой на задних скатах выходных участков несущих поверхностей основных каналов 3, предотвращая срыв потока, и тем самым увеличивает подъемную силу и одновременно уменьшает индуктивное сопротивление вращению рабочего колеса, что приводит в том числе и к существенному уменьшению уровня шума.
Предлагаемая конструкция рабочего колеса позволяет существенно увеличить скорость вращения без потери прочностных характеристик, уменьшить профильное сопротивление вращению.
В сумме, все это ведет к уменьшению лобового сопротивления вращению и существенному увеличению КПД рабочего колеса, а также позволяет существенно увеличить максимально допустимую скорость вращения рабочего колеса без потери прочностных характеристик и уменьшить уровень шума.