ЛОПАСТНАЯ МАШИНА (ВАРИАНТЫ)

Заявляемая группа полезных моделей относится к области машиностроения, в частности, к обратимым осевым лопастным машинам для жидкости и газа, пригодным как для выработки механической энергии, так и для осуществления подачи рабочей среды под давлением.
Известна центробежная лопастная машина, содержащая корпус с каналами пропускания рабочей среды, соединенный с внешней машиной вал, на котором закреплена ступица радиально-осевого рабочего колеса, имеющего круговую систему лопастей (1).
s
К недостаткам этой машины относятся повышенные гидравлические и особенно - дисковые потери, достигающие суммарно, например, в нагнетательных лопастных машинах малой быстроходности (n<100) уровня 30-35% и более от мощности энергоустановок. Кроме того, в условиях часто фиксированных максимально допустимых радиальных размеров проточной части и близкой к оптимальной по гидродинамическим показателям геометрии лопастных систем, оказывается практически исчерпанной возможность качественного увеличения напора.
Известна осевая пропеллерная лопастная машина, содержащая корпус с центральным и периферийным каналами пропускания (отвода и подвода) рабочей среды, соединенный с внешней машиной вал, на котором закреплена ступица осевого рабочего колеса, имеющего круговую систему лопастей, последовательно чередующуюся вдоль оси вала с круговой системой лопаток направляющего аппарата, закрепленных в корпусе (2).
Недостатком данной лопастной машины является пониженное значение развиваемого (лопастная машина нагнетательного типа), либо полезно срабатываемого (лопастная машина турбинного, т.е. двигательного типа) напора, а также большая удельная материалоемкость (низкая мощность на единицу массы).
Технической задачей группы полезных моделей, объединенных единым изобретательским замыслом, является создание энергетически более эффективной обратимой лопастной машины для работы на жидкостях и газах и расширение арсенала лопастных машин.
Технический результат, обеспечивающий решение задачи группы полезных моделей, состоит в повышении удельной мощности (на единицу массы), полезного напора и долговечности, при сохранении высоких значений к.п.д.
Сущность полезной модели по первому варианту состоит в том, что в лопастной машине, содержащей корпус с центральным и периферийным каналами пропускания рабочей среды, соединенный с внешней машиной вал, на котором разъемно закреплена ступица осевого рабочего колеса, имеющего круговую систему лопастей, последовательно чередующуюся вдоль оси вала с круговой системой лопаток направляющего аппарата, закрепленных в корпусе, рабочее колесо снабжено, по меньшей мере, одной кольцевой втулкой, жестко связанной со ступицей, а круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены, по меньшей мере, двухрядными с центральным и периферийным рядами круговых систем лопастей и лопаток, соответственно, которые установлены по обе стороны втулки рабочего колеса, при этом в корпусе выполнено, по меньшей мере, одно кольцевое осесимметричное углубление, охватывающее с одного из торцев втулку рабочего колеса с образованием колена инверсии потока.
В частном случае выполнения по первому варианту полезной модели рабочее колесо выполнено с двумя кольцевыми втулками, жестко связанными со ступицей, а круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены трехрядными с центральным, промежуточным и периферийным рядами круговых систем лопастей и лопаток, при этом полость корпуса выполнена с двумя, расположенными с противоположных сторон от рабочего колеса, кольцевыми осесимметричными углублениями, каждое из которых охватывает с одного из торцев соответствующую втулку и закрепленные по обе ее стороны лопасти рабочего колеса с образованием двух колен инверсии потока между рядами круговых систем лопастей и лопаток. Предпочтительно одна из круговых систем лопаток направляющего аппарата частично размещена в колене инверсии.
В другом частном случае выполнения по первому варианту полезной модели круговые системы лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса установлены в каждом ряду с противоположной последовательностью их чередования.
В следующем частном случае выполнения по первому варианту полезной модели круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены двухрядными с многоступенчатыми центральным и периферийным рядами круговых систем лопастей и лопаток, лопасти жестко
установлены в гильзах, неподвижно закрепленных на втулке рабочего колеса по обе ее стороны, лопатки направляющего аппарата жестко установлены в ободьях, ободья лопаток периферийного ряда неподвижно закреплены в корпусе, втулка рабочего колеса жестко соединена со ступицей, а в корпусе выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях с образованием двух колен инверсии, при этом корпус снабжен установленной концентрично валу опорной втулкой с неподвижно закрепленными на ней ободьями лопаток центрального ряда.
В четвертом частном случае выполнения полезной модели по первому варианту круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены трехрядными с многоступенчатыми центральным, промежуточным и периферийным рядами круговых систем лопастей и лопаток, лопасти промежуточного и периферийного рядов жестко установлены в гильзах, неподвижно закрепленных на втулке рабочего колеса по обе ее стороны, лопатки направляющего аппарата жестко установлены в ободьях, ободья лопаток периферийного ряда неподвижно закреплены в корпусе, втулка рабочего колеса жестко соединена со ступицей, а в корпусе выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях с образованием двух колен инверсии, корпус снабжен установленной концентрично валу опорной втулкой с неподвижно закрепленными на ней по обе стороны ободьями лопаток центрального и промежуточного рядов, вал снабжен последовательно и неподвижно установленными на нем дополнительными ступицами, на которых жестко закреплены лопасти центрального ряда. Предпочтительно дополнительные ступицы лопастей и ободья лопаток центрального ряда выполнены треугольного продольного сечения, а лопасти и лопатки центрального ряда попарно выполнены сужающимися по длине навстречу друг другу.
В следующем частном случае выполнения по первому варианту полезной модели круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены двухрядными с многоступенчатыми центральным и периферийным рядами круговых систем лопастей и лопаток, лопасти жестко установлены в гильзах, неподвижно закрепленных на втулке рабочего колеса по обе ее стороны, лопатки направляющего аппарата жестко установлены в ободьях, ободья лопаток периферийного ряда неподвижно закреплены в корпусе, втулка рабочего колеса жестко соединена со ступицей, а в корпусе выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных
корпусных замыкателях с образованием двух колен инверсии, корпус снабжен установленной концентрично валу опорной втулкой с неподвижно закрепленными на ней ободьями лопаток центрального ряда, при этом втулка рабочего колеса выполнена ступенчатой, гильзы изготовлены переменной толщины с трапецеидальным продольным сечением, а лопасти и лопатки выполнены в каждом ряду переменной высоты вдоль втулки рабочего колеса, причем высота лопастей и лопаток последовательно и равномерно уменьшается в периферийном ряду от периферийного канала пропускания до колена инверсии, а в следующем ряду - в противоположном направлении.
В частных случаях выполнения полезной модели по первому варианту центральный канал пропускания расположен внутри опорной втулки со стороны ее крепления к корпусу, а периферийный канал пропускания выполнен с противоположной стороны и вокруг втулки рабочего колеса, каждая втулка рабочего колеса выполнена со скругленным торцем со стороны колена инверсии и с элементами скольжения со стороны, противоположной колену инверсии, по меньшей мере, в одном канале пропускания рабочей среды установлена статорная решетка из радиальных перемычек, корпус выполнен составным.
При этом круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата могут быть выполнены моноплановыми - с лопастями и лопатками одинаковой длины или биплановыми - с периодически чередующимися лопастями и с периодическими чередующимися лопатками неодинаковой длины.
Сущность полезной модели по второму варианту состоит в том, что лопастная машина, содержащая корпус с центральным и периферийным каналами пропускания рабочей среды, соединенный с внешней машиной вал, на котором закреплена ступица осевого рабочего колеса, имеющего круговую систему лопастей, последовательно чередующихся вдоль оси вала с круговой системой лопаток направляющего аппарата, закрепленных в корпусе, снабжена вторым рабочим колесом с охватывающей первое рабочее колесо втулкой, кинематически связанной с дополнительным валом, соединенным с внешней машиной, круговые системы лопастей рабочих колес и лопаток направляющего аппарата выполнены трехрядными с периферийным и промежуточным рядами круговых систем лопастей и лопаток, которые установлены по обе стороны втулки второго рабочего колеса, и с центральным рядом круговых систем лопастей и лопаток, которые установлены вокруг ступицы первого рабочего колеса, ступица выполнена составной из кольцевых деталей, каждая кольцевая деталь разъемно соединена с валом и жестко скреплена в
круговой последовательности с лопастями центрального ряда, лопасти периферийного и промежуточного рядов жестко установлены в гильзах, неподвижно закрепленных на втулке второго рабочего колеса с обеих ее сторон, лопатки жестко установлены в ободьях, ободья лопаток периферийного ряда неподвижно закреплены в корпусе, а корпус снабжен закрепленной концентрично валу опорной втулкой для неподвижной установки ободьев лопаток центрального и промежуточного рядов, при этом в корпусе выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях, а каждое из этих углублений охватывает с одного из торцев соответствующую втулку с образованием колена инверсии потока.
Предпочтительно втулка второго рабочего колеса выполнена ступенчатой, гильзы и кольцевые детали составной ступицы изготовлены переменной толщины с трапецеидальными продольными сечениями, а лопасти рабочего колеса и лопатки направляющего аппарата выполнены в каждом ряду переменной высоты вдоль соответствующих втулок, причем высота лопастей и лопаток уменьшается в периферийном ряду от периферийного канала пропускания до колена инверсии, в промежуточном ряду - в противоположном направлении, а в центральном ряду - от колена инверсии к центральному каналу пропускания.
При этом рабочие колеса связаны с внешней машиной зубчатыми колесами с разными диаметрами. По меньшей мере, в одном канале пропускания рабочей среды установлена статорная решетка из радиальных перемычек, корпус выполнен составным. В разных случаях исполнения круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата могут быть выполнены моноплановыми - с лопастями и лопатками одинаковой длины или биплановой - с периодически чередующимися лопастями и с периодически чередующимися лопатками неодинаковой длины.
На чертеже фиг.1 изображена конструктивная схема двухрядной лопастной машины, на фиг.2 - разрез I-I по фиг.1, на фиг.3 - ступенчатый разрез II-II по фиг.1, на фиг.4 - разрез III-III по фиг.1, на фиг.5 - конструктивная схема трехрядной лопастной машины с кожухом на валу, на фиг.6 - другая конструктивная схема трехрядной лопастной машины без кожуха на валу, на фиг.7 - конструктивная схема многоступенчатой двухрядной лопастной машины, на фиг.8 - разрез IV-IV по фиг.7, на фиг.9 - разрез V-V по фиг.7, на фиг.10 - конструктивная схема многоступенчатой трехрядной лопастной машины, на фиг.11 - конструктивная схема многоступенчатой двухрядной лопастной машины с изменяющейся высотой лопастей и лопаток, на фиг.
12 - кинематическая схема привода лопастной машины с двумя рабочими колесами, на фиг.13 - устройство соединения второго рабочего колеса с приводом, на фиг.14 - конструктивная схема многоступенчатой трехрядной лопастной машины с двумя рабочими колесами.
Лопастная машина (фиг.1-4) по первому варианту полезной модели содержит корпус 1 с корпусным замыкателем 13, а также с центральным и периферийным каналами 2, 3 пропускания рабочей среды, соединенный с внешней машиной (не изображена) вал 4, на котором разъемно, например шпоночным соединением 12, закреплена ступица 5 осевого рабочего колеса, имеющего круговую систему лопастей 6, последовательно чередующуюся вдоль оси вала 4 с круговой системой лопаток 7 направляющего аппарата, закрепленных в корпусе 1. Рабочее колесо снабжено кольцевой втулкой 8, жестко связанной со ступицей 5 лопастями 6, а круговые системы лопастей 6 рабочего колеса и лопаток 7 направляющего аппарата выполнены, по меньшей мере, двухрядными с центральным и периферийным рядами круговых систем лопастей 6 и лопаток 7, соответственно, которые установлены по обе стороны втулки 8 рабочего колеса (см. на фиг.1 вытянутые вдоль вертикальной оси отмеченные пунктиром прямоугольники). При этом в корпусе 1 выполнено, по меньшей мере, одно кольцевое осесимметричное углубление, охватывающее с одного из торцев втулку 8 и закрепленные по обе ее стороны лопасти 6 рабочего колеса с образованием колена 9 инверсии потока.
Рабочее колесо может быть также выполнено (фиг.5, 6) с двумя кольцевыми втулками 8, 10, жестко связанными со ступицей 5 лопастями 6, а круговые системы лопастей 6 рабочего колеса и лопаток 7 направляющего аппарата выполнены трехрядными с центральным, промежуточным и периферийным рядами круговых систем лопастей 6 и лопаток 7. При этом полость корпуса 1 выполнена с двумя, расположенными с противоположных сторон рабочего колеса, кольцевыми осесимметричными углублениями, каждое из которых охватывает с одного из торцев соответствующую втулку 8 или 10 и закрепленные по обе ее стороны лопасти 6 рабочего колеса с образованием колен 9, 11, соответственно, инверсии потока между рядами круговых систем лопастей 6 и лопаток 7. Втулки 8 и 10 рабочего колеса соединены между собой и со ступицей 5 лопастями 6. Одна из круговых систем лопаток 7 направляющего аппарата частично размещена в колене 9 и/или 11 инверсии. Ступица 5 рабочего колеса соединена с валом 4 разъемно, например, шпонкой 12. Машины на фиг.5 и фиг.6 отличаются противоположной последовательностью
чередования круговых систем лопастей 6 рабочего колеса и лопаток 7 направляющего аппарата в каждом ряду, а также по выполнению ступицы 5 и по наличию неподвижного кожуха 24.
Круговые системы лопастей 6 рабочего колеса и лопатки 7 направляющего аппарата (фиг.7-9) могут быть выполнены двухрядными с многоступенчатыми центральным и периферийным рядами круговых систем лопастей 6 рабочего колеса и лопаток 7 направляющего аппарата. Втулка 8 рабочего колеса жестко соединена со ступицей 5, а в корпусе 1 выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях 13, 14 с образованием двух колен 9, 11 инверсии. Корпус 1 снабжен установленной концентрично валу 4 опорной втулкой 15 с неподвижно закрепленными на ней с наружной стороны ободьями 16 лопаток 7 центрального ряда. Лопасти 6 жестко установлены в гильзах 17, неподвижно закрепленных на втулке 8 рабочего колеса с обеих ее сторон, лопатки 7 периферийного ряда жестко установлены в ободьях 16, закрепленных в корпусе 1. Центральный канал 2 пропускания расположен, предпочтительно, внутри опорной втулки 15 корпуса 1, а периферийный канал 3 пропускания выполнен с противоположной стороны, вокруг втулки 8 рабочего колеса.
Круговые системы лопастей 6 рабочего колеса и лопаток 7 направляющего аппарата (фиг.10) могут быть выполнены трехрядными с многоступенчатыми центральным, промежуточным и периферийным рядами круговых систем лопастей 6 и лопаток 7. Втулка 8 рабочего колеса жестко и разъемно соединена со ступицей 5, которая закреплена на вале 4, например, шпоночным соединением 12. В корпусе 1 выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях 13, 14 с образованием двух колен 9, 11 инверсии. Лопатки 7 направляющего аппарата жестко установлены в ободьях 16. Корпус 1 снабжен установленной концентрично валу 4 опорной втулкой 15 с неподвижно закрепленными на ней с обеих сторон ободьями 16 лопаток 7 центрального и промежуточного рядов. Лопасти 6 периферийного и промежуточного рядов жестко установлены в гильзах 17, неподвижно закрепленных на втулке 8 с обеих ее сторон. Ободья 16 лопаток 7 периферийного ряда жестко установлены в корпусе 1. Вал 4 снабжен последовательно установленными и закрепленными на нем, например, шпоночными соединениями 12, дополнительными ступицами 18, на которых жестко закреплены лопасти 6 центрального ряда. Дополнительные ступицы 18 лопастей 6 и ободья 16 лопаток 7 центрального ряда предпочтительно выполнены треугольного
продольного сечения, а лопасти 6 и лопатки 7 центрального ряда попарно выполнены сужающимися по длине навстречу друг другу.
1
2
Круговые системы лопастей 6 рабочего колеса и лопаток 7 направляющего аппарата (фиг.11) могут быть выполнены двухрядными с многоступенчатыми центральным и периферийным рядами круговых систем лопастей 6 и лопаток 7. Втулка 8 рабочего колеса выполнена ступенчатой и жестко соединена шпонкой 12 со ступицей 5, как показано на фиг.7. В корпусе 1 выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях 13, 14 с образованием двух колен 9, 11 инверсии. Лопатки 7 направляющего аппарата жестко установлены в ободьях 16. Корпус 1 снабжен установленной концентрично валу 4 опорной втулкой 15 с неподвижно закрепленными на ней ободьями 16 лопаток 7 центрального ряда. Ободья 16 лопаток 7 периферийного ряда жестко установлены в корпусе 1. Лопасти 6 жестко установлены в гильзах 17, неподвижно закрепленных на втулке 8 с обеих ее сторон. Гильзы 17 выполнены переменной толщины, а лопасти 6 и лопатки 7 выполнены в каждом ряду переменной высоты вдоль втулки 8, причем высоты h, h лопастей 6 и лопаток 7 последовательно и равномерно уменьшаются в периферийном ряду от периферийного канала 3 пропускания до колена 9 инверсии, а в следующем ряду - в противоположном направлении. Центральный канал 2 расположен, предпочтительно, внутри опорной втулки 15 корпуса 1, а периферийный канал 3 выполнен с противоположной стороны, вокруг втулки 8 рабочего колеса.
В некоторых из предыдущих частных случаев реализации лопастной машины по первому варианту полезной модели каждая втулка 8, 10 рабочего колеса выполнена со скругленным торцем со стороны колен 9, 11 инверсии и с элементами скольжения и уплотнения со стороны, противоположной коленам 9, 11 инверсии. В канале 2 и/или 3 предпочтительно может быть установлена статорная решетка из радиальных перемычек 19. Корпус 1, как правило, выполнен составным.
Каждая круговая система лопастей 6 рабочего колеса и лопаток 7 направляющего аппарата может быть выполнена моноплановой - с лопастями 6 и лопатками 7 одинаковой длины, или биплановой - с периодически чередующимися лопастями 6 и периодически чередующимися лопатками 7 неодинаковой длины (см. на фиг.3 профили, изображенные сплошными и штриховыми линиями).
Лопастная машина по второму варианту полезной модели (фиг.12-14) содержит корпус 1 с центральным и периферийным каналами 2 и 3 пропускания рабочей среды,
1
2
3
1
2
3
соединенный с внешней машиной 25 вал 4, на котором закреплена ступица 5 осевого рабочего колеса (первого), имеющего круговую систему лопастей 6, последовательно чередующуюся вдоль оси вала 4 с круговой системой лопаток 7 направляющего аппарата, закрепленных в корпусе 1. Второе рабочее колесо имеет охватывающее первое рабочее колесо втулку 8, кинематически связанную с дополнительным валом 20, соединенным с внешней машиной 25. Круговые системы лопастей 6 обоих рабочих колес и лопаток 7 направляющего аппарата выполнены трехрядными с периферийным и промежуточным рядами последовательно чередующихся круговых систем лопастей 6 и лопаток 7, которые установлены по обе стороны втулки 8 второго рабочего колеса, и с центральным рядом круговых систем лопастей 6 и лопаток 7, которые установлены вокруг ступицы 5 первого рабочего колеса. Ступица 5 (см. пунктирную фигурную скобку на фиг. 14) выполнена составной из кольцевых деталей 23, разъемно соединенных, например шпоночными соединениями 12 (фиг.10) с валом 4 и жестко скрепленных со своей круговой системой лопастей 6 центрального ряда. Лопасти 6 периферийного и промежуточного рядов жестко установлены в гильзах 17, неподвижно закрепленных на втулке 8 второго рабочего колеса с обеих ее сторон. Лопатки 7 жестко установлены в ободьях 16. Ободья 16 лопаток 7 периферийного ряда неподвижно закреплены в корпусе 1. Корпус 1 снабжен установленной концентрично валу 4 опорной втулкой 15 с неподвижно закрепленными на ней по обе стороны ободьями 16 лопаток 7 центрального и промежуточного рядов. В корпусе 1 выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях 13, 14, а каждое из этих углублений охватывает с одного из торцев соответствующую втулку 8, 15 с образованием двух колен 9, 11 инверсии потока. Предпочтительно втулка 15 второго рабочего колеса выполнена ступенчатой, гильзы 17, кольцевые детали 23 составной ступицы 5 изготовлены переменной толщины с трапецеидальными продольными сечениями, а лопасти 6 рабочего колеса и лопатки 7 направляющего аппарата выполнены в каждом ряду переменной высоты h, h, h вдоль втулок 8, 15, причем высоты h, h, h лопастей 6 и лопаток 7 уменьшаются в периферийном ряду от периферийного канала 3 пропускания до колена 9 инверсии, в промежуточном ряду - в противоположном направлении, а в центральном ряду - от колена 11 инверсии к центральному каналу 2 пропускания.
Соединение вала 4 первого рабочего колеса и дополнительного вала 20 второго рабочего колеса с внешней машиной 25 выполнено посредством зубчатых колес 21, 22 разного диаметра.
В канале 2 и/или 3 предпочтительно может быть установлена статорная решетка из радиальных перемычек 19. Корпус 1, как правило, выполнен составным.
Каждая круговая система лопастей 6 рабочих колес и лопаток 7 направляющего аппарата может быть выполнена моноплановой - с лопастями 6 и лопатками 7 одинаковой длины, или биплановой - с периодически чередующимися лопастями 6 и с периодически чередующимися лопатками 7 неодинаковой длины (см. на фиг.3 профили, изображенные сплошными и штриховыми линиями). В каждом периоде биплановых систем в выходной (при работе машины в качестве нагнетателя) части межлопастного и межлопаточного каналов установлена дополнительная укороченная лопасть 6 и лопатка 7 соответственно.
В каждом из вариантов полезной модели в необходимых случаях на валу 4 установлен неподвижный кожух 24. В качестве внешней машины, как правило, применяется электродвигатель или электрогенератор 25. Все вращающиеся части имеют соответствующие детали, передающие вращение, опорные и уплотнительные узлы, а также иные соединительные детали (не обозначены). Между вращающимися и неподвижными частями имеются необходимые зазоры (не обозначены).
Лопасти 6 и лопатки 7 во всех вариантах выполняются пространственной гидродинамически целесообразной формы (фиг.3).
Лопастная машина работает следующим образом.
2
При использовании машины (фиг.1-4) в качестве нагнетателя (см. сплошные стрелки на фиг.1) несжимаемого (практически) рабочего тела (например, жидкости), подведенная мощность N′ от вала 4 машины, приводимого во вращение, например, от электродвигателя 25 с крутящим моментом М′ и угловой скоростью ω, так что N′=M′ω, посредством шпоночного соединения 12, передается на ступицу 5, фиксированную на валу 4, а от нее - на лопасти 6 рабочего колеса. Лопасти 6 центрального ряда своими межлопастными каналами образуют совместно с межлопаточными каналами лопаток 7, а также с прилегающими к ним осесимметричными поверхностями ступицы 5, втулки 8, колена 9 и центрального канала 2, проточную часть ступени центрального ряда, активный участок которой выделен на фиг.1 пунктирным прямоугольником. Здесь и далее под ступенью понимается последовательность следующих друг за другом двух рабочих органов в виде одной круговой системы лопастей 6 рабочего колеса и одной круговой системы лопаток 7 направляющего аппарата. Вследствие гидродинамического взаимодействия лопастей 6 центрального ряда с рабочим телом часть  от подведенной мощности N′ затрачивается на создание полезного напора Н ступени центрального ряда с
2
2
2
22
21
22
23
р2
полезной подачей Q (объемным расходом) рабочего тела через нее и, следовательно, части N~QH полезно используемой секундной механической энергии рабочего тела. Здесь и далее символ ~ означает пропорциональность. Напор Н пропорционален разности циркуляции (средних моментов абсолютной скорости рабочего тела) за Г и перед Г лопастями 6 центрального ряда. При обтекании рабочим телом лопаток 7 этого ряда происходит уменьшение Г до малого (по модулю) значения Г с преобразованием большей части кинетической энергии потока на выходе в потенциальную энергию (статическое давление) и передача от этих лопаток 7 возникающего в таком процессе реактивного момента М на корпус 1 через статорную решетку (перемычки 19). Дальнейшее уменьшение остаточной кинетической энергии рабочего тела, как обычно, реализуется в канале 2, выполняемом в форме диффузора.
Другая часть подведенной мощности  через втулку 8 поступает на лопасти 6 периферийного ряда, образующие своими межлопастными каналами совместно с межлопаточными каналами соответствующих лопаток 7 направляющего аппарата, а также с прилегающими к ним осесимметричными поверхностями втулки 8, колена 9, корпуса 1 и периферийного канала 3 проточную часть ступени периферийного ряда.
1
1
1
1
12
11
12
13
p1
13
21
При обтекании рабочим телом лопастей 6 периферийного ряда происходит преобразование  в полезную секундную механическую энергию этого тела N~QH с полезным напором ступени этого ряда Н и полезной подачей Q, поступающей в проточную часть ступени периферийного ряда из канала 3, выполняемого, обычно, в виде конфузора. Напор Н пропорционален разности циркуляции за Г и перед Г лопастями 6. Подобно гидромеханическим процессам в рабочих органах центрального ряда при обтекании рабочим телом лопаток 7 периферийного ряда циркуляция Г уменьшается до малого значения Г с повышением потенциальной энергии потока и образованием реактивного момента М, воспринимаемого корпусом 1. В П-образном колене 9 инверсии происходит плавный перевод рабочего тела из проточной части ступени периферийного ряда в проточную часть ступени центрального ряда. При этом в соответствии с законом сохранения момента количества движения с точностью до гидравлических потерь в колене 9 выдерживается приближенное постоянство циркуляции (равенство между циркуляциями Г, и Г). Наличие малых торцевых зазоров вызывает перетоки (см. фиг.3, сплошные криволинейные стрелки) некоторого количества рабочего тела со стороны повышенного давления лопастей 6 и лопаток 7 на тыльную сторону пониженного давления и связанные с этим концевые потери, которые согласно теории лопастных машин относятся к гидравлическим потерям.
Таким образом, уравнение баланса подведенной мощности и полезной секундной механической энергии рабочего тела при упрощающих (не принципиальных) условиях полной идентичности ступеней в каждом, отдельно взятом, ряде (для описываемого случая реализации первого варианта полезной модели каждый ряд содержит по одной ступени рабочих органов) и отсутствия наружных утечек по валу 4 имеет следующий общий вид:
где:
Уравнение (3) эквивалентно выражению
или с использованием уравнения Бернулли для относительного движения рабочего тела на участке расположения лопастей 6 и абсолютного движения на интервале размещения лопаток 7, а также с учетом малости разностей потенциала внешних массовых сил (сил тяжести) на этих участках
Реактивные моменты определяются из уравнения
ki
В уравнениях (3), (6) циркуляции Г определяются через моменты абсолютной скорости соотношением
k
гk
м
0k
гk
u
ki
ki
ki
ki
ki
В выражениях (1)-(7) приняты дополнительно следующие обозначения: n - число рядов; m - число ступеней в каждом ряду; k - индекс номера ряда; ρ - плотность рабочего тела, g - ускорение свободного падения, η* - гидравлический коэффициент полезного использования участков проточных частей машины вне рядов ступеней ее рабочих органов, η - механический кпд машины, η, η - объемный и гидравлический кпд каждой ступени k-го ряда; а  - расход транзитных перетечек между рядами, для варианта исполнения по фиг.1 , где ΔQ - расход утечки через скользящий торец втулки 8; (rυ), p, υ, u, w - осредненные по площадям проточной части, поперечным меридианному потоку рабочего тела, значения в каждой ступени k-го ряда соответственно моментов скорости, давлений, модулей векторов абсолютной , переносной  (u=ωr, r - радиус точки), относительной  скоростей перед (индекс i=1) и за лопастями 6, т.е. перед лопатками 7 направляющего
u
аппарата (i=2), а также за лопатками 7 направляющего аппарата (i=3); υ - окружная компонента абсолютной скорости  - гидравлические потери в ступени k-го ряда.
Отводимое через канал 2 рабочее тело имеет приобретенную в результате осуществления изложенного рабочего процесса секундную механическую энергию
ki
Направления движения рабочего тела, вращения ω вала 4 машины и действия, приложенного к нему приводного момента М′, а также ориентации циркуляции Г показаны на фиг.1 сплошными стрелками.
2
ki
При использовании машины в качестве турбины, в силу принципа обратимости рабочего процесса в лопастных машинах, преобразования механической энергии происходят с инверсией направления течения рабочего тела, т.е. с его движением от канала 2 поступления под полным напором H′ и, следовательно, с высокой гидромеханической энергией до канала 3 отвода в слив с обычно минимально возможным уровнем этой энергии. Одновременно в обратной последовательности осуществляются и процессы переходов в энергетических и силовых полях машины, а именно от сработки части  полного напора Н′ при расходе рабочего тела Q′, т.е. части N′~Q′ полной секундной механической энергии N′~Q′ рабочего тела до передачи полезной мощности N, например, электрогенератору, через вал 4 машины, вращающийся с угловой скоростью - ω и приводным (крутящим) моментом - М. Направления движения рабочего тела и вала 4 машины, а также ориентация циркуляции Г в турбинном варианте применения машины показаны на фиг.1, 2 штриховыми линиями.
Следовательно, уравнение баланса полной секундной механической энергии рабочего тела в машине и полезной мощности N для турбинного режима работы имеет вид
где:
k
k
k
*
В выражениях (9) - (12) H',Q' и H, Q затраченные и полезно использованные напоры ступени k-гo ряда и расходы соответственно, ΔQ =ΔQ' - расход утечки через скользящий торец втулки 8 на этом режиме работы машины из
центрального канала 2 высокого давления (с полным напором рабочего тела Н′) в сливной периферийный канал 3.
Поскольку принцип обратимости рабочего процесса для лопастных машин выполняется и для остальных предлагаемых вариантов решения технической задачи, дальнейшее описание функционирования машины ограничивается рассмотрением процессов нагнетания рабочего тела, но на фиг.5-14 штриховыми стрелками показаны направления движения рабочего тела, вращения и действия приводного момента вала 4 машины при ее работе в качестве турбины.
3
3
31
31
23
32
33
Для исполнения согласно фиг.5 и при использовании машины в качестве нагнетателя несжимаемого рабочего тела подведенная мощность N′ от вала 4 машины, изолированного от рабочего тела кожухом 24, передается ступице 5, а от нее поступает на лопасти 6 рабочего колеса с преобразованием ее части N′ в полезную секундную механическую энергию рабочего тела, выраженным в создании полезного напора Н ступени центрального ряда (см. фиг 5, пунктирный прямоугольник) при полезной подаче Q. В этом процессе циркуляция Г перед лопастями 6 формируется лопатками 7 промежуточного ряда Г≈Г, а циркуляция Г за лопастями 6 снижается до минимально достижимого уровня Г лопатками 7 следующего ряда.
3
Часть N′-N′ от подведенной мощности N′ через втулку 10 передается на лопасти 6 рабочего колеса ступени промежуточного ряда. Дальнейшая последовательность преобразований подведенной мощности в полезную секундную механическую энергию рабочего тела аналогична изложенной для варианта выполнения машины по фиг.1-4 при ее работе в качестве нагнетателя.
23
31
В П-образном колене 11 инверсии осуществляется плавный поворот потока на 180° с переводом рабочего тела из проточной части ступени промежуточного ряда в проточную часть ступени центрального ряда при сохранении равенства (с точностью до гидравлических потерь в колене 11) циркуляции за лопатками 7 направляющего аппарата Г и перед лопастями 6 рабочего колеса Г. Проточная часть ступени центрального ряда за лопатками 7 сообщена с центральным каналом 2 отвода рабочего тела из машины.
1
Внутренние перетечки образуются в двух радиальных поясках уплотнения и скольжения по торцам втулок 8, 10 с расходом утечек ΔQ и ΔQ, соответственно.
Корпусной замыкатель 13 инверсии, жестко закрепленный в корпусе 1, образует границу П-образного колена 11 обращения и неразъемно соединен с лопатками 7 направляющего аппарата промежуточного ряда и статорной решеткой 19. Статорная решетка 19 предназначена для повышения равномерности поля скоростей рабочего
тела, поступающего в канал 3, а затем в рабочие органы 6, 7 первой ступени периферийного ряда и передачи силовых нагрузок от лопаток 7 через замыкатель 13 на корпус 1.
Рабочий процесс такой машины описывается уравнениями (1) - (8) при значениях параметра n=3 и расходов утечек между рядами k=1,2,3 (см. фиг.5, 6)
В исполнении, изображенном на фиг.6 также трехрядного исполнения машины с одной ступенью рабочих органов для каждого их ряда, подвод рабочего тела в режиме нагнетания в отличие от фиг.5, осуществляется через канал 3 в рабочие органы 6, 7 ступени центрального ряда, а отвод - через канал 2 из рабочих органов 6, 7 ступени периферийного ряда. При этом остаются в силе уравнения (1) - (8) и (9) - (12) математического описания рабочего процесса такой машины, но при числе рядов n=3.
1
2
1
2
1
2
1
2
р1
p2
Для исполнения, изображенного на фиг.7-9, двухрядной многоступенчатой в каждом ряде машины при ее работе в нагнетательном режиме (см. на фиг.7 стрелки, изображенные сплошными линиями) процессы передачи подведенной мощности N′ от вала 4 машины рабочему телу (здесь - жидкости) и ее преобразования в полезную секундную механическую энергию N качественно не отличаются от гидромеханических взаимодействий, происходящих в исполнении по фиг.1-4. Отличия состоят в следующем: приводная мощность N′ oт вала 4 машины через разъемное соединение - шпонку 12 и ступицу 5 поступает на вращающуюся (с угловой скоростью ω) втулку 8, а от нее через гильзы 17 - на лопасти 6 рабочих колес каждой ступени обоих рядов. Путем гидродинамического взаимодействия лопастей 6 и лопаток 7 с рабочим телом подведенные мощности N', N' к рабочим органам ступеней центрального и периферийного рядов соответственно (N'+N'=N') преобразуются в полезную секундную механическую энергию потока N,N(N+N=N). Возникающие в этом процессе реактивные моменты М,М круговых системах лопаток 7 каждой ступени через внешние и внутренние кольцевые ободья 16 воспринимаются корпусом 1.
1
1
Всасывание рабочего тела в проточную часть рабочих органов ступеней периферийного ряда (см. фиг.7, верхний, вытянутый вдоль оси 0-0 пунктирный прямоугольник) происходит через периферийный канал 3 со статорной решеткой 19 (см. фиг.9, сечение V-V). После обтекания лопастей 6 и лопаток 7 рабочих органов m ступеней этого ряда с приобретением полезной секундной механической энергии N рабочее тело через П-образное колено 9 инверсии, выполненное в замыкателе 13 со статорными решетками 19 (см. фиг.8, сечение IV-IV), поступает в проточную часть
2
рабочих органов m ступеней центрального ряда (см. фиг.7, внутренний, вытянутый вдоль оси O-O пунктирный прямоугольник).
2
1
2
В результате указанного ранее гидродинамического взаимодействия с лопастями 6 и лопатками 7 каждой ступени центрального ряда рабочее тело с дополнительной полезной секундной механической энергией N поступает в П-образное колено 11 обращения корпусного замыкателя 14 со статорными решетками 19 (см. фиг 9, сечение V-V), неподвижно установленного в корпусе 1. Отвод рабочего тела с полезной секундной механической энергией N+N=N осуществляется через кольцевой центральный канал 2 между неподвижными опорной корпусной втулкой 15 и кожухом 24. Опорно-уплотнительные узлы вращения между вращающимися и неподвижными деталями обеспечивают восприятие осерадиальных нагрузок с приемлемым уровнем внутренних перетечек рабочего тела.
k
Уравнение баланса подведенной мощности и полезной секундной механической энергии рабочего тела, а также уравнение для реактивных моментов имеют вид (1) -(8) (и (9) - (12) для турбинного режима функционирования) при числе ступеней в каждом ряде m>1, k=1,2.
3
3
3
3
р3
В исполнении по фиг.10 трехрядной многоступенчатой в каждом ряду машины при одновальной схеме ее работы и применении в качестве нагнетателя, подведенная к валу 4 машины мощность N′ разделяется на два потока N′ и N′-N′. Часть N′ передается лопастям 6 центрального ряда с последующим ее гидродинамическим преобразованием в проточной части рабочих органов этого ряда (см. фиг.10, внутренний вытянутый вдоль оси 0-0 пунктирный прямоугольник) в полезную секундную механическую энергию рабочего тела N. Образующиеся в этом процессе реактивные моменты М через лопатки 7 центрального ряда и опорную втулку 15 замыкаются на составном корпусе 1.
2
1
3
2
1
1
2
3
Последовательность формирования частей N',N' от мощности N′-N' и их преобразования в полезные секундные механические энергии N, N аналогична изложенной для исполнения машины по фиг.7, так что полная полезная секундная механическая энергия рабочего тела оказывается равной N=N+N+N.
Отвод рабочего тела осуществляется через канал 2.
k
Рабочий процесс описывается уравнениями (1) - (8) [и (9) - (12) для турбинного режима] при значениях параметров n=3, m>1, k=1, 2, 3.
Исполнение в варианте машины по фиг.14, отличающийся отсутствием ступицы 5 и выводом вращающейся втулки 8 за корпус 1 машины, позволяет осуществить двухвальную схему работы (см. фиг.12, 13 - схему двухвального привода).
0
0
3
3
0
1
0
0
1
При работе машины по фиг.14 в качестве нагнетателя подведенная мощность N′, например, от электродвигателя 25, выходной вал которого вращается с угловой скоростью ω, в двухвальном мультипликаторе, выполненном, например, в виде зубчатых передач 21, 22, разделяется на два потока N'=N'+N'. Часть N' этого потока поступает на вал 4 машины, вращающийся с угловой скоростью ω, а другая часть N' передается на вращающуюся с угловой скоростью ω<ω втулку 8 посредством, например, шлицевого соединения втулки 8 с дополнительным валом 20 (фиг.13), так что N'=М'ω.
1
2
1
2
0
3
1
2
3
1
2
3
Дальнейшие последовательности и процессы преобразований мощностных потоков N',N'(N'+N"=N') в периферийном и промежуточном рядах рабочих органов, а также потока N' в центральном ряде рабочих органов в полезно используемые секундные механические энергии рабочего тела N,N,N(N+N+N=N) принципиально не отличаются от описанных ранее при одновальной схеме функционирования трехрядной машины (см. фиг.10).
В уравнениях рабочего процесса машины (1) - (8) и (9) - (12) для рассматриваемого двухвального варианта ее исполнения необходимо внести следующие изменения.
0
1
0
1
0
1
0
В уравнениях (1), (9) N'=M'ω+M'ω, N=Mω+Mω соответственно, где Mω=N - полезная мощность, передаваемая от рабочего тела на вращающуюся втулку 8 при турбинном режиме работы машины.
1
В уравнениях (3), (12) при значениях индекса k=1,2 угловую скорость ω следует заменить на ω.
1
2
3
Варианты исполнения машины по фиг.11 и 14 пригодны для применения в качестве рабочего тела - газа или другой сжимаемой текучей среды и отличаются выполнением, учитывающим специфику термодинамических процессов сжатия (режим нагнетания) и расширения (турбинный режим работы) такого тела. Изменением высот лопастей 6 и лопаток 7 (см. на фиг.11, 14 параметры h,h,h) обеспечивается плавное сужение проточной части от ступени к ступени в каждом ряду рабочих органов.
k
Рабочие процессы для вариантов исполнения машины по фиг.11 и 14 удовлетворяют уравнениям (1) - (8) для режима нагнетания и (9) - (12) для функционирования машины в турбинном режиме при соответствующих значениях индексов n, m и с введением в них вместо объемных расходов Q массовых расходов G=ρQ и вместо давлений p энтальпий i (нижние индексы опущены).
Использование биплановой системы лопастей 6 и лопаток 7 не вносит качественных изменений в рабочий процесс машины, по-прежнему удовлетворяющий уравнениям (1) - (8) и (9) - (12), однако, как будет показано в дальнейшем, позволяет улучшить ее гидродинамические показатели.
1
1
2
2
2
2
3
3
2
3
2
3
Рабочий процесс одно-, либо многоступенчатой лопастной машины осевого типа традиционного (выполненного в соответствии с прототипом), т.е. однорядного (индекс k=n=1), исполнения при упрощающем, но не принципиальном допущении постоянства плотности ρ рабочего тела, описывается теми же уравнениями (1) - (8) и (9) - (12), что и предлагаемая машина, но при значении параметра n в этих уравнениях, равном n=1. При полирядном исполнении этот параметр равен n=2 или n=3. Следовательно, при одном и том же числе ступеней m в сравниваемых машинах и одинаковом развиваемом (режим нагнетания), или используемом полезно (турбинный режим) напоре ступени Н периферийного (первого) ряда полный полезный напор Н в полирядной машине, с идентичными (для определенности) ступенями в каждом ряде, будет превосходить значение этого показателя работоспособности для машины общепринятого исполнения на ΔН(n=2)=mН - в случае применения двухрядной схемы (представлены на фиг.1-4, 7-9, 11) и на ΔH(n=3)=mH+mН в трехрядном случае (представлены на фиг.5, 6, 10). Здесь, как указывалось ранее, Н, Н и m, m полезные напоры каждой ступени и их числа в промежуточном и центральном рядах соответственно.
Приведем конкретные оценки повышения (приращения) напорности машин по предлагаемым решениям, полагая полные кпд всех ступеней одинаковыми, что вполне допустимо при оценочных расчетах. Введем параметры
k
1
1
где D - средние диаметры рабочих органов каждого ряда (см., например, обозначения этих параметров для двухрядной машины на фиг.2), параметр n может принимать одно из значений 1, 2, 3, причем, очевидно, h=d=1. Тогда для безразмерных приращений напоров двухрядной и трехрядной машин в общем виде будем иметь соответственно
ki
k
ki
k
Далее учтем, что для машин осевого типа D=D, u=u и уравнения (3), (12), определяющие полезные напоры ступеней каждого ряда, могут быть записаны в виде
uk
где k - коэффициенты моментов скорости и
k
k
kr
Здесь в выражениях для переносных скоростей u угловая скорость  - для одновального и  для двухвального исполнения машины, а в выражении для приращения циркуляции ΔГ в параметре ζ второй нижний индекс r=2-3 при нагнетательном и r=2-3 турбинном режимах ее работы. Таким образом, и, поскольку  окончательно получаем .
k
k
k
Отсюда следует квадратичная зависимость параметров h полирядной машины от угловых скоростей ω и диаметров D.
k
k
s
2
3
uk
k
k=1
1
1
Последующий теоретический анализ и оценочные расчетные исследования условий обеспечения стабильной работы машины при изменениях подач (расходов) Q, т.е. монотонно убывающих с ростом Q напорно-расходных характеристик ступеней H=H(Q), а также общепринятых степеней расширения межлопастных и межлопаточных каналов для процессов нагнетания, показали, что в диапазоне коэффициентов быстроходности ступени n=50÷150 можно в среднем принять d≈0,72, d≈0,43, а для коэффициентов моментов скорости в окрестности оптимальных режимов работы установить приближенно одинаковое для всех рядов значение этих коэффициентов момента скорости, полагая их равными k≈0,7. Допустим теперь для определенности, что в полирядной машине осевые (вдоль оси 00) размеры рядов, а также числа ступеней в них m, k= одинаковы и вместе с диаметром D равны соответственно осевому размеру активного участка проточной части, числу ступеней m и среднему диаметру D рабочих органов пропеллерной лопастной машины осевого типа при ее традиционном (однорядном) исполнении. Тогда в случае двухрядных машин для безразмерного приращения напора получим Δh(n=2)≈0,52, а в трехрядных вариантах с одновальной схемой работы Δh(n=3)≈0,7. Соответственно, при n=2 достижимо увеличение полного полезного напора машины H в 1,5 раза, а при n=3 в 1,7 раза.
Выполнение согласно фиг.6 позволяет использовать лопасти 6 рабочего колеса и лопатки 7 направляющего аппарата, расположенные в центральном ряду, в качестве шнековой ступени и тем самым повысить антикавитационные качества машины при нагнетательном режиме ее работы на жидкости.
Если трехрядные машины выполнены по двухвальной схеме работы (по варианту п.15 формулы), как показано на фиг.12-14, с угловыми скоростями вращения
1
вала 4 машины ω (центрального ряда k=3), а вращающейся втулки 8 ω (периферийный и промежуточный ряды k=1,2), то при отношениях  равных, например, 2 и 2, 5, их полный полезный напор Н увеличится последовательно в 2,2 и 2,6 раза.
Применение периодических круговых биплановых систем лопастей и лопаток в рабочих органах ступеней различных рядов k (как показано на фиг.3 при k=1) вместо их моноплановых систем позволит еще на 10-15% повысить напорность машины за счет увеличения в выходных (для режима нагнетания рабочего тела) частях межлопастных и межлопаточных каналов густоты направляющих поток поверхностей и, следовательно, уменьшения отклонения среднего направления движения рабочего тела от этих поверхностей, т.е. снижения эффекта «недоворота» потока.
В целом для всех вариантов исполнения может быть получено, хотя в различной мере, но качественное повышение полного полезного напора машины. При этом ввиду сопоставимых с аналогом осевых и радиальных размеров, а также металлоемкости конструкции предлагаемой машины, будет увеличена ее удельная мощность.
01
02
0,
Осевые гидродинамические силы P и Р≈(0,6÷-0,7)Р, образующиеся при обтекании лопастей 6 периферийного и центрального рядов (показаны на фиг.1), имеют противоположные направления, в связи с чем в таких машинах на 60-70% уменьшается результирующая осевая сила, действующая на опорно-уплотнительные узлы. Тем самым повышается долговечность предлагаемой лопастной машины.
k
ok
гk
*
*
*
Установленные результаты достигаются при практическом сохранении высоких энергетических показателей машины, т.е. на уровне этих показателей, близких к таковым для аналоговой однорядной пропеллерной машины осевого типа. Действительно, потери, связанные с утечками ΔQ  через скользящие торцы втулок 8, 10 (см. соотношения (2), (10) для η ) в значительной мере компенсируются отсутствием концевых потерь в межлопастных и межлопаточных каналах, образованных лопастями 6 и лопатками 7, установленными на соответствующих участках проточных частей без торцевых зазоров (см. фиг.1-6). Составляющие гидравлических потерь, входящие в определение параметра η  (см. уравнения (1), (9)) и связанные с поворотами потока рабочего тела на 180° в П-образных коленах 9, 11 инверсии для машин малой быстроходности незначительны из-за низких уровней меридианных и окружных составляющих абсолютной скорости  в этих каналах и согласно оценочным расчетам заключены в диапазоне 0,25-0,5%. Сопоставление энергетических показателей машин низкой быстроходности, выполненных согласно вариантам настоящего полезной модели, с одно- и многоступенчатыми
1
центробежными (нагнетатели) и центростремительными (турбины) лопастными машинами традиционного исполнения показывает, что предлагаемые решения позволяют, помимо качественного увеличения полного полезного напора Н, повысить общий кпд на 7-10% ввиду отсутствия в рабочих органах предлагаемых машин дисковых потерь. В машине с двумя рабочими колесами возможно регулирование суммарного напора изменением числа оборотов каждого из рабочих колес, учитывая, что напор ступеней каждого ряда пропорционален квадратам угловых скоростей ω и ω вала 4 и дополнительного вала 20 соответственно.
В результате полезной модели созданы варианты энергетически эффективной обратимой лопастной машины для работы на жидкостях и газах и расширен арсенал лопастных машин.
При этом повышены удельная мощность (на единицу массы), полезный напор, а также долговечность, при сохранении высоких значений к.п.д..
Источники информации:
1. Пфлейдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. М, Машгиз, 1960, с.175,176.
2. Ломакин А.А. «Центробежные и осевые насосы». М-Л, Машиностроение, 1966, с.15, 346, 348 (прототип).