РОТОР НАГНЕТАТЕЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
CENTRIFUGAL REPLACEMENT BLOWER ROTOR (OPTIONAL)

Изобретение относится к области конструктивных элементов нагнетателей для непрерывного перемещения (перекачки) массы рабочей среды из одного объема в другой.
Известны технические решения, в которых рабочая среда, поступившая в нагнетатель, попадает в прямолинейные или криволинейные проточные каналы ротора, расходящиеся из центра, и под воздействием только центробежной силы вытесняется из этих каналов (патенты RU 2456479 от 03.03.2010, кл. F04D 1/00, SU 421799 от 19.07.1972, кл. F04D 29/00, SU 210660 от 21.10.1966, кл. F04D 1/00, F04D 29/18, US 2472412 А от 14.03.1947, кл. F04D 29/22, F04D 29/18, GB 2027816 (А) от 27.02.1980, кл. F04D 29/22, WO 2008/001033 А1 от 26.04.2007 (GB 0612993.6 от 30.06.2006), кл. F04D 29/28, F04D 29/66, JP 3257740 В2 от 21.01.1994, кл. F04D 29/24, JP 3227235 В2 от 13.11.1992, кл. F04D 29/22). Основным недостатком этих устройств является относительно низкий КПД. К тому же некоторые из этих устройств отличаются сложностью конструкции.
Наиболее близким по технической сущности является устройство, представляющее собой дисковидный корпус (тело вращения), имеющий множество проточных каналов, радиально исходящих из центра и открытых только со стороны их впускных и выпускных отверстий. При этом каждый проточный канал имеет свое собственное впускное отверстие, не сообщающееся с впускными отверстиями других каналов (патент US 1865918 А от 28.05.1929, кл. F04D 29/28).
Основным недостатком данного устройства является то, что его конструкция физически не допускает создания большого числа проточных каналов, поскольку все каналы имеют одинаковую длину. Это исключает из процесса перекачивания рабочей среды значительные по площади секторы рабочего диска, находящиеся между каналами, что снижает эффективность его работы и, соответственно, КПД
Задачей изобретения является увеличение КПД
Указанная задача решается тем, что ротор по первому варианту изобретения состоит из набора рабочих дисков плотно, без зазоров, соединенных между собой своими торцами. При этом каждый рабочий диск состоит из множества равномерно распределенных одним слоем в одной плоскости и максимально возможно заполняющих площадь диска проточных каналов разной длины, открытых только со стороны впускного и выпускного отверстий. Каналы обращены своим впускным отверстием к центру рабочего диска, а выпускным - к его периферии. Перед впускным отверстием каждого проточного канала имеется индивидуальная питающая ячейка, образованная элементами конструкции рабочего диска - боковыми поверхностями соседних каналов и кромкой впускного отверстия конкретного проточного канала. (В отдельных случаях для создания питающей ячейки могут использоваться дополнительные элементы конструкции рабочего диска, например перемычки между проточными каналами.) Такие ячейки в большом количестве располагаются по всей поверхности торцов рабочего диска, расходясь концентрическими рядами от его центра к периферии. Каждая питающая ячейка герметично изолирована со всех сторон, за исключением торцов рабочего диска и впускного отверстия проточного канала. Питающие ячейки, относящиеся к проточным каналам одинаковой длины, но принадлежащих к разным рабочим дискам, при соединении дисков точно совмещаются и образуют всасывающую полость, в результате чего внутри ротора образуется множество всасывающих полостей. Каждая такая полость проходит через весь ротор от одного его торца до другого, при этом с одного из торцов ротора полость имеет открытую горловину, а на противоположном торце ротора она герметично закрыта. От каждой полости на разных уровнях (ступенях) отходят проточные каналы, при этом от каждой конкретной всасывающей полости отходят только те проточные каналы, индивидуальные питающие ячейки которых образуют данную конкретную всасывающую полость.
Указанная задача также решается ротором по второму варианту изобретения, который содержит один рабочий диск с множеством проточных каналов, открытых только со стороны впускного и выпускного отверстий, впускное отверстие каждого канала не сообщается с впускными отверстиями других каналов, и каждый канал обращен своим впускным отверстием к центру, а выпускным отверстием - к периферии. При этом рабочий диск образован проточными каналами различной длины, которые равномерно распределены одним слоем в одной плоскости и максимально возможно заполняют площадь диска, а перед впускным отверстием каждого проточного канала имеется питающая ячейка, образованная элементами конструкции рабочего диска, в том числе боковыми поверхностями каналов и кромками входных отверстий, при этом с одного из торцов ротора питающая ячейка имеет открытую горловину, а на противоположном торце ротора она герметично закрыта.
Задача также решается следующими частными случаями выполнения ротора.
Рабочие диски могут иметь форму плоского, или выпуклого, или вогнутого диска.
Проточные каналы могут иметь внутренние ребра, или перемычки, или перегородки, или вкладки, или вставки.
Кроме того, у каждого проточного канала площадь сечения его выпускного отверстия не превышает площадь сечения его впускного отверстия.
Горловина каждой всасывающей полости (во втором варианте - питающей ячейки) может выступать за торец ротора, а также иметь присоединенный к ней раструб, обращенный широкой частью в сторону объема с перекачиваемой рабочей средой, при этом на некотором удалении от торца ротора такой раструб вместе с раструбами горловин других всасывающих полостей (питающих ячеек) образует единый входной коллектор, имеющий внутренние перегородки, образующие ячеистую структуру.
Ротор может быть снабжен кожухом, который жестко прикреплен к ротору и установлен с возможностью вращения вместе с ротором.
Предлагаемое устройство схематично поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан ротор (вид в плане) со стороны горловин всасывающих полостей (без коллектора); на фиг. 2 - вариант герметизации питающих ячеек встык; на фиг. 3 - вариант герметизации питающих ячеек при помощи перемычек; на фиг. 4 - фрагмент ротора из четырех рабочих дисков (вид сбоку) с видом в разрезе по линии А; на фиг. 5 - ротор из двух рабочих дисков (вид сбоку) с прикрепленным к нему входным коллектором (коллектор показан в разрезе).
Конструктивно устройство представляет собой ротор 1, состоящий из одного или нескольких (множества) рабочих дисков 2, имеющих плоскую, выпуклую или вогнутую форму. У роторов, состоящих из нескольких рабочих дисков 2, все диски своими торцами плотно, без зазоров, соединены между собой.
Каждый рабочий диск 2 состоит из множества проточных каналов 3 разной длины. Каналы 3 равномерно распределены одним слоем в одной плоскости по всей площади рабочего диска 2 и максимально возможно заполняют ее. Каналы 3 открыты только со стороны впускного 5 и выпускного 6 отверстий. При этом каналы 3 обращены своим впускным отверстием 5 к центру рабочего диска 2, а выпускным отверстием 6 - к его периферии.
Проточные каналы 3 могут изготавливаться из любых материалов, соответствующих условиям эксплуатации конкретного нагнетателя. Они могут быть любыми по форме (прямыми, изогнутыми, спиральными и т.п.) и иметь в сечении произвольную геометрическую форму (круг, овал, многоугольник, квадрат, прямоугольник, треугольник и т.п.). Кроме того, в целях стабилизации потока рабочей среды, проточные каналы 3 могут иметь внутренние ребра, перемычки, перегородки, вкладки, вставки и т.п. (не показаны). При этом у отдельного проточного канала 3 площадь сечения выпускного отверстия 6 не может превышать площадь сечения впускного отверстия 5. Каналы 3 могут прокладываться вдоль радиуса либо под углом к радиусу.
В пространстве, находящемся между обращенными друг к другу боковыми поверхностями каждой пары смежных проточных каналов 3, установлены более короткие промежуточные проточные каналы 3, как, например, проточные каналы 8 на фиг. 2 и фиг. 3. При этом промежуточные проточные каналы 3 (8) расположены таким образом, что на всем своем протяжении они проходят на равном расстоянии от боковых поверхностей тех проточных каналов 3, между которыми они установлены. Благодаря этому проточными каналами 3 разной длины заполняется вся максимально возможная площадь рабочего диска 2. При этом, чем ближе впускное отверстие 5 конкретного проточного канала 3 располагается к периферии рабочего диска 2, тем меньшей является длина такого канала.
Перед впускным отверстием 5 каждого проточного канала 3 имеется индивидуальная питающая ячейка 4, образованная элементами конструкции рабочего диска - боковыми поверхностями каналов 3, кромкой впускного отверстия 5 конкретного проточного канала 3 и др. Такие ячейки 4 в большом количестве располагаются по всей поверхности торцов рабочего диска 2, расходясь концентрическими рядами от его центра (где перед впускными отверстиями 5 самых длинных проточных каналов 3 может создаваться осевая (центральная) питающая ячейка 7) к периферии. Каждая питающая ячейка 4 герметично изолирована со всех сторон, за исключением торцов рабочего диска 2 и впускного отверстия 5 проточного канала 3.
Варианты герметизации питающих ячеек 4 (фиг. 2 и фиг. 3) могут быть различными: встык кромкой впускного отверстия 5 более короткого канала 3 (8) к боковым поверхностям близлежащих более длинных каналов 3 (фиг. 2), при помощи перемычек 9 (фиг. 3), устанавливаемых между боковыми поверхностями близлежащих каналов 3, либо каким-либо иным способом, обеспечивающим герметичность.
У ротора 1, состоящего из множества рабочих дисков 2, все диски 2 плотно, без зазоров прикреплены один к другому своими торцами (фиг. 4). При этом одинаковые по длине проточные каналы 3 разных рабочих дисков 2 плотно прикреплены друг к другу, а питающие ячейки 4, находящиеся перед их впускными отверстиями 5, точно совмещены. Группы таких совмещенных питающих ячеек 4 образуют множество всасывающих полостей 10. Каждая такая полость 10 проходит через весь ротор 1 от одного его торца до другого. При этом с одного из торцов ротора 1 полость 10 (питающая ячейка 4, если ротор 1 состоит только из одного рабочего диска 2) имеет открытую горловину 11, а на противоположном торце ротора 1 она герметично закрывается, например, сплошной пластиной 12. От каждой полости 10 на разных уровнях (ступенях) отходят проточные каналы 3, при этом от каждой конкретной всасывающей полости 10 отходят только те проточные каналы 3, индивидуальные питающие ячейки 4 которых образуют данную конкретную всасывающую полость 10. Такое конструктивное решение позволяет одновременно (залпом) осуществлять забор рабочей среды 13 с большой площади, что, в частности, обеспечивает высокий КПД нагнетателя с таким ротором.
Горловины 11 всасывающих полостей 10 могут располагаться точно на торце ротора 1 либо выступать за него (фиг. 5). При этом горловины 11 всасывающих полостей 10 могут снабжаться раструбом 14, обращенным широкой частью в сторону объема с перекачиваемой рабочей средой. На некотором удалении от торца ротора 1 раструбы 14 могут образовывать единый входной коллектор 15, имеющий внутренние перегородки (стенки раструбов), образующие ячеистую структуру. Это призвано минимизировать вихреобразование в слоях рабочей среды, поступающих в горловины 11.
Конструкция предлагаемого устройства позволяет создавать нагнетатели с диаметром ротора в несколько метров и более. Это дает возможность повышать КПД нагнетателя при одновременном уменьшении числа оборотов его ротора, что в свою очередь обеспечит повышение надежности, безопасности и срока службы нагнетателя.
Ротор 1 может снабжаться кожухом (не показан). Кожух может служить в качестве приемного лотка, охватывающего ротор 1, но жестко не связанного с ним, и являться самостоятельным конструктивным элементом всего нагнетателя, в котором установлен ротор 1. В другом варианте кожух может жестко крепиться к ротору 1, и в этом случае он будет вращаться вместе с ротором.
Привод и кинематическая схема связи ротора 1 с приводом могут быть любыми.
Ротор 1 может занимать в пространстве любое положение.
Ротор 1 может иметь физическую ось, а может и не иметь ее.
Конструктивная схема установки ротора по месту определяется условиями его эксплуатации.
Технический результат заключается в увеличении КПД нагнетателя, снабженного предлагаемым ротором; высокой надежности и долговечности устройства, достигаемых за счет возможности работы на малых оборотах при обеспечении высокого КПД; в способности к самовсасыванию и перекачиванию жидких, газообразных и газожидкостных сред.
Устройство работает следующим образом. Привод нагнетателя (не показан) приводит ротор 1 во вращение. При вращении ротора 1 возникает центробежная сила, которая начинает оказывать воздействие на рабочую среду 13, находящуюся внутри проточных каналов 3. Центробежная сила вытесняет рабочую среду 13 из проточных каналов через выпускные отверстия 6 в окружающее пространство или в кожух. В результате этого внутри проточных каналов 3 возникает разреженное пространство. Оно заполняется новыми порциями рабочей среды 13, поступающими в проточные каналы 3 через впускные отверстия 5 из всасывающих полостей 10, которые образованы индивидуальными питающими ячейками 4 проточных каналов 3. Вследствие этого во всасывающих полостях 10 также возникает разреженное пространство. Благодаря герметичной закупорке, например с помощью пластины 12, герметично закрывающей с одной из сторон каждую всасывающую полость 10, поступление рабочей среды 13 во всасывающие полости 10 оказывается возможным только с одной стороны - со стороны горловин 11, которые обращены к объему с рабочей средой. Вследствие перепада давлений рабочая среда 13, находящаяся под воздействием атмосферного или иного повышенного давления, устремляется во всасывающие полости 10, горловины 11 которых вращаются вместе с ротором 1 и либо непосредственно погружены в рабочую среду, либо связаны с нею через погруженные в рабочую среду раструбы 14, образующие единый входной коллектор 15. Рабочая среда заполняет всасывающие полости 10, а затем удаляется из ротора 1 через выпускные отверстия 6 проточных каналов 3. Затем весь цикл работы повторяется снова.
Увеличение КПД достигается за счет максимального использования большого внутреннего объема ротора 1, состоящего из множества проточных каналов 3 и всасывающих полостей 10; за счет возможности залпом забирать рабочую среду с больших площадей; за счет исключения потерь на вихреобразование при течении рабочей среды внутри ротора 1; а также за счет полного удаления рабочей среды из всех проточных каналов 3 и всасывающих полостей 10.