ВИХРЕВАЯ МАШИНА С ДИНАМИЧЕСКИМ ВИХРЕМ
VORTEX MACHINE WITH DYNAMIC VORTEX

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в насосах, компрессорах или двигателях,
Известна роторно-вихревая машина, содержащая, по крайней мере, одну рабочую ступень, которая включает два статора и ротор, причем ротор выполнен в виде диска и расположен между статорами, а между ротором и каждым из статоров образована торообразная рабочая полость, в которой размещены лопатки, связанные со статором, и разделитель, связанный с ротором (см. свидетельство на полезную модель RU №7153, кл. F04D 5/00, F01D 1/08, 16.07.1998).
Недостатком указанной машины являются перетечки рабочей среды по зазору между ротором и статором, который необходим для компенсации неточностей изготовления деталей и узлов машины, а также исключения возможности заклинивания ротора при его нагреве во время работы.
Известна роторно-вихревая машина, содержащая корпус с каналами подвода и отвода рабочей среды и размещенные в корпусе ступени, каждая ступень содержит установленный на валу ротор и закрепленный в корпусе статор, входные и выходные каналы смежных ступеней сообщены друг с другом, причем каждый ротор расположен напротив статора, в каждом статоре выполнена кольцевая канавка с лопатками, а в каждом роторе образована перепускная канавка, образующая с кольцевой канавкой статора торообразную рабочую полость, при этом каждый ротор выполнен с разделителем, по обе стороны от которого в роторе выполнены входной и выходной каналы (см. патент на полезную модель RU №9267, кл. F04D 5/00, 16.02.1999).
Недостатком указанной машины являются большие гидравлические потери между ступенями, а также сложность обработки статоров.
Известна роторно-вихревая машина, содержащая статор и ротор, между которыми образована рабочая камера, сообщенная с каналами для подвода и отвода рабочей среды, причем ширина сечения рабочей камеры h равна разнице между максимальным и минимальным ее радиусами, определяемыми соответственно как расстояние от оси машины до наиболее удаленной точки рабочей полости и расстояние от оси до наиболее близкой точки, в рабочей камере расположены лопатки и разделитель, связанные соответственно со статором и ротором, каждая лопатка содержит переднюю кромку, обращенную к ротору, а разделитель выполнен с отсечными кромками, конгруэнтными передней кромке лопатки и ограничивающими участок поверхности разделителя, обращенный к передним кромкам лопаток, в которой лопатка установлена под углом β=0-26°, угол направления передней кромки лопатки лежит в пределах α=0-70°, а толщина лопатки от ее кромки до 0,8h увеличивается по линейному закону с коэффициентом пропорциональности, равным 0,1÷0,2 (см. патент RU №2359155, кл. F04D 1/00, 04.06.2008).
Недостатками указанной машины являются недостаточная механическая прочность лопаток при работе, в частности на абразивосодержащем рабочем теле, и относительно высокие гидравлические потери в рабочей камере (снижение мощности и кпд) при малых значениях коэффициента пропорциональности.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение надежности и снижение гидравлических потерь в проточной части вихревой машины с динамическим вихрем.
Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является повышение механической прочности и кпд вихревой машины с динамическим вихрем путем увеличения толщины и уменьшения гидравлических потерь в проточной части машины.
1
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в вихревой машине с динамическим вихрем, содержащей статор и ротор, между которыми образована рабочая камера, сообщенная с каналами для подвода и отвода рабочей среды, причем ширина сечения рабочей камеры h равна разнице между максимальным и минимальным ее радиусами, определяемыми соответственно как расстояние от оси машины до наиболее удаленной точки рабочей полости и расстояние от оси до наиболее близкой точки, в рабочей камере расположены лопатки и разделитель, связанные соответственно со статором и ротором, каждая лопатка содержит переднюю кромку, обращенную к ротору, а разделитель выполнен с отсечными кромками, конгруэнтными передней кромке лопатки и ограничивающими участок поверхности разделителя, обращенный к передним кромкам лопаток, в которой лопатка установлена под углом β=0-26°, при этом угол направления передней кромки лопатки лежит в пределах α=0-50°, а толщина лопатки от ее передней кромки до 0,8h увеличивается по линейному закону с углом α между образующими наружной и внутренней поверхности каждой лопатки, составляющим от 5° до 30°. Отношение максимального радиуса рабочей полости к ширине ее сечения целесообразно выполнять в пределах 4,5÷9,5.
На фиг.1 представлено меридиональное сечение вихревой машины с динамическим вихрем, в которой передние кромки лопаток расположены в одной плоскости;
на фиг.2 - поперечный разрез машины, представленной на фиг.1, по плоскости А-А;
на фиг.3 - разрез машины, представленной на фиг.1, по плоскости Б-Б;
на фиг.4 представлен меридиональный разрез варианта выполнения вихревой машины с динамическим вихрем, в которой передние кромки лопаток расположены на цилиндрической поверхности;
на фиг.5 - поперечный разрез машины, представленной на фиг.4, плоскостью В-В;
на фиг.6 - разрез машины, представленной на фиг.5, цилиндрической поверхностью Г-Г;
на фиг.7 - разрез литого варианта выполнения статора машины, представленной на фиг.1, цилиндрической поверхностью Д-Д, проходящей через центры передних кромок лопаток;
на фиг.8 - разрез сборочного варианта выполнения статора машины, представленной на фиг.1, цилиндрической поверхностью Д-Д, проходящей через центры передних кромок лопаток;
на фиг.9 - поперечное сечение лопатки, представленной на фиг.3 и 6, плоскостью Е-Е, проходящей через центр ее передней кромки перпендикулярно меридиональной плоскости, и хорде, соединяющей концы передней кромки.
Вихревая машина с динамическим вихрем содержит статор 1 и ротор 2, между которыми образована торообразная рабочая камера 3. Профиль рабочей полости (в плоскости, перпендикулярной продольной оси машины) и профиль сечения рабочей полости (в меридиональной - проходящей через продольную ось машины плоскости) могут быть выполнены круглыми или с незначительными отклонениями от круглого (овальными). В рабочей камере 3 расположены лопатки 4 и разделитель 5, связанные соответственно со статором 1 и ротором 2. Каждая лопатка 4 содержит переднюю кромку 6, обращенную к ротору 2 и расположенную на пересечении поверхности лопатки 4 и средней секущей поверхности лопатки 4. Разделитель 5 содержит отсечные кромки 7, ограничивающие участок 8, обращенный к передним кромкам 6 лопаток 4, каждая из которых расположена на пересечении поверхности разделителя 5 и угловой секущей поверхности 9 разделителя 5. Средней секущей поверхностью лопатки 4 и угловой секущей поверхностью 9 разделителя 5 являются поверхности, делящие пополам расстояние соответственно между выпуклым и вогнутым участками поверхности лопатки 4, и поверхность, делящая пополам расстояние между участком 8 поверхности разделителя 5 и боковой поверхностью 10 разделителя 5, отсчитываемое по нормали к этим поверхностям. Среднюю поверхность лопатки 4 и угловую секущую поверхность 9 разделителя 5 можно построить как геометрическое место центров сфер, вписанных между указанными выше частями поверхности лопатки 4 или разделителя 5. Расстояние t между центрами 11 передних кромок 6 соседних лопаток 4 выполнено в пределах (0,36-0,67)L, где L - длина хорды 12, соединяющей противоположные концы передней кромки 6 (точки пересечения передней кромки 6 лопатки 4 с торообразной поверхностью статора 1). Высота h подъема центра 11 передней кромки 6 лопатки 4 в рабочей камере 3 равна (0,45-0,8)L, а расстояние k между центрами 13 отсечных кромок 7 разделителя 5 выполнено не менее 2t и не более 4t. Направление передней кромки 6 лопатки 4, то есть угол α между меридиональной плоскостью 14 машины, проходящей через центр 11 передней кромки 6, и касательной к средней линии 15 поперечного сечения лопатки 4 в точке пересечения средней линии 15 с передней кромкой 6 (в центре 11) выполнено в пределах 0-70°С. Средней линией 15 поперечного сечения является линия пересечения средней секущей поверхности лопатки 4 и плоскости, проходящей через центр 11 передней кромки 6, перпендикулярно меридиональной плоскости 14 и хорде 12. Хорда 12, соединяющая противоположные концы передней кромки 6 расположена под углом β=(0-26°) к меридиональной плоскости 14, проходящей через центр 11 передней кромки 6. Угол β характеризует угол установки лопатки.
1
1
Экспериментальные данные показали, что выполнение профиля лопатки таким образом, что толщина лопатки от ее передней кромки до 0,8h увеличивается по линейному закону с углом α между образующими наружной и внутренней поверхности каждой лопатки, составляющим от 5° до 30°, является оптимальным с точки зрения прочности лопаток, мощности и кпд машины, причем при меньшей величине углом α резко уменьшается прочность лопатки, а при большей - увеличивается гидравлическое сопротивление, поскольку растет эффективная площадь сечения лопатки.
Максимальный радиус (R) рабочей полости равен расстоянию от оси машины до наиболее удаленной точки рабочей полости; минимальный радиус (r) равен расстоянию от оси машины до наиболее близкой к ней точки рабочей полости; ширина (h) рабочей полости равна разнице (R-r) максимального и минимального радиусов.
Отношение (R/h) максимального радиуса рабочей полости к ширине ее сечения не менее 4,5 и не более 9,5 (9,5≥R/h≥4,5).
В статоре 1 можно выполнить прорези 16, а лопатки 4 выполнить в виде пластин 17 и установить их в прорезях 16 статора 1. При этом касательная к средней линии 15 поперечного сечения лопатки 4 и хорда 12 будут параллельны соответственно поверхности лопатки 4 и передней кромке 6. Отсечные кромки 7 разделителя 5 выполнены конгруэнтно передней кромке 6 лопатки 4, то есть совпадают с ними при наложении, что одновременно обеспечивает максимальное использование длины рабочей камеры и максимальное использование длины передней кромки лопатки для уменьшения перетечек рабочей среды.
Расстояние между центрами отсечных кромок разделителя целесообразно выполнить не более четырех расстояний между центрами передних кромок соседних лопаток, что позволяет более эффективно использовать длину рабочей камеры для уменьшения перетечек рабочей среды из участка с высоким давлением в участок с низким.
Для подвода и отвода рабочей среды в камеру 3 в роторе 2 выполнены каналы 18 и 19, расположенные с противоположных сторон разделителя 5.
При работе вихревой машины с динамическим вихрем в режиме двигателя поток рабочей среды через канал 18 подается в рабочую камеру 3, где под действием торообразных участков поверхности статора 1 и ротора 2 и лопаток 4 приобретает вихреобразный характер, исключающий возможность ее свободного перетекания по рабочей камере 3 в канал 19 отвода среды. В результате разделитель 5 оказывается под действием перепада давлений рабочей среды и ротор 2, с которым связан разделитель, совершает вращательное движение, которое передается на связанный с ним вал машины.
При работе машины в режиме насоса или компрессора при вращении ротора 2 рабочая среда под воздействием на нее разделителя 5, лопаток 4 и торообразных участков поверхностей статора 1 и ротора 2 приобретает вихреобразное движение. Такое движение рабочей среды препятствует ее свободному перетеканию по рабочей камере 3 в направлении вращения ротора 3 от канала 18 к каналу 19. В результате вихреобразный поток рабочей среды под давлением направляется разделителем 5 в канал 19, а через канал 18 в рабочую камеру 3 засасывается новое количество рабочей среды.
Изменение отношения (R/h) максимального радиуса рабочей полости машины к ширине ее сечения, например в сторону увеличения, связано с увеличением максимального радиуса рабочей полости (из условия сохранения расходной характеристики машины) и приводит, с одной стороны, к увеличению утечек из рабочей полости по щелевым зазорам между ротором и статором за счет увеличения площади проходного сечения щелевого зазора между ротором и статором, а с другой стороны, - к уменьшению перетечек рабочей среды из участка с высоким давлением в участок с низким давлением по рабочей полости за счет увеличения длины рабочей полости. Кроме того, увеличение R приводит к увеличению центробежного ускорения, сообщаемого рабочей среде ротором, и тем самыми более интенсивному вихреобразованию на входе рабочей среды в рабочую полость, что в итоге приводит к уменьшению перетечек по рабочей полости. Экспериментальные данные показали, что предлагаемое выполнение лопатки является оптимальным с точки зрения соотношения указанных выше характеристик, а также является оптимальным с точки зрения гидравлических потерь за счет трения рабочей среды о лопатки, ротор и статор.