Лабиринтно-винтовая машина

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве турбопривода либо турбокомпрессора, насоса. Сущность изобретения: на взаимообращенных поверхностях статора 2 и ротора 1 выполнены разнонаправленные винтовые каналы, причем каналы ротора 1 образованы межлопаточным пространством. Лопатки 7 представляют собой размещенную на роторе 1 по винтовой линии ленту. Рабочая поверхность лопатки 7 наклонена относительно нормали к ротору 1 в сторону патрубка 5 с большим давлением рабочей среды. Форма поперечного сечения канала статора - полукруглая. При прохождении рабочей среды по каналам статора она взаимодействует с лопатками 7 ротора 1, приводя его во вращение (при работе в турбинном режиме). Поток рабочей среды движется по пространственной спирали, обеспечивающей повышенный энергообмен в сравнении с простой передачей трением 5 за ф-лы, 7 ил.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской. Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5008317/06 (223 05.11 91 (46) 30.10.93 Бюл. Ма 39-40 (76) Авельчев Михаил Евгеньевич; Сергеев

Владимир Николаевич (54) ЛАБИРИНТНО-ВИНТОВАЯ МАШИНА (57) Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве турбопривода либо турбокомпрессора, насоса. Сущность изобретения: на взаимообращенных поверхностях статора

2 и ротора 1 выполнены разнонаправленные винтовые каналы, причем каналы ротора 1 образованы межлопаточным пространством. Лопатки 7 пред(в) RU (1ц 2ÎÎ2112 С1 (51) 5 F04 D 3 02 F04 D 17 00 ставляют собой размещенную на роторе 1 по винтовой линии ленту. Рабочая поверхность лопатки 7 наклонена относительно нормали к ротору 1 в сторону патрубка 5 с большим давлением рабочей среды. Форма поперечного сечения канала статора — полукруглая. При прохождении рабочей среды по каналам статора она взаимодействует с лопатками

7 ротора 1, приводя его во вращение (при работе в турбинном режиме). Поток рабочей среды движется по пространственной спирали, обеспечивающей повышенный энергообмен в сравнении с простой передачей трением. 5 зп ф-лы, 7 ил.

2002112

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве турбопривода для различных механизмов вращения, а также в качестве турбокомпрессора, вакуум-насоса.

Известны вихревые машины, содержащие ротор с лопатками, установленный с малым радиальными зазором в статоре с рабочими каналами и отсекателем. Эти машины обратимы, т.е. могут работать как в компрессорном (насосном} режиме, так и в турбинном. В обоих случаях механизм обмена энергией между рабочим телом и лопатками ротора один и тот же — продольно-вихревое (спиралевидное) движение потока рабочего тела по проточной части машины, в процессе которого происходит обмен количеством движения между потоком и лопатками. Одним из путей повышения эффективности вихревых машин является интенсификация продольно-вихревого движения за счет подбора соответствующих геометрических и газодинамических параметров. Такие рекомендации существуют. Однако к недостаткам всех известHblx конструкций вихревых машин следует отнести кольцевое расположение проточной части, при котором рабочий канал концентричен лопаточному венцу, Во-первых, такое расположение приводит к возникновению радиальных нагрузок на ротор, т.к. давление рабочего тела в проточной части непостоянно по ее длине. Во-вторых, необходимость подвода и отвода рабочего тела в кольцевую проточную часть вынуждает использовать устанавливаемый в рабочем канале отсекатель для разделения подводимого и отводимого потоков, Отсекатель существенно снижает возможности повышения КПД машины, т.к. имеют место перетечки через зазоры между ротором и отсекателем и балластный перенос рабоче о тела в межлопаточном пространстве венца из отводимого в подводимый поток (или наоборот, в зависимости от режима рабо-. ты — компрессорный или турбинный}, Наконец, в-третьих, одним иэ путей снижения частоты вращения вихревых машин является увеличение радиальных размеров ротора, т,к. кольцевое расположение проточной части "диктует" постоянство ряда сооТНошений и параметров с точки зрения оптимума КПД, в том числе такого параметра, как окружная скорость. Поскольку снижение частоты вращения ротора является часто возникающей практической задачей, а увеличение радиальных габаритов машины зачастую нежелательно, поскольку кольцевое расположение проточной части ограни5

10 чивает область применения вихревых машин, Наиболее близким к изобретению техническим решением является лабиринтновинтовая машина, содержащая коаксиально установленные с радиальным зазором относительно друг друга ротор и статор с разнонаправленными винтовыми каналами k3 вэаимообращенных рабочих поверхностях, причем каналы статоры выполнены в поперечном сечении полукруглыми, а статор снабжен со стороны торцев ротора патрубками для подвода и отвода рабочей среды различного давления. Речь идет об иэвест15 ных лабиринтно-винтовых устройствах, применяемых в качестве уплотнений валов, а также насосов. Принцип действия этих устройств основан на использовании сил давления и трения, возникающих при пере20 теканиях потока рабочей среды в нарезках (винтовых каналах) статора и ротора.

Рабочая среда обтекает эти нарезки с 06 разованием завихрений со стороны, противоположной направлению натекания.

Передача энергии от винта к жидкости происходит в результате обмена количествами движения жидкости, обтекающей винт, с жидкостью, обтекающей втулку. Такой механизм знергообмена между рабочей

Э0 средой и ротором сравнительно малоэффективен: вихреобразования хаотичны, неустойчивы, имеют местный, локальный характер. Не случайно, что КПД таких насосов невелик.

Целью изобретения является повыше. ние КПД машины, Это достигается за счет интенсификации энергообмена между рабочей средой и ротором путем обеспечения в проточной ча40 сти машины устойчивого продольно-вихревого движения потока рабочей среды, Указанная цель достигается тем, что в машине, содержащей коаксиально установленные с радиальным зазором отно45 сительно друг друга ротор и статор с разнонаправленными винтовыми каналами на взаимообращенных рабочих поверхностях, причем каналы статора выполнены в поперечном сечении полукруглыми, а ста50 тор снабжен со стороны торцев ротора патрубками для подвода и отвода рабочей среды различного давления, на рабочей поверхности ротора по винтовой линии установлены лентообраэные лопатки, рабочие поверхности которых наклонены относительно нормали к поверхности вращения в сторону патрубка рабочей среды большого давления, а винтовые каналы образованы межлопаточным пространством. Ротор может быть размещен внутри статора или сна2002112

10 ружи него в виде охватывающей статор втулки. Взаимообращенные поверхности ротора и статора могут быть цилиндрическими, машина снабжена разгрузочным поршнем с диаметром, равным диаметру ротора, установленным соосно ротору на его торце со стороны патрубка рабочей среды большего давления, причем последний размещен междуторцом ротора и поршнем.

Взаимосбращенные рабочие поверхности могут быть выполнены коническими, при этом патрубок рабочей среды большего давления размещен со стороны торца ротора, имеющего меньший диаметр. Машина может быть снабжена дополнительным ротором и статОрОм, аналогичными основным, но с винтовыми каналами противоположного направления, дополнительный ротор и статор размещены соосно с основными со стороны патрубка рабочей среды большсг0 давления, при этом указанный патрубок размещен между соответствующими торцами роторов, а дополнительный статор снабжсн дополнительныл патрубком рабочей среды меньшего давления. Винтовые линии лопаток ротора могут быть выполнены с переменным шагом винта, а лопатки — с переменным углом наклона относительно нормали к поверхности вращения ротора, равномерно изменяющимся ст торца к гооцу ротора, На фиг.1 изображе а предлагаемая м=шина; на фиг,2 — разрез А — А На фиг,1; на фиг,3-6 — конструктивные варианты выполнения машины; на фиг.7 — развертка проточной части, изображенной на фиг.6 машины, по длине одного из KBHanos статора.

Машина содержит коаксиальна установленные с радиальным зазором относительно друг друга ротор 1 и статар 2 с разнонаправленными винтовыми каналами

3 и 4 на взаимообращенных рабочих поверxíîñòÿõ, причем каналы 4 статора 2 eыполнены в поперечном сечении г10 укруглыми, а статор 2 снабжен со стороны торцев ротора 1 патрубками 5 и 6 для подвода и отвода

paGo«eA среды различного давления. На раба ей поверхности ротора i по винтовой линии установлены лентсобразные лопатки

7, раба.ие поверхности которых наклонены относительно нор.али к поверхности вращения в сторону патрубка 5 рабочей среды большего давления, а винтовые каналы 3 образованы межлопаточным пространства», Ротор 1 л1ажет быть размещен внутри статора 2 (фиг.1, Z) или снаружи него в виде охватывающей статор 8 втулки 9 (фиг.3).

Взаимоабращенные поверхности в последнем случае D отличие OT первого меняются ролями . внy rpel-,няя поверхность вращения

55 втул«! 9 несет на себе лопатки 10 ротора.

Бзаимообращенные поверхности ротора 1 и статара 2 могут быть цилиндрическими. Машина снабжена разгрузочным поршнем 11 с диаметрам д, равным диаметру ро-ора 1, установленным соосно ротору 1 на его торце са стороны патрубка 5 рабочей среды больmего давления, причем последний размещен между торцем ротора 1 и поршнем

11. Взаимаобращенные рабочие поверхности могут быть выполнены коническими, при этом патрубок 12 рабочей среды больmего давления размещен со стороны торца ротора 13, имеюшего меньший диаметр (фиг.4). Машина мажет быть снабжена дополнительными ротором 14 и статором 15, знало ичными основным, Но с винтовыми каналами противоположного направления, дополнительные ротор 14 и статор 15 размещены соосно основным со стороны патрубка 16 рабочей среды большего давления, при этом патрубок l6 размещен между соответствующими торцами роторов. а дополнительный статор 15 снабжен дополнительным патрубкам 17 рабочей среды меньшего давления (фиг.5). Винтовые линии 18 лопаток 19 ротора 20 могут бы-.ь вь.полнены с rlepeMBHHblM шагом t винта. а лопатки 19 — с переменным углол

j)lI наклона 0;Hccv enI=Ho нормали к поверхности вращения ратсра 20, равномерно изменя сщил ся от торца к торцу ротора 20 (фиг.6,7).

Машина работает следующим образам.

В режил е. например, турбопривода рабочий га:- высокого давления rlîñòóïàåò в патрубск 5 для подвода рабочей среды и далее ,ерез винтовые каналы 4 статора 2 в патрубак 6 для отвода рабочей среды, Проходя по каналам 4 статора 2, газ взаимодействует с разIIe eH!-,ыми в этих каналах участками лапа roк 7 ротора 1 и передает им сво.о "-нерги а. приводя ротор 1 ВО вращение, Полукруглая форма поперечного сечения канала

4. последовательное размещение (адин за другим) участков лопаток 7 вдоль канала 4 и их определенная ориентация в канале 4 обеспе".Hriaþò возникновение устойчивого продольна-вихревого движения потока газа ат в;o;„a в канал 4 до выхода из Hего.

Кан" 1 4 статора 2 в совокупности с упомянутыми участками лопаток 7 представляет собой, таким образом, проточную часть известнь,х вихревых машин. о которых говорилос B начале описания, 8 отличие от них

"уложенну о" не по кольцу вокруг ротора, а по в китовой линии, Угол установки (наклона кромки) лопаток 7 относительно продольной аси канала 4 статсра 2 обеспечивается подбором угла скрещивания винтовых ли2002112 ний каналов 4 л лопаток 7, а угол наклона лопаток 7 относительно нормали к поверхности вращения ротора 1 обеспечивается технологически при выполнении лопаток 7 на роторе 1, Благодаря такой ориентации участков лопаток 7 в канале 4 при взаимодействии с ними продольно-вихревого потока газа обеспечивается минимум гидравлических потерь. Имеется ввиду следующее. Продольный вихрь представляет собой вытянутую вдоль канала 4 пространственную спираль, витки которой последовательно взаимодействуют с участками лопаток 7. Условием безударного входа потока газа на лопатку 7 является соответствующая ориентация ее рабочей поверхности по отношению к входящему íà нее витку потока газа, Такому условию удовлетворяет наклон рабочей поверхности в сторону положительного градиента давления — в сторону патрубка 5 с большим давлением рабочей среды (будь то турбинный либо компрессорный режим работы машины). Таким образом, возникновение в проточной части машины продольно-вихревого движения потока рабочей среды приводит к качественному изменению механизма энергообмена, т.е. к повышению ее КПД. В отличие от известных схем вихревых машин, использующих продольно-вихревой механизм энергообмена, в рассматриваемой схеме исключены перетечки и балластный перенос газа через отсекатель (последнего просто нет). Имеющиеся переточки вдоль межлэпаточного канала 3 ротора 1 происходят через ряд каналов 4 статора 2, т.е. эти перетечки участвуют в "подкрутке" существующих в каналах 4 продольных вихрей, что повышает КПД машины, Достоинством схемы является и отсутствие радиальных усилий на ротор 1 (они исчезают при двух и более заходной нарезке каналов 3 и 4); а также сравнительно небольшие радиальные габариты машины. В известных схемах вихревых машин (с кольцевым расположением проточной части) существенную роль в формировании продольно-вихревого движения потока играют действующие на частицы потока центробежные силы, В рассматриваемой схеме роль этих сил может быть повышена; на фиг.3 "внутреннее" располо>кение лопаток 10 обеспечивает совпадение векторов действия центробежных сил и направления потока при входе его на лопатки. Такое совпадение интенсифицирует продольно-вихревое движение, т.е. повышает КПД, Одним из недостатков машины является наличие осевых сил, действующих

55 на ротор и вызванных перепадом давления рабочей среды между патрубками 5 и 6. Для устранения этого недостатка может быть использован либо разгрузочный поршень 11 (фиг.1), либо схема с коническим ротором 13 (фиг,4}, либо схема с оппозитным расположением роторов (фиг.5). Установка поршня

11 с диаметром d, равным диаметру ротора

1, обеспечивает равное и противоположное по знаку осевое усилие на ротор 1. В схеме на фиг.4 произведения площадей оснований конусов ротора 13 на соответствующие давления в патрубках равны, а осевые силы тем самым компенсируют друг друга. В схеме на фиг.5 осевые силы замкнуты на роторах (основном и дополнительном} в силу симметричности их расположения относительно патрубка 16 для подвода рабочей среды. В известных схемах вихревых машин ориентация лопатки постоянна по отношению к рабочему каналу. Выше уже говорилось, что такая ориентация определяется условиями безударного входа потока газа на лопатку. Однако вследствие изменения абсолютной скорости потока газа вдоль канала углы натекания потока на лопатку не постоянны (непрерывно изменяются от входа к выходу). Вихрь как бы "вытягивается" к выходу в турбинном режиме и "сжимается" в компрессорном, Поэтому безударный вход на постоянно ориентированную лопатку в известных схемах машин возмо>кен только на ограниченном участке длины канала статора. На остальных участках вход будет нерасчетным (ударным), что снижает

КПД, На фиг.6,7 изображен конструктивный вариант, позволяющий избавиться от описанного недостатка вихревых машин. Изменяющийся шаг l винтовой линии 18 лопатки

19 обеспечивает следом за вышеупомянутым "вытягиванием" вихря изменение угла

Д установки лопатки 19 по отношению к продольной оси винтового канала статора от входа к выходу канала

Дг > Д .

Угол наклона лопатки 19 также отслеживает "вытягивание" вихря

/ лг / л1.

В результате безударный вход потока газа на лопатку 19 обеспечивается по всей длине проточной части, что существенно повышает КПД машины. (56) Уплотнения и уплотнительная техника.

Справочник,/Под ред, Л.И.Голубева и

Л.А.Кондакова. M.: Машиностроение, 1986, с.414-421, рис.12.28.

2002112

Фо рмула изобретения

1. ЛАБИРИНТНО-ВИНТОВАЯ МАШИНА. содержащая коаксиально установленные с радиальным зазором относительно друг друга ротор и статор с разнонаправ- 5 ленными винтовыми каналами на взаимообращенных рабочих . поверхностях, причем каналы статора выполнены в поперечном сечении полукруглыми, а статор снабжен со стороны торцов ротора патрубками для подвода и отвода рабочей среды соответственно различного давления, отличающаяся тем, что на рабочей поверхности ротора по винтовои линии установлены лентообразные лопатки, рабочие поверхности которых наклонены относительно нормали к поверхности вращения в сторону патрубка рабочей среды большего давления, а винтовые каналы образованы 20 межлопаточным пространством.

2, Машина по п.1, отличающаяся тем, что ротор размещен внутри стэтора или снаружи него в виде охватывающей статор втулки. 25

3. Машина по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что взаимообращенные поверхности ротора и статора - цилиндрические, машина снабжена разгрузочным поршнем диаметром, равным диаметру ротора, установленным соосно с ротором на его торце со стороны патрубка с рабочей сре дой большего давления, причем последний размещен между торцом ротора и поршнем.

4. Машина по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что взаимообращенные рабочие поверхности выполнены коническими, при . этом патрубок с рабочей средой большего давления размещен со стороны ротора, имеющего меньший диаметр.

5. Машина по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что снабжена дополнительными ротором и статором с винтовыми каналами противоположного направления относительно каналов основных ротора и статорэ, размещенными соосно с ними со стороны патрубка с рабочей средой большего давления. при этом указанный патрубок размещен между соответствующими торцами роторов, а дополнительный статор снабжен дополнительным патрубком рабочей среды меньшего давления.

6. Машина по п.1, отличающаяся тем, что винтовые линии лопаток ротора выполнены с переменным шагом винта, э лопатки - с переменным углом наклона относительно нормали к поверхности вращения ротора, равномерно изменяющимся от торца к торцу ротора.

2002112

2002112

Составитель В. Сергеев

Редактор H. Цалихина Техред M.Ìîðãåíòàë «рректор А. Козориз

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Заказ 3164

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101