Компресор кінетичного стиску
Винахід відноситься до пристроїв для отримання стиснутих газів та вакууму. Компресор кінетичного стиску містить корпус з всмоктувальним і нагнітальним патрубками, ротор з гвинтовими проточними каналами змінного перерізу і покривний елемент з гвинтовими лопатками, що утворюють гвинтові канали змінного перерізу. Компресор забезпечений другим покривним елементом, а корпус - другим патрубком, що всмоктує. Всмоктувальні патрубки розташовані з різних боків корпусу. Ротор виконаний у вигляді валу із встановленими на ньому робочими колесами та розвантажувального лопатевого імпелера. Гвинтові проточні канали коліс утворені гвинтовими лопатками. Канали обмежені двома конічними поверхнями, одна з яких є стінкою колеса, а інша - межею розділу рухомого та нерухомого елементів компресора. Глибина каналів коліс виконана зменшується у напрямку потоку. Кожен покривний елемент виконаний у вигляді дифузора, проточні гвинтові канали якого, утворені гвинтовими лопатками, обмежені двома конічними поверхнями, що перетинаються на рівні входу в колесо. Одна з поверхонь є стінкою дифузора, а інша - межею розділу рухомого та нерухомого елементів компресора. Глибина каналів дифузора виконана збільшується в напрямку потоку. Лопатевий імпелер розташований між робочими колесами, від яких на нього передається момент, що крутить, і встановлений з можливістю осьового переміщення для компенсації температурних розширень коліс. Використання винаходу дозволить підвищити ККД за рахунок зниження гідравлічних втрат у каналах коліс та дифузора. 3 іл.
Винахід відноситься до пристроїв для отримання стиснутих газів та вакууму.
Як аналоги винаходу можуть бути розглянуті наступні пристрої: - Вихрова машина.В.Д.Лубенець, В.Н.Хмара, І.Я.Сухомлінов, М.А.Радугін, Н. А. Смирнов, Л. Н. Білотелова. А.С. 306282, СРСР. Заявлено 13.01.1970 (N 1398122/24-6), опубл. 11.06.1971 (бюлетень N 19), УДК 621.515 (088.8), МПК F04D 23/00.
- A turbine or comtressor. Патент Великобританії N 1258986, кл. F 04 D 19/00, 1971
– А.с. СРСР N 306282, кл. F 04 D 23/00, 1971
- Одноступінчастий нагнітач 6400-11-1 конструкції НЗЛ із двостороннім всмоктуванням. Ф. М.Чистяков, В.В.Ігнатенко, Н.Т.Романенко, Є.С.Фролов, книга "Центробіжні компресорні машини". - М: Машинобудування, 1969 р.
- відцентровий компресор турбореактивного двигуна ВК-1 з двостороннім входом. К.П.Селезньов. Ю.С.Подобуєв, С.А.Анісімов, книга "Теорія та розрахунок турбокомпресорів". - Л.: Машинобудування, 1968
- Вихровий компресор загального призначення серії СН фірми "Сіменс-Шукерт" І. М. Віршубський, Ф.С.Рекстін, А.Я.Шквар, книга "Вихрові компресори". Л.: Машинобудування, 1988
Як аналог (прототип), найбільш близький до винаходу, можна виділити компресор, зазначений другим у списку аналогів (A turbine or compressor. Патент Великобританії N 1258986, кл. F 04 D 19/00, 1971 р.).
Характерними, суттєвими ознаками перерахованих аналогів і винаходу є перетворення енергії обертання лопаткового ротора в кінетичну енергію газу, яка забезпечує задану продуктивність і натиск відповідною конфігурацією проточних каналів, і наявність ротора, встановленого в корпусі.
Істотною ознакою аналога-прототипу і винаходу є наявність встановленого в корпусі, що має всмоктувальний і нагнітальний патрубки, ротора з гвинтовими проточними каналами змінного перерізу і покривного елемента згвинтовими лопатками, що утворюють гвинтові канали змінного перерізу.
Заявляється винахід спрямовано на вирішення задачі зменшення гідравлічних втрат при перебігу газу в каналах робочого колеса і покривного елемента компресора кінетичного стиснення, а також на зменшення габаритів порівняно з відцентровим нагнітачем при однакових енергетичних параметрах.
Перетворення кінетичної енергії газу в тиск у відцентрових аналогах відбувається у дифузорах з великими втратами, що призводить до зниження ККД.
Пропонований компресор працює за схемами відцентрового, осьового та вихрового стиску одночасно. Істотними ознаками пристрою є наступні.
1. Зменшення гідравлічних втрат у міжлопаткових каналах колеса та дифузора (а отже, збільшення ступеня реактивності та ККД) внаслідок гвинтового вихрового перебігу газу, як течії з найменшим опором, що підтверджується природними аналогами: злив води через циліндричну горловину; смерч - гвинтовий вихор між зонами з різним тиском; дальність польоту кулі з нарізної зброї більша, ніж з гладкоствольної.
2. Гасіння швидкості газу в нерухомому покривному елементі з гвинтовими лопатками, виконаного у вигляді дифузора, при додатковому підвищенні ступеня стиснення за рахунок ударних впливів молекул газу на стінки каналу, як у вихровій машині.
3. Відсутність традиційних для відцентрових компресорів дифузора і равлики, отже, і зменшення габаритів, т.к. в результаті хорошого перемішування вихрових потоків на виході гвинтових каналів швидкість течії матиме радіальний напрямок (особливо у разі зустрічного розташування коліс, як у компресорі, що розглядається).
4. Динамічна розвантаження як валу в осьовому напрямі, алета робочих коліс у радіальному напрямку в результаті використання лопатевого імпелера, що зменшує величину тиску газу на внутрішню поверхню колеса.
5. Наявність лабіринтних ущільнень лише на вхідних ділянках валу.
До особливостей конструктивного виконання відносяться такі елементи пристрою: колесо, до відмітних ознак якого відноситься те, що проточні канали, утворені гвинтовими лопатками, обмежені двома конічними поверхнями, одна з яких є стінкою колеса, а інша - межею розділу рухомого та нерухомого елементів компресора, виконані зі зменшенням глибини по осі валу та не містять жодних поперечних лопаток; покривний елемент, до відмітних ознак якого відноситься те, що він має гвинтові канали, обмежені двома конічними поверхнями, що перетинаються на рівні входу в робоче колесо, виконують функції дифузора і створюють вихрову компресію одночасно.
лопатевий імпелер, до відмітних ознак якого відноситься те, що він розташований між робочими колесами, від яких передається крутний момент, має можливість переміщатися вздовж осі обертання для компенсації температурних розширень коліс і виконує функції розвантажувального поршня, що застосовується у відцентрових аналогах.
На фіг. 1 показаний компресор з осьовим розрізом; на фіг. 2 - те саме, з розрізами в площинах обертання; на фіг. 3а,б – векторна картина швидкостей.
Можливість здійснення винаходу розглядається на розробленій конструкції компресора, призначеного для стиснення повітря, з продуктивністю 5 м 3 /сек тиском нагнітання 0,25 МПа (фіг. 1, фіг. 2).
Компресор має такі розрахункові параметри: Потужність електродвигуна - 700 кВт Кількість оборотів двигуна - 20000об/хв Максимальна окружна швидкість колеса - 342 м/с Максимальний діаметр колеса - 320 мм У запропонованому компресорі (фіг. 1) ротор виконаний у вигляді валу (1) з посадженим на нього робочими колесами ( 2), (3) з гвинтовими конічними каналами, глибина яких зменшується у напрямку потоку. Між колесами встановлений лопатевий імпелер (4). Машина містить корпус, виконаний з двох половин (5), (6), які встановлені охолоджувані водою покривні елементи (7), (8), що мають гвинтові конічні канали, глибина яких збільшується у напрямку потоку, а кут нахилу має протилежний знак. Всмоктують патрубки розташовані в кожній половині корпусу, а нагнітальний патрубок в одній половині (6). Вертикальна площина роз'єму корпусу забезпечує хороше центрування та зручність складання компресора внаслідок малих габаритів, а також спрощується технологія лиття та механічної обробки співвісних поверхонь.
Працює запропонована машина в такий спосіб. При обертанні ротора лопатки повідомляють газу кінетичну енергію, створюючи при цьому гвинтовий вихор. Векторна картина швидкостей для частинки газу на конічній гвинтовій лінії представлена на фіг. 3а, де абсолютна швидкість (C), як векторна сума відносного (W) і переносного (U) руху, умовно розкладена на осьовий (Co), радіальний (Cr) та окружний (тангенціальний) (Cu) напрямок. Радіальна складова швидкості (Cr) забезпечує витрату газу через бічну поверхню зрізаного конуса колеса (фіг. 3б), осьова складова (Co) забезпечує витрату газу через торцеву вихідну площину. Кільцева складова (Cu) створює вихор як у каналах колеса, так і в каналах покривного елемента, однак, у створенні витрати не бере участі. Такий умовний поділ потоку газу полегшує визначення геометріїканалів за допомогою рівняння витрати.
Таким чином газ, розганяючись по осі обертання колеса, частково надходить на вихід колеса, частково покривний елемент з конічними гвинтовими або прямими лопатками, який виконує одночасно функції дифузора і елемента вихрового компресора, що збільшує ступінь стиснення за рахунок удару газу стінки нерухомого каналу. На фіг. 2 досить наочно показані форми лопаткових каналів на вхідному та вихідному ділянках колеса. За рахунок ударної дії лопаток покривного елемента знижується швидкість газу, збільшується ступінь стиснення, цьому сприяє осьове розширення каналу, а вихор на виході забезпечує хороше перемішування потоку. Тобто. має місце радіальний вихід сумарного потоку, для якого достатньо встановити кільцевий колектор, а не громіздкий равлик. Водяне охолодження покривного елемента зменшує роботу політропічного стискування нерухомих каналах. Лопатевий імпелер (4), створюючи розрідження в зоні між робочими колесами, зменшує дію відцентрових сил на масу колеса, послаблюючи напружений стан ребер, що стягують.
Компрессор кинетического сжатия, включающий установленный в корпусе, имеющем всасывающий и нагнетательный патрубки, ротор с винтовыми проточными каналами переменного сечения и покрывной элемент с винтовыми лопатками, образующими винтовые каналы переменного сечения, отличающийся тем, что он снабжен вторым покрывным элементом, корпус снабжен вторым всасывающим патрубком , причому обидва патрубки розташовані по різні сторони корпусу, ротор виконаний у вигляді валу з встановленими на ньому робочими колесами і розвантажувального лопатевого імпелера, гвинтові проточні канали коліс, утворені гвинтовими лопатками, обмежені двома конічними поверхнями, одна з яких єстінкою колеса, а інша - межею розділу рухомого та нерухомого елементів компресора, причому глибина зазначених каналів виконана зменшується по напрямку потоку, кожен покривний елемент виконаний у вигляді дифузора, гвинтові проточні канали якого, утворені гвинтовими лопатками, обмежені двома конічними поверхнями, що перетинаються на рівні входу в колесо, одна з яких є стінкою дифузора, а інша - межею розділу рухомого і нерухомого елементів компресора, причому глибина зазначених каналів виконана збільшується в напрямку потоку, а лопатевий імпелер розташований між робочими колесами, від яких на нього передається момент, що крутить, і встановлений з можливістю осьового переміщення для компенсації температурних розширень коліс.