Компрессор кинетического сжатия

 

Изобретение относится к устройствам для получения сжатых газов и вакуума. Компрессор кинетического сжатия содержит корпус со всасывающим и нагнетательным патрубками, ротор с винтовыми проточными каналами переменного сечения и покрывной элемент с винтовыми лопатками, образующими винтовые каналы переменного сечения. Компрессор снабжен вторым покрывным элементом, а корпус - вторым всасывающим патрубком. Всасывающие патрубки расположены по разные стороны корпуса. Ротор выполнен в виде вала с установленными на нем рабочими колесами и разгрузочного лопастного импеллера. Винтовые проточные каналы колес образованы винтовыми лопатками. Каналы ограничены двумя коническими поверхностями, одна из которых является стенкой колеса, а другая - границей раздела подвижного и неподвижного элементов компрессора. Глубина каналов колес выполнена уменьшающейся по направлению потока. Каждый покрывной элемент выполнен в виде диффузора, винтовые проточные каналы которого, образованные винтовыми лопатками, ограничены двумя коническими поверхностями, пересекающимися на уровне входа в колесо. Одна из поверхностей является стенкой диффузора, а другая - границей раздела подвижного и неподвижного элементов компрессора. Глубина каналов диффузора выполнена увеличивающейся в направлении потока. Лопастный импеллер расположен между рабочими колесами, от которых на него передается крутящий момент, и установлен с возможностью осевого перемещения для компенсации температурных расширений колес. Использование изобретения позволит повысить КПД за счет снижения гидравлических потерь в каналах колес и диффузора. 3 ил.

Изобретение относится к устройствам для получения сжатых газов и вакуума.

В качестве аналогов изобретения могут быть рассмотрены следующие устройства: - Вихревая машина. В.Д.Лубенец, В.Н.Хмара, И.Я.Сухомлинов, М.А.Радугин, Н. А. Смирнов, Л. Н. Белотелова. А.с. 306282, СССР. Заявлено 13.01.1970 (N 1398122/24-6), опубл. 11.06.1971 (бюллетень N 19), УДК 621.515 (088.8), МПК F 04 D 23/00.

- A turbine or comtressor. Патент Великобритании N 1258986, кл. F 04 D 19/00, 1971 г.

- А.с. СССР N 306282, кл. F 04 D 23/00, 1971 г.

- Одноступенчатый нагнетатель 6400-11-1 конструкции НЗЛ с двухсторонним всасыванием. Ф. М.Чистяков, В.В.Игнатенко, Н.Т.Романенко, Е.С.Фролов, книга "Центробежные компрессорные машины". - М.: Машиностроение, 1969 г.

- Центробежный компрессор турбореактивного двигателя ВК-1 с двухсторонним входом. К.П.Селезнев. Ю.С.Подобуев, С.А.Анисимов, книга "Теория и расчет турбокомпрессоров". - Л.: Машиностроение, 1968 г.

- Вихревой компрессор общего назначения серии СН фирмы "Сименс-Шукерт" И. М. Виршубский, Ф.С.Рекстин, А.Я.Шквар, книга "Вихревые компрессоры". Л.: Машиностроение, 1988 г.

В качестве аналога (прототипа), наиболее близкого к заявляемому изобретению, можно выделить компрессор, указанный вторым в списке аналогов (A turbine or compressor. Патент Великобритании N 1258986, кл. F 04 D 19/00, 1971 г.).

Характерными, существенными признаками перечисленных аналогов и заявляемого изобретения являются преобразование энергии вращения лопаточного ротора в кинетическую энергию газа, которая обеспечивает заданную производительность и напор соответствующей конфигурацией проточных каналов, и наличие ротора, установленного в корпусе.

Существенным признаком аналога-прототипа и заявляемого изобретения является наличие установленного в корпусе, имеющем всасывающий и нагнетательный патрубки, ротора с винтовыми проточными каналами переменного сечения и покрывного элемента с винтовыми лопатками, образующими винтовые каналы переменного сечения.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи уменьшения гидравлических потерь при течении газа в каналах рабочего колеса и покрывного элемента компрессора кинетического сжатия, а также на уменьшение габаритов по сравнению с центробежным нагнетателем при одинаковых энергетических параметрах.

Преобразование кинетической энергии газа в давление в центробежных аналогах происходит в диффузорах с большими потерями, что приводит к снижению КПД.

Предлагаемый компрессор работает по схемам центробежного, осевого и вихревого сжатия одновременно. Существенным признаки устройства следующие.

1. Уменьшение гидравлических потерь в межлопаточных каналах колеса и диффузора (а следовательно, увеличение степени реактивности и КПД) в результате винтового вихревого течения газа, как течения с наименьшим сопротивлением, что подтверждается природными аналогами: слив воды через цилиндрическую горловину; смерч - винтовой вихрь между зонами с разным давлением; дальность полета пули из нарезного оружия больше, чем из гладкоствольного.

2. Гашение скорости газа в неподвижном покрывном элементе с винтовыми лопатками, выполненного в виде диффузора, при дополнительном повышении степени сжатия за счет ударных воздействий молекул газа на стенки канала, как в вихревой машине.

3. Отсутствие традиционных для центробежных компрессоров диффузора и улитки, а следовательно, и уменьшение габаритов, т.к. в результате хорошего перемешивания вихревых потоков на выходе винтовых каналов скорость течения будет иметь радиальное направление (особенно в случае встречного расположения колес, как в рассматриваемом компрессоре).

4. Динамическая разгрузка не только вала в осевом направлении, но и рабочих колес в радиальном направлении в результате использования лопастного импеллера, уменьшающего величину давления газа на внутреннюю поверхность колеса.

5. Наличие лабиринтных уплотнений только на входных участках вала.

К особенностям конструктивного исполнения относятся следующие элементы устройства: колесо, к отличительным признакам которого относится то, что проточные каналы, образованные винтовыми лопатками, ограничены двумя коническим поверхностями, одна из которых является стенкой колеса, а другая - границей раздела подвижного и неподвижного элементов компрессора, выполнены с уменьшением глубины по оси вала и не содержат никаких поперечных лопаток; покрывной элемент, к отличительным признакам которого относится то, что он имеет винтовые каналы, ограниченные двумя коническими поверхностями, пересекающимися на уровне входа в рабочее колесо, выполняющие функции диффузора и создающие вихревую компрессию одновременно.

лопастной импеллер, к отличительным признакам которого относится то, что он расположен между рабочими колесами, от которых передается крутящий момент, имеет возможность перемещаться вдоль оси вращения для компенсации температурных расширений колес и выполняет функции разгрузочного поршня, применяемого в центробежных аналогах.

На фиг. 1 показан компрессор с осевым разрезом; на фиг. 2 - то же, с разрезами в плоскостях вращения; на фиг. 3а,б - векторная картина скоростей.

Возможность осуществления изобретения рассматривается на разработанной конструкции компрессора, предназначенного для сжатия воздуха, с производительностью 5 м³/с и давлением нагнетания 0,25 МПа (фиг. 1, фиг. 2).

Компрессор имеет следующие расчетные параметры: Мощность электродвигателя - 700 кВт
Число оборотов двигателя - 20000 об/мин
Максимальная окружная скорость колеса - 342 м/с
Максимальный диаметр колеса - 320 мм
В предложенном компрессоре (фиг. 1) ротор выполнен в виде вала (1) с посаженным на него рабочими колесами (2), (3) с винтовыми коническими каналами, глубина которых уменьшается по направлению потока. Между колесами установлен лопастной импеллер (4). Машина содержит корпус, выполненный из двух половин (5), (6), в которые установлены охлаждаемые водой покрывные элементы (7), (8), имеющие винтовые конические каналы, глубина которых увеличивается по направлению потока, а угол наклона имеет противоположный знак. Всасывающие патрубки расположены в каждой половине корпуса, а нагнетательный патрубок в одной половине (6). Вертикальная плоскость разъема корпуса обеспечивает хорошую центровку и удобство сборки компрессора вследствие малых габаритов, а также упрощается технология литья и механической обработки соосных поверхностей.

Работает предложенная машина следующим образом. При вращении ротора лопатки сообщают газу кинетическую энергию, создавая при этом винтовой вихрь. Векторная картина скоростей для частицы газа на винтовой конической линии представлена на фиг. 3а, где абсолютная скорость (C), как векторная сумма относительного (W) и переносного (U) движения, условно разложена на осевое (C_o), радиальное (C_r) и окружное (тангенциальное) (C_u) направления. Радиальная составляющая скорости (C_r) обеспечивает расход газа через боковую поверхность усеченного конуса колеса (фиг. 3б), осевая составляющая (C_o) обеспечивает расход газа через торцевую выходную плоскость. Окружная составляющая (C_u) создает вихрь как в каналах колеса, так и в каналах покрывного элемента, однако, в создании расхода не участвует. Такое условное разделение потока газа облегчает определение геометрии каналов, используя уравнение расхода.

Таким образом газ, разгоняясь по оси вращения колеса, частично поступает на выход колеса, частично в покрывной элемент с коническими винтовыми или прямыми лопатками, который выполняет одновременно функции диффузора и элемента вихревого компрессора, увеличивающего степень сжатия за счет удара газа о стенки неподвижного канала. На фиг. 2 достаточно наглядно показаны формы лопаточных каналов на входном и выходном участках колеса. За счет ударного действия лопаток покрывного элемента снижается скорость газа, увеличивается степень сжатия, этому способствует также осевое расширение канала, а вихрь на выходе обеспечивает хорошее перемешивание потока. Т.е. имеет место радиальный выход суммарного потока, для которого достаточно установить кольцевой коллектор, а не громоздкую улитку. Водяное охлаждение покрывного элемента уменьшает работу политропического сжатия в неподвижных каналах. Лопастной импеллер (4), создавая разрежение в зоне между рабочими колесами, уменьшает действие центробежных сил на массу колеса, ослабляя напряженное состояние стягивающих ребер.

Формула изобретения

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, причем оба патрубка расположены по разные стороны корпуса, ротор выполнен в виде вала с установленными на нем рабочими колесами и разгрузочного лопастного импеллера, винтовые проточные каналы колес, образованные винтовыми лопатками, ограничены двумя коническим поверхностями, одна из которых является стенкой колеса, а другая - границей раздела подвижного и неподвижного элементов компрессора, причем глубина указанных каналов выполнена уменьшающейся по направлению потока, каждый покрывной элемент выполнен в виде диффузора, винтовые проточные каналы которого, образованные винтовыми лопатками, ограничены двумя коническими поверхностями, пересекающимися на уровне входа в колесо, одна из которых является стенкой диффузора, а другая - границей раздела подвижного и неподвижного элементов компрессора, причем глубина указанных каналов выполнена увеличивающийся в направлении потока, а лопастной импеллер расположен между рабочими колесами, от которых на него передается крутящий момент, и установлен с возможностью осевого перемещения для компенсации температурных расширений колес.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3