EA014075B1

EA014075B1 - Лопастная машина (варианты)

Info

Publication number: EA014075B1
Application number: EA200802314A
Authority: EA
Inventors: Геннадий Михайлович МОРГУНОВ; Кирилл Геннадьевич Моргунов
Original assignee: Геннадий Михайлович МОРГУНОВ; Кирилл Геннадьевич Моргунов
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2006-04-14
Publication date: 2010-08-30
Also published as: WO2007120066A1; EA200802314A1

Abstract

В лопастной машине по первому варианту, содержащей корпус с центральным и периферийным каналами пропускания рабочей среды, соединенный с внешней машиной вал, на котором закреплена ступица осевого рабочего колеса, имеющего круговую систему лопастей, последовательно чередующихся вдоль оси вала с круговой системой лопаток направляющего аппарата, закрепленными в корпусе, рабочее колесо снабжено по меньшей мере одной кольцевой втулкой, жестко связанной со ступицей, а круговая система лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены по меньшей мере двухрядными с центральным и периферийным рядами круговых систем лопастей и лопаток, соответственно. Лопастная машина по второму варианту, содержащая корпус с центральным и периферийным каналами пропускания рабочей среды, соединенный с внешней машиной вал, на котором закреплена ступица осевого рабочего колеса, имеющего круговую систему лопастей, последовательно чередующихся вдоль оси вала с круговой системой лопаток направляющего аппарата, закрепленными в корпусе, снабжена вторым рабочим колесом с охватывающей первое рабочее колесо втулкой, кинематически связанной с дополнительным валом, соединенным с внешней машиной, круговые системы лопастей рабочих колес и лопаток направляющего аппарата выполнены трехрядными с периферийным, промежуточным и центральным рядами лопастей и лопаток, соответственно. В каждом из вариантов лопасти рабочего колеса и лопатки направляющего аппарата могут быть выполнены в каждом ряду переменной высоты вдоль втулки. При этом повышены удельная мощность (на единицу массы), полезный напор, а также долговечность при сохранении высоких значений КПД.

Description

(57) В лопастной машине по первому варианту, содержащей корпус с центральным и периферийным каналами пропускания рабочей среды, соединенный с внешней машиной вал, на котором закреплена ступица осевого рабочего колеса, имеющего круговую систему лопастей, последовательно чередующихся вдоль оси вала с круговой системой лопаток направляющего аппарата, закрепленными в корпусе, рабочее колесо снабжено по меньшей мере одной кольцевой втулкой, жестко связанной со ступицей, а круговая система лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены по меньшей мере двухрядными с центральным и периферийным рядами круговых систем лопастей и лопаток, соответственно. Лопастная машина по второму варианту, содержащая корпус с центральным и периферийным каналами пропускания рабочей среды, соединенный с внешней машиной вал, на котором закреплена ступица осевого рабочего колеса, имеющего круговую систему лопастей, последовательно чередующихся вдоль оси вала с круговой системой лопаток направляющего аппарата, закрепленными в корпусе, снабжена вторым рабочим колесом с охватывающей первое рабочее колесо втулкой, кинематически связанной с дополнительным валом, соединенным с внешней машиной, круговые системы лопастей рабочих колес и лопаток направляющего аппарата выполнены трехрядными с периферийным, промежуточным и центральным рядами лопастей и лопаток, соответственно. В каждом из вариантов лопасти рабочего колеса и лопатки направляющего аппарата могут быть выполнены в каждом ряду переменной высоты вдоль втулки. При этом повышены удельная мощность (на единицу массы), полезный напор, а также долговечность при сохранении высоких значений КПД.

Заявляемая группа изобретений относится к области машиностроения, в частности к обратимым осевым лопастным машинам для жидкости и газа, пригодным как для выработки механической энергии, так и для осуществления подачи рабочей среды под давлением.

Известна центробежная лопастная машина, содержащая корпус с каналами пропускания рабочей среды, соединенный с внешней машиной вал, на котором закреплена ступица радиально-осевого рабочего колеса, имеющего круговую систему лопастей (1).

К недостаткам этой машины относятся повышенные гидравлические и особенно дисковые потери, достигающие суммарно, например, в нагнетательных лопастных машинах малой быстроходности (ИХ100) уровня 30-35% и более от мощности энергоустановок. Кроме того, в условиях часто фиксированных максимально допустимых радиальных размеров проточной части и близкой к оптимальной по гидродинамическим показателям геометрии лопастных систем, оказывается практически исчерпанной возможность качественного увеличения напора.

Известна осевая пропеллерная лопастная машина, содержащая корпус с центральным и периферийным каналами пропускания (отвода и подвода) рабочей среды, соединенный с внешней машиной вал, на котором закреплена ступица осевого рабочего колеса, имеющего круговую систему лопастей, последовательно чередующихся вдоль оси вала с круговой системой лопаток направляющего аппарата, закрепленных в корпусе (2).

Недостатком данной лопастной машины являются пониженное значение развиваемого (лопастная машина нагнетательного типа), либо полезно срабатываемого (лопастная машина турбинного, т. е. двигательного типа) напора, а также большая удельная материалоемкость (низкая мощность на единицу массы).

Технической задачей группы изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом, является создание энергетически более эффективной обратимой лопастной машины для работы на жидкостях и газах и расширение арсенала лопастных машин.

Технический результат, обеспечивающий решение задачи группы изобретений, состоит в повышении удельной мощности (на единицу массы), полезного напора и долговечности, при сохранении высоких значений КПД.

Сущность изобретения по первому варианту состоит в том, что в лопастной машине, содержащей корпус с центральным и периферийным каналами пропускания рабочей среды, соединенный с внешней машиной вал, на котором разъемно закреплена ступица осевого рабочего колеса, имеющего круговую систему лопастей, последовательно чередующихся вдоль оси вала с круговой системой лопаток направляющего аппарата, закрепленных в корпусе, рабочее колесо снабжено по меньшей мере одной кольцевой втулкой, жестко связанной со ступицей, а круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены по меньшей мере двухрядными с центральным и периферийным рядами круговых систем лопастей и лопаток, соответственно, которые установлены по обе стороны втулки рабочего колеса, при этом круговые системы лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса установлены в каждом ряду с противоположной последовательностью их чередования, а в корпусе выполнено по меньшей мере одно кольцевое осесимметричное углубление, охватывающее с одного из торцев втулку рабочего колеса с образованием колена инверсии потока.

В частном случае выполнения по первому варианту изобретения рабочее колесо выполнено с двумя кольцевыми втулками, жестко связанными со ступицей, а круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены трехрядными с центральным, промежуточным и периферийным рядами круговых систем лопастей и лопаток, при этом полость корпуса выполнена с двумя, расположенными с противоположных сторон от рабочего колеса, кольцевыми осесимметричными углублениями, каждое из которых охватывает с одного из торцев соответствующую втулку и закрепленные по обе ее стороны лопасти рабочего колеса с образованием двух колен инверсии потока между рядами круговых систем лопастей и лопаток. Предпочтительно одна из круговых систем лопаток направляющего аппарата частично размещена в колене инверсии.

В следующем частном случае выполнения по первому варианту изобретения круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены двухрядными с многоступенчатыми центральным и периферийным рядами круговых систем лопастей и лопаток, лопасти жестко установлены в гильзах, неподвижно закрепленных на втулке рабочего колеса по обе ее стороны, лопатки направляющего аппарата жестко установлены в ободьях, ободья лопаток периферийного ряда неподвижно закреплены в корпусе, втулка рабочего колеса жестко соединена со ступицей, а в корпусе выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях с образованием двух колен инверсии, при этом корпус снабжен установленной концентрично валу опорной втулкой с неподвижно закрепленными на ней ободьями лопаток центрального ряда.

В четвертом частном случае выполнения изобретения по первому варианту круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены трехрядными с многоступенчатыми центральным, промежуточным и периферийным рядами круговых систем лопастей и лопаток, лопасти промежуточного и периферийного рядов жестко установлены в гильзах, неподвижно закрепленных на втулке рабочего колеса по обе ее стороны, лопатки направляющего аппарата жестко установлены

- 1 014075 в ободьях, ободья лопаток периферийного ряда неподвижно закреплены в корпусе, втулка рабочего колеса жестко соединена со ступицей, а в корпусе выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях с образованием двух колен инверсии, корпус снабжен установленной концентрично валу опорной втулкой с неподвижно закрепленными на ней по обе стороны ободьями лопаток центрального и промежуточного рядов, вал снабжен последовательно и неподвижно установленными на нем дополнительными ступицами, на которых жестко закреплены лопасти центрального ряда. Предпочтительно дополнительные ступицы лопастей и ободья лопаток центрального ряда выполнены треугольного продольного сечения, а лопасти и лопатки центрального ряда попарно выполнены сужающимися по длине навстречу друг другу.

В следующем частном случае выполнения по первому варианту изобретения круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены двухрядными с многоступенчатыми центральным и периферийным рядами круговых систем лопастей и лопаток, лопасти жестко установлены в гильзах, неподвижно закрепленных на втулке рабочего колеса по обе ее стороны, лопатки направляющего аппарата жестко установлены в ободьях, ободья лопаток периферийного ряда неподвижно закреплены в корпусе, втулка рабочего колеса жестко соединена со ступицей, а в корпусе выполнены два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях с образованием двух колен инверсии, корпус снабжен установленной концентрично валу опорной втулкой с неподвижно закрепленными на ней ободьями лопаток центрального ряда, при этом втулка рабочего колеса выполнена ступенчатой, гильзы изготовлены переменной толщины с трапецеидальным продольным сечением, а лопасти и лопатки выполнены в каждом ряду переменной высоты вдоль втулки рабочего колеса, причем высота лопастей и лопаток последовательно и равномерно уменьшается в периферийном ряду от периферийного канала пропускания до колена инверсии, а в следующем ряду - в противоположном направлении.

В частных случаях выполнения изобретения по первому варианту центральный канал пропускания расположен внутри опорной втулки со стороны ее крепления к корпусу, а периферийный канал пропускания выполнен с противоположной стороны и вокруг втулки рабочего колеса, каждая втулка рабочего колеса выполнена со скругленным торцем со стороны колена инверсии и с элементами скольжения со стороны, противоположной колену инверсии, по меньшей мере в одном канале пропускания рабочей среды установлена статорная решетка из радиальных перемычек, корпус выполнен составным.

При этом круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата могут быть выполнены моноплановыми - с лопастями и лопатками одинаковой длины - или биплановыми - с периодически чередующимися лопастями и с периодическими чередующимися лопатками неодинаковой длины.

Сущность изобретения по второму варианту состоит в том, что лопастная машина, содержащая корпус с центральным и периферийным каналами пропускания рабочей среды, соединенный с внешней машиной вал, на котором закреплена ступица осевого рабочего колеса, имеющего круговую систему лопастей, последовательно чередующихся вдоль оси вала с круговой системой закрепленных в корпусе лопаток направляющего аппарата, отличается тем, что она снабжена вторым рабочим колесом с охватывающей первое рабочее колесо втулкой, кинематически связанной с дополнительным валом, соединенным с внешней машиной, круговые системы лопастей рабочих колес и лопаток направляющего аппарата выполнены трехрядными с периферийным и промежуточным рядами круговых систем лопастей и лопаток, соответственно, которые установлены по обе стороны и вокруг втулки второго рабочего колеса, и с центральным рядом круговых систем лопастей и лопаток, которые установлены вокруг ступицы первого рабочего колеса, ступица выполнена составной из кольцевых деталей, каждая из которых разъемно соединена с валом и жестко скреплена с лопастями центрального ряда, лопасти периферийного и промежуточного рядов жестко установлены в гильзах, закрепленных на втулке второго рабочего колеса с обеих сторон, лопатки жестко установлены в ободьях, ободья лопаток периферийного ряда неподвижно закреплены в корпусе, а последний снабжен закрепленной концентрично валу опорной втулкой для установки ободьев лопаток центрального и промежуточного рядов, при этом в корпусе выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях, а каждое из этих углублений охватывает с одного из торцев соответствующую втулку с образованием колена инверсии потока.

Предпочтительно втулка второго рабочего колеса выполнена ступенчатой, гильзы и кольцевые детали составной ступицы изготовлены переменной толщины с трапецеидальными продольными сечениями, а лопасти рабочего колеса и лопатки направляющего аппарата выполнены в каждом ряду переменной высоты вдоль соответствующих втулок, причем высота лопастей и лопаток уменьшается в периферийном ряду от периферийного канала пропускания до колена инверсии, в промежуточном ряду - в противоположном направлении, а в центральном ряду - от колена инверсии к центральному каналу пропускания.

При этом рабочие колеса связаны с внешней машиной зубчатыми колесами с разными диаметрами. По меньшей мере в одном канале пропускания рабочей среды установлена статорная решетка из радиальных перемычек, корпус выполнен составным. В разных случаях исполнения круговые системы лопа

- 2 014075 стей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата могут быть выполнены моноплановыми - с лопастями и лопатками одинаковой длины, или биплановой - с периодически чередующимися лопастями и с периодически чередующимися лопатками неодинаковой длины.

На чертеже фиг. 1 изображена конструктивная схема двухрядной лопастной машины, на фиг. 2 разрез Ι-Ι по фиг. 1, на фиг. 3 - ступенчатый разрез ΙΙ-ΙΙ по фиг. 1, на фиг. 4 - разрез ΙΙΙ-ΙΙΙ по фиг. 1, на фиг. 5 - конструктивная схема трехрядной лопастной машины с кожухом на валу, на фиг. 6 - другая конструктивная схема трехрядной лопастной машины без кожуха на валу, на фиг. 7 - конструктивная схема многоступенчатой двухрядной лопастной машины, на фиг. 8 - разрез ГУ-ГУ по фиг. 7, на фиг. 9 - разрез У-У по фиг. 7, на фиг. 10 - конструктивная схема многоступенчатой трехрядной лопастной машины, на фиг. 11 - конструктивная схема многоступенчатой двухрядной лопастной машины с изменяющейся высотой лопастей и лопаток, на фиг. 12 - кинематическая схема привода лопастной машины с двумя рабочими колесами, на фиг. 13 - устройство соединения второго рабочего колеса с приводом, на фиг. 14 конструктивная схема многоступенчатой трехрядной лопастной машины с двумя рабочими колесами.

Лопастная машина (фиг. 1-4) по первому варианту изобретения содержит корпус 1 с корпусным замыкателем 13, а также с центральным и периферийным каналами 2, 3 пропускания рабочей среды, соединенный с внешней машиной (не изображена) вал 4, на котором разъемно, например шпоночным соединением 12, закреплена ступица 5 осевого рабочего колеса, имеющего круговую систему лопастей 6, последовательно чередующихся вдоль оси вала 4 с круговой системой лопаток 7 направляющего аппарата, закрепленных в корпусе 1. Рабочее колесо снабжено кольцевой втулкой 8, жестко связанной со ступицей 5 лопастями 6, а круговые системы лопастей 6 рабочего колеса и лопаток 7 направляющего аппарата выполнены по меньшей мере двухрядными с центральным и периферийным рядами круговых систем лопастей 6 и лопаток 7, соответственно, которые установлены по обе стороны втулки 8 рабочего колеса (см. на фиг. 1 вытянутые вдоль вертикальной оси отмеченные пунктиром прямоугольники). При этом в корпусе 1 выполнено, по меньшей мере, одно кольцевое осесимметричное углубление, охватывающее с одного из торцев втулку 8 и закрепленные по обе ее стороны лопасти 6 рабочего колеса с образованием колена 9 инверсии потока.

Рабочее колесо может быть также выполнено (фиг. 5, 6) с двумя кольцевыми втулками 8, 10, жестко связанными со ступицей 5 лопастями 6, а круговые системы лопастей 6 рабочего колеса и лопаток 7 направляющего аппарата выполнены трехрядными с центральным, промежуточным и периферийным рядами круговых систем лопастей 6 и лопаток 7. При этом полость корпуса 1 выполнена с двумя, расположенными с противоположных сторон рабочего колеса, кольцевыми осесимметричными углублениями, каждое из которых охватывает с одного из торцев соответствующую втулку 8 или 10 и закрепленные по обе ее стороны лопасти 6 рабочего колеса с образованием колен 9, 11, соответственно, инверсии потока между рядами круговых систем лопастей 6 и лопаток 7. Втулки 8 и 10 рабочего колеса соединены между собой и со ступицей 5 лопастями 6. Одна из круговых систем лопаток 7 направляющего аппарата частично размещена в колене 9 и/или 11 инверсии. Ступица 5 рабочего колеса соединена с валом 4 разъемно, например шпонкой 12. Машины на фиг. 5 и фиг. 6 отличаются противоположной последовательностью чередования круговых систем лопастей 6 рабочего колеса и лопаток 7 направляющего аппарата в каждом ряду, а также по выполнению ступицы 5 и по наличию неподвижного кожуха 24.

Круговые системы лопастей 6 рабочего колеса и лопатки 7 направляющего аппарата (фиг. 7-9) могут быть выполнены двухрядными с многоступенчатыми центральным и периферийным рядами круговых систем лопастей 6 рабочего колеса и лопаток 7 направляющего аппарата. Втулка 8 рабочего колеса жестко соединена со ступицей 5, а в корпусе 1 выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях 13, 14 с образованием двух колен 9, 11 инверсии. Корпус 1 снабжен установленной концентрично валу 4 опорной втулкой 15 с неподвижно закрепленными на ней с наружной стороны ободьями 16 лопаток 7 центрального ряда. Лопасти 6 жестко установлены в гильзах 17, неподвижно закрепленных на втулке 8 рабочего колеса с обеих ее сторон, лопатки 7 периферийного ряда жестко установлены в ободьях 16, закрепленных в корпусе 1. Центральный канал 2 пропускания расположен предпочтительно внутри опорной втулки 15 корпуса 1, а периферийный канал 3 пропускания выполнен с противоположной стороны, вокруг втулки 8 рабочего колеса.

Круговые системы лопастей 6 рабочего колеса и лопаток 7 направляющего аппарата (фиг. 10) могут быть выполнены трехрядными с многоступенчатыми центральным, промежуточным и периферийным рядами круговых систем лопастей 6 и лопаток 7. Втулка 8 рабочего колеса жестко и разъемно соединена со ступицей 5, которая закреплена на валу 4, например, шпоночным соединением 12. В корпусе 1 выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях 13, 14 с образованием двух колен 9, 11 инверсии. Лопатки 7 направляющего аппарата жестко установлены в ободьях 16. Корпус 1 снабжен установленной концентрично валу 4 опорной втулкой 15 с неподвижно закрепленными на ней с обеих сторон ободьями 16 лопаток 7 центрального и промежуточного рядов. Лопасти 6 периферийного и промежуточного рядов жестко установлены в гильзах 17, неподвижно закрепленных на втулке 8 с обеих ее сторон. Ободья 16 лопаток 7 периферийного ряда жестко установлены в корпусе 1. Вал 4 снабжен последовательно установленными и закреплен

- 3 014075 ными на нем, например, шпоночными соединениями 12 дополнительными ступицами 18, на которых жестко закреплены лопасти 6 центрального ряда. Дополнительные ступицы 18 лопастей 6 и ободья 16 лопаток 7 центрального ряда предпочтительно выполнены треугольного продольного сечения, а лопасти и лопатки 7 центрального ряда попарно выполнены сужающимися по длине навстречу друг другу.

Круговые системы лопастей 6 рабочего колеса и лопаток 7 направляющего аппарата (фиг. 11) могут быть выполнены двухрядными с многоступенчатыми центральным и периферийным рядами круговых систем лопастей 6 и лопаток 7. Втулка 8 рабочего колеса выполнена ступенчатой и жестко соединена шпонкой 12 со ступицей 5, как показано на фиг. 7. В корпусе 1 выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях 13, 14 с образованием двух колен 9, 11 инверсии. Лопатки 7 направляющего аппарата жестко установлены в ободьях 16. Корпус 1 снабжен установленной концентрично валу 4 опорной втулкой 15 с неподвижно закрепленными на ней ободьями 16 лопаток 7 центрального ряда. Ободья 16 лопаток 7 периферийного ряда жестко установлены в корпусе 1. Лопасти 6 жестко установлены в гильзах 17, неподвижно закрепленных на втулке 8 с обеих ее сторон. Гильзы 17 выполнены переменной толщины, а лопасти 6 и лопатки выполнены в каждом ряду переменной высоты вдоль втулки 8, причем высоты 1₂ лопастей 6 и лопаток 7 последовательно и равномерно уменьшаются в периферийном ряду от периферийного канала 3 пропускания до колена 9 инверсии, а в следующем ряду - в противоположном направлении. Центральный канал 2 расположен предпочтительно внутри опорной втулки 15 корпуса 1, а периферийный канал 3 выполнен с противоположной стороны, вокруг втулки 8 рабочего колеса.

В некоторых из предыдущих частных случаев реализации лопастной машины по первому варианту изобретения каждая втулка 8, 10 рабочего колеса выполнена со скругленным торцем со стороны колен 9, 11 инверсии и с элементами скольжения и уплотнения со стороны, противоположной коленам 9, 11 инверсии. В канале 2 и/или 3 предпочтительно может быть установлена статорная решетка из радиальных перемычек 19. Корпус 1, как правило, выполнен составным.

Каждая круговая система лопастей 6 рабочего колеса и лопаток 7 направляющего аппарата может быть выполнена моноплановой - с лопастями 6 и лопатками 7 одинаковой длины, или биплановой - с периодически чередующимися лопастями 6 и периодически чередующимися лопатками 7 неодинаковой длины (см. на фиг. 3 профили, изображенные сплошными и штриховыми линиями).

Лопастная машина по второму варианту изобретения (фиг. 12-14) содержит корпус 1 с центральным и периферийным каналами 2 и 3 пропускания рабочей среды, соединенный с внешней машиной 25 вал 4, на котором закреплена ступица 5 осевого рабочего колеса (первого), имеющего круговую систему лопастей 6, последовательно чередующихся вдоль оси вала 4 с круговой системой лопаток 7 направляющего аппарата, закрепленных в корпусе 1. Второе рабочее колесо имеет охватывающую первое рабочее колесо втулку 8, кинематически связанную с дополнительным валом 20, соединенным с внешней машиной 25. Круговые системы лопастей 6 обоих рабочих колес и лопаток 7 направляющего аппарата выполнены трехрядными с периферийным и промежуточным рядами последовательно чередующихся круговых систем лопастей 6 и лопаток 7, которые установлены по обе стороны втулки 8 второго рабочего колеса, и с центральным рядом круговых систем лопастей 6 и лопаток 7, которые установлены вокруг ступицы 5 первого рабочего колеса. Ступица 5 (см. пунктирную фигурную скобку на фиг. 14) выполнена составной из кольцевых деталей 23, разъемно соединенных, например, шпоночными соединениями 12 (фиг. 10) с валом 4 и жестко скрепленных со своей круговой системой лопастей 6 центрального ряда. Лопасти 6 периферийного и промежуточного рядов жестко установлены в гильзах 17, неподвижно закрепленных на втулке 8 второго рабочего колеса с обеих ее сторон. Лопатки 7 жестко установлены в ободьях 16. Ободья 16 лопаток 7 периферийного ряда неподвижно закреплены в корпусе 1. Корпус 1 снабжен установленной концентрично валу 4 опорной втулкой 15 с неподвижно закрепленными на ней по обе стороны ободьями 16 лопаток 7 центрального и промежуточного рядов. В корпусе 1 выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях 13, 14, а каждое из этих углублений охватывает с одного из торцев соответствующую втулку 8, 15 с образованием двух колен 9, 11 инверсии потока. Предпочтительно втулка 15 второго рабочего колеса выполнена ступенчатой, гильзы 17, кольцевые детали 23 составной ступицы 5 изготовлены переменной толщины с трапецеидальными продольными сечениями, а лопасти 6 рабочего колеса и лопатки 7 направляющего аппарата выполнены в каждом ряду переменной высоты 1₂, 1т, вдоль втулок 8, 15, причем высоты Ь₁₅11₂. 1₃ лопастей 6 и лопаток 7 уменьшаются в периферийном ряду от периферийного канала 3 пропускания до колена 9 инверсии, в промежуточном ряду - в противоположном направлении, а в центральном ряду - от колена 11 инверсии к центральному каналу 2 пропускания.

Соединение вала 4 первого рабочего колеса и дополнительного вала 20 второго рабочего колеса с внешней машиной 25 выполнено посредством зубчатых колес 21, 22 разного диаметра.

В канале 2 и/или 3 предпочтительно может быть установлена статорная решетка из радиальных перемычек 19. Корпус 1, как правило, выполнен составным.

Каждая круговая система лопастей 6 рабочих колес и лопаток 7 направляющего аппарата может быть выполнена моноплановой - с лопастями 6 и лопатками 7 одинаковой длины, или биплановой - с периодически чередующимися лопастями 6 и с периодически чередующимися лопатками 7 неодинако

- 4 014075 вой длины (см. на фиг. 3 профили, изображенные сплошными и штриховыми линиями). В каждом периоде биплановых систем в выходной (при работе машины в качестве нагнетателя) части межлопастного и межлопаточного каналов установлена дополнительная укороченная лопасть 6 и лопатка 7 соответственно.

В каждом из вариантов изобретения в необходимых случаях на валу 4 установлен неподвижный кожух 24. В качестве внешней машины, как правило, применяется электродвигатель или электрогенератор 25. Все вращающиеся части имеют соответствующие детали, передающие вращение, опорные и уплотнительные узлы, а также иные соединительные детали (не обозначены). Между вращающимися и неподвижными частями имеются необходимые зазоры (не обозначены).

Лопасти 6 и лопатки 7 во всех вариантах выполняются пространственной гидродинамически целесообразной формы (фиг. 3).

Лопастная машина работает следующим образом.

При использовании машины (фиг. 1-4) в качестве нагнетателя (см. сплошные стрелки на фиг. 1) несжимаемого (практически) рабочего тела (например, жидкости) подведенная мощность Ν' от вала 4 машины, приводимого во вращение, например, от электродвигателя 25 с крутящим моментом М' и угловой скоростью ω, так что Ν'= М'ш, посредством шпоночного соединения 12, передается на ступицу 5, фиксированную на валу 4, а от нее - на лопасти 6 рабочего колеса. Лопасти 6 центрального ряда своими межлопастными каналами образуют совместно с межлопаточными каналами лопаток 7, а также с прилегающими к ним осесимметричными поверхностями ступицы 5, втулки 8, колена 9 и центрального канала 2 проточную часть ступени центрального ряда, активный участок которой выделен на фиг. 1 пунктирным прямоугольником. Здесь и далее под ступенью понимается последовательность следующих друг за другом двух рабочих органов в виде одной круговой системы лопастей 6 рабочего колеса и одной круговой системы лопаток 7 направляющего аппарата. Вследствие гидродинамического взаимодействия лопастей 6 центрального ряда с рабочим телом часть Ν'2 от подведенной мощности Ν' затрачивается на создание полезного напора Н₂ ступени центрального ряда с полезной подачей О (объемным расходом) рабочего тела, через нее и, следовательно, части Ν₂ ~ ОН₂ полезно используемой секундной механической энергии рабочего тела. Здесь и далее символ ~ означает пропорциональность. Напор Н₂ пропорционален разности циркуляций (средних моментов абсолютной скорости рабочего тела) за Г₂₂ и перед Г ₂₁ лопастями 6 центрального ряда. При обтекании рабочим телом лопаток 7 этого ряда происходит уменьшение Г ₂₂ до малого (по модулю) значения Г23 с преобразованием большей части кинетической энергии потока на выходе в потенциальную энергию (статическое давление) и передача от этих лопаток 7 возникающего в таком процессе реактивного момента М_р2 на корпус 1 через статорную решетку (перемычки 19). Дальнейшее уменьшение остаточной кинетической энергии рабочего тела, как обычно, реализуется в канале 2, выполняемом в форме диффузора. Другая часть подведенной мощности Ν'1 = Ν' - Ν'2 через втулку 8 поступает на лопасти 6 периферийного ряда, образующие своими межлопастными каналами совместно с межлопаточными каналами соответствующих лопаток 7 направляющего аппарата, а также с прилегающими к ним осесимметричными поверхностями втулки 8, колена 9, корпуса 1 и периферийного канала 3 проточную часть ступени периферийного ряда.

При обтекании рабочим телом лопастей 6 периферийного ряда происходит преобразование Ν'₁ в полезную секундную механическую энергию этого тела Ν₁ ~ ОН, с полезным напором ступени этого ряда Н1 и полезной подачей О. поступающей в проточную часть ступени периферийного ряда из канала 3, выполняемого, обычно, в виде конфузора. Напор Н пропорционален разности циркуляций за Г₁₂ и перед Г11 лопастями 6. Подобно гидромеханическим процессам в рабочих органах центрального ряда при обтекании рабочим телом лопаток 7 периферийного ряда циркуляция Г₁₂ уменьшается до малого значения Г₁₃ с повышением потенциальной энергии потока и образованием реактивного момента М_р1, воспринимаемого корпусом 1. В П-образном колене 9 инверсии происходит плавный перевод рабочего тела из проточной части ступени периферийного ряда в проточную часть ступени центрального ряда. При этом в соответствии с законом сохранения момента количества движения с точностью до гидравлических потерь в колене 9 выдерживается приближенное постоянство циркуляций (равенство между циркуляциями Г₁₃ и Г₂₁). Наличие малых торцевых зазоров вызывает перетоки (см. фиг. 3, сплошные криволинейные стрелки) некоторого количества рабочего тела со стороны повышенного давления лопастей 6 и лопаток 7 на тыльную сторону пониженного давления и связанные с этим концевые потери, которые согласно теории лопастных машин относятся к гидравлическим потерям.

Таким образом, уравнение баланса подведенной мощности и полезной секундной механической энергии рабочего тела при упрощающих (не принципиальных) условиях полной идентичности ступеней в каждом, отдельно взятом, ряде (для описываемого случая реализации первого варианта изобретения каждый ряд содержит по одной ступени рабочих органов) и отсутствии наружных утечек по валу 4 имеет следующий общий вид:

- 5 014075

Σ^· « = 2;

Λ=1

Ν' - Μ'ω, Νί - пи —тпЯе--, пи = 1,

7м7ок'? гк ^ок7_гк где:

* 2 ^η°^ί'ΰ^' н,-^(г_а-г„).

Уравнение (3) эквивалентно выражению

2 и· _Λ3^_/Ά:1 , ^υιΡ~^υι/1 ^нк~-------+--Σ--->

Рё ²ё

О) (2) (3) (4) или с использованием уравнения Бернулли для относительного движения рабочего тела на участке расположения лопастей 6 и абсолютного движения на интервале размещения лопаток 7, а также с учетом малости разностей потенциала внешних массовых сил (сил тяжести) на этих участках и _ ^υΡ2 ^{+ и}к2 ~ ™к2 ' Д1 ^{+ и}к1 ~ г, ^к 2£ 2д

-э’ (5) (6)

Ек

Реактивные моменты определяются из уравнения

В уравнениях (3), (6) циркуляций Г _н определяются через моменты абсолютной скорости соотношением =2я-(ш„)_й, / = 1,2.3. (7)

В выражениях (1)-(7) приняты дополнительно следующие обозначения: η - число рядов; т_к - число ступеней в каждом ряду; к - индекс номера ряда; ρ - плотность рабочего тела, д - ускорение свободного падения, ц*_гк - гидравлический коэффициент полезного использования участков проточных частей машины вне рядов ступеней ее рабочих органов, ц_м - механический кпд машины, ц_0к, ц_гк - объемный и гидравлический КПД каждой ступени к-го ряда; а

- расход транзитных перетечек между рядами, для варианта исполнения по фиг. 1 $ где Ар - расход утечки через скользящий торец втулки 8; (го_и)_к1, р_к1, о_к1, и_к1, те_к1 - осредненные по площадям проточной части, поперечным меридианному потоку рабочего тела, значения в каждой ступени к-го ряда соответственно моментов скорости, давлений, модулей векторов абсолютной & > переносной Ч (и = сот, г- радиус точки), относительной И’ скоростей перед (индекс ί= 1) и за лопастями 6, т.е. перед лопатками 7 направляющего аппарата (1=2), а также за лопатками 7 направляющего аппарата (1=3); о_и - окружная компонента абсолютной скорости И + И’, ,1-3. гидравлические потери в ступени к го ряда.

Отводимое через канал 2 рабочее тело имеет приобретенную в результате осуществления изложенного рабочего процесса секундную механическую энергию п ы = Р ?<2^^тк^нк^ = ²'^тк = ^} (8)

А=1

Направления движения рабочего тела, вращения ω вала 4 машины и действия, приложенного к нему приводного момента М', а также ориентации циркуляций Г _к1 показаны на фиг. 1 сплошными стрелка ми.

При использовании машины в качестве турбины, в силу принципа обратимости рабочего процесса в лопастных машинах, преобразования механической энергии происходят с инверсией направления течения рабочего тела, т.е. с его движением от канала 2 поступления под полным напором Н' и, следовательно, с высокой гидромеханической энергией до канала 3 отвода в слив с обычно минимально возможным уровнем этой энергии. Одновременно в обратной последовательности осуществляются и процессы переходов в энергетических и силовых полях машины, а именно от сработки части Н'2 полного напора Н' при расходе рабочего тела О', т.е. части Ν'₂ ~ О'Н'₂ полной секундной механической энергии Ν' ~ О'Н' рабочего тела до передачи полезной мощности Ν, например, электрогенератору, через вал 4 машины, вращаю

- 6 014075 щийся с угловой скоростью ω и приводным (крутящим) моментом М. Направления движения рабочего тела и вала 4 машины, а также ориентация циркуляций Г _к1 в турбинном варианте применения машины показаны на фиг. 1, 2 штриховыми линиями.

Следовательно, уравнение баланса полной секундной механической энергии рабочего тела в машине и полезной мощности N для турбинного режима работы имеет вид

N=£N^2, к=\ (9)

Ν-Μΰ>, Х/^т_кр&р_ыъ_кр*_к^_кр_гкН_к\ т_к=1, где:

(Ю)

Нк=^-(Г_к1-Г_к2).

(И) (12)

В выражениях (9)-(12) Н'|...С' и Η_(:.Ο затраченные и полезно использованные напоры ступени к-го * г ряда и расходы соответственно, расход утечки через скользящий торец втулки 8 на этом режиме работы машины из центрального канала 2 высокого давления (с полным напором рабочего тела Н') в сливной периферийный канал 3.

Поскольку принцип обратимости рабочего процесса для лопастных машин выполняется и для остальных предлагаемых вариантов решения технической задачи, дальнейшее описание функционирования машины ограничивается рассмотрением процессов нагнетания рабочего тела, но на фиг. 5-14 штриховыми стрелками показаны направления движения рабочего тела, вращения и действия приводного момента вала 4 машины при ее работе в качестве турбины.

Для исполнения согласно фиг. 5 и при использовании машины в качестве нагнетателя несжимаемого рабочего тела подведенная мощность Ν' от вала 4 машины, изолированного от рабочего тела кожухом 24, передается ступице 5, а от нее поступает на лопасти 6 рабочего колеса с преобразованием ее части Ν'₃в полезную секундную механическую энергию рабочего тела, выраженным в создании полезного напора Н₃ ступени центрального ряда (см. фиг 5, пунктирный прямоугольник) при полезной подаче О. В этом процессе циркуляция Г₃₁ перед лопастями 6 формируется лопатками 7 промежуточного ряда Г₃₁»Г₂₃, а циркуляция Г₃₂ за лопастями 6 снижается до минимально достижимого уровня Г₃₃ лопатками 7 следующего ряда.

Часть N'-N3 от подведенной мощности N через втулку 10 передается на лопасти 6 рабочего колеса ступени промежуточного ряда. Дальнейшая последовательность преобразований подведенной мощности в полезную секундную механическую энергию рабочего тела аналогична изложенной для варианта выполнения машины по фиг. 1-4 при ее работе в качестве нагнетателя.

В П-образном колене 11 инверсии осуществляется плавный поворот потока на 180° с переводом рабочего тела из проточной части ступени промежуточного ряда в проточную часть ступени центрального ряда при сохранении равенства (с точностью до гидравлических потерь в колене 11) циркуляций за лопатками 7 направляющего аппарата Г₂₃ и перед лопастями 6 рабочего колеса Г₃₁. Проточная часть ступени центрального ряда за лопатками 7 сообщена с центральным каналом 2 отвода рабочего тела из машины.

Внутренние перетечки образуются в двух радиальных поясках уплотнения и скольжения по торцам втулок 8, 10 с расходом утечек АО и Δθ₁, соответственно.

Корпусной замыкатель 13 инверсии, жестко закрепленный в корпусе 1, образует границу Побразного колена 11 обращения и неразъемно соединен с лопатками 7 направляющего аппарата промежуточного ряда и статорной решеткой 19. Статорная решетка 19 предназначена для повышения равномерности поля скоростей рабочего тела, поступающего в канал 3, а затем в рабочие органы 6, 7 первой ступени периферийного ряда и передачи силовых нагрузок от лопаток 7 через замыкатель 13 на корпус 1.

Рабочий процесс такой машины описывается уравнениями (1) - (8) при значениях параметра п=3 и расходов утечек между рядами к=1,2,3 (см. фиг. 5, 6) ^_ ~ Δξ) ⁺ Δβμ Δζ?3 - ΔΟρ

В исполнении, изображенном на фиг. 6, также трехрядного исполнения машины с одной ступенью рабочих органов для каждого их ряда, подвод рабочего тела в режиме нагнетания в отличие от фиг. 5, осуществляется через канал 3 в рабочие органы 6, 7 ступени центрального ряда, а отвод - через канал 2 из рабочих органов 6, 7 ступени периферийного ряда. При этом остаются в силе уравнения (1)-(8) и (9)(12) математического описания рабочего процесса такой машины, но при числе рядов п=3.

Для исполнения, изображенного на фиг. 7-9, двухрядной многоступенчатой в каждом ряде машины

- 7 014075 при ее работе в нагнетательном режиме (см. на фиг. 7 стрелки, изображенные сплошными линиями) процессы передачи подведенной мощности Ν' от вала 4 машины рабочему телу (здесь - жидкости) и ее преобразования в полезную секундную механическую энергию N качественно не отличаются от гидромеханических взаимодействий, происходящих в исполнении по фиг. 1-4. Отличия состоят в следующем: приводная мощность Ν' от вала 4 машины через разъемное соединение - шпонку 12 и ступицу 5 - поступает на вращающуюся (с угловой скоростью ω) втулку 8, а от нее через гильзы 17- на лопасти 6 рабочих колес каждой ступени обоих рядов. Путем гидродинамического взаимодействия лопастей 6 и лопаток 7 с рабочим телом подведенные мощности Ν'₁, Ν'₂ к рабочим органам ступеней центрального и периферийного рядов соответственно (Ν'₁ + Ν'₂ = Ν') преобразуются в полезную секундную механическую энергию потока Ν₁,Ν₂(Ν₁ + Ν₂ = Ν). Возникающие в этом процессе реактивные моменты М_р1,М_р2 круговых системах лопаток 7 каждой ступени через внешние и внутренние кольцевые ободья 16 воспринимаются корпусом

1.

Всасывание рабочего тела в проточную часть рабочих органов ступеней периферийного ряда (см. фиг. 7, верхний, вытянутый вдоль оси 0-0 пунктирный прямоугольник) происходит через периферийный канал 3 со статорной решеткой 19 (см. фиг. 9, сечение V - V). После обтекания лопастей 6 и лопаток 7 рабочих органов т! ступеней этого ряда с приобретением полезной секундной механической энергии Ν₁ рабочее тело через П-образное колено 9 инверсии, выполненное в замыкателе 13 со статорными решетками 19 (см. фиг. 8, сечение IV - IV), поступает в проточную часть рабочих органов т₂ ступеней центрального ряда (см. фиг. 7, внутренний, вытянутый вдоль оси 0-0 пунктирный прямоугольник).

В результате указанного ранее гидродинамического взаимодействия с лопастями 6 и лопатками 7 каждой ступени центрального ряда рабочее тело с дополнительной полезной секундной механической энергией Ν2 поступает в П-образное колено 11 обращения корпусного замыкателя 14 со статорными решетками 19 (см. фиг 9, сечение V - V), неподвижно установленного в корпусе 1. Отвод рабочего тела с полезной секундной механической энергией Ν1 + Ν2 = Ν осуществляется через кольцевой центральный канал 2 между неподвижными опорной корпусной втулкой 15 и кожухом 24. Опорно-уплотнительные узлы вращения между вращающимися и неподвижными деталями обеспечивают восприятие осерадиальных нагрузок с приемлемым уровнем внутренних перетечек рабочего тела.

Уравнение баланса подведенной мощности и полезной секундной механической энергии рабочего тела, а также уравнение для реактивных моментов имеют вид (1)-(8) (и (9)-(12) для турбинного режима функционирования) при числе ступеней в каждом ряде т_к>1,к = 1,2.

В исполнении по фиг. 10 трехрядной многоступенчатой в каждом ряду машины при одновальной схеме ее работы и применении в качестве нагнетателя, подведенная к валу 4 машины мощность Ν' разделяется на два потока Ν'₃ и Ν'-Ν'₃. Часть Ν'₃ передается лопастям 6 центрального ряда с последующим ее гидродинамическим преобразованием в проточной части рабочих органов этого ряда (см. фиг. 10, внутренний вытянутый вдоль оси 0-0 пунктирный прямоугольник) в полезную секундную механическую энергию рабочего тела Ν3. Образующиеся в этом процессе реактивные моменты Мр3 через лопатки 7 центрального ряда и опорную втулку 15 замыкаются на составном корпусе 1.

Последовательность формирования частей Ν'₂,Ν'₁ от мощности Ν'-Ν'₃ и их преобразования в полезные секундные механические энергии Ν₂, Ν₁ аналогична изложенной для исполнения машины по фиг. 7, так что полная полезная секундная механическая энергия рабочего тела оказывается равной Ν = Ν₁ + Ν₂+ Ν3.

Отвод рабочего тела осуществляется через канал 2.

Рабочий процесс описывается уравнениями (1)-(8) [и (9)-(12) для турбинного режима] при значениях параметров η = 3, т_к> 1, к= 1, 2, 3.

Исполнение в варианте машины по фиг. 14, отличающийся отсутствием ступицы 5 и выводом вращающейся втулки 8 за корпус 1 машины, позволяет осуществить двухвальную схему работы (см. фиг. 12, 13 - схему двухвального привода).

При работе машины по фиг. 14 в качестве нагнетателя подведенная мощность Ν', например, от электродвигателя 25, выходной вал которого вращается с угловой скоростью ω₀, в двухвальном мультипликаторе, выполненном, например, в виде зубчатых передач 21, 22, разделяется на два потока Ν'=Ν'0+Ν'3. Часть Ν'3 этого потока поступает на вал 4 машины, вращающийся с угловой скоростью ω0, а другая часть Ν'₀ передается на вращающуюся с угловой скоростью ωι<ω втулку 8 посредством, например, шлицевого соединения втулки 8 с дополнительным валом 20 (фиг. 13), так что Ν'₀ = М'₀<Л1.

Дальнейшие последовательности и процессы преобразований мощностных потоков Ν'₁, Ν'₂(Ν'₁ +Ν''₂= Ν'₀) в периферийном и промежуточном рядах рабочих органов, а также потока Ν'₃ в центральном ряде рабочих органов в полезно используемые секундные механические энергии рабочего тела Ν₁,Ν₂,Ν₃(Ν₁+Ν₂ +Ν₃ = Ν) принципиально не отличаются от описанных ранее при одновальной схеме функционирования трехрядной машины (см. фиг. 10).

В уравнениях рабочего процесса машины (1)-(8) и (9)-(12) для рассматриваемого двухвального варианта ее исполнения необходимо внести следующие изменения.

В уравнениях (1), (9) Ν' = М'₀<Л1 + М'<л, Ν = М₀<Л1+М<л соответственно, где М₀<Л1 = Ν₀ - полезная мощ- 8 014075 ность, передаваемая от рабочего тела на вращающуюся втулку 8 при турбинном режиме работы машины.

В уравнениях (3), (12) при значениях индекса к =1,2 угловую скорость ω следует заменить на ω_μ

Варианты исполнения машины по фиг. 11 и 14 пригодны для применения в качестве рабочего тела газа или другой сжимаемой текучей среды и отличаются выполнением, учитывающим специфику термодинамических процессов сжатия (режим нагнетания) и расширения (турбинный режим работы) такого тела. Изменением высот лопастей 6 и лопаток 7 (см. на фиг. 11, 14 параметры Ь₁, 1ι₂. 1ι₃) обеспечивается плавное сужение проточной части от ступени к ступени в каждом ряду рабочих органов.

Рабочие процессы для вариантов исполнения машины по фиг. 11 и 14 удовлетворяют уравнениям (1)-(8) для режима нагнетания и (9)-(12) для функционирования машины в турбинном режиме при соответствующих значениях индексов п, т_к и с введением в них вместо объемных расходов О массовых расходов С= ρθ и вместо давлений ρ энтальпий ί (нижние индексы опущены).

Использование биплановой системы лопастей 6 и лопаток 7 не вносит качественных изменений в рабочий процесс машины, по-прежнему удовлетворяющий уравнениям (1)-(8) и (9)-(12), однако, как будет показано в дальнейшем, позволяет улучшить ее гидродинамические показатели.

Рабочий процесс одно-, либо многоступенчатой лопастной машины осевого типа традиционного (выполненного в соответствии с прототипом), т. е. однорядного (индекс к = п = 1), исполнения при упрощающем, но не принципиальном допущении постоянства плотности ρ рабочего тела, описывается теми же уравнениями (1)-(8) и (9)-(12), что и предлагаемая машина, но при значении параметра п в этих уравнениях, равном п = 1. При полирядном исполнении этот параметр равен п = 2 или п = 3. Следовательно, при одном и том же числе ступеней т₁ в сравниваемых машинах и одинаковом развиваемом (режим нагнетания), или используемом полезно (турбинный режим) напоре ступени Н1 периферийного (первого) ряда полный полезный напор Н в полирядной машине, с идентичными (для определенности) ступенями в каждом ряде, будет превосходить значение этого показателя работоспособности для машины общепринятого исполнения на ДН(п = 2) = т₂Н₂ - в случае применения двухрядной схемы (представлены на фиг. 1-4, 7-9, 11) и на ДН(п = 3) =т₂Н₂ + т₃Н₃ в трехрядном случае (представлены на фиг. 5, 6, 10). Здесь, как указывалось ранее, Н2, Н3 и т2, т3 полезные напоры каждой ступени и их числа в промежуточном и цен тральном рядах соответственно.

Приведем конкретные оценки повышения (приращения) напорности машин по предлагаемым решениям, полагая полные КПД всех ступеней одинаковыми, что вполне допустимо при оценочных расчетах. Введем параметры

где О|._: - средние диаметры рабочих органов каждого ряда (см., например, обозначения этих параметров для двухрядной машины на фиг. 2), параметр п может принимать одно из значений 1, 2, 3, причем, очевидно, Й1=б1=1. Тогда для безразмерных приращений напоров двухрядной и трехрядной машин в общем виде будем иметь соответственно

ДЛ(и = 2) = — И₂, Дй(п = 3) = “Й2 + — ку №[ /Я] »/]

Далее учтем, что для машин осевого типа Όμ = О_к, и_к1 = и_к и уравнения (3), (12), определяющие полезные напоры ступеней каждого ряда, могут быть записаны в виде

где к_ик - коэффициенты моментов скорости и и_к=<в_кт_к,

Здесь в выражениях для переносных скоростей и_к угловая скорость

ΰ)% = О>(к = 1,ц) для одновального и ω_Η = ω_(:2 = ω₁, ω_{(: 3} = ω для двухвального исполнения машины, а в выражении для приращения циркуляций ДГ _к в параметре ζμ· второй нижний индекс г=2-3 при нагнетательном и г=23 турбинном режимах ее работы. Таким образом,

и поскольку

- 9 014075 окончательно получаем

Отсюда следует квадратичная зависимость параметров 11|._: полирядной машины от угловых скоростей он и диаметров Э_к .

Последующий теоретический анализ и оценочные расчетные исследования условий обеспечения стабильной работы машины при изменениях подач (расходов) О. т.е. монотонно убывающих с ростом О напорно-расходных характеристик ступеней Н_к = Н_1:(О). а также общепринятых степеней расширения межлопастных и межлопаточных каналов для процессов нагнетания. показали. что в диапазоне коэффициентов быстроходности ступени 1^=50^150 можно в среднем принять ά₂ «0.72. ά₃ «0.43. а для коэффициентов моментов скорости в окрестности оптимальных режимов работы установить приближенно одинаковое для всех рядов значение этих коэффициентов момента скорости. полагая их равными к_||к «0.7. Допустим теперь для определенности. что в полирядной машине осевые (вдоль оси О-О) размеры рядов. а также числа ступеней в них к = 1,п одинаковы и вместе с диаметром Э|._:=₁ равны соответственно осевому размеру активного участка проточной части. числу ступеней т₁ и среднему диаметру Ό₁ рабочих органов пропеллерной лопастной машины осевого типа при ее традиционном (однорядном) исполнении. Тогда в случае двухрядных машин для безразмерного приращения напора получим Δ1ι(π = 2) « 0.52. а в трехрядных вариантах с одновальной схемой работы Δ1ι(π = 3) « 0.7. Соответственно. при η = 2 достижимо увеличение полного полезного напора машины Н в 1.5 раза. а при η = 3 в 1.7 раза.

Выполнение согласно фиг. 6 позволяет использовать лопасти 6 рабочего колеса и лопатки 7 направляющего аппарата. расположенные в центральном ряду. в качестве шнековой ступени и тем самым повысить антикавитационные качества машины при нагнетательном режиме ее работы на жидкости.

Если трехрядные машины выполнены по двухвальной схеме работы (по варианту п.15 формулы). как показано на фиг. 12-14. с угловыми скоростями вращения вала 4 машины ω (центрального ряда к = ω

3). а вращающейся втулки 8 ω₁ (периферийный и промежуточный ряды к = 1.2). то при отношениях равных. например. 2 и 2.5. их полный полезный напор Н увеличится последовательно в 2.2 и 2.6 раза.

Применение периодических круговых биплановых систем лопастей и лопаток в рабочих органах ступеней различных рядов к (как показано на фиг. 3 при к=1) вместо их моноплановых систем позволит еще на 10-15% повысить напорность машины за счет увеличения в выходных (для режима нагнетания рабочего тела) частях межлопастных и межлопаточных каналов густоты направляющих поток поверхностей и. следовательно. уменьшения отклонения среднего направления движения рабочего тела от этих поверхностей. т.е. снижения эффекта «недоворота» потока.

В целом для всех вариантов исполнения может быть получено. хотя в различной мере. но качественное повышение полного полезного напора машины. При этом ввиду сопоставимых с аналогом осевых и радиальных размеров. а также металлоемкости конструкции предлагаемой машины. будет увеличена ее удельная мощность.

Осевые гидродинамические силы Р₀₁ и Р₀₂«(0.6^0.7)Р₀. образующиеся при обтекании лопастей 6 периферийного и центрального рядов (показаны на фиг. 1). имеют противоположные направления. в связи с чем в таких машинах на 60-70% уменьшается результирующая осевая сила. действующая на опорноуплотнительные узлы. Тем самым повышается долговечность предлагаемой лопастной машины.

Установленные результаты достигаются при практическом сохранении высоких энергетических показателей машины. т.е. на уровне этих показателей. близких к таковым для аналоговой однорядной пропеллерной машины осевого типа.

через скользящие торцы втулок 8. 10 (см. соотДействительно. потери. связанные с утечками *

ношения (2), (10) для ), в значительной мере компенсируются отсутствием концевых потерь в межлопастных и межлопаточных каналах. образованных лопастями 6 и лопатками 7. установленными на соответствующих участках проточных частей без торцевых зазоров (см. фиг. 1-6). Составляющие гидрав$ лических потерь, входящие в определение параметра ^тк (см. уравнения (1), (9)) и связанные с поворотами потока рабочего тела на 180° в П-образных коленах 9. 11 инверсии для машин малой быстроходности. незначительны из-за низких уровней меридианных и окружных составляющих абсолютной скорости в этих каналах и согласно оценочным расчетам заключены в диапазоне 0.25-0.5%. Сопоставление

- 10 014075 энергетических показателей машин низкой быстроходности, выполненных согласно вариантам настоящего изобретения, с одно- и многоступенчатыми центробежными (нагнетатели) и центростремительными (турбины) лопастными машинами традиционного исполнения показывает, что предлагаемые решения позволяют, помимо качественного увеличения полного полезного напора Н, повысить общий КПД на 7 10% ввиду отсутствия в рабочих органах предлагаемых машин дисковых потерь. В машине с двумя рабочими колесами возможно регулирование суммарного напора изменением числа оборотов каждого из рабочих колес, учитывая, что напор ступеней каждого ряда пропорционален квадратам угловых скоростей ω и ω₁ вала 4 и дополнительного вала 20 соответственно.

В результате изобретения созданы варианты энергетически эффективной обратимой лопастной машины для работы на жидкостях и газах и расширен арсенал лопастных машин.

При этом повышены удельная мощность (на единицу массы), полезный напор, а также долговечность, при сохранении высоких значений КПД.

Источники информации:

1. Пфлейдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. М. Машгиз, 1960, с. 175, 176.

2. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. М-Л., Машиностроение, 1966, с. 15, 346, 348 (прототип).

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Лопастная машина, содержащая корпус с центральным и периферийным каналами пропускания рабочей среды, соединенный с внешней машиной вал, на котором разъемно закреплена ступица осевого рабочего колеса, имеющего круговую систему лопастей, последовательно чередующихся вдоль оси вала с круговой системой лопаток направляющего аппарата, закрепленных в корпусе, отличающаяся тем, что рабочее колесо снабжено по меньшей мере одной кольцевой втулкой, жестко связанной со ступицей, а круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены, по меньшей мере, двухрядными с центральным и периферийным круговых систем рядами лопастей и лопаток, соответственно которые установлены по обе стороны втулки рабочего колеса, при этом круговые системы лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса установлены в каждом ряду с противоположной последовательностью их чередования, а в корпусе выполнено по меньшей мере одно кольцевое осесимметричное углубление, охватывающее с одного из торцев втулку рабочего колеса с образованием колена инверсии потока.
2. Лопастная машина по п.1, отличающаяся тем, что рабочее колесо выполнено с двумя кольцевыми втулками, жестко связанными со ступицей, а круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены трехрядными с центральным, промежуточным и периферийным рядами круговых систем лопастей и лопаток, при этом полость корпуса выполнена с двумя расположенными с противоположных сторон от рабочего колеса кольцевыми осесимметричными углублениями, каждое из которых охватывает с одного из торцев соответствующую втулку и закрепленные по обе ее стороны лопасти рабочего колеса с образованием колена инверсии потока между рядами круговых систем лопастей и лопаток.
3. Лопастная машина по п.2, отличающаяся тем, что одна из круговых систем лопаток направляющего аппарата частично размещена в колене инверсии.
4. Лопастная машина по п.1, отличающаяся тем, что круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены двухрядными с многоступенчатыми центральным и периферийным рядами круговых систем лопастей и лопаток, лопасти жестко установлены в гильзах, неподвижно закрепленных на втулке рабочего колеса по обе ее стороны, лопатки направляющего аппарата жестко установлены в ободьях, ободья лопаток периферийного ряда неподвижно закреплены в корпусе, втулка рабочего колеса жестко соединена со ступицей, а в корпусе выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях с образованием двух колен инверсии, при этом корпус снабжен установленной концентрично валу опорной втулкой с неподвижно закрепленными на ней ободьями лопаток центрального ряда.
5. Лопастная машина по п.1, отличающаяся тем, что круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены трехрядными с многоступенчатыми центральным, промежуточным и периферийным рядами круговых систем лопастей и лопаток, лопасти промежуточного и периферийного рядов жестко установлены в гильзах, неподвижно закрепленных на втулке рабочего колеса по обе ее стороны, лопатки направляющего аппарата жестко установлены в ободьях, ободья лопаток периферийного ряда неподвижно закреплены в корпусе, втулка рабочего колеса жестко соединена со ступицей, а в корпусе выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях с образованием двух колен инверсии, корпус снабжен установленной концентрично валу опорной втулкой с неподвижно закрепленными на ней по обе стороны ободьями лопаток центрального и промежуточного рядов, вал снабжен последовательно и неподвижно установленными на нем дополнительными ступицами, на которых жестко закреплены лопасти центрального ряда.

- 11 014075
6. Лопастная машина по п.5, отличающаяся тем, что дополнительные ступицы лопастей и ободья лопаток центрального ряда выполнены треугольного продольного сечения, а лопасти и лопатки центрального ряда попарно выполнены сужающимися по длине навстречу друг другу.
7. Лопастная машина по п.1, отличающаяся тем, что круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены двухрядными с многоступенчатыми центральным и периферийным рядами круговых систем лопастей и лопаток, лопасти жестко установлены в гильзах, неподвижно закрепленных на втулке рабочего колеса по обе ее стороны, лопатки направляющего аппарата жестко установлены в ободьях, ободья лопаток периферийного ряда неподвижно закреплены в корпусе, втулка рабочего колеса жестко соединена со ступицей, а в корпусе выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях с образованием двух колен инверсии, корпус снабжен установленной концентрично валу опорной втулкой с неподвижно закрепленными на ней ободьями лопаток центрального ряда, при этом втулка рабочего колеса выполнена ступенчатой, гильзы изготовлены переменной толщины с трапецеидальным продольным сечением, а лопасти и лопатки выполнены в каждом ряду переменной высоты вдоль втулки рабочего колеса, причем высота лопастей и лопаток последовательно и равномерно уменьшается в периферийном ряду от периферийного канала пропускания до колена инверсии, а в следующем ряду - в противоположном направлении.
8. Лопастная машина по любому из пп.4-7, отличающаяся тем, что центральный канал пропускания расположен внутри опорной втулки со стороны ее крепления к корпусу, а периферийный канал пропускания выполнен с противоположной стороны и вокруг втулки рабочего колеса.
9. Лопастная машина по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что каждая втулка рабочего колеса выполнена со скругленным торцем со стороны колена инверсии и с элементами скольжения со стороны, противоположной колену инверсии.
10. Лопастная машина по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что по меньшей мере в одном канале пропускания рабочей среды установлена статорная решетка из радиальных перемычек.
11. Лопастная машина по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что корпус выполнен составным.
12. Лопастная машина по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены моноплановыми - с лопастями и лопатками одинаковой длины.
13. Лопастная машина по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что круговые системы лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата выполнены биплановыми - с периодически чередующимися лопастями и с периодически чередующимися лопатками неодинаковой длины.
14. Лопастная машина, содержащая корпус с центральным и периферийным каналами пропускания рабочей среды, соединенный с внешней машиной вал, на котором закреплена ступица осевого рабочего колеса, имеющего круговую систему лопастей, последовательно чередующихся вдоль оси вала с круговой системой закрепленных в корпусе лопаток направляющего аппарата, отличающаяся тем, что она снабжена вторым рабочим колесом с охватывающей первое рабочее колесо втулкой, кинематически связанной с дополнительным валом, соединенным с внешней машиной, круговые системы лопастей рабочих колес и лопаток направляющего аппарата выполнены трехрядными с периферийным и промежуточным рядами круговых систем лопастей и лопаток, соответственно, которые установлены по обе стороны и вокруг втулки второго рабочего колеса, и с центральным рядом круговых систем лопастей и лопаток, которые установлены вокруг ступицы первого рабочего колеса, ступица выполнена составной из кольцевых деталей, каждая из которых разъемно соединена с валом и жестко скреплена с лопастями центрального ряда, лопасти периферийного и промежуточного рядов жестко установлены в гильзах, закрепленных на втулке второго рабочего колеса с обеих сторон, лопатки жестко установлены в ободьях, ободья лопаток периферийного ряда неподвижно закреплены в корпусе, а последний снабжен закрепленной концентрично валу опорной втулкой для установки ободьев лопаток центрального и промежуточного рядов, при этом в корпусе выполнено два кольцевых осесимметричных углубления в двух дополнительно установленных промежуточных корпусных замыкателях, а каждое из этих углублений охватывает с одного из торцев соответствующую втулку с образованием колена инверсии потока.
15. Лопастная машина по п.14, отличающаяся тем, что втулка второго рабочего колеса выполнена ступенчатой, гильзы и кольцевые детали составной ступицы изготовлены переменной толщины с трапецеидальными продольными сечениями, а лопасти рабочего колеса и лопатки направляющего аппарата выполнены в каждом ряду переменной высоты вдоль соответствующих втулок, причем высота лопастей и лопаток уменьшается в периферийном ряду от периферийного канала пропускания до колена инверсии, в промежуточном ряду - в противоположном направлении, а в центральном ряду - от колена инверсии к центральному каналу пропускания.
16. Лопастная машина по п.14, отличающаяся тем, что рабочие колеса связаны с внешней машиной зубчатыми колесами с разными диаметрами.
17. Лопастная машина по любому из пп.14-16, отличающаяся тем, что по меньшей мере в одном канале пропускания рабочей среды установлена статорная решетка из радиальных перемычек.
18. Лопастная машина по любому из пп.14-16, отличающаяся тем, что корпус выполнен составным.

- 12 014075
19. Лопастная машина по любому из пп.14-16, отличающаяся тем, что круговые системы лопастей рабочих колес и лопаток направляющего аппарата выполнены моноплановыми - с лопастями и лопатками одинаковой длины.
20. Лопастная машина по любому из пп.14-16, отличающаяся тем, что круговые системы лопастей рабочих колес и лопаток направляющего аппарата выполнены биплановыми - с периодически чередующимися лопастями и с периодически чередующимися неодинаковой длины.