RU2119098C1

RU2119098C1 - Liquid-ring machine

Info

Publication number: RU2119098C1
Application number: RU96116296A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Данилин
Original assignee: Александр Сергеевич Данилин
Priority date: 1996-08-06
Filing date: 1996-08-06
Publication date: 1998-09-20

Abstract

FIELD: manufacture of compressors and vacuum engineering. SUBSTANCE: machine has housing 1, end shields 2 with suction and discharge ports 3 and 4 and impeller 5 with blades 6 located eccentrically in housing 1. Blades 6 are bent in direction opposite to rotation. Diameter of impeller 5 is determined from relationship

Description

Изобретение относится к области компрессоростроения и вакуумной техники, конкретно, к жидкостнокольцевым насосам и к компрессорам. The invention relates to the field of compressor engineering and vacuum technology, in particular, to liquid ring pumps and compressors.

Известна двухступенчатая жидкостнокольцевая машина (ЖКМ), содержащая корпус, торцевые крышки с каналами подвода и отвода рабочей среды, два рабочих колеса с лопатками, изогнутыми в направлении вращения, эксцентрично размещенные в корпусе (см. Фролов Е.С. и др. Механические вакуумные насосы. - М.: Машиностроение, 1989, с. 192). Known two-stage liquid ring machine (LCM), comprising a housing, end caps with channels for supplying and discharging a working medium, two impellers with blades curved in the direction of rotation, eccentrically placed in the housing (see Frolov ES and other Mechanical vacuum pumps . - M.: Mechanical Engineering, 1989, p. 192).

Недостатками указанной конструкции являются:
- Низкий КПД при давлении больше 20 кПа, т. к. в двухступенчатых ЖКМ каждая ступень работает в узком интервале давлений;
- Высокая материалоемкость и сложность конструкции.The disadvantages of this design are:
- Low efficiency at a pressure of more than 20 kPa, because in a two-stage LCD, each stage operates in a narrow pressure range;
- High material consumption and design complexity.

Наиболее близкой по технической сущности является ЖКМ, содержащая корпус, торцевые крышки с каналами подвода и отвода рабочей среды, эксцентрично размещенное в корпусе рабочее колесо с лопатками, изогнутыми в направлении вращения (см. Фролов Е.С. и др. Механические вакуумные насосы. - М.: Машиностроение, 1989, с. 197, рис. 136). The closest in technical essence is the LCD, containing a housing, end caps with channels for supplying and discharging a working medium, an impeller eccentrically placed in the housing with vanes curved in the direction of rotation (see Frolov E.S. et al. Mechanical vacuum pumps. - M.: Engineering, 1989, p. 197, Fig. 136).

Недостатками этой конструкции являются:
- Низкий КПД при давлении меньшем 40 кПа из-за значительных перетечек газа с нагнетания на всасывание на торцевых поверхностях ступицы колеса;
- Большой расход жидкости на уплотнение торцевых поверхностей ступицы колеса;
- Высокая материалоемкость конструкции.The disadvantages of this design are:
- Low efficiency at a pressure of less than 40 kPa due to significant gas leakage from discharge to suction on the end surfaces of the wheel hub;
- High fluid flow rate for sealing the end surfaces of the wheel hub;
- High material consumption of the structure.

Техническая задача изобретения - повышение КПД ЖКМ при давлении меньшем 40 кПа, уменьшение расхода уплотняющей жидкости, материалоемкости и стоимости конструкции. The technical task of the invention is to increase the efficiency of the LCD at a pressure of less than 40 kPa, reducing the flow rate of sealing fluid, material consumption and cost of construction.

Поставленная задача достигается в жидкостнокольцевой машине, содержащей корпус, эксцентрично размещенное в корпусе рабочее колесо, выполнением лопаток колеса изогнутыми против направления вращения и подбором размеров проточной части ЖКМ таким образом, чтобы величина диаметра колеса определялась из оптимального соотношения диаметра колеса и отношения производительности к ширине колеса. The task is achieved in a liquid ring machine containing a casing, an impeller eccentrically placed in the casing, by making the wheel blades curved against the direction of rotation and selecting the dimensions of the LC flow path so that the diameter of the wheel is determined from the optimal ratio of the diameter of the wheel and the ratio of performance to wheel width.

Известно (см. Фролов Е. С. и др. Механические вакуумные насосы. - М.: Машиностроение, 1989), что ЖКМ имеют низкий КПД при давлении меньше 40 кПа из-за потерь производительности от перетечек газа с нагнетания на всасывание по торцевым поверхностям ступицы колеса. Очевидно, что величина торцевых перетечек для ЖКМ разной производительности определяется диаметральными размерами колеса. It is known (see Frolov E.S. et al. Mechanical vacuum pumps. - M .: Mashinostroenie, 1989) that LCDs have low efficiency at a pressure of less than 40 kPa due to loss of productivity from gas flows from injection to suction on end surfaces wheel hubs. Obviously, the size of the end flows for LCDs of different capacities is determined by the diametrical dimensions of the wheel.

Известно также (см. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы. - М.: Машиностроение, 1960), что выполнение лопаток колеса, изогнутыми против направления вращения при одновременном увеличении частоты вращения, приводит к уменьшению диаметральных размеров колеса. It is also known (see Stepanov AI Centrifugal and axial pumps. - M .: Mashinostroenie, 1960) that the execution of wheel blades curved against the direction of rotation while increasing the frequency of rotation leads to a decrease in the diametrical dimensions of the wheel.

Отличительным признаком предложенной жидкостнокольцевой машины является то, что лопатки колеса выполнены изогнутыми против направления вращения, а величина диаметра колеса D определяется из соотношения

где
Q - производительность ЖКМ при давлении всасывания 40 кПа, м³/с;
B - ширина колеса, м;
n - частота вращения;
A - коэффициент пропорциональности: A = 1,25 ... 2,48 и n = 25 ...50 1/с, если Q ≤ 0,17 м³/с; A = 1,25 ... 2,01 и n = 16,6 ... 25 1/с, если 0,17 < Q ≤ 0,58 м³/с; A = 1,26 ... 2,09 и n = 12,5 ... 16,6 1/с, если 0,58 < Q ≤ 1,25 м³/с; A = 1,26 ... 2,09 и n < 12,5 1/с, если Q > 1,25 м³/с.A distinctive feature of the proposed liquid ring machine is that the wheel blades are made curved against the direction of rotation, and the value of the diameter of the wheel D is determined from the ratio

Where
Q - LCD performance at a suction pressure of 40 kPa, m ³ / s;
B - wheel width, m;
n is the rotation frequency;
A - proportionality coefficient: A = 1.25 ... 2.48 and n = 25 ... 50 1 / s, if Q ≤ 0.17 m ³ / s; A = 1.25 ... 2.01 and n = 16.6 ... 25 1 / s, if 0.17 <Q ≤ 0.58 m ³ / s; A = 1.26 ... 2.09 and n = 12.5 ... 16.6 1 / s, if 0.58 <Q ≤ 1.25 m ³ / s; A = 1.26 ... 2.09 and n <12.5 1 / s, if Q> 1.25 m ³ / s.

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами. The essence of the proposed invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез ЖКМ. Жидкостнокольцевая машина содержит корпус 1, торцевые крышки 2 со всасывающим и нагнетательными окнами 3 и 4, эксцентрично размещенное рабочее колесо 5 с лопатками 6. In FIG. 1 shows a transverse section of the LCD. The liquid ring machine comprises a housing 1, end caps 2 with suction and discharge windows 3 and 4, an eccentrically placed impeller 5 with blades 6.

На фиг. 2 представлен продольный разрез ЖКМ. По торцевой поверхности ступицы колеса часть газа перетекает с нагнетания на всасывание, уменьшая производительность и КПД ЖКМ. In FIG. 2 shows a longitudinal section of the LCD. On the end surface of the wheel hub, part of the gas flows from discharge to suction, reducing the performance and efficiency of the LCD.

Величина потерь производительности от перетечек для ротационных машин может быть оценена по методике (см. Сакун И.А. Винтовые машины, 1970), согласно которой масса перетекающего газа определяется по формуле

где
P₁ - давление газа на стороне всасывания;
P₂ - давление газа на стороне нагнетания;
R - газовая постоянная;
g - ускорение свободного падения;
T₂ - температура газа на нагнетании;
K_p - коэффициент, определяемый по графику (см. Сакун И.А. Винтовые машины, 1970, рис. 116). Все последующие графики берутся из указанной книги;
F - площадь торцевого зазора между ступицей колеса и торцевой крышкой
F=Δ(R₁-R_B) (2)
где
Δ- - зазор между ступицей колеса и торцевой крышкой,
R₁ - радиус втулки колеса;
R_В - радиус вала.The value of productivity losses from overflows for rotary machines can be estimated by the methodology (see Sakun I.A. Screw Machines, 1970), according to which the mass of flowing gas is determined by the formula

Where
P ₁ - gas pressure on the suction side;
P ₂ - gas pressure on the discharge side;
R is the gas constant;
g is the acceleration of gravity;
T ₂ - gas temperature at the discharge;
K _p - coefficient determined by the schedule (see Sakun I.A. Screw machines, 1970, Fig. 116). All subsequent graphs are taken from the specified book;
F - the area of the end gap between the wheel hub and the end cap
F = Δ (R ₁ -R _B ) (2)
Where
Δ- is the gap between the wheel hub and the end cap,
R ₁ is the radius of the wheel hub;
R _In - the radius of the shaft.

При расчете в первом приближении за исходную величину принимается удельный критический расход Q_кр для щели

где
K - показатель адиабаты;
ρ₂- - плотность газа на нагнетании.When calculating in a first approximation, the initial critical value is the specific critical flow rate Q _cr for the gap

Where
K is the adiabatic exponent;
ρ ₂ - is the gas density at the discharge.

Затем по критическому расходу определяется число Рейнольдса

где
μ- динамическая вязкость газа при температуре нагнетания.Then, according to the critical flow rate, the Reynolds number is determined

Where
μ is the dynamic viscosity of the gas at the discharge temperature.

По графику рис. 114 определяется коэффициент C_R.According to the graph of Fig. 114 is determined by the coefficient C _R.

Параметр сопротивления S¹ определяется:

где
l - длина щели.The resistance parameter S ¹ is determined by:

Where
l is the length of the gap.

По графику рис. 117 находится значение

и определяются величины

Далее методом последовательных приближений по формулам 5, 6, 7 окончательно определяется значение K_р и по формуле 1 значение G_у.According to the graph of Fig. 117 is the value

and the quantities are determined

Further, by the method of successive approximations by the formulas 5, 6, 7, the value of K _{p is} finally determined and by the formula 1 the value of G _y .

Величина перетечек Q_пер, выраженная объемным расходом, находится по формуле

где
T₁ - температура газа на всасывании.The magnitude of the flow Q _per expressed by volumetric flow rate is found by the formula

Where
T ₁ is the suction gas temperature.

Действительная производительность ЖКМ Q определится как разность между теоретической производительностью Q_теор. и величиной перетечек Q_пер.The actual LCD performance Q is defined as the difference between the theoretical performance Q _theory. and the magnitude of the flow Q _lane .

Q = Q_теор - Q_пер.Q = Q _theory - Q _per .

Из формулы 1 очевидно, что при прочих равных условиях (физические константы откачиваемого газа, давление всасывания и нагнетания) величина G_у зависит только от площади зазора между ступицей колеса и торцевой крышкой F.From formula 1 it is obvious that, ceteris paribus (physical constants of the pumped gas, suction and discharge pressures), the value of G _y depends only on the gap area between the wheel hub and the end cap F.

F=Δ(R₁-R_B)
где
R₁ - радиус ступицы колеса, R₁=γR₂=(0,3...0,6)R₂
Δ- - зазор между ступицей и торцевой крышкой
Δ=δR₂=(0,011...0,03)R₂
R₂ - радиус колеса,
R_в - радиус вала (см. Фролов Е.С. и др. Механические вакуумные насосы. - М.: Машиностроение, 1989, с. 178, 187).F = Δ (R ₁ -R _B )
Where
R ₁ is the radius of the wheel hub, R ₁ = γR ₂ = (0.3 ... 0.6) R ₂
Δ- - the gap between the hub and the end cap
Δ = δR ₂ = (0.011 ... 0.03) R ₂
R ₂ is the radius of the wheel,
R _in - the radius of the shaft (see Frolov ES and other Mechanical vacuum pumps. - M .: Mechanical Engineering, 1989, S. 178, 187).

Из приведенных выше зависимостей очевидно, что величина F прямо пропорциональна радиусу колеса R₂ (диаметр S) и, следовательно, для снижения перетечек газа по торцевым поверхностям колеса требуется уменьшение диаметра колеса.From the above dependencies, it is obvious that the value of F is directly proportional to the radius of the wheel R ₂ (diameter S) and, therefore, to reduce the flow of gas along the end surfaces of the wheel, a decrease in the diameter of the wheel is required.

В ЖКМ диаметр колеса зависит от выбранных геометрических соотношений (ψ, γ, ε, δ) и числа оборотов электродвигателя (см. Фролов Е.С. и др. Механические вакуумные насосы. - М.: Машиностроение, 1989, с. 171). In LCM, the wheel diameter depends on the selected geometric relationships (ψ, γ, ε, δ) and the number of revolutions of the electric motor (see Frolov E.S. et al. Mechanical vacuum pumps. - M .: Mashinostroenie, 1989, p. 171).

Так как

,

где
E_и - число Эйлера, которое зависит от величин (ψ, γ, ε, δ);
ψ - коэффициент, учитывающий влияние толщины лопаток колеса;
ψ = 0,65 ... 0,9;
ε - относительный эксцентриситет;
ρ_ж - плотность жидкости.Because

,

Where
E _and is the Euler number, which depends on the quantities (ψ, γ, ε, δ);
ψ - coefficient taking into account the influence of the thickness of the wheel blades;
ψ = 0.65 ... 0.9;
ε is the relative eccentricity;
ρ _W - the density of the liquid.

Поэтому для уменьшения диаметра колеса требуется:
1) Подбор оптимальных соотношений
2) Увеличение числа оборотов n с одновременным изгибом лопаток колеса против направления вращения.Therefore, to reduce the diameter of the wheel requires:
1) Selection of optimal ratios
2) An increase in the number of revolutions n with simultaneous bending of the wheel blades against the direction of rotation.

Диаметр колеса может быть определен из формулы (см. Фролов Е.С. и др. Механические вакуумные насосы. - М.: Машиностроение, 1989, с. 178). The diameter of the wheel can be determined from the formula (see Frolov ES and other Mechanical vacuum pumps. - M .: Mashinostroenie, 1989, p. 178).

Так как

где
Q - действительная производительность при давлении 40 кПа
λ- коэффициент подачи, зависящий от δ, ε.
То

Примем следующие допущения:
а) для ЖКМ с производительностью Q при давлении 40 кПа Q ≤ 0,17 м³/с
1. ψ== = 0,65...0,90
2. γ = = 0,30 ... 0,60
3. λ = = 0,50 ... 0,99
4. n = 1500...3000 об/мин.Because

Where
Q - actual performance at a pressure of 40 kPa
λ is the feed coefficient depending on δ, ε.
Then

We accept the following assumptions:
a) for LCD with capacity Q at a pressure of 40 kPa Q ≤ 0.17 m ³ / s
1. ψ == = 0.65 ... 0.90
2. γ = = 0.30 ... 0.60
3. λ = = 0.50 ... 0.99
4.n = 1500 ... 3000 rpm.

б) Для ЖКМ с производительностью Q при давлении 40 кПа 0,17 < Q ≤ 0,58 м³/с
1. ψ == = 0,70...0,90
2. γ = = 0,30...0,50
3. λ = = 0,60...0,99
4. n = 1000...1500 об/мин.b) For LCD with a capacity of Q at a pressure of 40 kPa 0.17 <Q ≤ 0.58 m ³ / s
1. ψ == = 0.70 ... 0.90
2. γ = = 0.30 ... 0.50
3. λ = = 0.60 ... 0.99
4. n = 1000 ... 1500 rpm.

в) Для ЖКМ с производительностью Q при давлении 40 кПа 0,58 < Q ≤ 1,25 м³/с
1. ψ = 0,70...0,90
2. γ = 0,31...0,55
3. λ = 0,60...0,99
4. n = 750...1000 об/мин.c) For LCD with a capacity of Q at a pressure of 40 kPa 0.58 <Q ≤ 1.25 m ³ / s
1. ψ = 0.70 ... 0.90
2. γ = 0.31 ... 0.55
3. λ = 0.60 ... 0.99
4.n = 750 ... 1000 rpm.

г) Для ЖКМ с производительностью Q при давлении 40 кПа Q > 1,25 м³/с
1. ψ = 0,70...0,90
2. γ = 0,31...0,55
3. λ = 0,60...0,90
4. n < 75 об/мин.d) For LCD with a capacity of Q at a pressure of 40 kPa Q> 1.25 m ³ / s
1. ψ = 0.70 ... 0.90
2. γ = 0.31 ... 0.55
3. λ = 0.60 ... 0.90
4. n <75 rpm.

Тогда диаметр колеса D будет равен

где A = 1,25...2,48 и n= 25...50, если Q ≤ 0,17 м³ /с A = 1,25...2,01 и n = 16,6...25, если Q,17 < Q ≤ 0,58 м³/с; A = 1,26...2,09 и n = 12,5...16,6, если Q,58 < Q ≤ 1,25 м³/с; A = 1,26...2,09 и n < 12,5, если Q > 1,25 м³/с.Then the diameter of the wheel D will be equal to

where A = 1.25 ... 2.48 and n = 25 ... 50 if Q ≤ 0.17 m ³ / s A = 1.25 ... 2.01 and n = 16.6 .. .25 if Q, 17 <Q ≤ 0.58 m ³ / s; A = 1.26 ... 2.09 and n = 12.5 ... 16.6 if Q, 58 <Q ≤ 1.25 m ³ / s; A = 1.26 ... 2.09 and n <12.5 if Q> 1.25 m ³ / s.

Пример. По предлагаемому соотношению, а также по вышеизложенной методике определения перетечек газа и методике расчета ЖКМ (см. Фролов Е.С. и др. Механические вакуумные насосы. - М. : Машиностроение, 1989, с. 199) были проведены расчеты параметров предлагаемых ЖКМ. Example. According to the proposed ratio, as well as the above method for determining gas leakage and the calculation method of LCM (see Frolov E.S. et al. Mechanical vacuum pumps. - M.: Mashinostroenie, 1989, p. 199), the parameters of the proposed LCM were calculated.

Данные наиболее распространенных серийно выпускаемых машин ВВH-12, ВВH-25, ВВН-50 (см. ОСТ 26-12-1113-83 и каталог вакуумного оборудования, ЦИНТИхимнефтемаш.- М.: 1990, с. 26 - 30). Data of the most common mass-produced machines BBH-12, BBH-25, BBH-50 (see OST 26-12-1113-83 and the catalog of vacuum equipment, TsINTIkhimneftemash.- M .: 1990, p. 26-30).

Исходными данными для расчета приняты:
1. Давление всасывания P₁ = 10 кПа;
2. Давление нагнетания P₂ = 100 кПа;
3. Рабочий газ - воздух.The initial data for the calculation adopted:
1. Suction pressure P ₁ = 10 kPa;
2. Discharge pressure P ₂ = 100 kPa;
3. The working gas is air.

Из таблицы видно, что определение диаметра колеса из предлагаемых соотношений позволяет повысить производительность и, следовательно, КПД ЖКМ на 7 . .. 14%. Кроме того, снижается расход уплотняющей жидкости, материалоемкость и стоимость машины. The table shows that determining the diameter of the wheel from the proposed ratios allows to increase productivity and, therefore, the efficiency of the LCD by 7. .. 14%. In addition, the consumption of sealing fluid, material consumption and machine cost are reduced.

Жидкостнокольцевая машина работает следующим образом. The liquid ring machine operates as follows.

При вращении колеса 5 образуется жидкостное кольцо. На стороне всасывания жидкость выходит между лопатками 6 колеса 5 к корпусу 1 и происходит всасывание газа через всасывающие окна 3. На стороне сжатия жидкость входит между лопатками 6 в колесо 5 и выталкивает газ в нагнетательное окно 4. When the wheel 5 is rotated, a liquid ring is formed. On the suction side, the liquid exits between the blades 6 of the wheel 5 to the housing 1 and gas is sucked through the suction windows 3. On the compression side, the liquid enters between the blades 6 in the wheel 5 and pushes the gas into the discharge window 4.

Выполнение лопаток колеса изогнутыми против направления вращения и определение диаметра колеса из предлагаемых соотношений приводит к повышению КПД жидкостнокольцевой машины, т. к. уменьшаются диаметральные размеры колеса и потери производительности от перетечек газа с нагнетания на всасывание. Кроме того, снижается расход уплотняющей жидкости, материалоемкость и стоимость машины. The execution of the wheel blades curved against the direction of rotation and the determination of the diameter of the wheel from the proposed ratios leads to an increase in the efficiency of the liquid ring machine, since the diametrical dimensions of the wheel and the loss of productivity from gas flows from the discharge to the intake are reduced. In addition, the consumption of sealing fluid, material consumption and machine cost are reduced.

Claims

A liquid ring machine comprising a housing, an impeller eccentrically placed in the housing, characterized in that the blade vanes are curved against the direction of rotation, and the diameter of the wheel D is determined from the ratio

where Q is the performance of the LCD at a suction pressure of 40 kPa, m ³ / s;
B - wheel width, m;
n is the rotation frequency, 1 / s;
A - proportionality coefficient: A = 1.25 ... 2.48 and n = 25 ... 50 1 / s, if Q≤0.17 m ³ / s, A = 1.25. .. 2.01 and n = 16.6 ... 25 1 / s, if 0.17 <Q≤0.58 m ³ / s, A = 1.26 ... 2.09 and n = 12, 5 ... 16.6 1 / s, if 0.58 <Q≤1.25 m ³ / s, A = 1.26 ... 2.09 and n <12.5 1 / s, if Q> 1.25 m ³ / s.