RU2359155C1

RU2359155C1 - Rotor vortex machine

Info

Publication number: RU2359155C1
Application number: RU2008122253/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Иванович Лепеха (RU); Анатолий Иванович Лепеха
Original assignee: Анатолий Иванович Лепеха
Priority date: 2008-06-04
Filing date: 2008-06-04
Publication date: 2009-06-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to rotor vortex machines and can be used in pumps, engines and compressors. The proposed rotor vortex machine comprises a stator and rotor that form a working chamber communicating with working medium intake and discharge lines. The working chamber cross section width h is equal to the difference between the chamber maximum and minimum radii defined as the distance from the machine axis to the most distant and the closest points of the chamber, respectively. The working chamber houses the blades and separator linked up with the stator and rotor, respectively. Every blade has its front edge facing the rotor. The separator features cutoff edges congruent to the blade front edge and separating the separator surface area that faces the blade front edges. The blade is mounted at β=0 to 26°. The blade front edge direction angle at α=0 to 70°. The blade thickness from its edge to 0.8h increases by linear law with proportionality factor equal to 0.1 to 0.2. It is recommended to keep the working chamber maximum radius-to-chamber section width within 4.5 to 9.5.

EFFECT: higher efficiency.

2 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к роторно-вихревым машинам и может быть использовано в насосах, двигателях и компрессорах.The invention relates to rotary vortex machines and can be used in pumps, engines and compressors.

Известна роторно-вихревая машина, содержащая статор и ротор, между которыми образована рабочая камера, сообщенная с каналами для подвода и отвода рабочей среды, причем ширина сечения рабочей камеры h равна разнице между максимальным и минимальным ее радиусами, определяемыми соответственно как расстояние от оси машины до наиболее удаленной точки рабочей полости и расстояние от оси до наиболее близкой точки, в рабочей камере расположены лопатки и разделитель, связанные соответственно со статором и ротором, каждая лопатка содержит переднюю кромку, обращенную к ротору, а разделитель выполнен с отсечными кромками, конгруэнтными передней кромке лопатки и ограничивающими участок поверхности разделителя, обращенный к передним кромкам лопаток, в которой лопатка установлена под углом β=0-26° (см. патент RU 2121608, опубл. 10.11.1998).Known rotor-vortex machine containing a stator and a rotor, between which a working chamber is formed, connected with channels for supplying and discharging a working medium, the cross-sectional width of the working chamber h being equal to the difference between its maximum and minimum radii, defined respectively as the distance from the machine axis to the most distant point of the working cavity and the distance from the axis to the closest point, in the working chamber are blades and a separator associated respectively with the stator and rotor, each blade contains a front edge facing the rotor, and the separator is made with cut-off edges congruent to the leading edge of the blade and bounding a portion of the surface of the separator facing the front edges of the blades, in which the blade is installed at an angle β = 0-26 ° (see patent RU 2121608, publ. . 10.11.1998).

Недостатками указанной машины являются относительно высокие гидравлическиме потери в рабочей камере, что приводит к снижению мощности и КПД.The disadvantages of this machine are the relatively high hydraulic losses in the working chamber, which leads to a decrease in power and efficiency.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении КПД машины за счет уменьшения суммарных объемных и гидравлических потерь за счет оптимизации формы лопаток.The objective of the invention is to remedy these disadvantages. The technical result consists in increasing the efficiency of the machine by reducing the total volumetric and hydraulic losses due to the optimization of the shape of the blades.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в роторно-вихревой машине, содержащей статор и ротор, между которыми образована рабочая камера, сообщенная с каналами для подвода и отвода рабочей среды, причем ширина сечения рабочей камеры h равна разнице между максимальным и минимальным ее радиусами, определяемыми соответственно как расстояние от оси машины до наиболее удаленной точки рабочей полости и расстояние от оси до наиболее близкой точки, в рабочей камере расположены лопатки и разделитель, связанные соответственно со статором и ротором, каждая лопатка содержит переднюю кромку, обращенную к ротору, а разделитель выполнен с отсечными кромками, конгруэнтными передней кромке лопатки и ограничивающими участок поверхности разделителя, обращенный к передним кромкам лопаток, в которой лопатка установлена под углом β=0-26°, при этом угол направления передней кромки лопатки лежит в пределах α=0-70°, а толщина лопатки от ее кромки до 0,8h увеличивается по линейному закону с коэффициентом пропорциональности, равным 0,1÷0,2. Отношение максимального радиуса рабочей полости к ширине ее сечения целесообразно выполнять в пределах 4,5÷9,5.The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in a rotor-vortex machine containing a stator and a rotor, between which a working chamber is formed, connected with channels for supplying and discharging the working medium, the cross-sectional width of the working chamber h being equal to the difference between the maximum and minimum its radii, respectively defined as the distance from the axis of the machine to the most distant point of the working cavity and the distance from the axis to the closest point, in the working chamber are blades and a separator associated with responsibly with the stator and rotor, each blade contains a leading edge facing the rotor, and the separator is made with cut-off edges congruent to the leading edge of the blade and bounding a portion of the surface of the separator facing the leading edges of the blades in which the blade is installed at an angle β = 0-26 °, while the angle of the leading edge of the blade lies in the range α = 0-70 °, and the thickness of the blade from its edge to 0.8h increases linearly with a proportionality coefficient of 0.1 ÷ 0.2. The ratio of the maximum radius of the working cavity to the width of its section, it is advisable to carry out in the range of 4.5 ÷ 9.5.

На фиг.1 представлено меридиональное сечение роторно-вихревой машины, в которой передние кромки лопаток расположены в одной плоскости;Figure 1 shows the meridional section of a rotor-vortex machine, in which the leading edges of the blades are located in the same plane;

на фиг.2 - поперечный разрез машины, представленной на фиг.1, по плоскости А-А;figure 2 is a transverse section of the machine shown in figure 1, along the plane aa;

на фиг.3 - разрез машины, представленной на фиг.1, по плоскости Б-Б; на фиг.4 представлен меридиональный разрез варианта выполнения роторно-вихревой машины, в которой передние кромки лопаток расположены на цилиндрической поверхности;figure 3 is a section of the machine shown in figure 1, along the plane BB; figure 4 presents the meridional section of an embodiment of a rotary vortex machine, in which the leading edges of the blades are located on a cylindrical surface;

на фиг.5 - поперечный разрез машины, представленной на фиг.4, плоскостью В-В;figure 5 is a transverse section of the machine shown in figure 4, a plane BB;

на фиг.6 - разрез машины, представленной на фиг.5, цилиндрической поверхностью Г-Г;figure 6 is a section of the machine shown in figure 5, a cylindrical surface GG;

на фиг.7 - разрез литого варианта выполнения статора машины, представленной на фиг.1, цилиндрической поверхностью Д-Д, проходящей через центры передних кромок лопаток;Fig.7 is a sectional view of a molded embodiment of the stator of the machine shown in Fig.1, a cylindrical surface DD passing through the centers of the leading edges of the blades;

на фиг.8 - разрез сборочного варианта выполнения статора машины, представленной на фиг.1, цилиндрической поверхностью Д-Д, проходящей через центры передних кромок лопаток;in Fig.8 is a sectional view of an assembly embodiment of the stator of the machine shown in Fig.1 with a cylindrical surface DD passing through the centers of the leading edges of the blades;

на фиг.9 - поперечное сечение лопатки, представленной на фиг.3 и 6, плоскостью Е-Е, проходящей через центр ее передней кромки перпендикулярно меридиональной плоскости и хорде, соединяющей концы передней кромки.in Fig.9 is a cross section of the blade shown in Fig.3 and 6, the plane EE, passing through the center of its front edge perpendicular to the meridional plane and the chord connecting the ends of the leading edge.

Роторно-вихревая машина содержит статор 1 и ротор 2, между которыми образована торообразная рабочая камера 3. Профиль рабочей полости (в плоскости, перпендикулярной продольной оси машины) и профиль сечения рабочей полости (в меридиональной проходящей через продольную ось машины плоскости) могут быть выполнены круглыми или с незначительными отклонениями от круглого (овальными). В рабочей камере 3 расположены лопатки 4 и разделитель 5, связанные соответственно со статором 1 и ротором 2. Каждая лопатка 4 содержит переднюю кромку 6, обращенную к ротору 2 и расположенную на пересечении поверхности лопатки 4 и средней секущей поверхности лопатки 4. Разделитель 5 содержит отсечные кромки 7, ограничивающие участок 8, обращенный к передним кромкам 6 лопаток 4, каждая из которых расположена на пересечении поверхности разделителя 5 и угловой секущей поверхности 9 разделителя 5. Средней секущей поверхностью лопатки 4 и угловой секущей поверхностью 9 разделителя 5 являются поверхности, делящие пополам расстояние соответственно между выпуклым и вогнутым участками поверхности лопатки 4, и поверхность, делящая пополам расстояние между участком 8 поверхности разделителя 5 и боковой поверхностью 10 разделителя 5, отсчитываемое по нормали к этим поверхностям. Среднюю поверхность лопатки 4 и угловую секущую поверхность 9 разделителя 5 можно построить, как геометрическое место центров сфер, вписанных между указанными выше частями поверхности лопатки 4 или разделителя 5. Расстояние t между центрами 11 передних кромок 6 соседних лопаток 4 выполнено в пределах (0,36-0,67)L, где L - длина хорды 12, соединяющей противоположные концы передней кромки 6 (точки пересечения передней кромки 6 лопатки 4 с торообразной поверхностью статора 1). Высота h подъема центра 11 передней кромки 6 лопатки 4 в рабочей камере 3 равна (0,45-0,8)L, а расстояние к между центрами 13 отсечных кромок 7 разделителя 5 выполнено не менее 2t и не более 4t. Направление передней кромки 6 лопатки 4, то есть угол α между меридиональной плоскостью 14 машины, проходящей через центр 11 передней кромки 6, и касательной к средней линии 15 поперечного сечения лопатки 4 в точке пересечения средней линии 15 с передней кромкой 6 (в центре 11) выполнено в пределах 0-70°С. Средней линией 15 поперечного сечения является линия пересечения средней секущей поверхности лопатки 4 и плоскости, проходящей через центр 11 передней кромки 6 перпендикулярно меридиональной плоскости 14 и хорде 12. Хорда 12, соединяющая противоположные концы передней кромки 6, расположена под углом β=(0-26°) к меридиональной плоскости 14, проходящей через центр 11 передней кромки 6. Угол β характеризует угол установки лопатки.The rotary vortex machine contains a stator 1 and rotor 2, between which a toroidal working chamber 3 is formed. The profile of the working cavity (in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the machine) and the cross-sectional profile of the working cavity (in the meridional plane passing through the longitudinal axis of the machine) can be made round or with slight deviations from round (oval). In the working chamber 3 there are blades 4 and a separator 5, respectively connected with the stator 1 and rotor 2. Each blade 4 contains a leading edge 6 facing the rotor 2 and located at the intersection of the surface of the blade 4 and the middle secant surface of the blade 4. The separator 5 contains cutoffs edges 7 bounding a portion 8 facing the leading edges 6 of the blades 4, each of which is located at the intersection of the surface of the separator 5 and the angular secant surface 9 of the separator 5. The middle secant surface of the blade 4 and the angular secant its surface 9 of the separator 5 is the surface that bisects the distance respectively between the convex and concave portions of the surface of the blade 4, and the surface that bisects the distance between the portion 8 of the surface of the separator 5 and the side surface 10 of the separator 5, which is measured along the normal to these surfaces. The middle surface of the blade 4 and the angular secant surface 9 of the separator 5 can be constructed as the geometrical location of the centers of the spheres inscribed between the above parts of the surface of the blade 4 or the separator 5. The distance t between the centers 11 of the leading edges 6 of the adjacent blades 4 is made in the range (0.36 -0.67) L, where L is the length of the chord 12 connecting the opposite ends of the leading edge 6 (the point of intersection of the leading edge 6 of the blade 4 with the toroidal surface of the stator 1). The lifting height h of the center 11 of the leading edge 6 of the blade 4 in the working chamber 3 is (0.45-0.8) L, and the distance between the centers 13 of the cut-off edges 7 of the separator 5 is made not less than 2t and not more than 4t. The direction of the leading edge 6 of the blade 4, that is, the angle α between the meridional plane 14 of the machine passing through the center 11 of the leading edge 6, and tangent to the midline 15 of the cross section of the blades 4 at the intersection of the middle line 15 with the leading edge 6 (in the center 11) performed within the range of 0-70 ° C. The middle line 15 of the cross section is the line of intersection of the middle secant surface of the blade 4 and the plane passing through the center 11 of the leading edge 6 perpendicular to the meridional plane 14 and the chord 12. The chord 12 connecting the opposite ends of the leading edge 6 is located at an angle β = (0-26 °) to the meridional plane 14 passing through the center 11 of the leading edge 6. The angle β characterizes the angle of installation of the blades.

Экспериментальные данные показали, что выполнение профиля лопатки таким образом, что ее толщина от кромки до 0,8h увеличивается по линейному закону с коэффициентом пропорциональности, равным k=0,1÷0,2, является оптимальным с точки зрения мощности и КПД машины, причем при меньшей величине коэффициента резко уменьшается прочность лопатки, а при большей - увеличивается гидравлическое сопротивление, поскольку растет эффективная площадь сечения лопатки.The experimental data showed that the implementation of the profile of the blade so that its thickness from the edge to 0.8h increases linearly with a proportionality coefficient equal to k = 0.1 ÷ 0.2, is optimal from the point of view of power and efficiency of the machine, and with a smaller value of the coefficient, the strength of the blade sharply decreases, and with a larger coefficient, the hydraulic resistance increases, since the effective cross-sectional area of the blade increases.

Максимальный радиус (R) рабочей полости равен расстоянию от оси машины до наиболее удаленной точки рабочей полости; минимальный радиус (r) равен расстоянию от оси машины до наиболее близкой к ней точки рабочей полости; ширина (h) рабочей полости равна разнице (R-r) максимального и минимального радиусов.The maximum radius (R) of the working cavity is equal to the distance from the axis of the machine to the most distant point of the working cavity; the minimum radius (r) is equal to the distance from the machine axis to the point of the working cavity closest to it; the width (h) of the working cavity is equal to the difference (R-r) of the maximum and minimum radii.

Отношение (R/h) максимального радиуса рабочей полости к ширине ее сечения не менее 4,5 и не более 9,5 (9,5≥R/h≥4,5).The ratio (R / h) of the maximum radius of the working cavity to the width of its section is not less than 4.5 and not more than 9.5 (9.5≥R / h≥4.5).

В статоре 1 можно выполнить прорези 16, а лопатки 4 выполнить в виде пластин 17 и установить их в прорезях 16 статора 1. При этом касательная к средней линии 15 поперечного сечения лопатки 4 и хорда 12, будут параллельны соответственно поверхности лопатки 4 и передней кромке 6. Отсечные кромки 7 разделителя 5 выполнены конгруэнтно передней кромке 6 лопатки 4, то есть совпадают с ними при наложении, что одновременно обеспечивает максимальное использование длины рабочей камеры и максимальное использование длины передней кромки лопатки для уменьшения перетечек рабочей среды.In the stator 1, you can make slots 16, and the blades 4 to make in the form of plates 17 and install them in the slots 16 of the stator 1. Moreover, the tangent to the midline 15 of the cross section of the blades 4 and the chord 12 will be parallel to the surface of the blades 4 and the front edge 6, respectively The cut-off edges 7 of the separator 5 are made congruent to the leading edge 6 of the blade 4, that is, coincide with them when superimposed, which at the same time ensures maximum use of the length of the working chamber and maximum use of the length of the leading edge of the blade to reduce eretechek working environment.

Расстояние между центрами отсечных кромок разделителя целесообразно выполнить не более четырех расстояний между центрами передних кромок соседних лопаток, что позволяет более эффективно использовать длину рабочей камеры для уменьшения перетечек рабочей среды из участка с высоким давлением в участок с низким.The distance between the centers of the cutoff edges of the separator, it is advisable to make no more than four distances between the centers of the leading edges of adjacent blades, which allows more efficient use of the length of the working chamber to reduce the flow of the working medium from the high-pressure section to the low-pressure section.

Для подвода и отвода рабочей среды в камеру 3 в роторе 2 выполнены каналы 18 и 19, расположенные с противоположных сторон разделителя 5.For supplying and discharging the working medium into the chamber 3 in the rotor 2, channels 18 and 19 are made, located on opposite sides of the separator 5.

При работе роторно-вихревой машины в режиме двигателя поток рабочей среды через канал 18 подается в рабочую камеру 3, где под действием торообразных участков поверхности статора 1 и ротора 2 и лопаток 4 приобретает вихреобразный характер, исключающий возможность ее свободного перетекания по рабочей камере 3 в канал 19 отвода среды. В результате разделитель 5 оказывается под действием перепада давлений рабочей среды, и ротор 2, с которым связан разделитель, совершает вращательное движение, которое передается на связанный с ним вал машины.When the rotor-vortex machine is in the engine mode, the flow of the working medium through the channel 18 is supplied to the working chamber 3, where, under the action of toroidal sections of the surface of the stator 1 and the rotor 2 and the blades 4, it acquires a vortex-like character, which excludes the possibility of its free flow over the working chamber 3 into the channel 19 removal of the environment. As a result, the separator 5 is exposed to a differential pressure of the working medium, and the rotor 2, to which the separator is connected, performs a rotational movement, which is transmitted to the associated shaft of the machine.

При работе машины в режиме насоса или компрессора при вращении ротора 2, рабочая среда под воздействием на нее разделителя 5, лопаток 4 и торообразных участков поверхностей статора 1 и ротора 2 приобретает вихреобразное движение. Такое движение рабочей среды препятствует ее свободному перетеканию по рабочей камере 3 в направлении вращения ротора 3 от канала 18 к каналу 19. В результате вихреобразный поток рабочей среды под давлением направляется разделителем 5 в канал 19, а через канал 18 в рабочую камеру 3 засасывается новое количество рабочей среды.When the machine is in pump or compressor mode during rotation of the rotor 2, the working medium under the influence of the splitter 5, blades 4 and toroidal sections of the surfaces of the stator 1 and rotor 2 acquires a swirling motion. This movement of the working medium prevents its free flow over the working chamber 3 in the direction of rotation of the rotor 3 from the channel 18 to the channel 19. As a result, the eddy-like flow of the working medium under pressure is directed by the separator 5 into the channel 19, and a new quantity is sucked through the channel 18 into the working chamber 3 working environment.

Изменение отношения (R/h) максимального радиуса рабочей полости машины к ширине ее сечения, например в сторону увеличения, связано с увеличением максимального радиуса рабочей полости (из условия сохранения расходной характеристики машины) и приводит, с одной стороны, к увеличению утечек из рабочей полости по щелевым зазорам между ротором и статором за счет увеличения площади проходного сечения щелевого зазора между ротором и статором, а с другой стороны, - к уменьшению перетечек рабочей среды из участка с высоким давлением в участок с низким давлением по рабочей полости за счет увеличения длины рабочей полости. Кроме того, увеличение R приводит к увеличению центробежного ускорения, сообщаемого рабочей среде ротором, и тем самым к более интенсивному вихреобразованию на входе рабочей среды в рабочую полость, что в итоге приводит к уменьшению перетечек по рабочей полости. Экспериментальные данные показали, что предлагаемое выполнение лопатки является оптимальным с точки зрения соотношения указанных выше характеристик, а также является оптимальным с точки зрения гидравлических потерь за счет трения рабочей среды о лопатки, ротор и статор.A change in the ratio (R / h) of the maximum radius of the working cavity of the machine to the width of its cross section, for example, in the direction of increase, is associated with an increase in the maximum radius of the working cavity (from the condition of maintaining the flow characteristics of the machine) and leads, on the one hand, to an increase in leakages from the working cavity along slit gaps between the rotor and the stator due to the increase in the cross-sectional area of the slit gap between the rotor and the stator, and, on the other hand, to reducing leakage of the working medium from the high-pressure section to the low-pressure section m pressure through the working cavity by increasing the length of the working chamber. In addition, an increase in R leads to an increase in centrifugal acceleration imparted by the rotor to the working medium, and thereby to a more intensive vortex formation at the inlet of the working medium into the working cavity, which ultimately leads to a decrease in overflows along the working cavity. Experimental data showed that the proposed implementation of the blades is optimal in terms of the ratio of the above characteristics, and is also optimal in terms of hydraulic losses due to friction of the working medium against the blades, rotor and stator.

Claims

1. A rotary vortex machine containing a stator and a rotor, between which a working chamber is formed, connected with channels for supplying and discharging the working medium, the width h of the working chamber cross-section being equal to the difference between its maximum and minimum radii, defined respectively as the distance from the machine axis to the farthest point of the working cavity and the distance from the axis to the closest point, in the working chamber there are blades and a separator associated with the stator and rotor, respectively, each blade contains a leading edge facing the rotor, and the separator is made with cut-off edges congruent to the leading edge of the blade and restricting the portion of the surface of the separator facing the front edges of the blades, in which the blade is installed at an angle β = 0-26 °, characterized in that the angle of direction of the leading edge of the blade lies in the range α = 0-70 °, and the thickness of the blade from its edge to 0.8h increases linearly with a proportionality coefficient of 0.1 ÷ 0.2.

2. The rotary vortex machine according to claim 1, characterized in that the ratio of the maximum radius of the working cavity to the width of its section lies in the range 4.5 ÷ 9.5.