SU867325A3 - Многопоточный волновой обменник давлени - Google Patents

Description

Изобретение относится к машино строению, а именно к машинам, использующим ударные волны для сжатия одно го газообразного рабочего тока другим. Известны многопоточные волновые обменники давления, содержащие ротор с периферийным бандажом, центральной втулкой и по меньшей мере одной промежуточной трубой, отделяющей в роторе охватывающий и охватываемый концентричные потоки, разделенный на ячейки при помощи боковых стенок, которые смещены в каждом потоке по отношению к боковым стенкам соседнего потока на полшага, корпус, охва- 15 тывающий бандаж, и расположенные По торцам ротора, снабженные карманами воздушный и газовый кожухи с каналами подвода и отвода воздуха и газа к ячейкам ротора через окна с управляющими боковыми кромками [1].

Смещение боковых стенок ячеек в каждом потоке позволяет снизить уровень аэродинамического шума, однако шум у таких обменников давления оста- ется достаточно высоким. Кроме того,кольцевая форма поперечного сечения промежуточных труб не способствует компенсации тепловых напряжений, .

а масса труб вызывает дополнительные 30 центробежные нагрузки. Предлагаемое изобретение позволяет устранить эти недостатки.

Цель изобретения - снижение шума.

Для достижения поставленной цели ячейки охватывающего потока в сечении, перпендикулярном оси ротора, выполнены со смещением точек Пересе- . чения средних линий боковых стенок со средней линией промежуточной трубы в сторону бандажа по сравнению с точками пересечения с той же линией боковых стенок ячеек охватываемого потока.

Промежуточная труба в сечении, перпендикулярном оси·, может быть выполнена зигзагообразной или'Волнистой.

Каналы газового кожуха могут быть разделены при помощи перегородок на потоки в соответствии с потоками ротора.

Потоки в роторе могут быть равными или по площади, или по высоте.

(Карманы в газовом и воздушном кожухе могут быть разделены перегородками в радиальном направлении.

Окна в воздушном и/или газовом кожухе могут быть выполнены с расположением по меньшей мере одной из управляющих кромок на касательной к воображаемой вспомогательной окру жности, концентричной ротору.

Управляющие боковые кромки окон в пределах каждого потока могут быть выполнены S-образными.

Боковые стенки ячеек могут быть выполнены расширяющимися по направлению к их пересечению с бандажом, втулкой и промежуточной трубой.

На фиг. 1 показан двухпоточный обменник давления, продольный разрез; на фиг. 2 - вид на окна для газа и воздуха в кожухах; на фиг. 3 - сечение по ротору, показанному на фиг.1; на фиг. 4 - выполнение управляющих кромок окон по предпочтительному варианту реализации; на фиг. 5 - предпочтительный вариант выполнения окон; на фиг. 6 - предпочтительный вариант выполнения стенок и их сопряжения с бандажом, втулкой и промежуточной трубой.; на фиг. 7 - один из вариантов выполнения промежуточной трубы;на фиг. 8 - вариант выполнения ротора с неодинаковыми ячейками; на фиг. 9 - трехпоточный ротор.

Корпус 1 охватывает ротор 2, который жестко связан с валом 3, установленным в подшипниках с возможностью вращения в двух опорах 4 и 5, соединен с приводом при помощи шкива 6 и клиноременной передачи.

Газовый кожух 7 выполнен с каналами 8 и перегородками 9, отделяющими в каждом канале потоки в соответствии с потоками ротора. Между втулкой 10 и бандажом 11 в роторе размещена промежуточная труба 12, отделяющая в роторе охватываемый 13 и охватывающий 14 потоки. Из представленного на фиг.З сечения видно, что втулка 10 и бандаж 11 выполнены цилиндрическими, а промежуточная труба 12 в сечении, перпендикулярном оси, выполнена зигзагообразной. Оба потока 13 и 14 разделены на ячейки при помощи боковых стенок 15 и 16 на внутренние и наружные ячейки 17 и 18, которые в каждом потоке смещены по отношению к боковым стенкам соседнего потока, преимущественно на полшага. При этом площади, занимаемые всеми ячейками, включая стенки, в каждом потоке, могут быть равны. Потоки могут быть выполнены равными по высоте. Точки пересечения средних линий боковых стенок 16 ячеек 18 охватывающего потока 14 со средней линией промежуточной трубы 12 смещены в сторону-бандажа 11 по сравнению с точками пересечения с той же линией боковых стенок 15 охватываемого потока 13, и примыкают к вершинам зигзагообразной промежуточной трубы 12.

На фиг. 2 показан вид на фланец газового корпуса 8 по сечению 11-11, приведенному на фиг. 1. Позицией 19 отмечены два входных потока впускных каналов для напорного газа, позицией 20 - карманы, расширяющие область эксплуатации обменника давления, а позицией 21 - окна для выпуска отработавшего газа.

Аналогичный вид имеет фланец воздушного кожуха 22.

Управляющая кромка 23 окна выпуска отработавшего газа выполнена прямолинейной. Она пересекается с радиальной прямой 24, проходящей через ось ротора, образует с ней угол 25 и расположена на касательной к воображаемой вспомогательной окружности 26, концентричной ротору. Вторая, по направлению вращения задняя, управляющая кромка 27 также расположена под углом к соответствующей радиальной прямой.

Другой вариант выполнения управляющих кромок приведен на фиг. 5 для окон выпуска сжатого воздуха. Управляющие кромки 28 и 29 выполнены S-образными. При этом открывающая управляющая кромка 28 обеспечивает большой прирост сечения в первой фазе открытия. Промежуточная труба показана кольцевой и не имеет преимуществ по сравнению с зигзагообразной или волнистой, частично показанной на фиг. 7.

Зигзагообразная конструкция промежуточной трубы 12 (фиг. 3) имеет преимущества с точки зрения прочности по сравнению с обычной кольцевой трубой. В последней при эксплуатации возникают значительные изгибающие напряжения, у которых максимальное растягивающее напряжение достигает предела текучести при растяжении для материала ротора, имеющего относительно невысокое значение Из-за высокой эксплуатационной температуры. Зигзагообразная промежуточная труба 30 (фиг. 6) и волнистая (фиг. 7) работают с меньшими наппряжениями из-за отсутствия изгибающих моментов у перехода к стенкам и 33. Смещение точки 34 пересечения обеспечивает меньшее расширение бандажа, но при этом нагружается втулка. Отсюда следует более равномерное распределение напряжений и тем самым лучшее использование материала, что позволяет уменьшить толщину стенки в середине по сравнению с толщиной у пересечения с бандажом, втулкой и промежуточной трубой. Результатом является дополнительное преимущество - снижение момента инерции масс ротора и меньшая мощность на ускорение.

Перегородки 35 делят карманы в радиальном направлении в соответствии с потоками ротора.

Так как выполнение обменника давления многопоточным уменьшает длину ротора, то знакопеременные нагрузки, действующие на стенки из-за разности давлений, также уменьшаются, что способствует уменьшению толщины стенок. Местное увеличение этой толщины способствует уменьшению напряжений в местах заделки.

В роторе (фиг. 8) промежуточная труба выполнена волнистой, а ячейки каждого из потоков выполнены различ- ной ширины для получения более разномерного и физиологически лучше переносимого спектра шумов. При этом по определенной расчитываемой схеме ,чередуется некоторое количество узких ячеек с некоторым количеством широких ячеек. Стенки в потоках при этом также смещены примерно на полшага.

Ротор по фиг. 9 выполнен трехпоточным с зигзагообразными промежуточными трубами и смещением боковых стенок в каждом потоке приблизительно на полшага по сравнению со стенками соседнего потока так., что стенки охватывающего внешнего потока и охватываемого внутреннего потока лежат на одной радиальной линии.

В процессе работы в ячейках происходит обмен давления между газом и воздухом в результате распространения прямых и отраженных волн давления .

При этом за счет деления ячеек на два потока повышается вдвое число импульсов давления, генерирующих шум. Смещение ячеек на полшага обеспечивает смещение импульсов давления ровно на половину периода. Благодаря возникающей таким образом интерференции уменьшается амплитуда основной частоты. Действенность этого мероприятия в значительной мере зависит от спектра шума, создаваемого ротором. Доля высших гармоник при генерации шума сравнительно мала; уже вторая гармоническая составляющая на 20 децибелл тише, чем шум создаваемый основной частотой. Но фактически не удается достичь полного гашения основной частоты. Теоретически это было бы возможно при бесконечно малой высоте ячеек, так как колебания* давления могут взаимно влиять друг на друга только в непосредственной близости от промежуточной трубы.

Смещение радиально внутрь ячеек концевых стенок 16 ячеек охватывающего потока 14 и соответствующее смещение стенок охватываемого потока расширяет полосу действия смещения стенок на полшага.

Так как наряду с основной частотой имеются и другие гармонические частоты, а благодаря смещению стенок уменьшается только амплитуда основной частоты и нечетные гармоники, то в оставшемся шумовом спектре доминируют только четные гармоники основной частоты. Деление потоков при равенстве высот более благоприятно с точки зрения термодинамики, в то время как деление при равенстве площадей обеспечивает более эффективное уменьшение шума. То есть, если уменьшение уровня шума является первоочередной задачей, то· осуществляется деление на равные площади.

Наклонное положение управляющих кромок 23 и 27 по отношению к стенкам ячеек обеспечивает безударный вход потока воздуха или газа и постепенное нарастание сечения, что снижает связанный с этим шум.

S-образная форма управляющей кромки обеспечивает аналогичный акустический эффект. При этом каждая ячейка сообщается с двумя смещенными на половину шага кромками с соответствующей интерференцией звуковых волн и уменьшением шума.

Таким образом шум, создаваемый предлагаемым обменником- давления, существенно снижается.

Claims (8)

1. Изобретение относитс  к машиностроению , а именно к машинам, исполь зующим ударные волны дл  сжати  одно го газообразного рабочего тока други Известны многопоточные волновые обменники давлени , содержащие ротор с периферийным бандажом, центральной втулкой и по меньшей мере одной промейсуточной трубой, отдел ющей в роторе охватывающий и охватываемый концентричные потоки, разделенный на- чейки при помощи боковых стенок, которые смещены в каждом потоке по отношению к боковым стенкам соседнего потока на полшага, корпус, охватывающий бандаж, и расположенные По торцам ротора, снабженные карманами воздушный и газовый кожухи с каналами подвода и отвода воздуха и газа к  чейкам ротора через окна с управл ющими боковыми кромками 1 Смещение боковых стенок  чеек в каждом потоке позвол ет снизить уровень аэродинамического шума, однако шум у таких обменников давлени  оста етс  достаточно высоким. Кроме того кольцева  форма поперечного сечени  промежуточных труб не способствует компенсации тепловых напр жений, . а масса труб вызывает дополнительные центробежные нагрузки. Предлагаемое изобретение позвол ет устранить эти недостатки. Цель изобретени  - снижение шума. Дл  достижени  поставленной цели  чейки охватывающего потока в сечении , перпендикул рном оси ротора, выполнены со смещением точек пересечени  средних линий боковых стенок со средней линией промежуточной трубы в сторону бандажа по сравнению с точками пересечени  с той же линией боковых стенок  чеек охватываемого потока. Промежуточна  труба в сечении, перпендикул рном оси-, может быть выполнена зигзагообразной ил и; волнистой. Каналы газового кожуха могут быть разделены при помощи- перегородок на потоки в соответствии с потоками ротора. Потоки в роторе могут быть равными или по площади, или по высоте. |Карманы в газовом и воздушном кожухе могут быть разделены перегородками в радиальном направлении. Окна в воздушном и/или газовом кожухе могут быть выполнены с расположением по меньшей мере одной из управл ющих кромок на касательной к воображаемой вспомогательной окруж ности, концентричной ротору. Управл ющие боковые кромки окон в пределах каждого потока могут быть выполнены S-образными. Боковые стенки  чеек могут быть выполнены расшир ющимис  по направле нию к их пересечению с бандажом, втулкой и промежуточной трубой. На фиг.1 показан двухпоточный обменник давлени , продольный разрез; на фиг. 2 - вид на окна дл  газ и воздуха в кожухах; на фиг. 3 - сеч ние по ротору, показанному на фиг.1 на фиг. 4 - выполнение управл ющих кромок окон по предпочтительному варианту реализации; на фиг. 5 - предпочтительный вариант выполнени  окон на фиг. б - предпочтительный вариант выполнени  стенок и их сопр жени  с бандажом, втулкой и промежуточной трубой.; на фиг. 7 - один из вариантов выполнени  промежуточной трубы;на фиг. 8 - вариант выполнени  ротора с неодинаковыми  чейками; на фиг. 9 - трехпоточный ротор. Корпус 1 охватывает ротор 2, который жестко св зан о валом 3, установленным в подшипниках с возможностью вращени  в двух опора 4 и 5, соединен с приводом при помощи шкива б и клиноременной переда чи. Газовый кожух 7 выполнен с каналами 8 и перегородками 9, отдел ющи ми в каждом канале потоки в соответ ствии с потоками ротора. Между втул кой Ю и бандажом 11 в роторе размещена промежуточна  труба 12, отде л юща  в роторе охватываемый 13 и охватывающий 14 потоки. Из представ ленного на фиг.З сечени  видно, что втулка 10 и бандаж 11 выполнены цилиндрическими, а промежуточна  труба 12 в сечении, перпендикул рно оси, выполнена зигзагообразной. Оба потока 13 и 14 разделены на  чейки при помощи боковых стенок 15 и 16 на внутренние и наружные  чейки 17 и 18, которые в каждом потоке смещены по отношению к боковым стенкам соседнего потока, преимущественно на полшага. При этом площади, заним мые всеми  чейками, включа  стенки, в -каждом потока, могут быть равны. Потоки могут быть выполнены равными по высоте. Точки пересечени  средни линий боковых стенок 16  чеек 18 охватывающего потока 14 со средней линией промежуточной трубы 12 смещены в сторону бандажа 11 по сравнению с точками пересечени  с той же линией боковых стенок 15 охватываемого потока 13, и примыкают к вершинам зигзагообразной промежуточной трубы 12. На фиг. 2 показан вид на фланец газового корпуса 8 по сечению 11-11 приведенному на фиг. 1. Позицией 19 отмечены два входных потока впускных каналов дл  напорного газа, позицией 20 - карманы, расшир ющие область эксплуатации обменника давлени , а озицией 21 - окна дл  выпуска отраотавшего газа. й налогичный вид имеет фланец возушного кожуха 22. Управл юща  кромка 23 окна выпуска отработавшего газа выполнена пр молинейной . Она пересекаетс  с радиальной пр мой 24, проход щей через ось ротора, образует с ней угол 25 и расположена на касательной к воображаемой вспомогательной окружности 26, концентричной ротору. Втора , по направлению вращени  задн  , управл юща  кромка 27 также расположена под углом к соответствующей радиальной пр мой. Другой вариант выполнени  управл ющих кромок приведен на фиг. 5 дл  окон выпуска сжатого воздуха. Управл ющие кромки 28 и 29 выполнены S-образными . При этом открывающа  управл юща  кромка 28 обеспечивает большой прирост сечени  в пе:рвой фазе открыти . Промежуточна  труба показана кольцевой и не имеет преимуществ по сравнению с зигзагообразной или волнистой, частично показанной на фиг. 7. Зигзагообразна  конструкци  промежуточной трубы 12 (фиг. 3) имеет преимущества с точки зрени  прочности по сравнению с обычной кольцевой трубой. В последней при эксплуатации возникают значительные изгибающие напр жени , у которых максимальное раст гивающее напр жение достигает предела текучести при раст жении дл  материала ротора, имеющего относительно невысокое значение из-за высокой эксплуатационной температуры . Зигзагообразна  промежуточна  труба 30 (фиг. 6) и волниста  31(фиг. 7) работают с меньшими наппр жени ми из-за отсутстви  изгибающих моментов у перехода к стенкам 32и 33. Смещение точки 34 пересечени  обеспечивает меньшее расширение бандажа, но при этом нагружаетс  втулка. Отсюда следует более равномерное распределение напр жений и тем самым лучшее использование материала , что позвол ет уменьшить толщину стенки в середине по сравнению с толщиной у пересечени  с бандажом , втулкой и промежуточной трубой . Результатом  вл етс  дополнительное преимущество - снижение момента инерции масс ротора и меньша  мощность на ускорение. Перегородки 35 дел т карманы в радиальном направлении в соответствии с потоками ротора. Так как выполнение обменника давлени  многопоточным уменьшает длину ротора, то знакопеременные нагрузки. действующие на стенки из-за разност давлений, также уменьшаютс , что способствует уменьшению толщины сте нок. Местное увеличение этой толщин способствует уменьшению напр жений в местах заделки. В ротора (фиг. 8) промежуточна  труба выполнена волнистой, а  чейки каждого из потоков выполнены различ ной ширины дл  получени  более разномерного и физиологически лучше переносимого спектра шумов. При это по определенной расчитываемой схеме ,чередуетс  некоторое количество узких  чеек с некоторым количеством широких  чеек. Стенки в потоках при этом также смещены примерно на полшага. Ротор по фиг. 9 выполнен трехпоточным с зигзагообразными промежуточными трубами и смещением боковы стенок в каждом потоке приблизитель но на полшага по сравнению со стенками соседнего потока так., что стен ки охватывающего внешнего потока и охватываемого внутреннего потока лежат на одной радиальной линии. В процессе работы в  чейках про исходит обмен давлени  между газом и воздухом в результате распространени  пр мых и отраженных волн давлени . При этом за счет делени   чеек на два потока повышаетс  вдвое число импульсов давлени , генерирую щих шум. Смещение  чеек на полшага обеспечивает смещение импульсов дав лени  ровно на половину периода. Благодар  возникающей таким образом интерференции уменьшаетс  амплитуда основной частоты. Действенность этого меропри ти  в значительной мере зависит от спектра шума, созда ваемого ротором. Дол  высших гармоник при генерации шума сравнитель но мала; уже втора  гармоническа  составл юща  на 20 децибелл тише, чем шум создаваемый основной частотой . Но фактически не удаетс  достичь полного гашени  основной часто ты. Теоретически это было бы возмож но при бесконечно малой высоте  чее так как колебани  давлени  могут взаимно вли ть друг на друга только в непосредственной близости от промежуточной трубы. Смещение радиально внутрь  чеек концевых стенок 16  чеек охватывающего Потока 14 и соответствующее смещение стенок охватываемого поток расшир ет полосу действи  смещени  стенок на полшага. Так как нар ду с основной частотой имеютс  и другие гармонические частоты, а благодар  смещению стенок уменьшаетс  только амплитуда основной частоты и нечетные гармоники , то в оставшемс  шумовом спектре доминируют только четные гармоник основной частоты. Деление потоков при равенстве высот более благопри  но с точки зрени .термодинамики, в то врем  как деление при равенстве площадей обеспечивает более эффективное уменьшение шума. То есть, если уменьшение уровн  шума  вл етс  первоочередной задачей, то осуществл етс  деление на равные площади. Наклонное положение управл ющих кромок 23 и 27 по отношению к стенкам  чеек обеспечивает безударный вход потока воздуха или газа и постепенное нарастание сечени , что снижает св занный с этим шум. S-образна  форма управл ющей кромки обеспечивает аналогичный акустический эффект. При этом кажда   чейка сообщаетс  с двум  смещенными на половину шага кромками с соответствующей интерференцией звуковых волн и уменьшением шума. Таким образом шум, создаваемый предлагаемым обменником. давлени , существенно снижаетс . Формула изобретени  1. Многопоточный волновой обменник давлени , содержащий ротор с периферийным бандажом, центральной втулкой и по меньшей мере одной промежуточной трубой, отдел ющей в роторе охватывающий и охватываемый концентричные потоки, разделенный на  чейки при помощи боковых стенок, которые смещены в каждом потоке по отношению к боковым стенкам соседнего потока на полшага, корпус, охватывающий бандаж, и расположенные по торцам ротора, снабженные карманами воздушный и газовый кожухи с каналами подвода и отвода воздуха и газа к  чейкам ротора через окна с управл ющими боковыми кромками, о т л и ч а ющ и и с   тем, что, с целью снижени  шума,  чейки охватывающего потока в сеч:ении, перпендикул рном оси ротора, выполнены со смещением точек пересечени  средних линий боковьзх стенок со средней линией промежуточной трубы в сторону бандажа по сравнению с точками пересечени  с той же линией боковых стенок  чеек охватываемого потока.
2. 2.Обменник давлени  по п. 1, отичающийс  тем, что проежуточна  труба в сечении, перпеникул рном оси, выполнена зигзагобразной .
3. 3.Обменник давлени ПО п. 1,о тичающийс  тем, что промеуточна  труба в сечении, перпендиул рном оси, выполнена волнистой.
4. 4.Обменник давлени  по п. 1, отичающийс  тем, что каналы азового кожуха разделены .три помощи перегородок на потоки, в соответствии с потоками ротора.
5. 5.Обменник давлени  по п, 1, отличающийс  тем, что потоки в роторе выполнены равными по площади .
6. 6.Обменник давлени  по п. 1, отличающийс  тем, что потоки в роторе выполнены равными по высоте .
7. 7.-Обменник давлени  по п. 1, 5, 6, отличающийс  тем, что карманы в газовом и воздушном кожухе разделены перегородками в радиальном направлении.
8. 8.Обменник давлени  по п. 1, о тличающийс  тем, что окна в воздушном и/или газовом кожухе выполнены с расположением по меньшей 3 13 1 0 2 86732 5 to 15 8 мере одной из управл ющих кромок на касательной к воображаемой вспомогательной окружности, концентричной ротору. 9,Обменник давлени  по п,1, отличающийс  тем, что управл ющие боковые кромки окон в пределах каждого потока выполнены S-образными .. 10.Обменник давлени  по п. 1, отличающийс  тем, что боковые стенки  чеек выполнены расшир ющимис  по. напрар -эчию к их пересечению с бандажом, втулкой и промежуточной трубой. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3109580,кл.417-64, опублик. 1963. J2 11

   867325