Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_5042
.pdf
При такой конструкции ротор вращается, прокачивая жидкость через пространство входных направляющих
лопаток в осевом направлении и придавая жидкости вихревую скорость истечения, которая постоянна на всех
радиусах, при этом осевая скорость потока является равномерной. Эта осевая скорость потока определяет
количество жидкости, перекачиваемой насосом 90, а скорость вращения преобразуется в энергию напора или
давления на выходных направляющих лопатках.
Будет замечено, что скольжение велико вблизи выступа и уменьшается радиально на 95 градусов к
периферии. С другой стороны, величина создаваемого потока прямо пропорциональна радиусу.
Распределение напора по площади роторного диска, таким образом, может быть графически представлено
поверхностью конуса, соосного с ротором и имеющего вершину, направленную вниз.
В случае с настоящим винтовым ротором, напротив, распределение головки ротора представляется
поверхностью параболоида вращения. 105 Принимая одинаковое среднее эффективное давление для обоих
типов роторов и пренебрегая диаметром ступицы, можно показать, что максимальная ордината давления
(которая в каждом случае возникает на периферии ротора) для ротора с постоянным вихревым движением
составляет три четверти от таковой для истинного винтового ротора того же диаметра.
Разница между градиентами напора для ротора с постоянным вихревым движением и 115 для эквивалентного
истинного винтового ротора становится особенно заметной, даже при учете малых соотношений диаметров
ступиц. При диаметрах ступиц роторов, составляющих лишь 30% от диаметров роторов (120, как указывалось
ранее), соотношение между изменениями напора составляло 1 к 3 в пользу ротора с постоянным вихревым
потоком.
Результаты, которые почти столь же удовлетворительны с точки зрения распределения напора по роторному
диску, могут быть получены также в том случае, если распределение шага лопастей будет таким, которое
даст лишь приближение к условиям постоянного вихревого движения. Однако следует помнить, что любое
вращение (путем вращения лопаток вокруг их осей) может быть удобно осуществлено с помощью простого
фитинга малого диаметра, установленного концентрично с осью ротора. Кроме того, такие лопатки могут быть
изготовлены с наклонными или фигурными кромками, а не соответствовать обычному прямоугольному
контуру. Хотя направляющие лопатки сбалансированного типа особенно подходят для использования в
турбине, согласно данному изобретению, они также могут быть использованы в насосе.
Когда соотношение напора и объема перекачиваемой жидкости делает это необходимым, как с винтовыми
насосами, так и с турбинами, на одном валу можно установить несколько роторов, рассчитанных на
приблизительно постоянное вращение, и они будут работать последовательно, при этом комплекты
неподвижных или регулируемых направляющих лопаток могут располагаться попеременно с роторами.
Изобретение может быть реализовано на практике различными способами, но ниже приведены некоторые
удобные конструкции насосов и турбин, созданные в соответствии с ним.
Простая конструкция осевого насоса включает в себя лопаточный ротор, работающий между двумя
комплектами направляющих лопаток, расположенных соосно с ротором и рядом с ним, и окруженный
цилиндрическим корпусом с раструбным входным отверстием. Лопасти ротора крепятся к основанию
цилиндрическим выступом соответствующего диаметра.
Шаг лопастей, который является равномерным в осевом направлении при любом заданном радиусе,
уменьшается радиально наружу таким образом, что придает потоку жидкости, на который воздействует ротор,
скорость завихрения на выходе, имеющую одинаковое линейное значение при всех радиусах. Площадь
поперечного сечения, доступная для потока жидкости между лопатками, пропорциональна таким образом, что
осевая составляющая потока остается постоянной на всех радиусах. В этих условиях станет ясно, что угол
абсолютного истечения из ротора (т. е. угол наклона траектории каждой отдельной частицы жидкости к
поперечной плоскости выхода из ротора) остается постоянным на всех радиусах.
Впускные и выпускные направляющие лопатки установлены в корпусе насоса на своих наружных концах и в
соответствующих выступах на своих внутренних концах, причем выступы также содержат подшипники для
вала ротора. Направляющие лопатки на входе расположены преимущественно на поверхностях,
ориентированных вдоль оси, и их основная функция заключается в предотвращении чрезмерного завихрения
и равномерном направлении жидкости вдоль оси к ротору. Однако края входных лопаток, прилегающих к
ротору, предпочтительно слегка изогнуты в направлении вращения ротора, чтобы избежать значительного
отклонения от условия постоянного вихревого движения, если это не сопровождается соответствующим
изменением осевой скорости потока, что приведет к изменению угла абсолютного потока со стороны выхода
ротора и, следовательно, потребует более сложной формы выходных направляющих лопаток.
Как уже упоминалось, заданный угол захвата для выходных направляющих лопаток является строго
правильным только для определенного сочетания количества и напора при любой заданной скорости
вращения. Следовательно, насос будет работать с максимальной эффективностью только при такой
комбинации или при некоторых других комбинациях количества и напора при других скоростях вращения.
Нередко возникает необходимость в средствах, позволяющих с высокой эффективностью обрабатывать
различные комбинации количества и напора при заданных скоростях вращения.
Этого можно добиться, обеспечив возможность вращения каждой отдельной направляющей лопатки
выходного отверстия вокруг продольной оси. Таким образом, каждая лопатка может быть выполнена с
фланцевым диском на внешнем конце, а внутренний конец остается свободным. Затем лопатки можно
регулируемо установить на подходящие опоры внутри корпуса или вставить через соответствующие
отверстия в корпусе так, чтобы их внутренние концы приблизились к ступице ротора или к отдельному
штуцеру. Для одновременной регулировки угла наклона лопаток могут использоваться подходящие внешние
средства, такие как, например, кривошипы, приводимые в действие кольцом или тягами, или любое
аналогичное устройство, работающее вручную или с помощью электропривода, в тех случаях, когда
индивидуальной регулировки лопаток недостаточно для удовлетворения требований.
— Вместо установки направляющих лопаток на выходе рядом с ротором, иногда может быть
предпочтительнее предусмотреть зазор между этими элементами. Если ротор или набор направляющих
лопаток сделать подвижными в осевом направлении, так чтобы изменять осевую длину этого зазора 50.1,
можно получить эффект, несколько похожий на тот, который достигается вращением лопаток вокруг их осей,
поскольку условия течения жидкости, выходящей из ротора, будут соответствовать условиям вынужденного
или сложного вихря 551, и эти условия будут стремиться измениться в зазоре на условия свободного вихря.
Таким образом, абсолютное направление потока частиц жидкости будет изменяться на разных осевых
расстояниях от ротора, а осевая длина зазора может быть отрегулирована таким образом, чтобы угол захвата
выходных направляющих лопаток наиболее точно совпадал с абсолютным направлением потока.
Описанная в предыдущем абзаце конструкция также важна в случае, когда сам ротор не предназначен для
обеспечения точных условий постоянного вращения. В этом случае условия течения 70 при выходе жидкости
из ротора будут соответствовать условиям сложного вихря определенного типа, зависящим от закона,
регулирующего изменение шага лопастей ротора, а постепенный переход от этого вихря в форме шара к
свободному вихрю приведет к изменению соотношения между завихрением и радиусом на разных осевых
расстояниях от ротора. Абсолютное направление потока частиц жидкости также изменится, 80 и, таким
образом, станет возможным выбрать положение или диапазон положений выходных направляющих лопаток,
чтобы эти лопатки имели простую и удобную конструкцию без серьезной потери эффективности. 85
Аналогичные соображения применимы и к случаю, когда ротор не имеет постоянной вихревой конструкции, а
взаимодействует с входными направляющими лопатками витой формы для обеспечения...
создать постоянные условия завихрения или их приближение на 90 градусов. В этом случае входные
направляющие лопатки могут быть повернуты таким образом, чтобы обеспечить принудительную подачу
вблизи оси ротора и недостаточную подачу вблизи периферии. При использовании таких входных лопаток (95
градусов) теоретически возможно добиться постоянного вихревого движения на выходе из ротора, если
применяется настоящий винтовой ротор соответствующей осевой длины. Однако такая схема несколько
неэффективна ввиду больших вихревых и других неизбежных потерь. За счет создания ротора,
представляющего собой компромисс между истинным винтовым ротором и ротором с постоянным вихревым
движением, и соответствующего уменьшения степени закручивания входных лопаток, эти потери могут быть в
определенной степени снижены, в то время как условия нагнетания могут быть максимально приближены к
условиям постоянного вихревого движения.
До настоящего момента конструкции описывались с особым акцентом на их применение в качестве осевых
насосов.
В целом, однако, эти конструкции могут применяться в качестве осевых турбин. Однако иногда в конструкцию
винтовых турбин могут быть желательны модификации.
Рассмотрим сначала простую конструкцию 120, в которой ротор постоянного вихревого типа установлен
между двумя комплектами неподвижных направляющих лопаток, соосных с ротором и расположенных рядом
с ним. Входные направляющие лопатки турбины (которые ранее являлись выходными направляющими
лопатками 125 насоса) создают вихревое движение жидкости, поступающей в ротор. Жидкость воздействует
на лопасти ротора и заставляет его вращаться, при этом энергия вихревого движения жидкости
преобразуется в энергию крутящего момента 130 26S,037 гидравлических машин согласно изобретению.
Данная конструкция имеет особое значение в турбине и поэтому будет описана со ссылкой на нее, но следует
понимать, что в некоторых случаях она также может с успехом использоваться для осевого насоса.
В данной конструкции винтовой ротор 75, предназначенный для постоянного или приблизительно постоянного
вихревого движения, установлен таким образом, чтобы вращаться внутри вертикально расположенного
цилиндрического корпуса, предназначенного для нисходящего потока.
Приток жидкости в верхнюю часть этого нисходящего кожуха осуществляется горизонтально и может
происходить либо через ряд соответствующим образом расположенных каналов, либо через непрерывный
канал, образованный между двумя горизонтальными фланцами. Этот горизонтальный приток регулируется
рядом вертикально поворачивающихся лопаток уравновешенного типа (таких, как 85, которые обычно
используются в гидравлических турбинах, в которых поток направлен внутрь и вниз). Предусмотрены
подходящие средства для вращения лопаток вокруг их осей, при этом количество и размер лопаток
предпочтительно должны быть такими, чтобы при повороте всех лопаток в положение «боком» входной канал
был полностью закрыт. Вместо обычной прямоугольной формы направляющие лопатки при желании могут
иметь наклонные или закругленные края.
Эти лопатки создают вихревое движение жидкости, которая поступает в турбину под действием разницы
уровней в 100 единиц между напорным и отводным каналами машины. Условия завихрения, первоначально
создаваемые направляющими лопатками на входящий поток жидкости, соответствуют условиям
вынужденного вихря, в котором скорость завихрения прямо пропорциональна радиусу. Однако нисходящий
поток всё же происходит, и естественные условия, накладываемые на вихревой нисходящий поток,
соответствуют условиям свободного вихря, в котором скорость вращения обратно пропорциональна радиусу.
Интерференция со свободным вихревым состоянием и её сочетание с вынужденным вихревым состоянием
приводят к образованию составного вихря. 115 Таким образом, возникнет промежуточное состояние сложного
вихря, которое достаточно точно соответствует желаемым условиям постоянного завихрения.
Следовательно, если ротор расположен в нисходящем корпусе (120) в положении, где существует это
промежуточное условие, то подача жидкости к ротору будет осуществляться при приблизительно постоянных
условиях завихрения.
Предпочтительно, распределение шага лопастей ротора 125 должно соответствовать закону, определяющему
соотношение между вихревым движением и радиусом на выбранном промежуточном этапе между условиями
вынужденного и свободного вихревого движения. Это соотношение можно установить на 13[ в валу ротора.
При работе в условиях идеальной теоретической эффективности все вихревое движение будет отводиться от
жидкости и преобразовываться в крутящий момент, а при выходе жидкости из ротора ее абсолютное
направление потока будет осевым.
Как станет ясно, направляющие лопатки на выходе (которые в то время были направляющими лопатками на
входе насоса) станут ненужными и от них можно будет отказаться.
Однако в случаях, когда в жидкости, выходящей из ротора, сохраняется значительная скорость вращения,
иногда желательно уменьшить вероятность образования воздушного сердечника и ускорить выход жидкости
путем установки направляющих лопаток на выходе.
Вопросы, определяющие наклон кромок входных направляющих лопаток при их прилегании к ротору турбины,
в точности совпадают с вопросами, описанными в отношении выходных направляющих лопаток насоса. Таким
образом, при использовании ротора с постоянным вихревым потоком кромки входных направляющих лопаток
должны иметь постоянный наклон от основания до кончика, чтобы обеспечить постоянное абсолютное
направление потока жидкости, поступающей в ротор. Как и в насосе, фактический наклон этих направляющих
лопаток будет теоретически правильным только для одной определенной комбинации напора и объема, для
каждого значения скорости вращения ротора, а альтернативное расположение направляющих лопаток,
вращающихся вокруг своих продольных осей, имеет существенное значение в турбине, что станет ясно без
дальнейшего описания.
В турбине также допустимо некоторое отклонение от условий постоянного вихревого движения в расчетном
распределении шага лопастей по всему ротору, однако взаимодействие между ротором и соседними
направляющими лопатками с целью приближения к постоянному вихревому движению, как описано в
отношении насоса, имеет меньшую практическую ценность в турбине.
Описанное важное изменение конструкции насоса, заключающееся в обеспечении зазора постоянной или
переменной осевой длины между ротором и выходными направляющими лопатками насоса, имеет
существенное значение при его применении в турбине. В таких условиях наличие регулируемого зазора
позволяет добиться значительной гибкости в форме входных направляющих лопаток и в распределении шага
лопаток ротора, поскольку регулировка зазора и, как следствие, изменение управления абсолютным
направлением потока могут в значительной степени компенсировать влияние изменений в конструкции.
Это соображение приводит к важному альтернативному варианту компоновки I6,8,0 7, достаточно близкому к
условиям постоянного вихревого движения, и на практике потери эффективности будут сравнительно
незначительными, если ротор точно соответствует таким условиям. Предпочтительно, положение тотора
регулируется в осевом направлении, чтобы компенсировать изменения наиболее эффективного положения,
вызванные изменениями напора, количества и наклона входных направляющих лопаток.
В желаемой модификации описанной выше конструкции используется наклонный входной канал, оси
направляющих лопаток калитки наклонены таким образом, что они сходятся вверх на поверхности конуса,
соосного с ротором. Результатом этой модификации является изменение условий вихревого течения в
жидкости в верхней части входного канала, а также возможность достижения несколько более раннего и
«более точного» приближения к условиям постоянного вихревого течения в верхней части корпуса,
предназначенного для отвода потока вниз.
При использовании любой из вышеописанных конструкций в качестве турбины, как правило, нет
необходимости в направляющих лопатках на выходе, но если такие лопатки используются, они могут быть
расположены либо в виде неподвижных лопаток, либо в виде лопаток регулируемого типа, в наклонном или
горизонтальном выходном канале. В качестве альтернативы, они могут быть расположены соосно с ротором и
рядом с ним, аналогично тому, как это было описано в отношении более простых вариантов, упомянутых
ранее.
Конструкция, в которой регулируемые сбалансированные лопатки используются в сужающихся или
расходящихся кольцевых каналах по обеим сторонам ротора, представляет собой удобную практическую
конструкцию для реверсивной приливной турбины или реверсивного насоса, поскольку условия как на входе,
так и на выходе в любом направлении потока легко регулируются простыми внешними средствами,
воздействующими на направляющие лопатки.
В описанных выше конструкциях, где предусмотрен горизонтальный или наклонный входной канал, в
некоторых случаях может быть целесообразно использовать неподвижные направляющие лопатки вместо
сбалансированных направляющих лопаток, а аналогичный эффект может быть достигнут также путем
размещения входного отверстия в виде ряда тангенциально расположенных каналов или одного спирального
канала с направляющими лопатками или без них.
В некоторых случаях (будь то для насосов или турбин) условия работы могут потребовать использования двух
или более роторов, расположенных последовательно на одном валу, вместо одного ротора. Каждый ротор
предпочтительно изготавливается таким образом, чтобы обеспечивать постоянные условия вихревого
движения, а наборы направляющих лопаток (неподвижных или регулируемых) располагаются попеременно с
роторами. Таким образом, каждый промежуточный набор лопаток одновременно выполняет функции входного
набора лопаток для одного ротора и выходного набора лопаток для другого ротора, и форма лопаток имеет
соответствующее назначение. Концевые комплекты направляющих лопаток на входе и выходе могут
располагаться рядом с концевыми роторами или на некотором расстоянии от них, причем в последнем случае
они могут быть сбалансированного типа, как описано выше. 75 В другом варианте, который может быть
выгоден в определенных случаях для насосов, турбин или аналогичных гидравлических машин осевого типа,
два ротора, каждый из которых рассчитан на постоянное вращение под углом 80° или приблизительно
постоянное вращение, установлены рядом друг с другом на соосных валах, которые соединены между собой
посредством зубчатой передачи или иным способом таким образом, чтобы вращаться в противоположных
направлениях, 83 при этом один из роторов имеет правосторонние лопасти, а лопасти другого —
левосторонние.
При такой конструкции направляющие лопатки могут использоваться на входной стороне, но, как правило, на
выходной стороне в этом случае нет необходимости, поскольку второй ротор сам будет выполнять функции
таких направляющих лопаток. Таким образом, если два ротора практически идентичны друг другу 95 (за
исключением изменения направления вращения лопастей и учета гидравлических потерь), то вихревое
движение, создаваемое одним ротором, будет точно компенсировано другим ротором. Если два ротора имеют
существенно различное расстояние между валами (100), желаемую компенсацию вихревого движения все
равно можно получить, расположив зубчатую передачу между двумя валами таким образом, чтобы
обеспечить соответствующие относительные скорости вращения. Преимуществом такой конструкции
является то, что второй ротор будет адекватно выполнять функции направляющих лопаток на выходе при
любых условиях потока. Еще одно преимущество заключается в том, что большая мощность и напор могут
быть достигнуты при заданном диаметре ротора и заданной скорости вращения.
Во всех описанных конструкциях ротор может структурно изменяться различными способами, при этом
сохраняя условия постоянного вращения. Таким образом, оно может иметь открытую форму или же нести
цилиндрический, конический или иной кожух по периметру. Выступ может иметь цилиндрическую, коническую
или другую удобную для него форму.
Помимо радиального изменения шага лопастей для создания постоянного вихревого эффекта или его
приближения, лопасти ротора могут иметь осевой угол 125°.
Изменение шага лопастей без нарушения условия, при котором скорость вращения, передаваемая жидкости,
приблизительно одинакова на всех радиусах на выходе, 268,03'1. Лопасти ротора одинаково воздействуют на
направляющие лопатки.
Могут использоваться различные типы корпусов, наиболее подходящие для конструктивных особенностей
турбин и насосов, роторы которых рассчитаны на приблизительно равномерное вращение, а оси машин могут
быть вертикальными, горизонтальными или наклонными, в зависимости от конкретных условий эксплуатации.
Внутренние контуры корпусов должны быть такими, чтобы избежать резких изменений общего направления и
скорости потока жидкости и свести потери на трение и вихревые потери к практически минимальному уровню.
Следует понимать, что различные конструкции и устройства, описанные более подробно, приведены лишь в
качестве примера, и что в них могут быть внесены изменения, не выходящие за рамки изобретения.
Дата: 24 декабря 1925 года.
Компания KILBURN & STRODE, агенты заявителя.
от ротора насоса или на входе в ротор турбины.
Проекция лопаток на поперечной плоскости может иметь радиальные, тангенциальные или изогнутые кромки,
а площадь проекции может иметь такое распределение и такое соотношение к площади диска, которое
подходит для условий работы.
Проекция лопаток на плоскость, содержащую ось, может иметь прямые, наклонные или изогнутые кромки, а
направление одной кромки определяется как наиболее подходящее для условий работы; глубина лопатки и
контур другой ее кромки определяются шагом и распределением площади, проецируемой на поперечную
плоскость.
Цилиндрические сечения лезвий, взятые с любого радиуса, могут иметь параллельную толщину,
линзовидную, обтекаемую или другую подходящую форму в зависимости от условий работы, а кромки лезвия
могут быть закруглены.
Структурные аспекты, указанные в ПОЛНОЙ СПЕЦИФИКАЦИИ.
Усовершенствования, относящиеся к осевым гидравлическим машинам или связанные с ними.
Я, Джеймс Герберт Уорнмигретт Голд, подданный Великобритании, проживающий по адресу: Виндмилл,
Хичем, графство Норфолк, настоящим заявляю о характере данного изобретения и о способе его
осуществления, которые будут подробно описаны и установлены в следующем заявлении:
Данное изобретение относится к насосам, реактивным турбинам или другим гидравлическим машинам
винтового ротора, в которых общее направление потока жидкости у ротора является или становится
практически параллельным его оси. Для эффективной работы в качестве насоса или турбины такая машина
обычно требует наличия соответствующих направляющих лопаток с одной или обеих сторон ротора, а также
корпуса, форма которого способствует созданию эффективных условий потока.
В винтовом осевом насосе принудительное вращение ротора создает в рабочей жидкости спиральный поток,
который можно разложить на поток в осевом направлении и вихревое движение в окружном направлении. В
общем случае, пренебрегая различными потерями из-за трения, образования вихрей и утечек, а также
небольшим выигрышем от восстанавливаемой кинетической энергии осевого потока, можно сказать, что, хотя
осевая составляющая потока отвечает за количество обрабатываемой жидкости, вихревая составляющая
является фактором в выражении для давления или напора. Теоретически можно показать, что головка 85,
создаваемая на любом радиусе роторного диска, пропорциональна произведению вихревого движения и
окружной скорости ротора на этом радиусе, или, другими словами, пропорциональна произведению радиуса
90 и вихревого движения на этом радиусе при постоянной скорости вращения ротора.
В случае осевой винтовой турбины общие условия обратные, поскольку здесь вихревое движение жидкости,
которое приводится в действие разностью напоров, является важным фактором крутящего момента,
развиваемого на роторе, в то время как объем жидкости, необходимый для удовлетворения потребностей в
мощности, должен быть вмещен в поток со скоростью осевого течения.
Как в насосах, так и в турбинах осевого типа обычно необходимы направляющие лопатки на входной стороне
ротора, функция которых заключается в предотвращении возникновения неэффективного предварительного
завихрения в случае насосов и создании полезного предварительного завихрения в случае турбин, хотя
иногда удобно создавать предварительное завихрение для турбины с помощью спиральной вихревой камеры.
В насосах обычно необходимы направляющие лопатки на выходной стороне ротора, хотя иногда их могут
заменять вихревой камерой. Направляющие 115 268,037 лопаток на выходной стороне ротора редко
необходимы в турбинах, хотя они могут использоваться для выполнения определенных условий. - Основная
цель изобретения - состоит в создании простой конструкции осевой гидравлической машины, в которой
наиболее эффективные практические сочетания вихревого и осевого потока используются в условиях работы.
Для осевого насоса, лопатки ротора которого соответствуют обычной винтовой или спиральной траектории с
равномерным шагом, теория указывает на следующее:
Это указывает на то, что как поток в осевом направлении, так и скольжение являются равномерными на всех
радиусах роторного диска, в то время как вихревой поток на выходе прямо пропорционален радиусу, а
создаваемый напор прямо пропорционален квадрату радиуса. Таким образом, «кривая напора» представляет
собой параболу, а поверхность, показывающая распределение напора по роторному диску, представляет
собой параболоид вращения. Следовательно, существует большая разница между напором, создаваемым
вблизи оси ротора, и напором, создаваемым вблизи его периферии, и этот крутой градиент напора приводит к
тенденции обратного потока к центру диска ротора. Этот дефект привел к повсеместному использованию:
относительно больших диаметров выступов с целью уменьшения общего градиента напора и получения
более благоприятных гидродинамических условий — путем исключения нижнего диапазона значений напора.
Если рассматривать ситуацию исключительно с точки зрения распределения напора, идеальным условием
было бы равномерное распределение напора по всем радиусам, но на практике это влечет за собой
аномальные условия потока и неудобное распределение шага лопастей ротора, если не сохраняются очень
большие диаметры выступов. Было выдвинуто множество предложений, которые позволяют приблизиться к
равномерному распределению напора: среди них можно упомянуть конструкции, в которых скорость
вращения обратно пропорциональна радиусу; с целью, чтобы каждый элемент жидкости мог развивать
равный крутящий момент на роторе. При заданном среднем шаге и диаметре ротора и ступицы такие
конструкции имеют недостаток, заключающийся в том, что чрезмерно большая часть напора насоса должна
создаваться на малом радиусе, что влечет за собой либо увеличение среднего шага, либо увеличение
скорости вращения по сравнению с настоящим винтовым ротором того же размера при той же потребляемой
мощности. Увеличение среднего шага лопастей на 60 градусов усугубляет чрезмерный шаг в направлении
корней лопастей ротора, в то время как увеличение скорости вращения приводит к увеличению потерь на
трение; еще одно возражение в случае винтового винта на 65 градусов заключается в том, что направляющие
лопатки на выходе, а также лопасти ротора имеют тенденцию принимать сложные формы в распределении
шага.
Еще одной целью настоящего изобретения является, следовательно, такое расположение деталей 70
машины, которое позволит достичь наиболее выгодного практического компромисса в распределении
головки, в сочетании с простой и прочной конструкцией ротора, развивающего самые высокие удельные
скорости 75, что позволяет избежать нежелательных потерь на трение, при этом направляющие лопатки
имеют простую конструктивную форму.
- В гидравлической машине с осевым потоком согласно данному изобретению, в которой ротор 80 может
использоваться отдельно или в сочетании с направляющими лопатками с одной или обеих сторон, лопатки
ротора или направляющие лопатки, или и то и другое, имеют такую форму, что линейная скорость вихревого
потока 85, передаваемого жидкости, протекающей через ротор, приблизительно одинакова на всех радиусах.
Следует понимать фразу «придать вихревое движение» как включающую в себя придание дополнительного
вихревого движения потоку жидкости, который уже имеет вихревое движение либо в том же, либо в
противоположном направлении. Таким образом, например, если поток жидкости уже имеет постоянный
вихревой поток 95 в одном направлении, то придание аналогичного постоянного вихревого потока в
противоположном направлении будет эквивалентно устранению всего вихревого потока из жидкости.
Хотя постоянный вихревой эффект 10& согласно изобретению может быть получен частично или полностью
путем изменения формы направляющих лопаток, предпочтительно получать этот эффект исключительно за
счет соответствующего распределения шага в лопатках ротора, независимо от того, используется ли ротор
совместно с направляющими лопатками или нет.
Слово «приблизительно» в приведенном выше определении следует понимать в широком смысле, указывая
на более чем 110 незначительных конструктивных отклонений от условия постоянного вихревого движения.
Таким образом, скорость вращения может различаться на разных радиусах, а отклонение от средней скорости
вращения в некоторых случаях может достигать 25%.
Математический анализ позволит более наглядно показать характер допустимого отклонения от
теоретического условия постоянного вращения. 120 — Если h представляет собой напор, создаваемый при
выходе из ротора в точке, удаленной r от оси, и co, c1, c2.....
Поскольку являются константами, математическое уравнение для напора, создаваемого настоящим винтовым
ротором 125°, имеет вид h = c2r2, тогда как для ротора, удовлетворяющего условию постоянного завихрения,
оно имеет вид h = c1r, а для ротора, спроектированного в соответствии с теоретически идеальным
распределением напора, оно имеет вид h = co. 130 -I0 268,0307 I по ординатам на абсциссах pR и R, где i R —
максимальный радиус роторного диска e, а p — отношение радиуса e ступицы к радиусу R. Если k — «радиус
головки», т.е. радиальное расстояние 15° от центра тяжести головки относительно оси ротора (суффиксы 1
используются для специальных значений k), то можно показать 1_p3 - k =W t p 1 -Pi' - kl= '-R. 1 p -o -1 =}R.R (1 -
lk0:á. l-p=loS) 1 Рисунки 7 и 8, рисунки 9 и 10, рисунки 11 и 12 и рисунки 13 и 14 представляют собой
аналогичные диаграммы для четырех других 70-х роторных конфигураций согласно изобретению.
Остальные рисунки на чертежах демонстрируют конструктивные решения и будут описаны позже. 75 В этих
сравнительных диаграммах используется следующая номенклатура: r = радиальное расстояние от оси
ротора.
= окружная скорость ротора.
v = абсолютная скорость потока. 80 w = скорость вихревого движения.
x = теоретическая осевая скорость.
y = фактическая осевая скорость потока.
А = голова.
P = относительный угол потока. 85 y = угол наклона направляющей лопатки на выходе.
На всех диаграммах берутся три радиуса r1 r2 ra, и к каждому из остальных элементов добавляются
суффиксы, указывающие на соответствующий им радиус, при этом радиус rs 90 находится посередине между
радиусами r1 и r3. Эти диаграммы описаны со ссылкой на использование ротора в насосе, но применение к
турбине легко получить путем простого обращения на 95 градусов, так что, например, y станет углом наклона
входной направляющей лопатки.
При любом роторе вращение лопастей со скоростью n, если отсутствует проскальзывание, придаст частице
жидкости массой 100, находящейся на расстоянии r от оси, осевую скорость x (равную произведению скорости
вращения и шага лопастей). Однако на практике неизбежно скольжение (обозначаемое 8), в результате чего
фактический поток жидкости имеет компоненты y (меньше x на величину axs) в осевом направлении и w в
окружном направлении, причем эти величины связаны между собой уравнениями 110X X-c-;2-Y W.
- =X- =tan fi, ands=- =U W a ' Это уравнения «кривых головки» и «поверхностей головки», которые показывают
распределение головки по дискам ротора, полученные путем вращения этих кривых вокруг оси ротора. Фраза
«диаграмма головки» будет использоваться для обозначения площади под кривой головки, т.е. площади,
отсеченной между кривой головки и осью отсчета (от которой измеряются ординаты головки), для истинного
винтового ротора, а также для ротора с постоянным вихревым движением и для ротора с постоянной
головкой. Удовлетворительное распределение головки согласно настоящему изобретению может быть
получено для всех вариантов расположения роторов, в которых радиус головки имеет значение,
отличающееся от k1 менее чем на 0,075 R (1-)2. В качестве иллюстрации этого определения можно привести
следующий пример.
Допустимые пределы отклонения от условий постоянного вихревого движения. Уравнение h-CnCa
представляет собой семейство головных кривых, частными представителями которого являются три
упомянутые выше головные кривые. Радиус головки kn для общего представителя этого семейства кривых
задается формулой n+1 1kn= n +R. l 27,+. Будет установлено, что указанные выше верхнее и нижнее
предельные значения радиуса головы получаются соответственно, когда n немного больше 1,5 и немного
меньше 0,5. Таким образом, все роторные конфигурации, для которых кривые напора задаются формулой -h =
Cnr, где n находится в диапазоне от 0,5 до 1,5, подпадают под вышеприведенное определение допустимых
пределов отклонения от условий постоянного вихревого движения. Следует отметить, что многие другие
конфигурации роторов, для которых кривые напора 450 имеют совершенно иную математическую форму,
также обеспечат удовлетворительное распределение напора при условии, что радиусы их напора находятся в
пределах указанных значений.
455 Эти соображения станут более понятными при сравнении диаграмм, представленных на первых
четырнадцати рисунках прилагаемых чертежей. На этих чертежах B0 на рисунках 1 и 2 соответственно
показаны диаграмма скоростей и кривая напора для истинного винтового ротора, рисунки 3 и 4 представляют
собой аналогичные диаграммы для ротора с постоянным напором, рисунки 5 и 6 представляют собой
аналогичные диаграммы для ротора с постоянным вихревым движением согласно изобретению, и - 268,037 It
12 268,037 Напор h, создаваемый на радиусе r, пропорционален wub и, следовательно, также u28. Шаг
спирали на радиусе r равен Xr и, следовательно, пропорционален _. Обычно ротор проектируют с учетом
определенных заданных условий работы, и (если не указано иное) на диаграммах показаны только
результаты, полученные при работе ротора в условиях, для которых он был разработан. В этих условиях
относительный угол потока Pt равен фактическому углу лопатки, а теоретическая осевая скорость x равна
произведению частоты вращения и шага лопатки.
Однако, когда ротор работает в условиях, отличных от тех, для которых он был разработан, относительный
угол потока P перестает быть фактическим углом лопатки, и теоретическая осевая скорость x теперь равна
произведению скорости вращения и виртуального шага лопастей. Эти обстоятельства будут более подробно
рассмотрены со ссылкой на ротор с постоянным вихревым движением, изображенный на рисунках 5 и 6.
Рисунки 1 и 2 относятся к настоящему винтовому ротору с равномерным шагом на всех радиусах.
Следует отметить, что осевая скорость потока y и скольжение - являются равномерными на всех радиусах, а
скорость вращения w прямо пропорциональна радиусу. Таким образом, величина h пропорциональна
квадрату радиуса, и кривая, описывающая движение головы, представляет собой параболу, как показано на
рисунке 2.
Рисунки 3 и 4 относятся к ротору, разработанному для теоретически идеального распределения напора. В
этом случае скорость вращения w обратно пропорциональна радиусу, а напор h одинаков на всех радиусах.
Следует отметить, что угол лопасти /, соответствующий наименьшему из трех радиусов, в данном случае
тупой.
Это служит иллюстрацией ранее сделанного утверждения о том, что (если не используются большие
диаметры выступов) идеальное состояние равномерного напора предполагает аномальные условия потока и
неудобное распределение шага лопастей ротора.
Диаграмма скоростей и кривая напора для предпочтительной формы ротора — согласно изобретению —
показаны соответственно на рисунках 5 и 6. В этой конструкции шаг лопастей ротора изменяется в
радиальном направлении таким образом, чтобы передавать или получать от жидкости, протекающей через
ротор, практически равномерную скорость вращения на всех радиусах.
Таким образом, шаг спирали на радиусе r пропорционален , где c — постоянная. В винтовом насосе с ротором
r-G скольжение 60° увеличивается внутрь, к оси, в то время как напор увеличивается наружу, к периферии,
изменяясь пропорционально первой степени радиуса. Таким образом, кривая головки состоит из двух прямых
линий 65, одинаково наклоненных к оси, а поверхность, показывающая распределение головки по роторному
диску, представляет собой перевернутый конус, образованный вращением кривой головки вокруг оси. Будет
видно, что градиент напора, который при крутизне имеет тенденцию вызывать обратный поток к оси,
значительно меньше, чем для истинного винтового ротора. Например, если принять r1 на рисунках 2 и 6 за
диаметр ступицы 7,5, а r3 за диаметр ротора, причем диаметр ступицы составит 30% от диаметра ротора, то
градиент напора при постоянно вращающемся роторе (рисунок 6) будет менее половины градиента напора
для 80-кратного эквивалентного истинного винтового ротора (рисунок 2).
Приведенное в предыдущем абзаце описание относится только к результатам, полученным при работе
ротора в тех условиях, для которых он был разработан; эти результаты показаны сплошными линиями на
рисунках 5 и 6.
На этих рисунках пунктирной и линейной линиями также показаны результаты, полученные в других условиях
работы. Линии цепной диаграммы 90 иллюстрируют случай, когда напор уменьшается, что приводит к
уменьшению скорости вихревого потока и увеличению скорости осевого потока, при этом относительный угол
потока и виртуальный шаг лопаток становятся больше, чем угол лопатки 95° и фактический шаг. Пунктирные
линии иллюстрируют случай увеличения напора, что приводит к увеличению скорости вихревого движения и
уменьшению скорости осевого потока, при этом относительный угол потока и виртуальный шаг лопаток
меньше угла лопаток и фактического шага. Следует отметить, что скорость вращения остается постоянной на
всех радиусах в каждом случае, как и абсолютный угол 105° истечения и отношение напора к радиусу, но
значения этих констант изменяются в зависимости от условий работы.
На рисунках 7 и 8, а также на рисунках 9 и 10 110 соответственно показаны аналогичные диаграммы для двух
роторов, которые отличаются от ротора с постоянным вихревым движением (рисунки 5 и 6) в степени,
приблизительно соответствующей указанным выше допустимым пределам. 115 Оба этих ротора
демонстрируют максимальное отклонение примерно на 25% от условий постоянного вращения, при этом
первый (рисунки 7 и 8) имеет отклонение в сторону истинных винтовых условий, тогда как второй (рисунки 9 и
10) имеет отклонение в сторону условий постоянного напора.
Радиусы головки для этих пяти роторов обозначены пунктирными линиями, отмеченными k граммом, а кривые
головки для такой конфигурации 65 показаны сплошными линиями на рисунках 11 и 12 (результаты,
полученные с настоящим винтовым ротором с нормальной подачей, показаны пунктиром для сравнения), а
ниже диаграммы скоростей на рисунке 11 указан угол наклона входных направляющих лопаток. Следует
отметить, что кривая напора (рис. 12) для этой конфигурации идентична кривой напора для ротора с
постоянным вихревым потоком 75° (рис. 6), но, несмотря на выравнивание вихревого потока, эта
конфигурация не будет очень удовлетворительной на практике из-за потерь на вихри и неравномерности
потока. Из этого следует, что осевая скорость потока y максимальна вблизи периферии и минимальна вблизи
оси, в то время как общая тенденция заключается в том, что скорости потока становятся равномерными по
сечению, перпендикулярному оси, или даже немного превышают скорость потока вблизи оси, чем вблизи
периферии. Кроме того, данная конструкция не обладает преимуществом ротора с постоянным вихревым
потоком, заключающимся в обеспечении постоянного угла истечения.
90 Компромисс между этим вариантом и предпочтительным вариантом, в котором желаемое состояние
постоянного вихревого движения достигается исключительно за счет конструкции лопастей ротора, может
иметь практическую ценность в определенных случаях. В таком компромиссном варианте желаемое
состояние может быть приближено частично за счет распределения шага лопастей ротора, а частично за счет
закручивания входных направляющих лопаток. 100 На рисунках 13 и 14 показаны, соответственно, диаграмма
скорости и кривая напора для другой конфигурации, которая может быть полезна в определенных случаях. В
этом примере снова используется настоящий винтовой ротор 105, а входные направляющие лопатки
повернуты таким образом, чтобы обеспечить принудительную подачу вблизи оси и недостаточную подачу
вблизи периферии. Однако степень скручивания входных лопаток меньше, чем в варианте 110, показанном на
рисунках 11 и 12, и выполнена таким образом, что абсолютное направление оттока со стороны нагнетания
ротора одинаково на всех радиусах. Следует отметить, что вихревое движение 115 больше не одинаково на
Соседние файлы в папке патенты