Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_10619
.pdf
периферией и ступицей ротора. Однако замедление потока из-за трения на твердых границах кольцевого
зазора приводит к тому, что скорость осевого потока постепенно уменьшается по направлению к этим
границам, и этот эффект усиливается с увеличением вязкости жидкости или доли взвешенных в ней твердых
частиц.
Известно, что во многих случаях в осевых машинах желательно обеспечить практически равномерное
распределение напора по поверхности ротора, и роторы проектировались с этой целью, исходя из
предположения о равномерном осевом потоке.
Основная цель настоящего изобретения — создание конструкции ротора, практические характеристики
которого будут эквивалентны тем, которые рассчитываются на основе теоретического предположения о
равномерном напоре при равномерном осевом потоке, несмотря на эффект замедления потока на
поверхности. Эта цель достигается путем отказа от угла наклона лопастей ротора, рассчитанного на основе
принятых предположений относительно осевой скорости потока и распределения напора, и замены его углом
наклона, который становится все более крутым по направлению к средней части лопастей ротора.
В роторе согласно данному изобретению шаг лопастей постепенно радиально увеличивается внутрь от
выбранного значения на периферии ротора с такой скоростью, что шаг на любом радиусе r равен или меньше
Kr и KRa больше ra, где R — периферийный радиус, K — выбранное значение периферийного шага, а —
отношение радиуса ступицы к периферийному радиусу. Для жидкостей с относительно высокой вязностью
или жидкостей, содержащих относительно большое количество твердых веществ в суспензии, кривая
профиля шага (т.е.
Кривая зависимости шага спирали от радиуса имеет более пологую форму и ближе к верхней предельной
кривой P = -(где P 60 — шаг спирали на радиусе r), чем для жидкостей с относительно низкой вязностью.
Однако даже с жидкостями очень низкой вязкости редко бывает желательно приближаться очень близко к
нижней предельной кривой PAR-o 65, и, как правило, предпочтительнее, чтобы шаг был больше, чем 'ao1.
Теоретическое определение пределов, выраженное выше, обязательно включает в себя множество кривых
профиля шага (например, 70.
кривые, имеющие внезапные разрывы или резкие изменения наклона, или повторяющиеся волнообразные
изгибы), которые приводят к непрактичным конструкциям ротора, но следует понимать, что изобретение
предусматривает только в целом плавные кривые (в пределах), которые дают, когда ротор работает на воде в
соответствии с нормами Lt 3. "
W --- j -2- 348,032'1 в неблагоприятных условиях значение шага на периферии лопаток, которое при
умножении на число оборотов в единицу времени дает значение менее полутора и обычно не более одной
четвертой средней осевой скорости потока (т.е., чтобы значения коэффициента скольжения на периферии
были менее 33 1/3 % и редко превышали 20 %).
Шаг лопастей на концах предпочтительно выбирается таким образом, чтобы обеспечить работу (с водой в
качестве рабочей жидкости) при коэффициенте периферийного скольжения от 10% до 15%. Размер
выбранного выступа будет в некоторой степени варьироваться в зависимости от типа машины, в которой
используется ротор, а также от условий эксплуатации.
Для осевого насоса или реактивной турбины в качестве предельных значений радиуса ступицы можно указать
от трех восьмых до трех четвертей периферийного радиуса в зависимости от площади, необходимой для
обеспечения нормального потока, тогда как для закрытых гребных винтов нижний предел может быть
расширен до -25 пятых периферийного радиуса.
В предпочтительной конструкции ротора для использования в осевом насосе, предназначенном для работы
на воде, шаг увеличивается от периферии к средней части лопатки приблизительно в соответствии с законом
p_RO.75, а затем плавно, но быстрее увеличивается до значения, приблизительно равного K в ступице,
радиус которой составляет от трех восьмых до половины периферийного радиуса.
Помимо радиального изменения шага лопастей ротора, им также может быть придано осевое изменение
шага. В этом случае шаг лопаток вблизи одной кромки (а именно, нагнетательной кромки для ротора насоса
или впускной кромки для ротора турбины) будет находиться в пределах указанных выше значений, в то время
как шаг лопаток вблизи другой кромки может иметь приблизительно постоянное значение, соответствующее
выбранному значению периферийного шага, осевому переходу шага вдоль концентрических трубок потока,
следующих плавным кривым. В гидравлических винтовых турбинах и осевых насосах, работающих на вязких
жидкостях, это осевое изменение шага лопастей имеет большое значение, поскольку оно обеспечивает
максимальное отклонение потока жидкости внутри ротора в случае турбин и плавный вход жидкости в ротор в
случае насосов.
Изобретение может быть реализовано на практике различными способами в зависимости от типа
гидравлической машины, в которой используется ротор, от природы рабочей жидкости и от условий
эксплуатации, однако в качестве предпочтительной упрощенной формы конструкции ротора 65 в соответствии
с ним может быть приведено следующее, предназначенное для использования в осевом насосе,
разработанном специально для работы на воде. В этой предпочтительной конструкции ротор включает от
двух до шести лопастей, установленных на цилиндрическом центральном выступе, радиус которого
составляет, скажем, две пятых периферийного радиуса. Края лопастей на одном конце ротора лежат на
поверхности соосного конуса, тогда как кромки на другом конце лежат в поперечной плоскости или на
поверхности соосного конуса с другим или противоположным вертикальным углом, так что осевая длина
ротора значительно больше у ступицы, чем на периферии. При проекции на поперечное сечение кромки
лопаток ротора обычно не перекрываются и являются выпуклыми относительно прямых линий, соединяющих
основания и концы лопаток, причем степень выпуклости определяется углом наклона лопаток на разных
радиусах в сочетании с практически прямым профилем лопаток, имеющим коническую форму.
Площадь проекции лопастей под углом 90 градусов составляет... от 55% до 85% от общей проекционной
площади кольца между выступом и периферией, в зависимости от допустимой нагрузки на единицу площади
лопасти.
Шаг лопаток на концах выбирается таким образом, чтобы обеспечить работу при коэффициенте
периферийного скольжения от 10% до 15%, например, 12,5%, — рассчитанном на основе средней осевой
скорости потока. 100 От кончиков лопастей внутрь до середины радиуса лопасти шаг увеличивается от
выбранного периферийного значения до значения, приблизительно равного 1,3 периферийного значения; шаг
в этой внешней части лопастей, плавающей в непосредственной близости от KRO.75, увеличивается от
середины радиуса лопасти внутрь до выступа; скорость увеличения шага составляет 110 – несколько больше,
чем та, которая определяется этим законом, и у выступа достигает значения, в 2,5 раза превышающего
периферийный шаг, при этом профиль шага следует плавной кривой от выступа к периферии. Эта кривая
профиля шага 115 значительно менее изогнута, чем у известных роторов с равномерной головкой,
разработанных на основе предположения о равномерном осевом потоке, и позволяет компенсировать эффект
120 замедления поверхности. В случае рабочих жидкостей с более высокой вязкостью используется еще
более пологая кривая профиля шага, представляющая собой отношение шага в середине лопасти к шагу на
периферии, расположенному радиально, тангенциально или изогнуто в плане.
Предпочтительно, поперечные сечения этих лопаток имеют такую обтекаемую форму и толщину, чтобы
зазоры между лопатками соответствовали 70° — приблизительно изменениям площади, характерным для
расширяющихся каналов, обеспечивающих максимальное восстановление формы головки. При желании,
направляющие лопатки на выходе могут быть поворотными относительно своих продольных осей, или же
модель '75 может иметь сменные входные кромки для компенсации изменений абсолютного направления
истечения, происходящих при изменении нормальных условий работы. 80 Расстояние между ротором и
прилегающими кромками направляющих лопаток обычно делается небольшим, но для работы с твердыми
частицами во взвешенном состоянии или для компенсации значительных колебаний в производительности
насоса это расстояние может изменяться, причем в некоторых случаях желательно радиальное увеличение
этого расстояния, даже при отсутствии твердых частиц. 90 Форма и размер выступов направляющих лопаток
подобраны таким образом, чтобы соответствовать форме и размеру выступов ротора, и в некоторых случаях
может быть целесообразно отойти от цилиндрической формы выступа ротора, в этом случае 95
объединенные выступы ротора и направляющих лопаток в целом могут иметь обтекаемую, коническую,
выпуклую или другую подходящую форму.
Корпус имеет такую форму относительно формы выступов, которая может потребоваться для обеспечения
площади, необходимой для осевого потока.
В некоторых случаях может быть удобно спроектировать ротор таким образом, чтобы его можно было
взаимозаменять с другими роторами согласно изобретению 105, каждый из которых имеет приблизительно
одинаковую глубину профиля, но имеет разные значения шага и, соответственно, разное количество
лопастей.
В других случаях может быть удобно установить лопасти ротора на ступице таким образом, чтобы их можно
было регулировать вокруг радиальных осей для компенсации изменений нормальных условий. Таким
образом, каждая лопасть может быть изготовлена с прорезным фланцем 115 у основания, с помощью
которого ее можно прикрепить болтами к выступу, причем прорези во фланце имеют такую длину, чтобы
обеспечить регулировку, скажем, на 100 градусов в обе стороны от нормального положения лопасти. В 120
случаях могут быть предусмотрены средства для осуществления вращательной регулировки лопастей во
время работы.
В дополнение к описанному выше радиальному изменению шага лопастей ротора, 125.
Также может наблюдаться изменение шага осевого смещения. В одном удобном варианте лопатки имеют
одинаковое значение периферийного шага на всех поперечных сечениях, при этом шаг на выходной кромке
ротора насоса увеличивается с 1,3 на величину, зависящую от вязкости жидкости, до, скажем, 1,4 в случае
чрезвычайно вязкой жидкости, а отношение шага лопаток к периферийному шагу остается равным 2,5.
Ротор предпочтительно устанавливается внутри цилиндрического корпуса насоса между соосно
расположенными входными и выходными направляющими лопатками 3.0, хотя в некоторых случаях,
например, когда направление нагнетания должно быть перпендикулярно оси ротора в ограниченном
пространстве, соосные направляющие лопатки могут располагаться в расширяющихся секциях корпуса, а в
крайних случаях выходные направляющие лопатки могут быть заменены вихревой камерой расширяющейся
или спиральной формы или регулируемой.
способные направляющие лопасти сбалансированного типа. В других случаях выходные направляющие
лопатки могут быть заменены вторым соосным ротором подходящей конструкции, вращающимся в
направлении, противоположном направлению вращения первого ротора; в таких случаях входные
направляющие лопатки обычно заменяются обтекаемыми ребрами, поддерживающими вал, с аналогичной
опорой на стороне нагнетания, если это необходимо.
При использовании коаксиально расположенных направляющих лопаток предпочтительно их количество
составляет от двух до шести, и они могут быть расположены радиально или тангенциально, или могут быть
изогнуты в плане. Эти лопатки обычно проектируются таким образом, чтобы поддерживать осевое
направление входящего потока, хотя они могут быть слегка изогнуты в сторону или против направления
вращения ротора для учета особых условий потока.
В случаях, когда насос должен перекачивать жидкости, содержащие твердые частицы во взвешенном
состоянии (-40°C), входные направляющие лопатки могут представлять собой пластинчатые ребра либо
сплошной, либо язычковой формы.
При соосном расположении выходных направляющих лопаток их предпочтительно от четырех до восьми, а
входные кромки имеют такую кривизну, чтобы принимать жидкость приблизительно в направлении ее выхода
из ротора, а именно под малым углом к поперечной плоскости вблизи выступа -50° и под большим углом к ней
вблизи периферии. Функция этих направляющих лопаток заключается в рекуперации энергии напора или
давления, создаваемой вихревым движением, передаваемым жидкости ротором. Степень кривизны этих
лопаток определяется законом s tan y = (1-S) tan /3, где P3 и y — углы к поверхности, перпендикулярной
трубке потока, при любом радиусе соответственно.
Он формируется выходным краем лопатки ротора и входным краем направляющей лопатки, а 8 — это
коэффициент скольжения на этом радиусе. Выходные кромки направляющих лопаток предназначены для
обеспечения приблизительно осевого направления потока, а сами лопатки могут иметь радиальное
изменение шага в пределах указанных выше ограничений, в то время как на входной кромке шаг равномерен
по всем радиусам и имеет значение, равное выбранному периферийному значению шага, при этом шаг
непрерывно и плавно изменяется вдоль каждой трубки потока от ее входа до выходного отверстия.
Осевые насосы с роторами, соответствующими данному изобретению, могут также быть выполнены в виде
многоступенчатых последовательных насосов с двумя или более роторами на одном валу, разделенными
направляющими лопатками, которые служат выходными направляющими лопатками для одного ротора и
входными направляющими лопатками для следующего ротора в серии.
Ротор также может быть с успехом использован в реактивной турбине, и, как правило, устройства, указанные
выше -20 для использования в качестве насосов, могут работать в обратном направлении в качестве -турбин.
«Однако, согласно изобретению, обычно предпочтительнее использовать спиральную камеру или
сбалансированные направляющие лопатки типа «викет» для регулирования потока воздуха в турбину, а также
ротор, имеющий как радиальное, так и осевое изменение шага лопастей».
Ротор также может использоваться как отдельно, так и в сочетании с направляющими лопатками или
дополнительными роторами в других гидравлических машинах с осевым потоком, например, в смесителях,
преобразователях мощности или датчиках мощности.
Следует отметить, что указанные выше конкретные конструкции могут быть изменены в соответствии с
требованиями в рамках изобретения, например, профиль и выступающие части лопаток ротора могут иметь
различную форму, а роторы могут быть открытого или закрытого типа, в то время как цилиндрические секции
лопаток ротора могут иметь обтекаемую или другую подходящую форму.
Датировано 4 февраля 1930 года.
Компания KILBUIRN & STRODE, агенты заявителя.
ПОЛНАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ (С ИЗМЕНЕНИЯМИ).
Усовершенствования, относящиеся к роторам или осевым гидравлическим машинам.
Я, Джеймс Хепп. Брэм Веймврайт Джимл, подданный Великобритании, проживающий по адресу:
Эрлс-Корт-Гарденс, 303, Лондон, Юго-Западный Лондон, настоящим заявляю, что характер данного
изобретения и способ его осуществления должны быть подробно описаны и установлены в следующем
заявлении:
Данное изобретение относится к винтовым роторам для гидравлических машин, в которых общее
направление потока через ротор является осевым или более близким к осевому, чем радиальным, и также
относится к комбинации таких роторов с соответствующими эквивалентами, которые образуют такие
гидравлические эквиваленты с прямыми лопастями для гидравлических машин.
Конструкция таких роторов до сих пор основывалась на общем предположении, что практически одинаковая
скорость входящего потока обычно наблюдается вдоль всех концентрических трубок потока, проходящих
через поперечное сечение в кольцевом зазоре между периферией и ступицей ротора. Однако замедление
трения на внешней и внутренней границах кольцевого зазора приводит к тому, что осевые скорости потока
постепенно уменьшаются по мере приближения к этим границам, и этот эффект усиливается с длиной
впускного канала и выступа или сердечника, а также с вязкостью жидкости и с долей твердых частиц во
взвешенном состоянии.
Известно, что во многих осевых машинах желательно обеспечить практически равномерное распределение
напора 80 по поверхности ротора, и роторы проектировались с этой целью, исходя из предположения о
соответственно равномерном осевом потоке, без учета упомянутого здесь фрикционного замедления или
центробежного эффекта, обусловленного резким увеличением шага лопастей ротора.
Основная цель настоящего изобретения — создание конструкции ротора, практические характеристики
которого будут эквивалентны характеристикам, рассчитанным на основе теоретического предположения о
равномерном осевом потоке с равномерным напором, несмотря на модифицирующее влияние замедления
потока на объем потока и центробежной тенденции в местах расположения лопастей у основания. Эта цель
достигается путем отказа от угла наклона лопаток ротора, который рассчитывается на основе принятых
теоретических предположений о равномерной скорости осевого потока и распределении напора, и замены его
углом наклона лопаток, который относительно круче в направлении кольцевых участков лопаток ротора 105.
Еще одной целью изобретения является создание такой конструкции ротора, которая при использовании в
осевом насосе исключает все ненужные ударные волны на входе в ротор, 110.
i 348,032 i i i J 4 i 348,032 особенно вблизи ступицы, где шаг более крутой и обеспечивается постепенное
передача энергии жидкости при ее прохождении через ротор, тогда как в случае осевой реактивной турбины
достигается обратный эффект постепенного приема энергии.
В роторе согласно данному изобретению шаг лопастей постепенно увеличивается радиально внутрь от
выбранного значения на периферии ротора с такой скоростью, что шаг на любом радиусе r меньше KB, но
больше KRa, за исключением окрестностей ступицы, где шаг быстро увеличивается до KCR, значения на
ступице приблизительно равного , где R — периферийный радиус, K — выбранное значение периферийного
шага, а — отношение радиуса ступицы к периферийному радиусу. Для жидкостей с относительно высокой
вязностью или жидкостей, содержащих относительно большое количество твердых частиц во взвешенном
состоянии, кривая профиля шага (т.е.
Кривая зависимости шага спирали от радиуса располагается таким образом, чтобы приближаться к верхней
предельной кривой P = K- (где P — шаг спирали на радиусе r), чем для жидкостей с относительно низкой
вязностью. Однако даже с жидкостями низкой вязкости редко бывает желательно приближаться к нижнему
пределу кривой P = Ka на радиусах -35°, и, как правило, предпочтительнее, чтобы шаг лопастей был больше
K. Приведенное выше определение пределов обязательно включает в себя множество кривых профиля шага
(например, кривые с внезапными разрывами, резкими изменениями наклона или повторяющимися
волнообразными изгибами), которые приводят к непрактичным конструкциям роторов, но следует понимать,
что изобретение рассматривает только в целом гладкие кривые (в пределах), которые будут соответствовать
естественным условиям потока и будут создавать, когда ротор работает на воде в нормальных расчетных
условиях, значение шага на периферии лопастей, которое при умножении на число оборотов в единицу
времени дает значение меньше полутора и обычно меньше одной четвертой средней осевой скорости потока
(т.е. для обеспечения значений коэффициента скольжения на периферии меньше 33-113%, и обычно менее
20%).
В большинстве случаев, когда диаметр лопасти умеренный, шаг на концах лопастей выбирается таким
образом, чтобы обеспечить работу (с водой в качестве рабочей жидкости) при коэффициенте периферийного
скольжения от 10% до 15%, рассчитанном исходя из средней требуемой скорости потока.
Размер выбранной втулки будет в некоторой степени варьироваться в зависимости от типа машины, в
которой будет использоваться ротор, а также от условий эксплуатации. Для осевого насоса или реактивной
турбины радиус ступицы может составлять от трех восьмых до трех четвертей периферийного радиуса в
зависимости от площади, необходимой для обеспечения нормального требуемого потока при заданном
напоре и скорости, тогда как для реактивных винтов нижний предел радиуса ступицы может быть расширен до
одной пятой периферийного радиуса.
В предпочтительной типовой конструкции ротора для использования в осевом насосе, предназначенном для
работы на воде, шаг лопатки увеличивается от периферии к участку со средним радиусом приблизительно в
соответствии с законом P-R = 0,75, а затем плавно, но более быстро увеличивается до значения,
приблизительно равного KR в месте соединения с ступицей, радиус которой находится в пределах от трех
восьмых до половины периферийного радиуса.
Согласно еще одной важной особенности изобретения, помимо радиального изменения шага, лопасти ротора
имеют осевое изменение шага.
В этом случае шаг лопаток вблизи одной кромки (а именно, нагнетательной кромки ротора насоса или
впускной кромки ротора турбины) будет находиться в пределах указанных выше значений, в то время как шаг
лопаток вблизи другой кромки будет меньше и может иметь приблизительно постоянное значение,
соответствующее выбранному значению периферийного шага, осевому переходу шага вдоль концентрических
трубок потока, следующих плавным кривым. В гидравлическом винтовом турникете - 105.
В турбинах и осевых насосах, работающих при коэффициентах скольжения выше нормальных значений или
на вязких жидкостях, это осевое изменение шага имеет большое значение, поскольку оно обеспечивает
максимальное отклонение потока жидкости внутри ротора в случае турбин и плавный вход в более крутые
участки ротора в случае насосов.
Изобретение может быть реализовано на практике различными способами в зависимости от типа
гидравлической машины, в которой используется ротор, а также от природы рабочей жидкости и условий
эксплуатации, однако предпочтительная конструкция ротора согласно изобретению и некоторые удобные
варианты его применения в гидравлических машинах проиллюстрированы в качестве примера на
прилагаемых чертежах, на которых на рисунке 1 показан график, иллюстрирующий распределение шага
лопастей ротора согласно изобретению, на рисунке 2 показан центральный разрез осевого насоса,
разработанного специально для работы на воде и использующего предпочтительную форму ротора, на
рисунке 3 показана проекция половины ротора с рисунка 2 на поперечное сечение, на рисунке 41 показана
аналогичная полупоперечная проекция выходных направляющих лопаток, используемых в насосе с рисунка 2,
на рисунке 5 показано одно удобное применение предпочтительной формы ротора в осевой реактивной
турбине, рисунки 6-8 представляют собой виды, аналогичные видам на рисунках 2-4, для модифицированной
формы осевого насоса. На рисунках 9 и 10 представлены изображения, аналогичные изображениям на
рисунках 2 и 41, для другой модифицированной формы осевого насоса, а на рисунках 11 и 12, соответственно,
показаны две дальнейшие модификации.
На графике на рисунке -1 показана последовательность событий.
кривых профиля шага лопастей (т.е. кривых, показывающих относительный шаг лопастей ротора в
зависимости от расстояния от оси ротора) для различных роторов в соответствии с изобретением. Для
сравнения, кривая профиля шага для типичного ротора с равномерным шагом, спроектированного обычным
способом при условии равномерного осевого потока, показана в точке A' на цепной линии, а пунктирная линия
A2 — соответствующая кривая для ротора с равномерным шагом. Кривые A3, A4, A5, A6 относятся к роторам
согласно изобретению, при этом кривая A3 представляет собой предпочтительную форму, кривые A4 и A5
являются соответственно верхней и нижней предельными кривыми, а кривая A6 — еще одной предельной
кривой.
Предпочтительная форма ротора, два варианта конструкции которого показаны на рисунках 2 и 3, имеет от
двух до шести лопастей B (пять из которых показаны на рисунках 2 и 3), установленных на цилиндрическом
выступе C, который смонтирован внутри цилиндрического корпуса D) на приводном валу C'.
В приведенном примере радиус ступицы C составляет две пятых периферийного радиуса лопастей ротора.
Края лопастей на одном конце ротора лежат на поверхности соосного конуса, тогда как кромки на другом
конце лежат в поперечной плоскости или на поверхности другого соосного конуса с другим или
противоположным вертикальным углом, так что осевая длина ротора значительно больше у выступа, чем на
периферии. Прямая A7 на рисунке 1 показывает профиль одной кромки лопастей в случае, когда
горизонтальная базовая линия A8 графика представляет профиль другой кромки лопастей.
Ротор, показанный на рисунке 2, имеет выходной край B', когерентный линии A7 на рисунке 1, а входной край
B2 лежит в поперечной плоскости, в то время как ротор, используемый в турбине на рисунке 5, имеет свои
кромки на поверхностях коаксиальных конусов с противоположными вертикальными углами.
При проекции на поперечной плоскости 80 (см. рис. 3) кромки BI, B2 лопаток не перекрываются и являются
выпуклыми относительно прямых линий, соединяющих основания и концы лопаток, причем степень
выпуклости и распределение площади лопатки 85 определяются углом наклона лопатки на разных радиусах в
сочетании со степенью конусности, по существу, прямой линией, в профиле лопаток. Общая площадь
проекции лопаток составляет, скажем, от 60% до 80% от общей площади проекции кольцевого зазора между
выступом и периферией, в зависимости от допустимой нагрузки на единицу площади лопатки и необходимого
направляющего воздействия рабочей жидкости.
Распределение шага лопастей ротора лучше всего описывается с помощью графика на рисунке 1. На этом
графике по абсциссам отложены радиальные расстояния от оси ротора, график простирается от поверхности
ступицы до периферии ротора, а периферийный радиус принят за единицу. 105 На оси ординат значение шага
представлено различными радиусами, при этом за единицу принимается периферийное значение шага. Как
упоминалось выше, кривая A4 представляет собой верхнюю предельную кривую профиля шага и
соответствует закону 110 P = KI, в то время как кривая A5 представляет собой нижнюю предельную кривую,
определяемую законом P = K, где a = -0,91 в выбранном примере. Хотя изобретение включает в себя все
роторы, радиальное распределение шага которых соответствует в целом плавной кривой, лежащей между
этими двумя предельными кривыми и приближающейся к верхней предельной кривой на руле, редко бывает
желательно приближаться к нижней предельной кривой A5, и в большинстве случаев кривая профиля шага
будет лежать выше кривой A6, которая соответствует закону FPK R 3 5+0.1 в условиях, в которых должна
работать машина.
В случае осевого насоса обычно предпочтительнее устанавливать ротор внутри цилиндрического корпуса
между соосно расположенными входными 65 и выходными направляющими лопатками, хотя в некоторых
случаях, например, когда направление нагнетания должно быть перпендикулярно оси ротора в ограниченном
пространстве, соосные выходные направляющие лопатки 70 могут располагаться в расширенных секциях
корпуса, — в то время как в крайних случаях эти направляющие лопатки могут быть заменены вихревой
камерой расширяющейся трубчатой формы с центральным сердечником или спиральной 75 или
улиткообразной формой, или регулируемыми направляющими лопатками сбалансированного типа, причем
последние упомянутые варианты также особенно подходят для обратного применения в осевой реактивной
турбине. В других случаях, как для других гидравлических машин, так и для насосов, например, когда напор
высок, а скорость вращения умеренная, второй соосный ротор с противоположным вращением может
заменить направляющие лопатки на выходе. Типичные примеры таких гидравлических машин показаны на
рисунках 2-12 прилагаемых чертежей.
Таким образом, в осевом насосе, показанном на рисунке 90,
На рисунках 2-4 ротор, как описано выше, работает между соседними неподвижными соосными
направляющими лопатками в цилиндрическом корпусе D.
Направляющие лопатки на входе E предпочтительно имеют от двух до шести размеров и могут быть
расположены радиально или со смещением (т.е. касательно к окружности, концентричной с осью), или могут
быть изогнуты в плане. Эти лопатки обычно проектируются таким образом, чтобы поддерживать осевое
направление потока воздуха к ротору, 100 - хотя они могут быть изогнуты в направлении вращения ротора или
против него, чтобы обеспечить или создать особые условия потока воздуха.
Направляющие лопатки на выходе F предпочтительно имеют от четырех до восьми штук (шесть, как показано
на рисунке) и их входные кромки F' изогнуты таким образом, чтобы принимать жидкость приблизительно в
направлении ее выхода из ротора, образуя небольшой угол 110° с поперечной плоскостью вблизи выступа и
больший угол с ней вблизи периферии. Функция этих лопаток заключается в том, чтобы извлекать энергию
напора или давления из вихревого движения, передаваемого жидкости ротором. Степень кривизны этих
лопаток определяется законом s tan y =(l-s) tan /3, где P3 и y представляют собой углы, образованные с
поверхностью, перпендикулярной к трубке потока, на любом радиусе 120°, выходной кромкой лопатки ротора
и входной кромкой выходной направляющей лопатки соответственно, а s — коэффициент скольжения на этом
радиусе. Выходные кромки F2 направляющих лопаток 125, т.е. в приведенном примере -P =K r, соответствуют
кривой A3. Эта кривая начинается от значения периферийного шага, которое выбирается S в соответствии с
условиями работы при нормальном коэффициенте периферийного скольжения, скажем, 12,5%, рассчитанном
на основе средней осевой скорости потока, и плавно переходит от этого значения к радиусу середины лопатки
(на уровне семи десятых периферийного радиуса) приблизительно в соответствии с законом wR0,75, так что
значение шага в середине радиуса примерно в 1,3 раза превышает значение периферийного шага.
От середины радиуса внутрь до -15° (вершины) скорость увеличения шага превышает ту, которая
определяется этим законом, и у вершины шаг достигает значения, в 2,5 раза превышающего периферийный
шаг, при этом профиль шага следует плавной кривой от вершины к перфорации. Эта кривая профиля
распределения шага A3 (как и все другие кривые профиля шага в рамках изобретения) менее полая, чем
кривая A' для известных роторов с равномерной головкой, разработанных на основе предположения о
равномерном осевом потоке, и, ускоряя поток через среднюю часть кольцевого зазора, она позволяет
получить желаемую компенсацию эффекта замедления поверхности и учитывает различные центробежные
тенденции на разных радиусах. В случае рабочих жидкостей с более высокой вязкостью, чем у воды, может
использоваться кривая профиля шага, более пологая, чем кривая А3, при этом отношение шага в середине
лопасти к периферийному шагу увеличивается на величину, зависящую от вязкости жидкости, в то время как
отношение шага у выступа к периферийному шагу остается равным 2,5 при том же соотношении диаметров
выступа.
Помимо описанного выше радиального изменения шага лопастей, лопасти ротора могут также иметь осевое
изменение шага.
В одном из удобных вариантов (используемом в роторе на рисунках 2 и 3) лопатки имеют одинаковое
значение периферийного шага на выходной кромке B' и на входной кромке B2, при этом шаг вдоль выходной
кромки B' соответствует кривой A3, тогда как вдоль входной кромки B2 шаг равномерен на всех радиусах
(соответствует прямой линии A2) или лишь незначительно увеличивается внутрь, при этом шаг непрерывно и
плавно изменяется вдоль каждой трубки потока от значения на входной кромке до значения на выходной
кромке.
Способ использования ротора в гидравлической машине с осевым потоком зависит от типа машины, и роторы
U8032 348032 предназначены для обеспечения приблизительно осевого направления потока, а сами лопатки
могут быть смещены (т.е. расположены тангенциально к окружности, концентричной с осью S), как показано
на рисунке, или могут быть расположены радиально или изогнуто в плане. Поперечные сечения этих лопаток
предпочтительно имеют такую обтекаемую форму и толщину, чтобы секторообразные промежутки между
лопатками следовали в направлении потока приблизительно за изменениями площади поперечного сечения,
характерными для расширяющихся каналов, для максимального восстановления напора.
Расстояние между ротором и прилегающими кромками направляющих лопаток обычно делается небольшим,
но для работы с твердыми частицами во взвешенном состоянии или для компенсации значительных
колебаний производительности насоса это расстояние может изменяться, причем во многих случаях
желательно радиальное увеличение этого расстояния, даже при отсутствии твердых частиц.
Форма и размеры выступов El:F3, расположенных в пространствах, занимаемых направляющими лопатками
вдоль оси, подобраны таким образом, чтобы соответствовать форме и размерам выступов ротора C, и в
некоторых случаях может быть желательно отойти от цилиндрической формы выступа ротора, в этом случае
корпус, представляющий собой объединенные выступы ротора и направляющих лопаток El, C, F3 в целом,
может иметь обтекаемую, коническую, выпуклую или другую подходящую форму. Корпус D будет иметь такую
форму относительно формы выступов, которая может потребоваться для регулирования площади осевого
потока.
40Описанная выше конструкция, а также 40модифицированные формы осевого насоса, которые будут
описаны позже, могут работать в обратном направлении как осевая турбина. Однако обычно
предпочтительнее использовать спиральную камеру или сбалансированные направляющие лопатки для
регулирования потока воздуха в турбину, и одно из таких удобных применений изобретения к осевой турбине
показано на рисунке 5. В данной конструкции ротор G, выполненный описанным выше способом, вращается
внутри вертикального корпуса H, имеющего в целом цилиндрическую форму.
Поток жидкости к верхней части корпуса H осуществляется через наклонный кольцевой канал HI и
регулируется направляющими лопатками J сбалансированного типа, которые одновременно регулируются
соответствующими средствами, такими как, например, вращающаяся щелевая коронка Jk. В этой конструкции
ротор G регулируется в осевом направлении (как показано пунктирными линиями) для адаптации к
изменяющимся условиям работы.
— В некоторых случаях, как для насосов, так и для турбин, может быть удобно спроектировать ротор таким
образом, чтобы его можно было легко заменять другими роторами в соответствии с изобретением, имеющими
приблизительно одинаковую осевую длину, но с различными номинальными значениями шага и,
соответственно, различным количеством лопаток. Опять же, иногда необходимо обеспечить осмотр и очистку
рабочих частей насоса без разборки корпуса, и для того, чтобы это было легко осуществить, выходные и
входные направляющие лопатки, между которыми работает ротор, могут быть закреплены на съемной
внутренней облицовке корпуса, а не на самом корпусе, благодаря чему весь насос можно будет полностью
извлечь из корпуса, а входные направляющие лопатки могут быть расположены таким образом, чтобы ротор
мог проходить аксиально между этими лопатками, если это необходимо. 85 В других случаях изменения
нормальных условий работы могут быть компенсированы вращением лопастей ротора вокруг их радиальных
осей. Удобное практическое решение такого рода показано на рисунках 6-8.
В этой конструкции каждая из лопастей ротора K выполнена с удлинителем цапфы K'1, который плотно зажат
в ступице, поперечно разрезанной на две половины 95 L. L' для этой цели, причем две половины ступицы
скреплены между собой болтами L? зацепляются в канавки K2 в цапфах, чтобы удерживать лопатки в
радиальном положении, противодействуя центробежному воздействию 1%C. Хотя верно, что такая
регулировка вращения лопастей ротора несколько сместит их угол наклона и, следовательно, немного снизит
эффективность насоса, закон, регулирующий распределение угла наклона 105 в роторе согласно
изобретению, таков, что потеря эффективности при вращении лопастей, скажем, на 70 градусов в обе
стороны от нормального положения, будет очень мала, и недостаток метода Шельта — снижение
эффективности — с лихвой компенсируется преимуществом адаптации насоса к изменяющимся условиям
работы. Альтернативный способ крепления лопастей 115 заключается в том, чтобы сделать пазовый фланец
у основания лопасти, с помощью которого ее можно прикрутить к выступу болтами; пазы во фланце имеют
такую длину, чтобы обеспечить необходимую регулировку на 70 градусов с каждой стороны от нормального
положения лопасти.
Входные направляющие лопатки M закреплены между выступом Mi1 и цилиндрическим корпусом M'f и
расположены в целом аналогично входным направляющим лопаткам 125 в конструкции, показанной на
рисунках 2-4. Направляющие лопатки на выходе также могут быть установлены, как показано на рисунках 2-4,
а рисунки 6-8 демонстрируют модифицированную конструкцию, обеспечивающую равномерное
восстановление вихревого движения и напора скорости потока от ротора до выходного отверстия. При такой
конструкции иногда желательно использовать регулируемые входные направляющие лопатки для
компенсации изменений нормальных условий работы, и с этой целью входные направляющие лопатки T
каждая установлена на коротком валу T', проходящем через стенку корпуса R, причем данная конструкция в
целом аналогична конструкции с вращающимися выходными направляющими лопатками, показанной на
рисунках 6-8.
На рисунке 12 показана конструкция, в которой выходные направляющие лопатки заменены вторым ротором,
и хотя эта конструкция будет описана со ссылкой на ее использование в качестве осевого насоса, следует
понимать, что ее можно легко использовать в качестве преобразователя мощности или для других целей. В
данной конструкции два ротора U и V установлены на соосных валах U'j и V', проходящих через стенки
корпуса W, который имеет соответствующую для этой цели изогнутую форму, как показано на рисунке 90, при
этом центральная часть корпуса, прилегающая к роторам, имеет приблизительно цилиндрическую форму.
Два вала U' и V' вращаются в противоположных направлениях, как показано стрелками, а два ротора 95
являются, соответственно, «праворукими» и «леворукими». Ротор U на входной стороне выполнен в
соответствии с изобретением описанным выше способом, но второй ротор V (функция которого в насосе
аналогична функции направляющих лопаток на выходе) имеет распределение шага лопаток, подходящее для
надлежащего преобразования вихревого потока на выходе ротора U в напор, причем такое распределение
шага во многих случаях также находится в пределах вышеупомянутых ограничений.
В данном случае входные направляющие лопатки заменены обтекаемым ребром W', поддерживающим вал
U', и аналогичное опорное ребро W2 может быть предусмотрено для вала V'.
Осевые насосы с роторами, соответствующими данному изобретению, могут также быть выполнены в виде
многоступенчатых последовательных насосов 115 с двумя или более роторами на одном валу, разделенными
неподвижными направляющими лопатками, которые (когда ступени последовательного действия
расположены близко друг к другу) могут быть спроектированы таким образом, чтобы служить выходными
направляющими лопатками для одного ротора и входными направляющими лопатками для следующего
ротора в серии.
Ротор также может использоваться как отдельно, так и в сочетании с направляющими лопатками или
дополнительными роторами в других гидравлических машинах осевого потока, таких как, например,
пропеллеры, смесители или преобразователи мощности.
Следует понимать, что указанные выше конкретные конструкции могут быть изменены в соответствии с
требованиями 130, касающимися этих лопаток, которые могут вращаться вокруг своих продольных осей,
чтобы компенсировать изменения абсолютного направления истечения из ротора, возникающие при
изменении нормальных условий работы, а также для обеспечения возможности регулировки вращения
лопаток ротора. С этой целью каждая из выходных направляющих лопаток N опирается на короткий вал N',
проходящий через стенку корпуса M2, и фиксируется в нужном положении с помощью гайки N2 на конце вала
N'. В остальном направляющие лопатки N расположены в целом так же, как и направляющие лопатки в
конструкции, показанной на рисунках 2-4.
Вместо того чтобы устанавливать направляющие лопатки на выходе с возможностью вращения в корпусе,
можно добиться в целом аналогичного результата, оснастив эти лопатки регулируемыми входными кромками.
Подобная конструкция показана на рисунках 9 и 10, где каждая выходная направляющая лопатка выполнена
из двух частей 0 и 0', причем верхняя часть 0 закреплена в корпусе, а нижняя часть 0' снабжена круглым
фланцем 02, входящим в отверстие в корпусе. Такое расположение позволяет не только слегка регулировать
вращение входной части 01 лопатки, но и легко снимать эту часть лопатки и заменять ее на альтернативную
входную кромку с другой кривизной.
На рисунке 9 также показана модифицированная конструкция входных направляющих лопаток (в равной
степени применимая к конструкциям осевых насосов, показанных на других рисунках), специально
предназначенная для случаев, когда насос работает с жидкостями, содержащими взвешенные твердые
частицы. В данной конструкции каждая входная лопатка состоит из ряда выступов P, прикрепленных болтами
к узким пластинам P', радиально выступающим внутрь от корпуса и соединенным между собой по оси, причем
верхние кромки выступов прилегают к входным кромкам лопаток ротора. В приведенном примере
используются четыре таких язычковых входных лопатки, и конструкция такова, что, помимо выполнения своей
обычной функции по правильному направлению жидкости к ротору, эти направляющие лопатки
Соседние файлы в папке патенты