Устройство для передачи энергии давления от одного потока текучей среды к другому

 

Использование: в машиностроении при проектировании волновых обменников давления. Сущность изобретения: устройство содержит корпус с впускным и выпускным патрубками для потоков каждой жидкости, ротор, установленный с возможностью вращения вокруг его продольной оси внутри корпуса и имеющий по меньшей мере один сквозной канал, проходящий от одного конца ротора к другому в аксиальном направлении и поочередно связывающий впускной и выпускной каналы одной жидкости с выпускным и впускным каналами другой жидкости, и наоборот, в течение вращения ротора. Отверстия канала ротора расположены на разных расстояниях от оси его вращения в общей плоскости, проходящей через продольную ось ротора. 1 с. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к машиностроению, касается усовершенствования волновых обменников давления и может использоваться для наддува двигателей внутреннего сгорания.

Известно устройство для передачи энергии давления от одного потока текучей среды к другому, содержащее корпус с входным и выходным патрубками для каждого потока текучей среды, ротор, установленный с возможностью вращения вокруг своей продольной оси внутри корпуса и имеющий по крайней мере один сквозной канал, простирающийся от одного его конца к другому в осевом направлении с возможностью поочередного сообщения входного и выходного патрубков одного потока текучей среды с входным и выходным патрубками другого потока текучей среды и, наоборот, во время вращения ротора, причем радиальные расстояния отверстий канала от оси его вращения различны, а отверстия канала ротора в основном расположены в общей плоскости, проходящей через продольную ось ротора (CH, патент N 550937, кл. 6 F 02 B 33/42, 1974).

Однако это устройство имеет сложную конструкцию. Кроме того, оно может обеспечить только низкие нагнетаемые давления, в то время как большинство процессов, в которых восстановление давления может быть выгодно использовано, например процессы, содержащие обратный осмос, требуют высоких нагнетаемых давлений на стороне высокого давления. Кроме того, при такой работе ротора могут создаваться только низкие начальные крутящие моменты, поскольку вращению ротора могут легко восприпятствовать частицы, принесенные потоком.

Задачей изобретения является создание устройства для передачи энергии давления от одного потока жидкости другому потоку с такой геометрией каналов ротора, которая позволяла бы избежать вышеупомянутых недостатков.

На фиг. 1 изображен вид в перспективе, показывающий первый вариант исполнения устройства для передачи энергии давления; на фиг. 2 вид в перспективе устройства, изображенного на фиг.1, с компонентами устройства, показанными в разнесенном вдоль оси виде, а некоторые из них показаны в разрезе; на фиг. 3 вид в перспективе второго варианта исполнения того же устройства; на фиг. 4 показаны схематически продольные сечения ротора и два канала ротора, расположенных диаметрально; на фиг.5 диаграмма скоростей; на фиг.6 продольное сечение ротора третьего конкретного варианта исполнения устройства для передачи энергии давления.

Устройство для передачи энергии давления от одного потока текучей среды к другому потоку содержит корпус 1 с верхней и нижней крышками 2 и 3, оснащенными фланцами 4 и 5 соответственно, которые соединены с фланцами 6 и 7 собственно корпуса 1, находящегося между крышками 2 и 3, с помощью винтов (не показаны), проходящих через отверстия 8 в парах фланцев 4, 6 и 5, 7.

У края каждой крышки 2 и 3 имеется впускной патрубок 9 и 10 и выпускной патрубок 11 и 12 соответственно, полости которых 13 16, примыкающие к корпусу 1, имеют кольцевую форму или форму кругового сектора, образованного дугой окружности приблизительно 180^o. На наружной поверхности каждой крышки 2 (3) имеется опора 17, в которой установлена ось 18 вращения ротора 19.

Ротор 19 имеет форму усеченного конуса и установлен с возможностью вращения в корпусе 1 вокруг его продольной оси. От верхней торцовой поверхности 20 ротора 19 к его нижней торцовой поверхности проходят сквозные каналы 21, причем центральные линии (продольной оси) каналов 21 проходят в соответствующих плоскостях, содержащих продольную ось ротора 19. Радиальное расстояние от продольной оси (центра) каждого из верхних отверстий каналов 21 ротора 19 больше радиального расстояния от продольной оси (центра) каждого из нижних отверстий канала 21 ротора 19. Каналы 21 ротора 19, таким образом, проходят каждый от верхнего отверстия канала 21 вниз в направлении продольной оси ротора, и так как предпочтительно относительно потока, чтобы центральная ось канала 21 проходила по нормали к торцовым поверхностям ротора 19, примыкая к последним, продольные оси каналов 21 будут в этом случае соответственно иметь S-образную форму.

Крышки 2,3 корпуса 1 плотно контактируют с торцовыми поверхностями ротора 19, так что любая утечка жидкости между каналами 21 ротора 19 и между каналами патрубков 9 12 через щель между крышками 2, 3 и корпусом 1 будет минимизирована.

Каналы патрубков 9, 10, 11, 12 в крышках 2, 3 и, если необходимо, каналы 21 ротора 19 могут иметь постепенно изменяющуюся площадь поперечного сечения, в направлении потока это будет вызывать постепенное изменение статистического давления и изменения скорости жидкости, когда она течет по каналу (фиг.2).

На фиг. 3 показан другой вариант конкретного исполнения устройства для передачи энергии давления, в котором выпускные патрубки 22, 23 выполнены в верхней крышке 2, а выпускные патрубки 24, 25 в нижней крышке 3.

На фиг.6 показано продольное сечение еще одного варианта выполнения ротора 26, где впускное и выпускное отверстия каждого канала 27 ротора 26 открыты не аксиально, а радиально и находятся на боковой поверхности ротора 26. Вместо концевых крышек, имеющих входные и выходные патрубки, в том варианте роль таких патрубков могут выполнять желобки в стенке корпуса, причем желобки в этом случае расположены на угловом расстоянии приблизительно 180^o один от другого.

Работа устройства изложена со ссылками на фиг.4, которая схематически показывает два диаметрально выполненных канала 28 и 29 ротора. Переднюю и заднюю стенки каналов 28 и 29 необходимо понимать как переднюю и заднюю стенки соответственно в направлении вращения ротора. Направление потока через каналы 28 и 29 показано стрелками A и B, а направление вращения ротора стрелкой C.

Для начала, нужно, однако, установить, что обе стрелки A, B направлены вверх так, что жидкость течет аксиально в одном направлении в обоих каналах 28, 29. Это верно для варианта устройства, который показан на фиг.3.

Если ротор вращается и если жидкость имеет абсолютную скорость C₁ в нижнем впускном отверстии, и если скорость вращения входных отверстий каналов U₁, относительная скорость жидкости будет V₁, как показано на диаграмме скорости фиг.5. В верхнем выпускном отверстии, где скорость вращения отверстий каналов U₂ абсолютная скорость жидкости, в выпускном отверстии будет C₂, если принять, что аксиальная скорость жидкости во время ее течения через каналы ротора постоянна. С целью поддержания постоянной скорости вращения ротора крутящий момент должен подаваться на ротор, например, посредством мотора.

Скорость вращения ротора и скорость течения жидкости взаимно-приспособлены, так что к моменту, когда, например, одна втекающая жидкость слева на фиг. 3 заполнила канал на этой стороне, ротор повернется настолько, что подача в этот канал отрезается, тогда связь устанавливается между каналом и входным и выходным патрубками справа на фиг.3, и жидкость в этом канале выталкивается посредством входа жидкости второго потока. Жидкость первого потока, текущая через впускной патрубок 14 (фиг.3), будет, таким образом, в первом потоке в каналах, которые связаны с впускным патрубком 24, при этом жидкость второго потока, которая присутствует в этих каналах, выталкивается через выпускной патрубок 23.

Когда каналы заполнены, ротор поворачивается настолько, что связь с впускным патрубком 24 и выпускным патрубком 23 отрезается и устанавливается связь с впускным патрубком 25 и выпускным патрубком 22.

Жидкость второго потока теперь течет в каналах через впускной патрубок 25 и выталкивает жидкость первого потока через выпускной патрубок 22, затем связь между каналами и впускным патрубком 24 и выпускным 23 устанавливается еще раз и процесс повторяется.

В этом случае каналы могут проходить наклонно также в тангенциальном направлении, и могут, таким образом, быть оптимально приспособленными к скорости вращения ротора, так как направление прохода жидкостей через ротор постоянно все время.

Если направление прохода жидкости через ротор меняется на обратное, т.е. сверху вниз (фиг. 4), необходимо затормозить ротор с целью поддержать постоянную скорость ротора. Таким образом, ротор действует как насос в первом случае и подобно турбине во втором случае. Если считать, что направление прохода жидкости через каналы показано стрелками A и B на фиг. 4, т.е. жидкость течет вверх через каналы 29 и вниз через каналы 28, жидкость, текущая через каналы 28, стремится двигать ротор быстрее, тогда как жидкость, текущая через каналы 29, будет стремиться вращать ротор медленнее. Устройство, в котором ротор снабжается жидкостью таким образом, следовательно, и действует как насос турбинного типа с каналами в положении, как показано слева на фиг. 4, тогда как каналы на противоположной стороне будут действовать как часть рабочего колеса.

Уровень статистического давления, который действует на часть турбины или часть рабочего колеса во впускных и выпускных патрубках не важен для действия турбины и насоса соответственно, но только составляет основные рабочие условия, так как части давления, вызванные скоростью жидкости и центробежной силой, только добавляются или вычитаются их текущие статические давления.

Так как в этом случае поток проходит через ротор в обоих направлениях, каналы не должны иметь форму, способствующую улучшению условий для потока и давления в одном из направлений. Они должны, следовательно, проходить в плоскости, которая содержит продольную ось ротора, что обеспечивает равные условия в обоих направлениях потока, но что также влечет за собой высокие скорости течения во впускных отверстиях и выпускных отверстиях соответственно, радиальное расстояние, которых наибольшее от оси вращения. Жидкость, втекающая на сторону турбины, должна таким образом течь через впускное сопло, чтобы увеличить скорость в окружном направлении, а жидкость, вытекающая на сторону насоса, должна течь через выпускной диффузор, который вызывает уменьшение скорости и преобразование энергии скорости в энергию давления.

Формула изобретения

1. Устройство для передачи энергии давления от одного потока текучей среды к другому, содержащее корпус с входным и выходным патрубками для каждого потока текучей среды, ротор, установленный с возможностью вращения вокруг своей продольной оси внутри корпуса и имеющий по крайней мере один сквозной канал, простирающийся от одного его конца к другому в осевом направлении с возможностью поочередного сообщения входного и выходного патрубков одного потока текучей среды с входным и выходным патрубками другого потока текучей среды и наоборот во время вращения ротора, причем радиальные расстояния отверстий канала ротора от оси его вращения различны, а отверстия канала ротора в основном расположены в общей плоскости, проходящей через продольную ось ротора, отличающееся тем, что входные и выходные патрубки для каждого потока текучей среды выполнены с полостями, постоянно сообщенными с каналом ротора во время его поворота приблизительно на 180^o.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входной птрубок для одного потока текучей среды и выходной патрубок для другого потока текучей среды расположены с одного конца корпуса и ориентированы в направлении вращения ротора.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оба входных патрубка расположены с одного конца корпуса и ориентированы в направлении вращения ротора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6