При вращении рабочего колеса 5 образуется жидкостное кольцо, которое под действием центробежной силы прижимается к внутренней поверхности корпуса 1. Вследствие эксцентричного расположения рабочего колеса 5 жидкостное кольцо отходит от втулки 5, увеличивая рабочий объем, в который через всасывающее окно 3 всасывается воздух (рис. 3.1).
Ячейка, образуемая внутренней поверхностью жидкостного кольца, поверхностью втулки 5 и лопатками 6, увеличивает свой объем до определенной величины угла поворота колеса. При этом происходит процесс всасывания. При дальнейшем повороте рабочего колеса происходит отсечение ячейки от всасывающего окна и начинается плавное сжатие попавшего в ячейку воздуха за счет уменьшения объема ячейки. При достижении в ячейке заданного давления (при повороте колеса на заданный угол) ячейка сообщается с нагнетательным окном 4, через которое сжатый воздух вытесняется в нагнетательную полость и выходит из машины.
 |
Рис. 3.1. Принципиальная схема водокольцевого вакуумного насоса с обтекаемым жидкостным кольцом
Чтобы уменьшить силы трения, изготовлена конструкция ротационного насоса с жидкостным поршнем с вращающимся ротором и с вращающимися шиберами, укрепленными на концах лопаток ротора. К внешним концам лопаток ротора шарнирно прикреплены замыкающие шиберы, которые представляют собой продолжение лопаток ротора. Насос снабжен распределительным цилиндром. При вращении рабочего колеса в полость 6 распределительного цилиндра засасывается воздух, который затем сжимается до конечного давления и выталкивается в полость. Недостатком ротационного насоса с вращающимися шиберами является до некоторой степени сложность конструкции. Машина имеет много подвижных и вращающихся частей. В целях снижения потерь на трение применяют конструкции водокольцевых насосов с вращающимся корпусом. Однако имеющиеся конструкции таких насосов также технологически сложны в изготовлении.
Производительность жидкостно-кольцевой машины оценивается величинами серпообразной площади, длины колеса и частоты вращения. Серпообразная площадь определяется диаметрами колеса и его втулки. Геометрические параметры колеса используют в виде конструктивной характеристики – отношения радиусов втулки и колеса. Это соотношение определяет размеры пространства для сжатия воздуха и величину потерь при входе воздуха в ячейку и выходе из нее. Малое значение отношения радиусов втулки и колеса – признак эффективной материалоемкости машины. Эффективность геометрической характеристики рабочего колеса обуславливается значением эксцентриситета. Рациональная величина эксцентриситета обеспечивает минимальное погружение лопастей рабочего колеса в жидкость и, как следствие, высокую производительность и низкую удельную потребляемую мощность и материалоемкость. Чрезмерный эксцентриситет выводит лопасти из жидкостного кольца и увеличивает просачивание воздуха из нагнетательной полости во всасывающую через образовавшуюся щель и уменьшает производительность машины. Малый эксцентриситет является причиной большого погружения лопастей в жидкостное кольцо и уменьшения до 20% объема засасываемого воздуха.
Серпообразная площадь машины однократного действия формируется внутренним контуром жидкостного кольца и внешним контуром втулки. Увеличение кратности действия требует втулки большего радиуса для сохранения номинальной производительности. Это соотношение для машин двойного и однократного действия превышает 1,5. Такой подход, с одной стороны, сопровождается увеличением описанного объема и производительности машины, а, с другой стороны, увеличивает скорость концов лопаток колеса (свыше 13...15 м/с) при той же частоте оборотов. Кроме того, увеличение диаметра рабочего колеса повышает утечки воздуха по его торцевой поверхности и снижает величину рабочего диапазона давлений. Зазор между рабочим колесом и крышкой корпуса с всасывающими и нагнетательными окнами для всех типоразмеров машин составляет 0,1...0,25 мм. Его величина определяется качеством изготовления, чистотой поверхности и точностью сборки.
Больший диаметр увеличивает площадь этого сечения и величину утечек воздуха при его сжатии. А именно это свойственно машинам многократного действия. Относительную длину колес машин однократного действия выбирают в пределах 1,3...1,6. Такой подход обуславливается уменьшением проводимости более протяженных ячеек, задержкой части сжатого воздуха в них и последующим переносом его во всасывающую полость. Увеличение кратности действия машины пропорционально снижает продолжительность одного цикла всасывания и сжатия воздуха и требует уменьшения длины колеса. По этой причине, например, отношение длины колеса к его диаметру в машине двойного действия следует принимать 0,6...0,8. Длина колеса обратно пропорциональна числу оборотов. Соблюдение этого требования уменьшает замкнутый объем ячейки колеса.
Объемный коэффициент полезного действия водокольцевого вакуумного насоса однократного действия достигает 0,7. Этот коэффициент для насосов двойного действия составит 0,49; тройного – 0,34; четырехкратного – 0,24. Уменьшение объемных коэффициентов полезного действия характеризует меньшую конкурентоспособность жидкостно-кольцевых машин многократного действия. Увеличение кратности действия жидкостно-кольцевой машины сопровождается пропорциональным снижением производительности и коэффициента полезного действия. Машины двойного действия могут быть приемлемы лишь для работы в качестве компрессоров большой производительности. Это обуславливается тем, что размеры нагнетательного отверстия компрессоров меньше чем вакуумных насосов. Отработка моделей машин многократного действия для применения в качестве вакуумных насосов явится ошибочной. Машины однократного действия - наиболее эффективные образцы для дальнейшего конструктивного совершенствования жидкостно-кольцевых машин. Оптимизация конструктивных параметров элементов рабочего колеса таких машин – одно из основных направлений повышения их эффективности энергопотребления. Для большинства жидкостно-кольцевых машин применяются изогнутые лопатки рабочего колеса. Основным параметром, характеризующим форму лопаток, является угол выхода. Он находится в интервале наименьших радиальных скоростей жидкости при выходе с лопаток. Это препятствует образованию вихрей и уменьшает гидродинамические потери.
Целью конструкторской разработки данного проекта с модернизацией водокольцевого вакуумного насоса является повышение его производительности, а следовательно снижения удельного расхода электроэнергии.