УЛУЧШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ОБЪЕМНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЖИДКОСТНО-КОЛЬЦЕВЫХ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ ЧЕРЕЗ ПЕРЕПУСК СЖАТОГО ГАЗА ИЗ “МЕРТВОГО” ОБЪЕМА

Перепуск из “мертвого” объема сжатого газа, который остается в нем после окончания процесса нагнетания, широко применяется в различных механических вакуумных насосах объемного действия с внутренним сжатием [1]. Отсутствие перепуска приводит с переносу сжатого газа из “мертвого” объема на сторону всасывания, где при расширении до давления всасывания он занимает часть полезного объема рабочей полости, уменьшая производительность и предельный вакуум. В жидкостно-кольцевых вакуумных насосах потери производительности, связанные с наличием “мертвого” объема, составляют значительную часть объемных потерь, однако до настоящего времени в серийно выпускаемых машинах перепуск не применяется, хотя существующие теоретические и экспериментальные исследования этих машин косвенно подтверждают необходимость его применения.

Эффективная организация процесса перепуска в жидкостно-кольцевых вакуумных насосах должна осуществляться с учетом специфики его работы, связанной с наличием жидкостного кольца, внутренняя поверхность которого является подвижной наружной границей рабочей полости. Исследования этих машин показывают, что очертания внутренней поверхности жидкостного кольца, определяющие величину описанного и “мертвого” объемов, зависят от режимных и конструктивных параметров: отношения давлений, частоты вращения ротора, эксцентриситета, наружного диаметра, осевой ширины, угла конусности втулки и втулочного отношения рабочего колеса, количества, толщины и выходного угла его лопаток, кромок открытия и закрытия всасывающего и нагнетательного окон, физических свойств рабочей жидкости и др. [2]. “Мертвый” объем жидкостно-кольцевого вакуумного насоса расположен в области, где толщина жидкостного кольца достигает наибольшей величины, т.е внутренняя поверхность жидкостного кольца ближе всего подходит к втулке рабочего колеса. Эта область смещена от верхнего сечения машины, где радиальный зазор между рабочим колесом и внутренней поверхностью корпуса наименьший, к кромке закрытия нагнетательного окна против направления вращения колеса, при этом угловая величина этого смещения тем больше, чем больше отношение давлений и чем меньше окружная скорость на выходе колеса [3].

Для достижения большей полноты перепуска необходимо обеспечить возможно больший перепад давлений перетекающей через перепускной канал газожидкостной среды. Поэтому газожидкостную смесь из “мертвого” объема жидкостно-кольцевого вакуумного насоса необходимо перепускать либо в рабочую ячейку с максимальным объемом, когда она уже не сообщается с кромкой закрытия всасывающего окна, либо в примыкающую к ней ячейку, соответствующую началу сжатия находящегося в ней газа [4]. Через перепускной канал под действием перепада давлений движется газожидкостная смесь, для которой коэффициент гидравлического сопротивления значительно больше, чем при движении однофазной газовой среды. В связи с этим проходное сечение перепускного канала должно быть достаточно большим, а его длина – наименьшей с возможно более плавным изменением направления движения перепускаемого потока для снижения местных гидравлических сопротивлений [5].

Заводами-изготовителями в странах СНГ серийно выпускаются жидкостно-кольцевые вакуумные насосы простого действия с осевым газораспределением, горизонтальной осью вращения, двухопорными роторами, симметричным двухсторонним подводом и отводом газа через окна в двух лобовинах производительностью V3м3/мин и консольными рабочими колесами, насаженными на вал электродвигателя, с односторонним подводом и отводом газа (производительностью V3м3/мин). Последние имеют одну лобовину с камерами всасывания и нагнетания, сообщающими с рабочей полостью через соответствующие окна, и один минимальный торцовый зазор между колесом и торцовой стенкой лобовины, через который происходят перетечки сжимаемого газа со стороны нагнетания на сторону всасывания. С противоположной стороны торец рабочего колеса закрыт сплошным металлическим диском, плавно переходящим в коническую втулку колеса, поэтому перетечки с этой стороны колеса отсутствуют. Для машин такой конструкции кафедрой технической теплофизики предложена конструкция перепускного канала в виде прямолинейного паза на торцовой стенке лобовины с окнами со стороны рабочего колеса, с шириной, равной 0,3-0,5 толщины лопатки колеса. Вход этого канала смещен от кромки закрытия нагнетательного окна в направлении вращения колеса на угловое расстояние, не превышающее 1,1-1,2 углового размера рабочей ячейки 2/Z (где Z – число лопаток колеса), а выход размещен на диаметральной оси рабочей ячейки максимального объема, пересекающейся с окружностью, диаметр которой равен минимальному диаметру конической втулки колеса [6].

Результаты сравнительных испытаний водо-кольцевого вакуумного насоса ВВН-1,5/0,4, исполнения 2, с консольно размещенным на валу электродвигателя рабочим колесом и замкнутой системой водоснабжения, серийно выпускаемого опытно-экспериментальным заводом ВНИИкомпрессормаша (г. Сумы) приведенные к температуре подаваемой рабочей воды 15оС, без описанного више перепускного устройства и с ним представлены в таблице 1.

Из приведенных результатов следует, что машина ВВН-1,5/0,4 обеспечивает улучшение объемных и энергетических характеристик во всем диапазоне создаваемого на всасывании вакуума, при этом предельный вакуум остается без изменения. Наибольшее значение выигрыша в производительности и удельной мощности получается для расчетного режима работы, соответствующего вакууму на всасывании 60% (соответственно 30% и 22%). Улучшение характеристик, помимо отвода сжатого газа из “мертвого” объема в ячейку максимального объема при перепуске, обусловлено также тем, что перепускной канал, давление перепускаемой водо-воздушной среды в котором достигает промежуточного значения между давлениями нагнетания и всасывания, создает дополнительное сопротивление на пути перетечек сжимаемого воздуха с нагнетания на всасывание через торцовый зазор. Можно предположить, что при подаче в машину сетевой воды с постоянной температурой улучшение объемных и энергетических характеристик машины с перепускным устройством будет более значительным, поскольку подаваемая в машину рабочая вода не будет постепенно нагреваться, циркулируя в замкнутой системе водоснабжения.

Для жидкостно-кольцевого вакуумного насоса с двухопорным ротором, имеющих две лобовины с камерами всасывания и нагнетания и соответствующими окнами, и с перетечками сжимаемого газа через оба торцовых зазора между рабочим колесом и торцовыми стенками лобовины, предложена конструкция перепускного устройства в виде дугообразного паза на внутренней торцовой поверхности обеих лобовин с наименьшим его удалением от оси вращения ротора на расстояние r, лежащее в пределах rо r r1, где rо- радиус вала машины, r1- минимальный радиус конической втулки рабочего колеса. Расположение входа и выхода перепускных каналов и их ширина принимаются такими же, как для машин с консольно размещенным на валу электродвигателя рабочим колесом [6]. Паз перепускаемого устройства может быть выполнен либо по касательным к проточке радиуса r,концентричной втулке рабочего колеса, либо описан радиусом кривизны R, величина которого определяется зависимостью

Таким образoм, выполнение жидкостно-кольцевых вакуумных насосов с описанными выше перепускными устройствами обеспечивает значительное улучшение их объемных и энергетических характеристик во всем диапазоне рабочих давлений всасывания. Это улучшение объясняется не только положительным эффектом от перепуска сжатого газа из “мертвого” объема, но и тем, что перепускной канал, по которому движется среда с промежуточным между давлениями нагнетания и всасывания давлением, создает дополнительное гидравлическое сопротивление на пути перетечек сжимаемого газа с нагнетания на всасывание машины через ее торцовые зазоры. Конструктивное выполнение предложенных в данной работе перепускных устройств охватывает все конструкции жидкостно-кольцевых машин, выпускаемых заводами-изготовителями в странах СНГ. Оно требует лишь минимальной доработки конструкций существующих серийных машин без внесения изменений в технологии их изготовления и сборки, а также без введения в конструкцию машины дополнительных элементов.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004