Жидкостно-кольцевая машина

Жидкостно-кольцевая машина

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Жидкостно-кольцевая машина.

Заявляемое изобретение относится к объемным роторным жидкостно-кольцевым машинам, осуществляющим преобразование потенциальной энергии рабочего тела, которым может быть газ или несжимаемая жидкость, в механическую энергию или обратно, и может быть использовано в объемных газовых, гидравлических, тепловых и холодильных машинах.

Известны жидкостно-кольцевые машины, описанные, например, в книге под ред. Е.С.Фролова «Механические вакуумные насосы», М.: Машиностроение. 1984г., стр. 165-204, содержащие корпус с цилиндрической внутренней полостью для формирования жидкостного кольца, ротор с лопатками, установленный в подшипниках корпуса со смещением их оси относительно оси внутренней полости корпуса, и торцовое или осевое распределительное устройство.

Известна жидкостно-кольцевая машина по А.С.СССР № 1710840, кл. F 04 С 7/00, 19/00, 1992г., содержащая корпус с цилиндрической внутренней полостью, на торцовых крышках которого выполнены профилированные расточки, ротор с лопатками, установленный в подшипниках корпуса соосно его внутренней полости, и торцовое распределительное устройство в виде окон в торцовых крышках корпуса, размещенных между осью и упомянутыми профилированными расточками.

Недостатками этих машин являются низкий КПД из-за трения жидкости жидкостного кольца о поверхность внутренней полости корпуса и утечек рабочего тела через зазоры в распределительном устройстве с контактирующими прецизионными элементами, а также малый ресурс и низкая надежность из-за износа упомянутых элементов и их склонности к заклиниванию.

Упомянутое распределительное устройство с контактирующими прецизионными элементами и трение жидкости кольца о поверхность внутренней полости корпуса отсутствует в жидкостно-кольцевой машине по патенту Российской Федерации № 2083850 кл. F01 С7/00, 1995г. Машина реализует функции двигателя внутреннего сгорания и содержит корпус с размещенным в его подшипниках коленчатым валом, на шатунной шейке которого установлен с возможностью вращения ротор, а на коренных шейках, соосно подшипникам корпуса - полый барабан, обеспечивающий возможность формирования в его внутренней полости жидкостного кольца. Ротор и барабан кинематически взаимосвязаны и кинематически подключены к общей системе отбора мощности. При наличии сформированного жидкостного кольца ротор делит внутреннюю полость барабана на сообщающиеся с атмосферой секции, одна из которых является питающей, а вторая - выхлопной, и разделен по длине промежуточной кольцевой радиальной шайбой постоянного диаметра на относительно короткую компрессионную зону и более протяженную расширительную зону. Компрессионная зона с торца, обращенного к питающей секции барабана, имеет радиальные выступы в виде по меньшей мере двух гребней переменной высоты, а с противоположного торца - радиальный выступ в виде кольцевой шайбы постоянного диаметра, расширительная зона имеет радиальные выступы в виде по меньшей мере двух гребней переменной высоты с торца, обращенного к выхлопной секции барабана, а с противоположного торца - радиальный выступ в виде сплошной кольцевой шайбы постоянного диаметра, причем в каждой из указанных зон на роторе размещены по меньшей мере по две радиальные лопатки, а в теле ротора выполнены по меньшей мере два перепускных канала, соединяющих указанные зоны и служащих камерами сгорания.

При вращении ротора и барабана и наличии сформированного жидкостного кольца упомянутые кольцевые шайбы, гребни и лопатки вместе со свободной поверхностью жидкостного кольца образуют в обеих зонах ротора ячейки переменного объема, которые через периодически образовывающиеся проходы между гребнями переменной высоты и свободной поверхностью жидкостного кольца сообщаются с соответствующими секциями внутренней полости барабана, и рабочее тело из питающей секции поступает в каждую ячейку компрессионной зоны, по мере ее движения вытесняется, одновременно сжимаясь, жидкостным кольцом в соответствующий перепускной канал, где при подводе и воспламенении топлива осуществляется его сгорание с образованием горячих газов, которые после расширения в ячейке расширительной зоны поступают в выхлопную секцию внутренней полости барабана.

Таким образом, рабочий процесс осуществляется без использования распределительного устройства с контактирующими прецизионными элементами, а трение о внутреннюю поверхность корпуса жидкостного кольца исключается формированием последнего в полости вращающегося барабана.

Недостатками данной жидкостно-кольцевой машины являются ограниченные функциональные возможности, поскольку она реализуется только в варианте двигателя внутреннего сгорания с импульсным подводом тепла, и невозможность достижения высокого КПД такого двигателя, поскольку принятая схема допускает только одноступенчатое исполнение компрессионной и расширительной частей, что ввиду необходимости для достижения высокого КПД давления рабочего тела порядка 5 - 10 МПа требует для уплотнения жидкостным кольцом ячеек ротора такой окружной скорости ротора и барабана, при которой напряжения в их материале достигнут недопустимой величины, а применение клапанов, предусмотренное одним из зависимых пунктов формулы данного изобретения, приводит к тому, что устройство приобретает указанные выше недостатки, вызываемые применением распределительных устройств с контактирующими прецизионными элементами.

Возможность использования рабочего тела с высоким давлением путем его многоступенчатого сжатия и расширения без использования распределительного устройства с контактирующими прецизионными элементами при отсутствии потерь энергии на трение жидкостного кольца о корпус имеется в принятой в качестве прототипа жидкостно-кольцевой машине по SU 69427 А, 31.10.1947, F 01 С 7/00.

Машина содержит установленные с возможностью вращения ротор, состоящий из одной или нескольких размещенных вдоль его оси секций, и охватывающий его полый барабан, имеющий полости, соединенные с емкостями, содержащими рабочее тело, или с атмосферой, внутри которого при его вращении, одновременным с вращением ротора, формируется жидкостное кольцо, несоосное ротору, причем вся боковая поверхность одной или нескольких из секций ротора оказывается погруженной в жидкостное кольцо, при этом на боковой поверхности каждой из этих секций выполнены один или несколько каналов с выходами, непосредственно сообщающими их с упомянутыми полостями, и эти каналы полностью перекрываются жидкостью кольца в окрестности точки ротора, погруженной в толщу жидкостного кольца на максимальную глубину. Стенки каналов в данной машине образуют винтовые поверхности, каналы имеют переменное по длине поперечное сечение, барабан установлен несоосно ротору и кинематически с ним связан.

При вращении ротора реализуется перемещение рабочего тела вдоль каналов с возможностью изменения его состояния и преобразования его потенциальной энергии в механическую энергию ротора или обратно.

Последовательное соединение нескольких секций такой машины позволяет осуществить многоступенчатое изменение состояния рабочего тела с реализацией возможности использования высокого давления при допустимых окружных скоростях роторов и барабанов, а трение о внутреннюю поверхность корпуса жидкостного кольца исключается формированием последнего в полости вращающегося барабана.

Недостатками этой жидкостно-кольцевой машины является опасность возникновения паразитных перетечек рабочего тела через каналы и вызываемое этим уменьшение КПД при недостаточной величине углов между выходами каждого из каналов в сообщающиеся с ними полости. К недостаткам, кроме того, следует отнести технологическую сложность выполнения винтовых каналов переменного поперечного сечения и трудность ограничения тепло- и массообмена между рабочим телом и жидкостью кольца путем введения в конструкцию изолирующих экранов, вызванную упомянутой конфигурацией каналов и актуальную для исполнения машины в варианте двигателя внутреннего сгорания, а также нежелательное для исполнения машины в варианте теплового двигателя с внешним источником тепла наличие ограничений в выборе жидкостей для формирования кольца и выборе величины давления во внутренней полости барабана, уменьшающих возможности оптимизации рабочего процесса и номенклатуру источников тепла, создаваемое невозможностью полной герметизации несоосного ротору барабана.

Предлагаемым изобретением решается задача устранения опасности паразитных перетечек рабочего тела путем обеспечения постоянного разобщения выходов из каждого канала ротора сектором жидкости, перекрывающим поперечное сечение канала, и, кроме того, создается возможность упрощения конструкции и упрощения введения в нее изолирующих экранов благодаря исключению из независимого пункта формулы изобретения признака винтовой конфигурации каналов, что позволяет выполнять каналы также в виде незамкнутых кольцевых проточек, соединенных последовательно, и возможность полной герметизации барабана благодаря исключению из независимого пункта формулы изобретения признака несоосности барабана и ротора, что в некоторых вариантах исполнения машины позволяет оптимизировать конструкцию посредством объединения барабана с ротором в единый конструктивный элемент, установленный в корпусе с возможностью эпициклического движения.

Для достижения этого технического результата в жидкостно-кольцевой машине, содержащей установленные с возможностью вращения ротор, состоящий из одной или нескольких размещенных вдоль его оси секций, и охватывающий его полый барабан, имеющий полости, соединенные с емкостями, содержащими рабочее тело, или с атмосферой, внутри которого при его вращении, одновременном с вращением ротора, формируется жидкостное кольцо, несоосное ротору, причем вся боковая поверхность одной или нескольких из секций ротора, оказывается погруженной в жидкостное кольцо, при этом на боковой поверхности каждой из этих секций выполнены один или несколько каналов с выходами, непосредственно сообщающими их с упомянутыми полостями, и эти каналы полностью перекрываются жидкостью кольца в окрестности точки ротора, погруженной в толщу жидкостного кольца на максимальную глубину, согласно изобретению угол между выходом каждого из каналов в упомянутые полости выполняется минимум (360-α) градусов, где α - угловой размер сектора ротора, содержащего упомянутую окрестность. Такая величина угла гарантирует постоянное разобщение выходов из каждого канала ротора сектором жидкости, перекрывающим поперечное сечение канала.

Для уменьшения испарения жидкости из жидкостного кольца и теплообмена между рабочим телом и жидкостью, образующей жидкостное кольцо, на поверхности последнего могут быть размещены экраны, которые могут быть жесткими, мягкими или состоящими из плавающих на поверхности элементов.

Для уменьшения гидравлических потерь при движении рабочего тела по каналам ротора стенки последних могут быть выполнены в виде винтовых поверхностей.

С целью упрощения изготовления конструкции и упрощения введения в нее изолирующих экранов каждый канал ротора может выполняться в виде незамкнутой кольцевой проточки или нескольких незамкнутых кольцевых проточек, смещенных вдоль оси ротора и соединенных последовательно.

С целью упрощения конструкции машины и упрощения ее технического обслуживания при увеличении надежности машина может быть снабжена одним или несколькими роторами, жестко соединенными с охватывающими их барабанами в единые конструктивные элементы, установленными в корпусе с возможностью эпициклического движения.

Для формирования жидкостного кольца, эксцентричного ротору с минимальными гидравлическими потерями барабан может быть установлен несоосно ротору.

Для уменьшения гидравлических потерь в жидкостном кольце при обеспечении возможности получения высокого давления рабочего тела ротор может быть размещен на шатунной шейке коленчатого вала, коренные шейки которого установлены в подшипниках корпуса соосно барабану.

Для обеспечения возможности изменения рабочего объема машины ротор и барабан могут быть установлены с возможностью изменения относительного положения их осей в пространстве.

Для уменьшения потерь энергии при образования вихрей в жидкостном кольце барабан и ротор могут быть кинематически связаны.

Для стабилизации параметров жидкостного кольца и для создания возможности изменения рабочего объема машины она может быть снабжена устройством для регулирования количества жидкости в жидкостном кольце.

Для реализации многоступенчатого изменения состояния рабочего тела внутренняя полость барабана радиальными кольцевыми выступами на внутренней стороне его боковой поверхности может быть разбита по длине на несколько секций для формирования нескольких изолированных жидкостных колец, а ротор участками, имеющими меньший диаметр и не имеющими на наружной поверхности каналов, разделен на секции, размещенные в соответствующих секциях внутренней полости барабана.

Для стабилизации параметров жидкостных колец в секциях ротора содержащая их жидкостно-кольцевая машина может быть снабжена отдельным для каждой секции устройством, регулирующим количество жидкости в жидкостных кольцах.

Для разгрузки подшипников ротора и барабана от осевых усилий ротор и барабан машины могут быть выполнены симметричными относительно плоскости, перпендикулярной оси ротора.

Для охлаждения жидкости, образующей жидкостное кольцо, машина может быть снабжена устройством охлаждения жидкости, образующей жидкостное кольцо.

Для повышения КПД жидкостно-кольцевой машины, в которой применяется сжимаемое рабочее тело, (в компрессорах, вакуум-насосах, газовых, пневматических и тепловых двигателях и детандерах) каналы ротора могут выполняться с переменным по длине поперечным сечением.

С целью использования жидкостно-кольцевой машины в варианте теплового двигателя с внешним подводом тепла, рабочим телом которого является пар жидкости, образующей жидкостное кольцо, она может быть снабжена источником тепла, расположенным вне внутренней полости барабана, а барабан содержать секцию, конфигурация которой обеспечивает интенсивный теплообмен между упомянутым источником тепла и жидкостью, образующей жидкостное кольцо, а также между источником тепла и паром этой жидкости.

Для повышения КПД и сокращения потерь жидкости, образующей жидкостное кольцо, жидкостно-кольцевая машина в варианте парового двигателя может быть оснащена конденсатором, состоящим из теплоприемника и секции, конфигурация которой обеспечивает интенсивный теплообмен между упомянутым теплоприемником и паром жидкости, образующей жидкостное кольцо.

Для реализации возможности применения в жидкостно-кольцевой машине в упомянутом варианте парового двигателя для формирования жидкостного кольца и образования пара жидкости с оптимальными для конкретных условий теплофизическими свойствами, не взирая, например, на ее токсичность, пожароопасность или радиоактивность, машина может содержать один или несколько роторов, жестко соединенных с охватывающими их герметичными барабанами в единые конструктивные элементы, полностью изолированные от окружающей среды и установленные в корпусе с возможностью эпициклического движения.

С целью использования жидкостно-кольцевой машины в варианте двигателя внутреннего сгорания она может быть снабжена камерой сгорания с приспособлениями для сжигания топлива, размещенной во внутренней полости барабана или в теле ротора, агрегатами подачи топлива и пусковым устройством, а ротор и барабан могут содержать не менее двух секций, одной компрессионной и одной расширительной, снабженных упомянутыми каналами на наружной поверхности ротора и сообщающихся с камерой сгорания.

Для повышения КПД жидкостно-кольцевой машины в варианте теплового двигателя, преобразующего в механическую энергию тепло, получаемое при химической реакции компонентов топлива, она может быть оснащена теплообменником, в котором упомянутые компоненты подогреваются продуктами реакции.

С целью использования жидкостно-кольцевой машины в качестве холодильного агрегата, содержащего компрессор и детандер с обеспечением возможности предварительного охлаждения рабочего тела между ними, ее барабан может содержать компрессионную и расширительную секции, охватывающие соответствующие секции ротора, между которыми размещена охлаждаемая секция, конфигурация которой обеспечивает интенсивный теплообмен между рабочим телом и холодильным агентом, омывающим эту секцию.

С целью использования жидкостно-кольцевой машины в качестве объемной гидропередачи она может содержать приводной и выходной валы и роторы с соответствующими барабанами, причем один из роторов может быть кинематически связан с приводным валом, а второй ротор может быть кинематически связан с приводным и выходным, полости барабанов снабжены уплотнительными устройствами и гидравлически соединены каналами, а в качестве рабочего тела может применяться жидкость меньшей плотности, чем жидкость, образующая жидкостное кольцо, не растворимая и не смешиваемая с последней.

Для оптимизации рабочих процессов в жидкостно-кольцевых машинах в вариантах тепловых двигателей и холодильных агрегатов для образования жидкостного кольца могут одновременно использоваться несколько взаимно нерастворимых и несмешивающихся жидкостей, предназначенных для выполнения разных функций (например, одна - для образования рабочего тела парового двигателя, а вторая - для уплотнения каналов ротора и перемещения по ним рабочего тела).

Примеры схем вариантов исполнения жидкостно-кольцевой машины представлены на фиг. 1...19.

На фиг.1 схематично показан продольный разрез варианта жидкостно-кольцевой машины, выполняющей функции одноступенчатого компрессора с двумя винтовыми каналами ротора переменного поперечного сечения.

На фиг. 2 схематично показан поперечный разрез варианта жидкостно-кольцевой машины, изображенной на фиг. 1.

На фиг.З показана развертка ротора машины, изображенной на фиг.1 и 2, в положении начала заполнения воздухом участка канала I₁ и продолжения заполнения участка II_1.

На фиг.4 показана развертка ротора одноступенчатого компрессора, изображенного на фиг.1 и 2, в положении продолжения заполнения воздухом участка I₁ и перемещения и сжатия заполняющего участок II₁ воздуха сектором жидкостного кольца.

На фиг. 5 схематично изображен продольный разрез варианта жидкостно-кольцевой машины, выполняющей функции одноступенчатого компрессора, с одним каналом на роторе в виде двух незамкнутых кольцевых проточек разного поперечного сечения, смещенных вдоль оси ротора и соединенных последовательно. Машина снабжена экраном на части поверхности жидкостного кольца.

На фиг. 6 показан поперечный по А-А (см.фиг.5) разрез этого варианта машины.

На фиг. 7 показан поперечный по Б-Б (см.фиг.5) разрез этого варианта машины.

На фиг.8 показана развертка ротора машины, изображенной на фиг.5, 7.

На фиг.9 приведена схема жидкостно-кольцевой машины (продольный разрез) в варианте двухступенчатого компрессора с тремя винтовыми каналами ротора переменного поперечного сечения.

На фиг.10 показана развертка ротора машины, изображенной на фиг.9.

На фиг.11 показана схема жидкостно-кольцевой машины, функционирующей в варианте теплового двигателя с внешним подводом тепла и использованием в качестве рабочего тела пара жидкости, образующей жидкостное кольцо.

На фиг. 12 представлена схема продольного разреза жидкостно-кольцевой машины в варианте теплового двигателя с внешним подводом тепла, снабженной ротором, жестко соединенным с охватывающим его герметичным барабаном в единый конструктивный элемент.

На фиг. 13 представлена схема поперечного разреза этого варианта жидкостно-кольцевой машины.

На фиг. 14 представлена схема жидкостно-кольцевой машины в варианте теплового двигателя с внешним подводом тепла, снабженной несколькими роторами, жестко соединенными с охватывающими их герметичными барабанами в единые конструктивные элементы.

На фиг. 15 представлена схема (продольный разрез) жидкостно-кольцевой машины в варианте двигателя внутреннего сгорания с изобарным и непрерывным подводом тепла, ротор которой несоосен барабану.

На фиг. 16 схематически показана развертка ротора машины, изображенной на фиг.15.

На фиг. 17 представлена схема (продольный разрез) жидкостно-кольцевой машины в варианте двигателя внутреннего сгорания с изобарным и непрерывным подводом тепла, ротор которой жестко соединен с барабаном в единый конструктивный элемент.

На фиг. 18 представлена схема жидкостно-кольцевой машины, используемой в качестве холодильной установки, объединяющей в одном агрегате объемный компрессор и детандер с возможностью предварительного охлаждения рабочего тела между ними.

На фиг. 19 представлена схема жидкостно-кольцевой машины, предназначенной для использования в качестве объемной гидропередачи с изменяемым передаточным отношением.

Схема варианта жидкостно-кольцевой машины, выполняющей функции одноступенчатого компрессора, в продольном и поперечном разрезе показаны соответственно на фиг.1 и 2. Машина содержит корпус 1 с подшипниковыми узлами 2, обеспечивающими вращение ротора 3 вокруг оси О, и подшипниковыми узлами 4, обеспечивающими вращение барабана 5 вокруг оси O₁. На наружной поверхности ротора 3 выполнены два винтовых канала 6 переменного поперечного сечения, соединяющих полость всасывания 7, которая патрубком 8 сообщается с атмосферой, с полостью нагнетания 9, которая через патрубок 10 сообщается с потребителем сжатого воздуха. На развертке видно, что угол между выходами каналов 6 в полости 7 и 9 в данном случае составляет 720 градусов. Такой угол выбран из условия обеспечения максимальной при заданных габаритах производительности компрессора. На развертках фиг.(3,4,8,10) видно, что расположение выходов из каналов 6 в полости 7 и 9 на угловом расстоянии менее (360-α) градусов приведет к периодическому соединению между собой указанных полостей с разными параметрами рабочего тела, находящегося в них и, следовательно, к его паразитным перетокам и снижению КПД машины.

Со стороны полости нагнетания подшипниковый узел 4 снабжен уплотнительным устройством 11. Машина снабжена также не показанным на схеме устройством регулирования количества жидкости в жидкостном кольце 12.

При вращении ротора 3 с достаточной угловой скоростью и подаче необходимого количества жидкости во внутреннюю полость барабана 5 в ней формируется жидкостное кольцо 12, вращающееся вокруг оси O₁, которое увлекает барабан 5, начинающий также вращаться вокруг своей оси O₁ со скоростью, близкой к . При этом ротор 3 «катится» по кольцу 12, вся его наружная поверхность 13 оказывается погруженной в жидкость экцентричного относительно ротора жидкостного кольца 12, в разных секторах ротора на разную глубину, и поперечное сечение каналов 6 в окрестности точки m, заключенной внутри сектора ротора с угловым размером , полностью перекрывается соответствующим сектором жидкостного кольца.

Для пояснения рабочего процесса компрессора воспользуемся приведенными на фиг.3 и 4 развертками ротора. Развертки ротора изображены при двух положениях сектора жидкостного кольца, заключенного внутри сектора а ротора 3 относительно последнего, соответствующих его повороту на 180 градусов. Для удобства изображено перемещение именно сектора жидкости, который, очевидно, движется относительно ротора со скоростью Vs, равной по величине окружной скорости каналов ротора Vr, но противоположно ей направленной.

В положении 1р заполняются воздухом участки каналов I₁ и II₁, сообщающиеся с полостью всасывания, на участках I₂ и II₁ порции находящегося в них воздуха изолированы от полостей всасывания и нагнетания упомянутым сектором α жидкостного кольца и перемещаются им вдоль каналов в сторону уменьшения объемов каналов, что приводит к увеличению давления воздуха, и на участках I₃ и II₃, сообщающихся с полостью нагнетания, сжатый воздух из полостей каналов вытесняется в полость нагнетания.

В положении 2р продолжается заполнение участка I₁, воздух, поступавший в положении 1р в полость участка II₁, переместился вдоль канала и начинает сжиматься, продолжается сжатие воздуха, заключенного в полости I₂ и происходит вытеснение сжатого воздуха в полость сжатия из полостей участков II₂ и I₃.

Процесс перемещения воздуха из камеры всасывания 7 в камеру нагнетания 9, сопровождающийся его сжатием, продолжается, пока ротор 3 приводится во вращение с надлежащей угловой скоростью , и жидкость в жидкостном кольце 12 присутствует в необходимом количестве. При этом отсутствие утечек рабочего тела обеспечивается жидкостным кольцом, а износ элементов конструкции устройства и опасность их заклинивания устраняются отсутствием в устройстве прецизионных контактирующих деталей.

На фиг. 5, 6 и 7 схематично изображены соответственно продольный, поперечный по А-А и поперечный по Б-Б разрезы второго варианта жидкостно-кольцевой машины, выполняющей функции одноступенчатого компрессора.

Машина содержит корпус 1 с подшипниковыми узлами 2, обеспечивающими вращение ротора 3 вокруг оси О, и подшипниковыми узлами 4, обеспечивающими вращение барабана 5 вокруг оси O₁. Здесь на наружной поверхности ротора 3 выполнен один канал 6 в виде двух смещенных вдоль оси ротора и соединенных последовательно незамкнутых кольцевых проточек разного поперечного сечения, соединяющий полость всасывания 7, которая патрубком 8 сообщается с атмосферой, с полостью нагнетания 9, которая через патрубок 10 сообщается с потребителем сжатого воздуха. На развертке, показанной на фиг.8, видно, что угол между выходами канала 6 в полости 7 и 9 в данном случае составляет 720 градусов. Со стороны полости нагнетания подшипниковый узел 4 снабжен уплотнительным устройством 11. Для уменьшения испарения жидкости из жидкостного кольца 12 машина снабжена экраном 14, плавающим на поверхности жидкостного кольца. На схеме показан также вариант простейшего устройства 15, регулирующего количество жидкости в жидкостном кольце. Рабочий процесс машины аналогичен описаному выше. Ротор машины более прост в изготовлении, чем ротор машины, изображенной на фиг.1 и 2, экран 14 имеет простую конфигурацию.

На фиг.9 изображена схема жидкостно-кольцевой машины, а на фиг.10 - развертка ее ротора в варианте двухступенчатого компрессора.

Машина содержит корпус 1 с подшипниковыми узлами 4, ротор 3, установленный с возможностью вращения на шатунной шейке 16 коленчатого вала 17, коренные шейки которого установлены в подшипниковых узлах 4 соосно барабану 5, внутренняя полость которого кольцевым радиальным выступом 18 разделена по длине на две секции, охватывающими две секции ротора 3 с тремя винтовыми каналами 6 каждая, на которые его разделяет участок 19, имеющий меньший диаметр и не имеющий каналов. Для уменьшения длины барабана 5 каналы снабжены выходами 20 в их донной части. Секции ротора 3 с каналами 6 и охватывающие их секции барабана 5 образуют ступени компрессора, в которых формируются отдельные жидкостные кольца 12, количество жидкости в которых регулируется отдельными регулирующими устройствами (на схеме не показаны).

Ротор 3 связан с барабаном 5 и коленчатым валом 17 планетарной зубчатой передачей 21.

При вращении вала 17с угловой скоростью ₁ и наличии в обеих ступенях жидкостных колец 12 атмосферный воздух из полости всасывания 7 через выходы 20 последовательно поступает в каналы 6 первой и второй ступеней ротора и, подвергнувшись в них сжатию, поступает в нагнетательную полость 9, снабженную уплотнительными устройствами 11, откуда через патрубок 10подается потребителю.

Наличие трех каналов в секциях ротора существенно уменьшает пульсацию давления в полости нагнетания по сравнению с компрессором, ротор которого имеет один канал.

Расположение ротора на шатунной шейке коленчатого вала позволяет получить более высокую абсолютную угловую скорость жидкости в жидкостном кольце и соответственно обеспечивает возможность увеличения степени повышения давления воздуха в ступени компрессора без увеличения угловой скорости ротора и барабана относительно коленчатого вала, от которой зависит интенсивность возмущений жидкости в жидкостном кольце и соответственно величина потерь энергии при погружении каналов ротора в эксцентричное относительно него жидкостное кольцо.

Две ступени позволяют без увеличения угловой скорости ₀ удвоить степень повышения давления, создаваемого компрессором.

На фиг.11 показана схема жидкостно-кольцевой машины, функционирующей в варианте теплового двигателя с внешним подводом тепла и использованием в качестве рабочего тела пара жидкости, образующей жидкостное кольцо.

При соответствующих изменениях конструкции в машине может быть использован любой внешний источник тепла.

Изображен вариант с источником тепла в виде топки с горелками для сжигания жидкого, газообразного или пылевидного твердого топлива. Машина симметрична относительно средней плоскости, перпендикулярной оси ротора (на фиг.11 показана ее половина).

Устройство содержит корпус 1 с подшипниковыми узлами 2 и 4, в которых установлены соответственно ротор 3 с двумя расширительными секциями, снабженными каналами 22 и секцией 19 без каналов, жестко соединенный с валом 23, и барабан 5, кинематически связанный с ротором 3 шатунным механизмом 24 и содержащий расширительные секции, охватывающие соответствующие секции ротора и содержащие жидкостные кольца 25, а также прогенераторную секцию 26 в центральной части и конденсаторные секции 27 вблизи торцов, имеющие конфигурацию, обеспечивающую интенсивный теплообмен со средой в соответствующих полостях корпуса, причем секции 27 соединены с расширительными секциями через теплоизолирующие вставки 28, изготовленные из материала с малой теплопроводностью, а от внешней среды их внутренние полости изолированы уплотнительными устройствами 11. В средней части корпуса 1, в районе секции 26 барабана, расположены горелки 28, в которые подается топливо и воздух, нагнетаемый вентиляторами 29 через теплообменники 30.

Машина снабжена также не показанными на схеме устройствами регулирования количества жидкости в жидкостных кольцах 25 расширительных секций и агрегатами системы подачи топлива и системы пуска.

При вращении вала 23 вместе с ротором 3 и барабаном 5, наличии жидкостных колец 25 и подаче топлива в горелки 28 происходит горение топлива в воздухе, нагнетаемым вентиляторами 29 (начальное зажигание и приведение во вращение вала 24 осуществляется системой пуска). Продукты сгорания нагревают жидкость жидкостных колец 25, находящуюся в секции 26, и образующийся при этом пар, который, имея повышенное давление, устремляются в каналы 22 и, проходя по ним, расширяется и охлаждается, взаимодействуя при этом со стенками каналов и создавая на роторе 3 крутящий момент, после чего поступает в секции 27, где подвергается дальнейшему охлаждению атмосферным воздухом, нагнетаемыми вентиляторами 29, конденсируется, и образующаяся жидкость возвращается в жидкостные кольца 22. Воздух, проходя секции 27, нагревается и поступает в теплообменники 30, где подвергается дальнейшему нагреву продуктами сгорания топлива, попадающими в теплообменники после взаимодействия с секцией 26 барабана 5, после чего поступает в горелки 28. Продукты сгорания топлива, выходящие из теплообменников 30, выбрасываются в атмосферу.

Машина не нуждается в отдельном парогенераторе и конденсаторе, питательном насосе и паропроводах, что вместе с отсутствием распределительных устройств и высокотемпературных уплотнений высокого давления упрощает ее конструкцию и повышает надежность.

На фиг. 12 схематично представлен продольный, а на фиг 13 - поперечный разрез жидкостно-кольцевой машины в варианте теплового двигателя с внешним подводом тепла, снабженной ротором, жестко соединенным с охватывающим его герметичным барабаном в единый конструктивный элемент. Так же, как и в машине, схема которой показана на фиг.11, здесь может быть применен любой внешний источник тепла.

Изображен вариант устройства, предназначенного для утилизации тепла уходящих газов, например, технологических печей.

Машина содержит корпус 1 с подшипниковыми узлами 4, в которых установлен коленчатый вал 17, на шатунной шейке 16 которого установлен с возможностью вращения ротор 3, жестко соединенный с охватывающим его барабаном 5 в единый конструктивный элемент с внутренней полостью, полностью изолированной от окружающей среды.

Барабан 5 содержит расширительную секцию, охватывающую расширительную секцию ротора с каналами 22, а также парогенераторную 26 и конденсаторную 27 секции, имеющие конфигурацию, обеспечивающую интенсивный теплообмен между их внутренними полостями и окружающими полостями корпуса 1. Конденсаторная секция 27 соединена с расширительной секцией через проставок 28 из материала с низкой теплопроводностью. Во внутренней полости барабана 5 находится жидкость, из которой при его вращении формируется жидкостное кольцо 25.

Со стороны конденсаторной секции 27 барабан 5 кинематически связан планетарной зубчатой передачей 21 с валом 17 и снабжен вентилятором 29.

Корпус содержит полость нагрева 31 и полость охлаждения 32, разделенные перегородкой с лабиринтным уплотнением 33.

Машина содержит не показанное на схеме пусковое устройство и устройство, регулирующее поступление горячего газа в зависимости от уровня жидкости в жидкостном кольце и частоты вращения вала 17.

При вращении коленчатого вала 17 (при запуске приведение во вращение вала 17 осуществляется системой пуска) вместе с ротором 3 и барабаном 5, наличии жидкостного кольца 25 и поступлении в полость 31 горячего газа происходит нагрев жидкости жидкостного кольца 25, находящейся в секции 26 и образующегося при этом пара, который, имея повышенное давление, устремляется в каналы 22 и, проходя по ним, расширяется и охлаждается, взаимодействуя при этом со стенками каналов и создавая на роторе 3 крутящий момент, после чего поступает в секцию 27, где подвергается дальнейшему охлаждению атмосферным воздухом, прогоняемым вентилятором 29 через полость 32, конденсируется, и образующаяся жидкость возвращается в жидкостное кольцо 25.

Смещение оси вращения O₂ (см. разрез А-А на фиг. 16) жидкостного кольца 25 относительно общей оси О жестко соединенных ротора 3 и барабана 5 в данном случае обеспечивается эпициклическим движением последних. В первом приближении можно считать,

OO₂=OO₁/(l+/₁), к= +₁, где:

O₁ - ось вращения коленчатого вала 17;

- угловая скорость ротора относительно коленчатого вала;

₁ - угловая скорость коленчатого вала;

_к - средняя угловая скорость жидкости в кольце.

Угловые скорости считаем положительными, если их векторы направлены в ту же сторону, что и , и отрицательными, если в противоположную. Положительное OO₂ означает смещение O₂ относительно О в сторону O₁,

отрицательное - смещение 0₂ в противополож