РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
ROTARY PUMP IMPELLER

Изобретение относится к области центробежных насосов, в частности, к конструированию их рабочих колес, и может быть использовано для повышения эффективности работы насосов в системах теплоснабжения и водоснабжения.
Лопастная система рабочих колес насосов профилируется для расчетного значения подачи насоса исходя из условия снижения гидравлических потерь. Минимизация гидравлических потерь позволяет обеспечить максимальный КПД насоса в оптимальном режиме его работы, соответствующем расчетному значению подачи.
Основные закономерности для профилирования лопастной системы рабочего колеса центробежного насоса изложены в издании: М.Д. АЙЗЕНШТЕЙН Центробежные насосы для нефтяной промышленности. - М.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1957. Однако рабочее колесо, спроектированное в соответствии с указанным источником, будет обеспечивать минимальные гидравлические потери, т.е. высокое значение КПД насоса, только в узкой области вблизи расчетных значений подачи насоса.
Методика построения лопастной системы центробежного насоса получила развитие в работе: А.Н. МАШИН. Профилирование проточной части рабочих колес центробежных насосов. - М.: Московский Ордена Ленина Энергетический Институт, 1976. В данной публикации детально раскрыта методика расчета всех параметров лопастной системы, при этом насос, оснащенный таким рабочем колесом, также показывает высокую эффективность только при работе в оптимальном режиме или вблизи него.
Таким образом, известные из уровня техники рабочие колеса не позволяют эффективно использовать насос при значениях подачи, значительно отличающихся от расчетных.
Однако в реальных условиях, в частности в системах теплоснабжения и водоснабжения, значительную часть времени насос эксплуатируется в режиме, отличном от оптимального, например при значении подачи меньше расчетного. В таких условиях КПД насоса существенно снижается. Следует отметить, что производитель устанавливает расчетное значение подачи ближе к максимальному ее значению, поскольку насос должен обеспечить устойчивую работу во всем заявленном диапазоне подачи. Следовательно, оптимальный режим работы насоса не всегда соответствует режиму эксплуатации, а средневзвешенный по времени КПД насоса может оказаться значительно ниже расчетного.
Задачей изобретения является повышение КПД насоса в области значений подачи насоса, отличающихся от расчетного значения подачи.
Для решения этой задачи предлагается рабочее колесо центробежного насоса, которое содержит, по меньшей мере, две лопасти, имеющие различные углы входа. Все лопасти при этом могут иметь одинаковый угол выхода. Все лопасти могут располагаться с постоянным внешним шагом. Каждой лопасти может соответствовать лопасть с таким же углом входа, расположенная симметрично относительно центра рабочего колеса, при этом указанные лопасти образуют пару. Рабочее колесо может включать три пары лопастей с различными углами входа.
При использовании изобретения достигаются следующие технические результаты:
- повышение КПД насоса в области значений подачи насоса, отличающихся от расчетного значения подачи насоса;
- повышение средневзвешенного по времени КПД насоса.
Описание осуществления изобретения поясняется ссылками на фигуры:
фиг.1 - исходное рабочее колесо;
фиг.2 - модернизированное рабочее колесо;
фиг.3 - зависимость КПД насоса от подачи для исходного и модернизированного колес.
Лопасти рабочего колеса, изображенного на фиг.1, имеют рабочую поверхность, представленную на чертеже линией L, которая обозначается в дальнейшем как внешняя линия лопасти. Входные кромки лопастей 1 лежат на окружности входа, имеющий диаметр D1. Выходные кромки лопастей 2 лежат на окружности выхода с диаметром D2, как правило, совпадающим с внешним диаметром рабочего колеса. Угол между выходными кромками лопастей α, в дальнейшем - внешний шаг, одинаков для всех лопастей.
1л
2л
Касательная к внешней линии лопасти в точке ее пересечения с окружностью входа и касательная к окружности входа в указанной точке образуют угол входа β. Касательная к внешней линии лопасти в точке ее пересечения с окружностью выхода и касательная к окружности выхода в указанной точке образуют угол выхода β.
1л
2л
Значения параметров D1, D2, β и β определены для расчетной подачи насоса при условии максимизации КПД насоса, а также с учетом конструкторских ограничений, и одинаковы для всех лопастей. Поскольку, как показано в приведенной выше работе А.Н. Машина, сопряжение углов входа и выхода может быть осуществлено плавной кривой произвольной формы, то можно считать, что указанные параметры определяют форму и расположение лопастей рабочего колеса. Все лопасти такого рабочего колеса, в дальнейшем - исходные лопасти, одинаковы.
Лопасти рабочего колеса, спроектированного для другого значения подачи насоса, будут иметь иные углы входа и выхода, причем для более низкого значения подачи углы входа и выхода уменьшаются, а для более высокого значения подачи - соответственно увеличиваются.
Исследования показали, что при замене части исходных лопастей лопастями, имеющими другой угол входа, КПД насоса возрастает в области подачи, для которой спроектированы добавленные лопасти. При этом угол выхода заменяющих лопастей целесообразно сохранить равным углу выхода исходных лопастей. Диаметры окружностей входа и выхода, устанавливаемые с учетом конструкторских ограничений, для заменяющих лопастей также сохраняются равными соответствующим значениям этих параметров, определенных для исходных лопастей. Внешний шаг остается постоянным для всех лопастей, и его значение не изменяется.
При осуществлении такой модернизации рабочего колеса КПД насоса на оптимальном режиме работы, для которого разработаны исходные лопасти, ожидаемо снижается. Однако прирост КПД насоса в области низких значений подачи превышает его падение в области оптимального режима, что позволяет получить более высокий средневзвешенный по времени работы КПД насоса.
На фиг.2 представлено модернизированное рабочее колесо, имеющее три пары лопастей. Каждая пара образуется лопастями, расположенными симметрично относительно центра рабочего колеса, при этом лопасти каждой пары имеют одинаковый угол входа, в то время как углы входа лопастей, входящих в разные пары, различны. Такое колесо показывает наилучшие результаты, однако является частным случаем изобретения.
На фиг.3 представлена зависимость КПД насоса от режима его работы для исходного и модернизированного колеса. Повышение КПД насоса в области низкой подачи до 4,5% при применении модернизированного колеса сопровождается незначительным его снижением на оптимальном режиме, что подтверждает достижение заявленного технического результата.