ЦЕНТРОБЕЖНОЕ РАБОЧЕЕ КОЛЕСО
CENTRIFUGAL IMPELLER

Изобретение относится к машиностроительной гидравлике и может быть использовано в малорасходных центробежных насосах систем терморегулирования космических летательных аппаратов, а также в химической промышленности.
Известно центробежное рабочее колесо содержащее ведущий диск, покрывной диск и выполненные заодно с ними лопатки (В.В. Малюшенко, А.К. Михайлов. “Энергетические насосы: Справочное пособие”, М., “Энергоиздат”, 1981, стр.21, рис.1.15, а). Рабочее колесо литое.
Недостатком такого центробежного рабочего колеса является ограниченная область применения, т.к. отливать можно колеса относительно больших размеров. В малорасходных колесах космической техники такая конструкция неприменима, т.к. наружные диаметры колес этих насосов обычно находятся в диапазоне значений от 40 до 60 мм, а толщина лопаток составляет около 1 мм.
Этого недостатка лишено центробежное рабочее колесо, содержащее единый со ступицей ведущий диск, покрывной диск с центральным входным отверстием и размещенные между ведущим и покрывным диском не менее трех осесимметрично расположенных лопаток, выбранное в качестве прототипа (А.В. Бобков. «Центробежные насосы систем терморегулирования космических аппаратов», Владивосток, «Дальнаука», 2003, стр.186, последний абзац). Покрывной диск припаивается по торцевой поверхности лопаток.
Недостатком такого центробежного рабочего колеса является его низкая технологичность: необходимо предварительно изготовить 2 детали - ведущий диск с лопатками и покрывной диск, оставив припуск на окончательную обработку, затем произвести пайку - достаточно сложный процесс, используется вакуумная пайка в электропечи - и после этого окончательная механическая обработка рабочего колеса, т.к. при пайке возможны поводки спаиваемых деталей из-за воздействия высокой температуры. При этом вследствие такой технологии возникает необходимость межцеховых перевозок деталей, что, наряду с необходимостью повторной механической обработки, удлиняет цикл изготовления и удорожает производство. Другим недостатком такого колеса является низкая коррозионная стойкость в связи с наличием паяного соединения лопаток с покрывным диском - при пайке на торцовые стенки алюминиевых лопаток наносится медное покрытие. Поэтому такие рабочие колеса не могут работать в коррозионно-активных средах.
Техническим результатом, достигаемым заявленным устройством, является повышение технологичности его изготовления и коррозионной стойкости.
Этот результат достигается за счет того, что в известном центробежном рабочем колесе, содержащем единый со ступицей ведущий диск, покрывной диск с центральным входным отверстием и размещенные между ведущим и покрывным диском не менее трех осесимметрично расположенных лопаток, согласно изобретению, каждая лопатка выполнена составной из двух частей, при этом первая часть каждой лопатки выполнена заодно с покрывным диском и размещена внутри сосной покрывному диску первой поверхности вращения, а вторая часть каждой лопатки выполнена заодно с ведущим диском и размещена снаружи второй поверхности вращения, охватывающей первую поверхность вращения, каждая из указанных поверхностей выполнена двухступенчатой, при этом ступени с большим диаметром обеих поверхностей прилегают своими краями к ведущему диску, а ступени меньшего диаметра прилегают своими краями к покрывному диску, ступени меньшего диаметра обеих поверхностей имеют одинаковые номинальные диаметры, и осевые размеры ступеней меньшего и большего диаметров первой поверхности вращения равны номинальным осевым размерам ступеней меньшего и большего диаметров второй поверхности вращения соответственно, при этом оба диска установлены с фиксацией их взаимного углового положения.
На фиг 1. приведен пример конкретного выполнения центробежного рабочего колеса дискового насоса, вид со стороны покрывного диска, на фиг.2 - то же, продольный разрез, на фиг.3 - то же, увеличенное изображение местного элемента I, на фиг.4 - то же, общий вид колеса.
Центробежное рабочее колесо содержит единый со ступицей 1 ведущий диск 2, покрывной диск 3 с центральным входным отверстием 4 и размещенные между ведущим 2 и покрывным 3 диском не менее трех (в данном примере конкретного исполнения четыре) осесимметрично расположенных лопаток 5. Каждая лопатка 5 выполнена составной из двух частей, при этом первая часть 6 каждой лопатки выполнена заодно с покрывным диском 3, а вторая часть 7 каждой лопатки выполнена заодно с ведущим диском 2. Первая часть 6 каждой лопатки и размещена внутри сосной покрывному диску 3 первой поверхности вращения 8 (на фиг.3 сечение этой поверхности показано ломаной между точками A, B, C и D), а вторая часть 7 каждой лопатки размещена снаружи второй поверхности вращения 9 (на фиг.3 сечение этой поверхности показано ломаной между точками A, B, E и F), охватывающей первую поверхность вращения 8. Каждая из поверхностей вращения 8 и 9 выполнена двухступенчатой, при этом ступени 10 и 11 с большим диаметром поверхностей 8 и 9 соответственно прилегают своими краями (точки D и F) к ведущему диску 2, а ступени 12 и 13 меньшего диаметра поверхностей 8 и 9 соответственно прилегают своими краями (точка A) к покрывному диску 3. Ступени меньшего диаметра 12 и 13 обеих поверхностей имеют одинаковые номинальные диаметры D, и осевые размеры L и M ступеней 10 и 12 меньшего и большего диаметров первой поверхности вращения 8 равны номинальным осевым размерам L и M ступеней 11 и 12 второй поверхности вращения 9 соответственно. Оба диска 2 и 3 установлены с фиксацией их взаимного углового положения - а именно соединены точками 14 лазерной сварки в местах стыка торцов частей 7, выполненных на ведущем диске, с покрывным диском 3 по его наружному диаметру.
Центробежное рабочее колесо работает следующим образом: при приведении колеса во вращение в среде жидкости жидкость в зазоре между дисками 2 и 3 под воздействием лопаток 5 также приводится во вращение, следствием которого является вытеснение жидкости к наружному диаметру колеса под действием центробежных сил инерции и создание рабочим колесом напора. При этом передача вращающего момента покрывному диску 3 от ведущего диска 2 осуществляется расплавленным при лазерной сварке металлом точек 14. Осевая же фиксация покрывного диска 3 к ведущему 2, препятствующая разъединению этих дисков, осуществляется, помимо точек 14, упором торца ступени 10 в торец ступени 13. Отсутствие люфта в этом соединении обеспечивается тем, что осевые размеры L и M ступеней 10 и 12 меньшего и большего диаметров первой поверхности вращения 8 равны номинальным осевым размерам L и M ступеней 11 и 12 второй поверхности вращения 9 соответственно. Отсутствие же радиального люфта между дисками обеспечивается тем, что ступени меньшего диаметра 12 и 13 обеих поверхностей имеют одинаковые номинальные диаметры D, т.е. одна из этих поверхностей является центрирующей для другой. Диаметр же ступени 11 выполнен большим диаметра ступени 10, ибо в противном случае имело бы место центрирование составляющих рабочее колесо деталей по двум поверхностям, чего обычно в практике проектирования рекомендуют избегать. Поэтому в формуле приведен признак, формулирующий, что вторая поверхность вращения охватывает первую поверхность вращения. Величина зазора между поверхностями 10 и 11 выбирается методами обычного проектирования, она должна быть достаточно мала, чтобы избежать больших перетечек с напорной стороны лопатки на тыльную по зазору между частями 6 и 7 лопаток. Вследствие незначительной разницы давлений на напорной и тыльной сторонах лопаток в точках, размещенных на одном и том же диаметре, перетечки по этому зазору (при легко технологически достижимом зазоре порядка 0,05 мм - 0,1 мм) практически не оказывают влияния на энергетические характеристики колеса. Также методами обычного проектирования выбирается разница между диаметрами ступеней поверхности вращения 8, так как она определяет напряжения сжатия в лопатках из-за воздействия давления в межлопаточном пространстве между дисками 2 и 3. Посадка ступени 13 на ступень 13 может быть выполнена как скользящей, так и с натягом. В последнем случае эта посадка сама по себе обеспечивает передачу момента от диска 2 через части 7 - на части 6 и диск 3. В случае такого исполнения можно обойтись без использования лазерной сварки, поэтому в формуле приведен обобщающий признак «оба диска установлены с фиксацией их взаимного углового положения». В формуле изобретения также однозначно указано, что части лопаток, выполненные на покрывном диске, расположены внутри, а на ведущем - снаружи. Это обусловлено тем, что при фрезеровании лопаток на ведущем диске обработке их в местах, наиболее приближенных к оси колеса, мешает ступица колеса, что ограничивает максимальный диаметр фрезы для обработки лопаток, а фрезы маленького диаметра весьма дефицитны, непрочны и малопроизводительны. Обработка же лопаток, размещенных на этом же диаметре, но на покрывном диске - где отсутствует ступица - свободна от этих недостатков. Поэтому взаимное расположение частей лопаток и дисков упомянуто в формуле. Также в ограничительной части формулы подчеркнуто, что количество лопаток не менее 3 - что важно как и в прототипе - для обеспечения точной радиальной фиксации при сборке - так и в заявленном техническом решении - так как в случае наличия, например, только 2 лопаток, надежное базирование достигается только в одном направлении, а при 3 и более - во всех.
В результате использования изобретения существенно повышается технологичность центробежного рабочего колеса, так как устраняется как сам процесс пайки, так и двойная механическая обработка (предварительная и окончательная) деталей. Также повышается коррозионная стойкость колеса, так как обе его части могут быть изготовлены из одного и того же материала, а запрессовка одной детали в другой или использование лазерной сварки не привносит в сборку никаких других материалов. Указанные преимущества позволяют рекомендовать заявленное изобретение к использованию в составе систем терморегулирования изделий ракетно-космической техники и в химической промышленности.
Литература:
1. В.В. Малюшенко, А.К. Михайлов, “Энергетические насосы: Справочное пособие”, М., “Энергоиздат”, 1981, стр.21, рис.1.15, а.
2. А.В. Бобков, «Центробежные насосы систем терморегулирования космических аппаратов», Владивосток, «Дальнаука», 2003, стр.186, последний абзац.