ЛОПАСТЬ РОТОРА ИМПЕЛЛЕРНОГО НАСОСА
IMPELLER PUMP ROTOR BLADE

Изобретение относится к импеллерному насосу, предназначенному для перекачивания различных жидкостей, в том числе вязких, эмульсий, суспензий, пульп в пищевой промышленности, горнодобывающей, целлюлозно-бумажной и других.
За аналоги данного насоса принимаются патенты: US 2455194, US 2599600, US 2789511, US 4392779, US 3303791.
Аналоги данного импеллерного насоса содержат рабочее колесо с лопастями из эластичного материала, вращающееся внутри эксцентрично установленного корпуса либо корпуса с изменением конфигурации внутренней поверхности обечайки. Благодаря этому формируется область сжатия, что приводит к сгибанию лопастей, уменьшению объема камер между смежными лопастями и вытеснению жидкости из насоса. Всасывание жидкости происходит за счет увеличения объема камеры при разгибании лопастей вследствие возвращения к первоначальной конфигурации корпуса. Основным недостатком данной конструкции насоса является малый срок службы лопастей, поскольку лопасти насоса подвергаются многократному изгибу и на внешней поверхности лопасти возникают большие растягивающие напряжения. В результате, вследствие усталости материала происходит разрушение лопасти. В указанных источниках вопрос о форме лопасти, которая бы обеспечивала наименьшие напряжения, не рассматривается.
Прототипом импеллерного насоса для данного изобретения является патент US 2719001 А. Насос, имеющий два ротора с эластичными лопастями, зону сжатия, сформированную местным изменением конфигурации взаимно изгибающихся лопастей, впускные и выпускные окна и прочие сходные с другими насосами конструктивные элементы. Лопасти насоса имеют поперечное по высоте лопасти сечение переменной толщины. Изменение размера поперечного сечения принято с целью обеспечения изгиба лопастей, но никакой закономерности в изменении толщины не заложено. Поэтому прототип не обеспечивает защиты гибких лопастей от неравномерно распределенных по высоте лопасти растягивающих напряжений на внешней стороне изогнутой лопасти, возникающих при изгибе во время работы. Образуются сечения с повышенными значениями напряжений, вследствие чего ротор насоса выходит из строя из-за усталости материала лопастей при неиспользованном ресурсе в других сечениях.
Задачей изобретения является обеспечение создания во всех сечениях лопасти одинаковых напряжений по всей высоте при ее изгибе.
Технический результат изобретения - повышение усталостного порога разрушения лопастей ротора и увеличение срока службы, а также снижение расхода материала на изготовление изделия за счет его рационального использования.
Для решения этой проблемы предложена лопасть ротора импеллерного насоса переменной толщины, выполненная из эластичного материала, согласно изобретению, переменную толщину лопасти определяют из условия изгиба балки равного сопротивления в соответствии с зависимостью:
,
где h - толщина, z - положение расчетного поперечного сечения, Р - действующая сила, [σ] - нормальное допускаемое напряжение, b - ширина поперечного сечения лопасти.
В результате обеспечиваются равные напряжения во всех сечениях деформированной лопасти, не будет перегруженных и недогруженных сечений.
Установлено [Резниковский М.М., Лукомская А.И. Механические испытания каучука и резины. М.: Химия, 1968, с.301], что усталостная выносливость, выраженная через число циклов до разрушения, подчиняется зависимости
z
0
где σ - текущее напряжение, σ - прочность при однократном нагружении (разрывное напряжение), β - коэффициент, характеризующий усталостные свойства резины (β=2,5-8).
Из зависимости следует, что даже небольшое снижение напряжения позволяет значительно увеличить долговечность, так как усталостный коэффициент является степенью и больше единицы.
Сущность изобретения поясняется приведенными схемами.
На фиг.1 показаны силы, действующие на лопасть, и обозначены размеры, используемые для расчета.
На фиг.2 приведена расчетная схема лопасти как балки.
На фиг.3 показана форма эпюры изгибающего момента от действия нагрузки - силы Р.
На фиг.4 дана форма поперечного сечения лопасти и ее размеры, используемые при выводе основной зависимости.
На фиг.5 показана лопасть ротора импеллерного насоса с переменной по высоте толщиной.
На фиг.6 показан общий вид насоса.
На фиг.1 показаны силы, действующие на лопасть, и обозначены размеры для расчета. В балке равного сопротивления изгибу, в любом сечении нормальные напряжения определяются по зависимости (1) [Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1962, с.269, с.271]. Примем напряжения, равные допускаемым для материала лопасти (фиг.1)
i
xi
где М - изгибающий момент в i-сечении, W - момент сопротивления в i-м сечении, [σ] - допустимое напряжение.
Схема нагружения расчетной модели лопасти показана на фиг.2. Закон распределения изгибающего момента по длине l лопасти - линейная зависимость (фиг.3)
где l - длина лопасти, z - положение расчетного поперечного сечения, Р - действующая сила.
Для прямоугольного сечения лопасти (фиг.4) момент сопротивления рассчитывается по формуле (3) [Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1962, с.269, с.271]
где h - толщина, b - ширина поперечного сечения лопасти.
Следовательно подставив (2) и (3) в (1) получим
или
Тогда из (5) следует
min
max
Формула (6) - это закон изменения толщины лопасти h в поперечном сечении от h до h в зависимости от изменения параметра z высоты лопасти (фиг.5).
Принцип работы всего устройства и основные детали и узлы импеллерного насоса приведены на схеме (фиг.6).
Насос имеет корпус 1 с местным изменением конфигурации внутренней поверхности корпуса 2. Лопасти 3 имеют переменное сечение заданного профиля и могут быть выполнены совместно со ступицей или отдельно.
Насос работает следующим образом. Ротор с лопастями 3 вращается против часовой стрелки. Благодаря местному изменению 2 конфигурации внутренней поверхности корпуса 1 формируется область сжатия, где происходит сгибание лопастей, что приводит к уменьшению объема камер между смежными лопастями и вытеснению жидкости из насоса. Всасывание жидкости происходит за счет увеличения объема камеры при разгибании лопастей вследствие возвращения к первоначальной конфигурации корпуса. При изгибании лопасть принимает естественную форму, обеспечивающую равенство напряжений во всех сечениях, что ведет к повышению усталостной выносливости лопастей, срока службы и рационального использования материала при изготовлении изделия.