Реактивное рабочее колесо центробежного насоса
REACTIVE IMPELLER OF CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к области насосостроения и может быть использовано при проектировании и производстве насосов.
Известен способ снижения вихревых диффузорных потерь в межлопастном канале рабочего колеса центробежного насоса путем увеличения количества лопастей рабочего колеса (см., например, Пфлейдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. Водяные насосы, вентиляторы, турбовоздуходувки, турбокомпрессоры. 4-е перераб. изд. / пер. под ред. В.И. Поликовского. - М: ГНТИ, 1960). Увеличение количества лопастей приводит к снижению степени диффузорности межлопастного канала и, как следствие, к снижению отрицательного влияния относительного вихря на структуру течения. Вместе с тем, при этом увеличивается стеснение потока на входе в колесо и увеличивается площадь поверхностей трения лопастей о жидкость. Это приводит к росту гидравлических потерь в межлопастном канале и на его входе.
Однако в итоге увеличение количества лопастей хоть и снижает диффузорные потери, но не дает практического увеличения КПД рабочего колеса и насоса, чаще приводя к их уменьшению.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому реактивному рабочему колесу центробежных насосов является рабочее колесо, описанное в книге Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Лопастные насосы. Теория расчет и конструирование. - М.: Машиностроение, 1977, с.30, 32, рис.16), содержащее равномерно распределенные по окружности колеса лопасти с идентичными скелетами профилей, образующие между собой каналы с горлом, причем лопасти имеют преимущественно максимально тонкий аэродинамический профиль или минимально возможную постоянную толщину. Профиль лопастей строится на скелете - кривой, совпадающей с расчетной линией тока жидкости относительно колеса.
Недостатком таких колес является большие диффузорные (вихревые) потери в диффузорном межлопастном канале из-за отрицательного влияния относительного (осевого) вихря на структуру течения (см., например, Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. - М.: Машиностроение, 1966). Следствие этого недостатка - снижение гидравлического КПД рабочего колеса и насоса в целом.
Недостатком такого решения является низкая эффективность использования центробежного насоса при значительных отклонениях режимов работы от расчетных из-за низких значений КПД.
Задачей изобретения является расширение эффективной рабочей зоны центробежного насоса с одновременным увеличением его гидравлического КПД.
Техническим результатом является снижение вихревых (диффузорных) потерь в межлопастных каналах рабочего колеса.
i
i
i
i
i
1
i
1
i
Это достигается тем, что реактивное рабочее колесо центробежного насоса, содержащее равномерно распределенные по окружности колеса лопасти с идентичными скелетами профилей, образующие между собой каналы с горлом, которые образованы так, что средние их линии есть геометрическое место точек - центров окружностей с диаметрами D, вписанных между скелетами соседних профилей на различных радиусах колеса, а внешние обводы каналов образованы кривыми, касательными к окружностям с диаметрами d, меньшими диаметров D, концентричным окружностям, вписанным между скелетами профилей, причем диаметры d на любом i-м радиусе рабочего колеса определяются зависимостью d=(D-s)⋅k+(D-s)⋅(1-k), где D есть диаметр D в горле канала, s есть толщина входной кромки профиля лопасти, а константа k идентична для всех каналов колеса и имеет значение в диапазоне от 0,3 до 0,5.
Кроме того, тела лопастей могут быть выполнены по меньшей мере с одной внутренней замкнутой полостью.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлены общий вид реактивного рабочего колеса центробежного насоса, например, с шестью лопастями постоянной толщины, на фиг. 2 представлены зависимости относительного КПД  центробежного насоса от режима его работы относительной объемной подачи  рабочей среды для известного решения и изобретения.
i
i
i
i
i
1
i
1
i
Реактивное рабочее колесо центробежного насоса содержит, например, шесть равномерно распределенных по окружности лопастей 1 с идентичными скелетами 2 профилей. Средние линии 3 межлопастных каналов 4 представляют собой геометрическое место точек - центров окружностей с диаметрами D (i=1…n), вписанных между скелетами 2 соседних профилей на различных радиусах колеса. Внешние обводы межлопастных каналов 4 образованы кривыми 5 и 6, касательными к окружностям с диаметрами d<D, концентричным окружностям, вписанным между скелетами 2. При этом диаметры d на любом i-м радиусе рабочего колеса определяются зависимостью d=(D-s)⋅k+(D-s)⋅(1-k), где D - диаметр D окружности 7 в горле канала, когда i=1; s - толщина входной кромки профиля лопасти, а константа k идентична для всех каналов колеса и может иметь значения в диапазоне от 0,3 до 0,5.
Реактивное рабочее колесо центробежного насоса работает следующим образом.
При вращении рабочего колеса, содержащего равномерно распределенные по окружности лопасти 1 с идентичными скелетами 2 профилей, жидкость под действием центробежной силы, возникающей вследствие силового взаимодействии лопастей 1 с потоком, начинает двигаться от горла канала, имеющего характерный размер - диаметр окружности 7, к периферии. Движение потока жидкости по межлопастным каналам 4, которые образованны кривыми 5 и 6, сопровождается вихревыми (диффузорными) потерями в значительно меньшем количестве.
Зависимости относительного КПД  центробежного насоса известного решения (a) и изобретения (b) получены методом 3D моделирования в среде ANSYS Fluent. Анализ зависимостей  показывает, что колесо согласно изобретению обеспечивает существенное повышение максимального КПД насоса по сравнению с прототипом при оптимальном режиме и значительно увеличивает зону эффективной работы насоса (условную зону, в которой при изменении подачи насоса его КПД изменяется в пределах 10% от максимального значения), что подтверждает достижение заявленного технического результата. Заявленный положительный эффект от применения изобретения подтвержден натурным экспериментом на консольно-моноблочном центробежном насосе КМ40-25-200.
Использование изобретения позволяет снизить вихревые (диффузорные) потери в межлопастных каналах рабочего колеса с одновременным увеличением его гидравлического КПД.