ЦЕНТРОБЕЖНОЕ РАБОЧЕЕ КОЛЕСО
CENTRIFUGAL IMPELLER

Изобретение относится к машиностроительной гидравлике и может быть использовано для производства рабочих колес малорасходных центробежных насосов систем терморегулирования космических летательных аппаратов.
Известно центробежное рабочее колесо, содержащее выполненный заодно со ступицей ведущий диск, покрывной диск с центральным входным отверстием и размещенные между ведущим и покрывным диском лопатки (А.В. Бобков. Центробежные насосы систем терморегулирования космических аппаратов. - Владивосток: Дальнаука, 2003, с.129, рис.5.8, в).
Недостатком такого центробежного рабочего колеса являются значительные дисковые потери на трение по наружным поверхностям основного и покрывного дисков из-за их большой поверхности, а также нескомпенсированная осевая сила, возникающая при работе колеса из-за разности эпюр давления по наружным поверхностям ведущего и покрывного дисков.
Этого недостатка лишено выбранное в качестве прототипа (Патент РФ №2427726, МПК: F04D 29/22, 27.08.2011) центробежное рабочее колесо, содержащее выполненный заодно со ступицей ведущий диск, покрывной диск с центральным входным отверстием и размещенное между ведущим и покрывным диском четное число лопаток с напорной и тыльной сторонами. Ведущий и покрывной диски выполнены заодно с лопатками, на покрывном диске выполнены осесимметрично расположенные прорези, ограниченные напорной стороной каждой четной лопатки и ближайшей к этой стороне тыльной стороной соседней лопатки, наружным диаметром покрывного диска и диаметром входного отверстия, а на ведущем диске выполнены осесимметрично расположенные прорези, ограниченные напорной стороной каждой нечетной лопатки и ближайшей к этой стороне тыльной стороной соседней лопатки, наружным диаметром ведущего диска и внутренним контуром, отстоящим от оси рабочего колеса не далее радиуса пересечения входных кромок лопаток с внутренней поверхностью ведущего диска. Такое выполнение рабочего колеса позволяет существенно снизить дисковые потери и обеспечить полную разгрузку колеса от осевых сил.
Недостатком такого центробежного рабочего колеса является невозможность его выполнения с нечетным числом лопаток, хотя вполне возможно, что по гидравлическому расчету требуется именно такое. А искусственное изменение числа лопаток до ближайшего четного не всегда возможно - уменьшение числа лопаток ведет к снижению расхода и напора, а увеличение - ведет к снижению проходного сечения колеса и опять же к снижению расхода и напора. А так как преимущественная область применения прототипа - малорасходные насосы космических систем, то их малые размеры (наружный диаметр около 50 мм) не дают возможности обработки малых межлопаточных каналов, которые станут еще меньше в случае искусственного увеличения числа лопаток.
Задачей, решаемой заявленным устройством, является расширение области использования центробежного рабочего колеса, т.е. возможность выполнять колесо с любым как четным, так и нечетным числом лопаток.
Этот результат достигается за счет того, что в известном центробежном рабочем колесе, содержащем монолитные ступицу, ведущий диск, покрывной диск с центральным входным отверстием и размещенные между ведущим и покрывным диском n лопаток с напорной и тыльной сторонами, образованных краями осесимметрично расположенных прорезей в виде криволинейных цилиндров с аксиальными образующими на ведущем и покрывном дисках, согласно изобретению по периметру центробежного рабочего колеса расположены n аксиальных стоек, соединяющих покрывной диск с ведущим и выполненных заодно с ними и размещенных каждая между двумя соседними лопатками, при этом напорная сторона каждой лопатки и обращенная к этой стороне поверхность ближайшей аксиальной стойки образована каждой прорезью на одном из дисков, а тыльная сторона каждой лопатки и обращенная к этой стороне поверхность ближайшей аксиальной стойки образована каждой прорезью на другом из дисков, причем соседние прорези на обоих дисках в зоне, ограниченной минимальным диаметром покрывного диска и диаметром вписанной между всеми аксиальными стойками окружности выполнены соприкасающимися друг с другом или перекрывающими друг друга по всей длине.
На фиг. 1 приведен пример конкретного выполнения рабочего колеса дискового насоса, продольный разрез, на фиг.2 - то же, вид со стороны покрывного диска, на фиг.3 - то же, вид со стороны ведущего диска, на фиг.4 - то же, разрез по А-А.
Центробежное рабочее колесо содержит монолитные ступицу 1, ведущий диск 2, покрывной диск 3 с центральным входным отверстием 4 с минимальным диаметром d и размещенные между ведущим и покрывным диском n лопаток 5 (в данном примере конкретного исполнения - три лопатки). Каждая лопатка имеет напорную 6 и тыльную 7 стороны. Напорные 6 стороны каждой лопатки 5 образованы краями осесимметрично расположенных прорезей 8 (затемненная область на иллюстрациях) в виде криволинейных цилиндров с аксиальными образующими на покрывном диске 3. Тыльные 7 стороны каждой лопатки 5 образованы краями осесимметрично расположенных прорезей 9 в виде криволинейных цилиндров с аксиальными образующими на ведущем диске 2 (затемненная область на иллюстрациях, на фиг.2 эта область расположена под участком покрывного диска и видна только внутри входного отверстия). По периметру центробежного рабочего колеса расположены n (в данном примере 3) аксиальных стоек 10, соединяющих покрывной диск 3 с ведущим 2 и выполненных заодно с ними. Каждая аксиальная стойка 10 размещена между двумя соседними лопатками 5, при этом напорная сторона 6 каждой лопатки 5 и обращенная к этой стороне поверхность 11 ближайшей аксиальной стойки 10 образована каждой прорезью на одном из дисков (в данном примере - прорезью 8 на покрывном диске 3), а тыльная сторона 7 каждой лопатки и 5 обращенная к этой стороне поверхность 12 ближайшей аксиальной стойки 10 образована каждой прорезью на другом из дисков (в данном примере - прорезью 9 на ведущем диске 2). Соседние прорези 8 и 9 на обоих дисках в зоне, ограниченной минимальным диаметром d покрывного диска и диаметром D вписанной между всеми аксиальными стойками окружности, выполнены соприкасающимися друг с другом или перекрывающими друг друга по всей длине. В данном примере конкретного исполнения приведен случай, когда прорези перекрывают друг друга с образованием зон перекрытия 13 (выделены более темным цветом, чем прорези 8 и 9).
Центробежное рабочее колесо дискового насоса работает следующим образом: при приведении колеса во вращение (за счет установки ступицы на приводном валу) в среде жидкости жидкость в зазоре между дисками 2 и 3 под воздействием напорных сторон 6 лопаток 5 также приводится в движение, следствием которого является вытеснение жидкости к наружному диаметру рабочего колеса под действием центробежных сил инерции и создание рабочим колесом напора. Жидкость подается на каждую из трех лопаток 5 через входное отверстие 4. При этом момент трения наружных поверхностей дисков 2 и 3 о жидкость такого же порядка, что и в прототипе, т.к. прорези 8 и 9 снижают площадь трущейся поверхности дисков. Аксиальные же стойки 10 находятся на периметре рабочего колеса, где межлопаточные каналы достаточно велики, поэтому аксиальные стойки не оказывают существенного влияния на гидравлические характеристики колеса, но придают всей конструкции рабочего колеса жесткость. К тому же их профиль может быть выполнен обтекаемым, что еще более снижает влияние этих стоек на гидравлические характеристики. В данном примере конкретного исполнении напорные стороны каждой лопатки образованы краями осесимметрично расположенных прорезей на покрывном диске, однако также возможно и их образование прорезями на ведущем диске, поэтому в формуле изобретения приведен обобщающий признак «на одном из дисков». Выполнение соседних прорезей на обоих дисках в зоне, ограниченной минимальным диаметром входного отверстия и диаметром вписанной между всеми аксиальными стойками окружности, выполнены их соприкасающимися друг с другом или перекрывающими друг друга по всей длине необходимо, так как только в этом случае гарантируется отсутствие каких-либо препятствий для жидкости в межлопаточном канале. В идеале необходимо касание прорезей на обоих дисках, но это практически недостижимо из-за допусков на размеры. Степень перекрытия прорезей рекомендуется брать минимальной, поскольку увеличение прорезей в обоих дисках ведет к увеличению перетекания жидкости с напорной стороны лопатки на тыльную. Однако это следует из обычного проектирования, не требующего изобретательской деятельности. В результате использования изобретения расширяется область использования центробежного рабочего колеса, т.к. обеспечивается возможность выполнять колесо с любым как четным, так и нечетным числом лопаток. Так же, как и в прототипе, повышена технологичность центробежного рабочего колеса за счет отсутствия в его конструкции замкнутых полостей. При этом заявленная конструкция, так же, как и конструкция прототипа, не является разновидностью т. наз. «полуоткрытого колеса» (М.В. Краев и др. Малорасходные насосы авиационных и космических систем. - М.: Машиностроение, 1985, с.28-29, рис.2.4, б), т.к. для полуоткрытого колеса характерен резкий перепад давления между напорной и тыльной сторонами одной и той же лопатки, ограниченный только торцевым зазором между торцем лопатки и корпусом, что приводит к довольно существенным перетечкам через открытый торец лопатки и существенному вихреобразованию, снижающему к.п.д. колеса. В заявленной конструкции, являющейся разновидностью «полузакрытого колеса», перетекание между напорной и тыльной стороной одной и той же лопатки принципиально невозможно, т.к. они разделены участком либо ведущего, либо покрывного дисков. Следует отметить, что применение заявленной конструкции целесообразно и для четного числа лопаток, например при n=2 конструкция заявленного рабочего колеса более жесткая, чем конструкция прототипа, за счет вдвое большего числа аксиальных связей между ведущим и покрывным дисками (дополнительно к 2 лопаткам добавляются 2 аксиальные стойки).
В иллюстрациях для упрощения описания приведено рабочее колесо с лопатками, напорные и тыльные стороны которых выполнены плоскими, однако это непринципиально - конструкция обеспечивает любой профиль лопатки одинарной кривизны (кстати, такие лопатки встречаются практически на всех центробежных малорасходных насосах, ибо применение лопаток двойной кривизны при малых диаметрах рабочих колес нецелесообразно).
Указанные преимущества позволяют рекомендовать заявленную группу изобретений к использованию при изготовлении и эксплуатации в изделиях ракетно-космической техники.