РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
ROTARY PUMP IMPELLER

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для перекачки жидкостей, и может быть использовано в промышленности, сельском хозяйстве и для бытовых нужд.
Известно рабочее колесо центробежного насоса, содержащее лопатки, имеющие искривление в одной плоскости [CN 2204344, дата приоритета 02.08.1993 г., дата публикации: 02.08.1995 г., МПК: F04D 07/04].
Известно рабочее колесо центробежного насоса, содержащее лопатки, искривленные в одной плоскости [CN 205779755, дата приоритета 19.05.2016 г., дата публикации 07.12.2016 г., МПК: F04D 13/06].
В качестве прототипа выбрано рабочее колесо центробежного насоса, содержащее искривленные в одной плоскости лопатки, имеющие угол между касательной к выходной кромке лопатки и касательной к окружности рабочего колеса от 15 до 27° [CN 204152837, дата приоритета: 15.10.2014 г., дата публикации 11.02.2015 г., МПК: F04D 29/24].
Недостаток прототипа заключается в том, что жидкость на выходе из рабочего колеса движется с малой скоростью вследствие того, что угол между касательной к выходной кромке лопатки и касательной к окружности рабочего колеса имеет малую величину, при этом увеличение этого угла вызывает гидродинамические потери и снижает кпд рабочего колеса, что в конечном итоге в значительной степени снижает эксплуатационные характеристики центробежного насоса.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является повышение эксплуатационных характеристик центробежного насоса.
Техническим результатом, достигаемым изобретением, является повышение создаваемого напора при сохранении КПД рабочего колеса центробежного насоса.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Рабочее колесо центробежного насоса, отличающееся тем, что величина угла между касательной к выходной кромке лопатки и касательной к окружности рабочего колеса находится в диапазоне от 40 до 90°, а форма лопаток описывается поверхностями второго порядка.
Рабочее колесо центробежного насоса может быть изготовлено методом литья или сварно-точеным методом и может иметь плоскую или вогнутую форму. Рабочее колесо состоит из основного и покрывного дисков и лопаток. Рабочее колесо имеет вход в центральной части и выход, расположенный по боковой (торцевой) поверхности. Рабочее колесо имеет радиальные рабочие каналы, образованные между лопатками, проходящие от входа в рабочее колесо к выходу из него. Лопатки предназначены для создания центробежной силы и преобразования механической энергии рабочего колеса в гидродинамическую энергию жидкости. При этом лопатки имеют входные и выходные кромки.
Выходные кромки лопаток обеспечивают возможность выброса жидкости из радиальных рабочих каналов. Выходные кромки расположены на выходе из рабочего колеса. Величина угла между касательной к выходной кромке лопатки и касательной к окружности рабочего колеса находится в диапазоне от 40 до 90°, что обеспечивает увеличение окружной составляющей абсолютной скорости на концах лопаток. При величине угла менее 40° не обеспечивается повышение создаваемого напора, а при величине угла более 90° возможно чрезмерное увеличение гидравлического сопротивления, снижение эффективности работы и возникновение повышенного износа рабочего колеса. Для обеспечения максимального повышения создаваемого напора величина угла между касательной к выходной кромке лопатки и касательной к окружности рабочего колеса может находиться в диапазоне от 80 до 90°.
Форма лопаток описывается поверхностями второго порядка, то есть любое сечение лопатки в любой плоскости имеет искривление, что обеспечивает возможность осуществления наклона лопаток в направлении вращения рабочего колеса и возможность их максимального вытягивания к входу рабочего колеса. Поверхность второго порядка может быть профилирована методом расчетов треугольников скоростей во множестве сечений с учетом выбранного значения величины углов между касательными к выходной и входной кромкам лопаток и касательными к окружностям рабочего колеса.
Дополнительно для обеспечения снижения гидродинамического сопротивления и увеличения КПД рабочего колеса входная кромка лопатки может быть расположена максимально близко к входу в рабочее колесо, а величина угла между касательной к входной кромке лопатки и касательной к окружности рабочего колеса может находиться в диапазоне от 10 до 25°.
Для обеспечения максимального снижения гидродинамического сопротивления и повышения напора, при сохранении КПД рабочего колеса, величина угла между касательной к входной кромке лопатки и касательной к окружности рабочего колеса может находиться в диапазоне от 12 до 15°, а величина угла между касательной к выходной кромке лопатки и касательной к окружности рабочего колеса может находиться в диапазоне от 80 до 90°.
Дополнительно для повышения напора, увеличения жесткости,  прочности и улучшения кавитационных характеристик рабочего колеса оно может содержать один или несколько рядов вспомогательных лопаток, форма которых может повторять форму основных лопаток. Выходные кромки вспомогательных лопаток относительно выходных кромок основных лопаток, могут быть расположены на одинаковом расстоянии от оси вращения рабочего колеса. Вспомогательные лопатки первого ряда могут иметь длину от 40 до 60% от длины основных лопаток, а вспомогательные лопатки последующих рядов могут иметь длину от 40 до 60% от длины лопаток предыдущих рядов, что обеспечивает их минимальное гидродинамическое сопротивление потоку жидкости. При этом угол между касательной к выходной кромке вспомогательной лопатки и касательной к окружности рабочего колеса может находиться в диапазоне от 40 до 90°, что также обеспечивает повышение напора. Также применение вспомогательных лопаток позволяет улучшить массогабаритные характеристики рабочего колеса за счет уменьшения количества и толщины основных лопаток и обеспечивает возможность изготовления рабочего колеса из полимерных материалов.
Изобретение обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что:
- угол между касательной к выходной кромке лопатки и касательной к окружности рабочего колеса составляет от 40 до 90°, что обеспечивает увеличение окружной составляющей абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса и приводит к возрастанию динамической составляющей напора, создаваемого рабочим колесом.
- форма лопаток описывается поверхностями второго порядка, что обеспечивает возможность размещения входной кромки лопатки максимально близко к входу в рабочее колесо,  приводит к снижению гидродинамического сопротивления и улучшает кавитационные характеристики рабочего колеса.
Таким образом, совокупность отличительных признаков обеспечивает возрастание динамической составляющей напора, снижает гидродинамическое сопротивление и улучшает кавитационные характеристики рабочего колеса, позволяя достигнуть технический результат, заключающийся в повышении создаваемого напора при сохранении КПД рабочего колеса, и повысить эксплуатационные характеристики центробежного насоса.
Наличие новых отличительных существенных признаков свидетельствует о соответствии изобретения критерию патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».
Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о соответствии изобретения критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Изобретение поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1 - Схематическое изображение рабочего колеса центробежного насоса с указанием угла между касательной к выходной кромке лопатки и касательной к окружности рабочего колеса и угла между касательной к входной кромке лопатки и касательной к окружности рабочего колеса, вид сверху.
Фиг. 2 - Рабочее колесо центробежного насоса, вид слева, продольный разрез.
Фиг. 3 - Рабочее колесо центробежного насоса, вид сверху, поперечный разрез.
Фиг. 4 - Рабочее колесо центробежного насоса, снабженное вспомогательными лопатками, вид слева, продольный разрез.
Фиг. 5 - Рабочее колесо центробежного насоса, снабженное вспомогательными лопатками, вид сверху, поперечный разрез.
Фиг. 6 - Рабочее колесо центробежного насоса, снабженное вспомогательными лопатками, трехмерная модель, аксонометрический вид.
Фиг. 7 - Рабочее колесо центробежного насоса, снабженное вспомогательными лопатками, трехмерная модель, вид слева.
Фиг. 8 - Лопатка рабочего колеса центробежного насоса, имеющая форму, описываемую поверхностями второго порядка, общий вид.
1
2
Центробежный насос содержит рабочее колесо, которое имеет вход и выход и состоит из основного диска 1, покрывного диска 2 и лопаток 3 с формой, описываемой поверхностями второго порядка. При этом угол β между касательной к выходной кромке лопатки и касательной к окружности рабочего колеса равен 90°, а величина угла β между касательной к входной кромке лопатки и касательной к окружности рабочего колеса равен 12°.
Изобретение функционирует следующим образом.
2
1
Центробежный насос погружается в жидкость, и рабочее колесо начинает вращаться. Жидкость поступает на вход в рабочее колесо и с минимальным гидродинамическим сопротивлением, огибая входные кромки лопаток 3, установленные под углом β, движется вдоль поверхностей второго порядка лопаток 3, взаимодействуя с выходными кромками лопаток 3, установленными под углом β и, приобретая максимальную абсолютную скорость, выходит из рабочего колеса центробежного насоса. Таким образом достигается технический результат, заключающийся в повышении создаваемого напора при сохранении КПД рабочего колеса, и повышаются эксплуатационные характеристики центробежного насоса.