РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Полезная модель относится к насосной технике и может быть использовано при изготовлении центробежных лопастных насосов с рабочим колесом, преимущественно имеющим наружный диаметр не более 500 мм и сложную пространственную форму межлопастных каналов, в частности турбонасосных агрегатов, применяемых в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД).
Известно, что создание потока текучей среды и увеличение ее энергии в лопастном центробежном насосе производят с помощью рабочего колеса, вращаемого двигателем. В рабочем колесе закрытого типа с односторонним входом выделяют ступицу, основной ведущий, задний диск, покрывающий ведомый, передний или покрывной, диск с входным отверстием, а также лопасти, соединяющие указанные диски и образующие в пространстве между дисками межлопастные каналы [1: с. 13]. Рабочее колесо центробежных лопаточных машин для подачи и сжатия газов (компрессора, вентилятора и прочих), в общем случае, имеет такие же элементы [2: с. 126, 128].
Также известно, что рабочие колеса насосов ЖРД изготавливаются методом литья по выплавляемым моделям с последующей мехобработкой.
Недостатком такого способа являются трудноуправляемая сущность литейного процесса [3], приводящая к наличию скрытых и явных металлургических дефектов, и невозможность механической обработки межлопастных каналов. Также метод литья по выплавляемым моделям отличается высокой трудоемкостью.
Помимо литья рабочие колеса центробежных насосов могут выполняться с применением сборочных операций. Например, рабочие колеса ЖРД изготавливаются в виде сборочных единиц, детали которых соединяются паяными соединениями.
Недостатком этого способа изготовления являются повышенные требования к качеству поверхностей, соединяемых посредством пайки.
Из уровня техники известны различные способы изготовления рабочих колес центробежных насосов с формированием лопаток в виде выступов на основном или покрывном дисках и применением сварки для соединения этих дисков.
Известно рабочее колесо центробежного насоса, при котором рабочее колесо выполняют из двух частей, при этом каждую лопасть образуют соединением двух элементов. Один из элементов выполняют в виде выступа на основном диске за одно целое с последним. Другой элемент - на покрывающем диске за одно целое с ним. Элементы каждой лопасти фрезеруют с возможностью их сварного стыкового соединения (патент RU №2274509, МПК F04D 29/28, B21K 1/36, Дата публикации: 20.04.2006).
Недостатком этого устройства является его применимость исключительно к крупногабаритным рабочим колесам, где возможна сварка составных частей по рабочей лопасти, а также размещение ослабленной зоны сварного соединения в непосредственном контакте с рабочим телом.
Наиболее близким аналогом заявленного устройства является изготовление рабочего колеса центробежного насоса (патент RU №2494848, МПК В23Р 15/02, Дата публикации: 10.10.2013).
Данное изготовление подразумевает, что основной диск рабочего колеса выполняют за одно целое с половиной от общего количества лопастей, расположенных через одну, а покрывной диск выполняют за одно целое со второй половиной от упомянутого количества лопастей. При этом диски выполняют с пазами на сопрягаемых с лопастями поверхностях, а лопасти - с выступами. Диски собирают с образованием межлопастных каналов. При сборке выступы лопастей вводят в пазы дисков с возможностью передачи между дисками крутящего момента. Основной и покрывающий диски сваривают между собой. Сварное соединение выполняют в пазах дисков, например, с их внешней стороны. Пазы могут быть выполнены симметрично относительно оси вращения рабочего колеса. В результате обеспечивается повышение качества рабочих колес и упрощение технологии их изготовления.
Недостатками данного устройства являются создание концентраторов напряжения на обоих дисках колеса и передача усилия между основным и покрывным дисками через сварные соединения малой протяженности. Все это ограничивает диапазон скоростей вращения рабочих колес, изготовленных таким образом.
Техническим результатом полезной модели является увеличение диапазона скоростей вращения рабочего колеса центробежного насоса.
Для достижения указанного технического результата предлагается рабочее колесо центробежного насоса, содержащее основной диск с лопастями сложной пространственной формы, выполненными в виде выступа на основном диске, и покрывной диск, приваренный к основному диску, причем основной диск снабжен соединительным осесимметричным кольцом, выполненным за одно целое с лопастями, совмещенным с покрывным диском посадкой с натягом и которое соединено с диском посредством кругового сварного шва с устранением дисбаланса наплавленным дополнительным металлом в контрольных местах упомянутого сварного шва.
Достижение технического результата полезной модели выполняется упрощением балансировки рабочего колеса через выполнение осесимметричного соединения.
Выполнение осесимметричного кольца, являющегося единым целым с лопастями, способствует равномерному осевому распределению массы колеса, что упростит его балансировку. Совмещение кольца с покрывным диском позволяет соединить их кольцевым сварным соединением, исключающим появление концентраторов напряжений на обоих дисках. Большая площадь сварного соединения позволяет снизить удельную нагрузку на единицу длины шва.
Натяг покрывного диска с соединительным осесимметричным кольцом основного диска исключает радиальную вибрацию и упрощает балансировку в этом направлении.
После механической обработки поверхности кругового сварного шва производят балансировочный контроль рабочего колеса центробежного насоса в сборе и устранение накопленного дисбаланса сборочного устройства наплавлением дополнительного металла в контрольных местах кругового сварного шва, все это позволят увеличение диапазона скоростей вращения рабочего колеса центробежного насоса.
Заявляемая полезная модель в частном случае реализации поясняется следующими чертежами:
фиг. 1 - рабочее колесо в сборе;
фиг. 2 - общий вид основного диска со стороны лопастей;
фиг. 3 - сечение А-А с фиг. 2;
фиг. 4 - общий вид покрывного диска;
фиг. 5 - сечение Б-Б с фиг. 4.
Конструкция рабочего колеса (фиг. 1) предполагает образование меж лопастных каналов соединением кольца 1 на основном диске 2 и покрывного диска 3 посредством кольцевого сварного соединения с механической обработкой поверхности кругового сварного шва 4.
В качестве заготовки основного диска используют поковку. Заготовку обрабатывают на фрезерном станке с числовым программным управлением, фрезеруя лопасти, за одно целое с основным диском (фиг. 2), при этом обработкой со стороны образующей из тела заготовки формируется кольцо, являющееся неотъемлемой частью диска с лопатками (фиг. 3).
Покрывной диск изготавливается из поковки посредством токарных операций, так как имеет сравнительно простую форму (фиг. 4, 5).
Совместив основной диск 2 и покрывной диск 3, их соединяют между собой сваркой, например, автоматической по ГОСТ 14771-76, поскольку шов имеет простую геометрию.
После этого производят дальнейшую механическую обработку поверхностей рабочего колеса, снимая при этом возможное неравномерное наплавление металла в районе шва. Затем производят контроль качества сварных швов и околошовной зоны. Производят балансировочный контроль рабочего колеса центробежного насоса в сборе и устранение накопленного дисбаланса сборочного устройства наплавлением дополнительного металла в контрольных местах кругового сварного шва.
Источники информации:
1. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1984.
2. Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1989.
3. Литье стальное, чугунное, цветное. Штамповка из жидкого металла. Нормирование расхода материалов: ОСТ 92-4002-84 - Изд. Март 1984 с Изм. N 1, 2, 3; введ. - 01.01.1985.
4. Способ изготовления рабочего колеса центробежного насоса (патент RU №2274509, МПК F04D 29/28, B21K 1/36, Дата публикации: 20.04.2006).
5. Способ изготовления рабочего колеса центробежного насоса (патент RU №2494848, МПК В23Р 15/02, Дата публикации: 10.10.2013).