ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к области насосостроения и может быть использована в насосах с высокими антикавитационными и энергетическими качествами.
Известен шнекоцентробежный насос, содержащий центробежное колесо, предвключенное шнековое колесо и спиральный отвод с коническим диффузором, в котором предвключенное шнековое колесо обеспечивает высокие антикавитационные качества насоса и создает необходимый напор для бескавитационной работы центробежного колеса (см. учебник Б.В.Овсянников, Б.И.Боровский. «Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей», Москва, «Машиностроение», 1979 г., с.204 - ближайший аналог).
л
Предвключенное шнековое колесо имеет малое число винтовых лопастей (Z=2-3) постоянного шага, цилиндрическую форму втулки и наружного контура лопастей. Напор шнекового колеса создается за счет повышенных значений угла атаки на входных кромках лопастей (i=4-10°) по отношению к углу натекания потока перекачиваемой жидкости. Отмечается, что в тех случаях, когда создаваемый, при таких условиях, напор шнекового колеса недостаточен для бескавитационной работы центробежного колеса, необходимо применять шнековое колесо переменного шага. Однако, рекомендаций по выбору формы проточной части шнекового колеса переменного шага не дается. Кроме того, известно, см. В.Ф.Чебаевский, В.И.Петров «Кавитационные характеристики высокооборотных шнекоцентробежных насосов», Москва, «Машиностроение», 1973, (стр.51), что в шнековом колесе постоянного шага при повышенных углах атаки образуются отрывные зоны потока на входе и выходе, приводящие к возрастанию гидравлических потерь и уровня пульсаций давления, как в самом шнековом колесе, так и в следующем за ним центробежном колесе. Наличие отрывной зоны у втулки на выходе шнекового колеса создает повышенную неравномерность эпюры скоростей и не позволяет спроектировать входное сечение центробежного колеса на оптимальные геометрические и кинематические параметры, обеспечивающие достижение максимального гидравлического КПД шнекоцентробежного насоса.
Задачей полезной модели является повышение экономичности (КПД) и снижение уровня пульсаций давления до приемлемого уровня, характерного для обычных центробежных насосов, при сохранении высоких антикавитационных качеств шнекоцентробежных насосов, достигнутых при использовании шнековых колес постоянного шага.
Техническим результатом полезной модели является улучшение антикавитационных качеств шнекоцентробежного насоса за счет исключения образования отрывных зон потока на входе и выходе шнекового колеса.
Поставленная задача решается тем, что шнекоцентробежный насос содержит установленные на одном валу центробежное колесо и предвключенное шнековое колесо, закрепленное на втулке, и спиральный отвод с коническим диффузором, причем предвключенное шнековое колесо выполнено оседиагональным с винтовыми лопастями переменного шага, верхние кромки которых очерчивают цилиндрическую или коническую поверхность при вращении колеса, а упомянутая втулка выполнена с монотонно увеличивающимся диаметром от входа к выходу.
Наружный контур колеса, очерчиваемый верхними (наружними) кромками лопастей при его вращении, может иметь цилиндрическую форму - при перекачивании чистых жидкостей или коническую форму - при перекачивании жидкостей с повышенными вязкостью или содержанием механических примесей. Это связано с тем, что при вращении шнекового колеса происходит перетекание вязкостного пограничного слоя и механических примесей вдоль лопасти к периферии колеса и их накопление в области радиального зазора между лопастями и корпусом. В результате возникает повышенное сопротивление вращению и даже, при цилиндрической наружной поверхности лопастей, возможно заклинивание колеса. Упомянутая коническая поверхность имеет монотонно увеличивающийся диаметр от входа к выходу.
Применение оседиагонального шнекового колеса в качестве предвключенного в шнекоцентробежном насосе позволяет достичь следующие технические результаты:
- обеспечить высокие антикавитационные качества насоса при оптимальных углах атаки (i=3-4°) без образования отрывной зоны и обратных токов на входе;
- создать потребный для бескавитационной работы центробежного колеса напор без образования отрывной зоны у втулки на выходе из шнекового колеса;
0
- спроектировать входное сечение центробежного колеса на оптимльные геометрические и кинематические параметры потока (оптимальное значение коффициента расхода φ), обеспечивающие достижение максимального значения гидравлического КПД центробежного колеса.
Сущность полезной модели поясняется с помощью фигур 1 и 2.
На фиг.1 показано продольное сечение предлагаемого насоса с винтовыми лопастями, верхние кромки которых очерчивают цилиндрическую поверхность при вращении колеса, а на фиг.2 показано продольное сечение предлагаемого насоса с винтовыми лопастями, верхние кромки которых очерчивают коническую поверхность при вращении колеса.
в
Шнекоцентробежный насос содержит центробежное колесо 1, предвключенное оседиагональное шнековое колесо 2 с винтовыми лопастями переменного шага, верхние кромки которых очерчивают цилиндрическую (см. фиг.1) или коническую (см. фиг..2) поверхность при вращении колеса. Колесо 2 закреплено на конусообразной втулке 3, которая в свою очередь установлена также как и колесо 1 на валу 4. С внешней стороны колес предусмотрен спиральный отвод 5. Под «конусообразной» втулкой в шнековом колесе понимается любая форма с монотонно увеличивающимся от входа к выходу диаметром d(i) в меридиональном сечении колеса в общем виде описываемая кубической параболой в виде:
где
1в
2в
d и d - диаметры втулки шнекового колеса на входе и выходе, соответственно;
a, b и с - коэффициенты кубической параболы, назначаемые при выборе формы втулки с соблюдением условия
a+b+с=1.0;
- относительная текущая длина втулки
ш
L - общая длина втулки
Из опыта расчетно-экспериментальных исследований шнековых и оседиагональных насосов установлены нормативные данные на геометрические параметры, ограничивающие диапазон их изменения при условии достижения потребных характеристик:
- относительный диаметр втулки шнекового колеса на входе
где
1m
D - наружный диаметр шнекового колеса на входе;
- относительный диаметр втулки шнекового колеса на выходе
где
2m
D - наружный диаметр шнекового колеса на выходе.
0опт
Из опыта проектирования и эксплуатации обычных центробежных насосов известно, см. А.А.Ломакин, «Центробежные и осевые насосы», М. - Л. «Машиностроение», 1966. (стр.179), что максимум гидравлического КПД достигается при коэффициенте расхода φ - отношении осевой скорости к окружной на входе в центробежное колесо
0опт
0
0
0
φ=V/U=tgβ=0,375-0,267,
0
что соответствует углу натекания потока, соответственно β=20°-15°.
Таким образом, при вращении центробежного 1 и предвключенного 2 шнекового колеса под воздействием гидродинамических сил поток перекачиваемой жидкости с оптимальными углами атаки входит в межлопастные каналы оседиагонального шнекового колеса 1, в которых, при дальнейшем течении приобретает окружную составляющую скорости и повышение статического давления. В результате, в потоке жидкости повышается полное давление до величины, превышающей, с необходимым кавитационным запасом, давление упругости пара перекачиваемой жидкости в сечении на входе в центробежное колесо 2, спрофилированное на оптимальные геометрические и кинематические параметры, обеспечивающие получение максимального гидравлического КПД шнекоцентробежного насоса. В спиральном отводе 5 перекачиваемая жидкость собирается от вращающегося центробежного колеса 1 и в коническом диффузоре происходит преобразование кинетической энергии потока в статическое давление.