Ступень многоступенчатого центробежного насоса
STAGE OF MULTISTAGE CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к области насосостроения, к конструкциям ступеней центробежных многоступенчатых насосов.
Известна ступень центробежного многоступенчатого насоса, где внешние кромки лопаток сопряжены с внутренней поверхностью корпуса направляющего аппарата по винтовым кривым, наклон которых к горизонталям выполнен уменьшающимся по ходу движения жидкости, соседние наклонные лопатки расположены с перекрытием, причем расстояния в горизонтальных плоскостях между наклонными лопатками в перекрытиях по ходу движения жидкости увеличиваются с углом раскрытия 6-10°, а к внутренним кромкам в верхней части наклонных лопаток прикреплен цилиндрический экран, прилегающий к нижнему диску следующего направляющего аппарата (RU 2403450 C1, 10.11.2010). Данная конструкция обеспечивает высокие напорные характеристики. Недостатками являются высокие вихреобразования в канале направляющего аппарата и как следствие высокие энергетические потери в потоке каналов ступени, низкая надежность ступени, небольшой срок эксплуатации.
Известен направляющий аппарат в составе ступени центробежного насоса с лопатками в виде дуги, с плавным разворотом по отношению к поперечной оси рабочего колеса (EP 2949943 A1 02.12.2015). Данная конструкция немного уменьшает вихреобразование, но не решает вопроса надежности и долговечности  эксплуатации ступени.
Известна ступень центробежного насоса, включающая рабочее колесо, состоящее из основного диска, ступицы, лопастей, лопаток, расположенных на противоположных поверхностях диска (US 2014/0105747 A1, 17.04.2014). Авторами данной конструкции ставится задача небольшого уменьшения вихреобразования на отдельном участке направляющего аппарата ступени, но эта задача решается не полностью и не на всех участках проточной части ступени.
Устройство по US 2014/0105747 A1, 17.04.2014 можно принять в качестве ближайшего аналога.
Нерешенной технической проблемой всех вышеперечисленных конструкций ступени, являются высокие энергетические потери потока из-за вихреобразования в ступени центробежного насоса, что приводит к недостаточно высокому коэффициенту полезного действия, ступени и насоса в целом. Также техническими проблемами являются недостаточная надёжность, и очень ограниченный ресурс ступеней насоса и высокие требования к материальному изготовлению ступени.
Предлагается принципиально новая ступень многоступенчатого центробежного насоса, включающая рабочее колесо, состоящее из основного диска, покрывающего диска, ступицы, лопастей, подводящих и отводящих лопаток, расположенных на противоположных поверхностях основного диска. Лопасти расположены между ступицей и внутренним краем покрывающего диска. Отводящие лопатки выполнены с внутренними концами на окружности с диаметром D1, с наружными концами на окружности с диаметром D2, каждая отводящая лопатка выполнена в виде дуги, с плавным разворотом по отношению к поперечной оси рабочего колеса в направлении от окружности с диаметром D1 к окружности с диаметром D2. Подводящие лопатки выполнены с внутренними концами на окружности с диаметром D3, наружными концами на D2, каждая подводящая лопатка выполнена в виде дуги, с плавным разворотом по отношению к поперечной оси рабочего колеса в направлении от окружности с диаметром D3 к окружности с диаметром D2. Каждая подводящая и отводящая лопатка выполнена с изменяющимся по её длине углом наклона к основному диску. Углы наклона к основному диску у окружности с диаметром D2 у подводящих и отводящих лопаток равны. У окружности с диаметром D2 подводящие и отводящие лопатки выполнены с отступом от плоскости L. Окружность с диаметром D1 – условная окружность, проведённая по внутренним концам отводящих лопаток, центром окружности является центр рабочего колеса, окружность с диаметром D2 – окружность, являющаяся внешней границей рабочего колеса, окружность с диаметром D3 – условная окружность, проведённая по внутренним концам подводящих лопаток, центром окружности является центр рабочего колеса, причём D1 больше D3, L – условная плоскость, перпендикулярная оси вращения рабочего колеса и делящая рабочее колесо на равные по толщине части. Значение диаметра D1 принимается исходя из необходимого напора создаваемого ступенью. Значение диаметра D2 принимается большим от диаметра D1 на величину от 1 до 15%. Значение диаметра D3 – наружный диаметр ступени, принимается большим от диаметра D1 на величину от 25 до 60%.
Техническим результатом является создание принципиально новой ступени центробежного многоступенчатого насоса с улучшенными технико-экономическими характеристиками, конкретно с существенно пониженным акустическим шумом и низкими гидродинамическими вибрациями и как следствие повышенной надежностью, высоким ресурсом и высоким коэффициентом полезного действия ступени и насоса в целом.
Отличительной особенностью ступени является форма направляющего аппарата позволяющая отводить жидкость от центробежного рабочего колеса с минимально возможными потерями на вихреобразование, т.е. с сохранением максимально возможного КПД ступени и насоса в целом.
Технический результат достигается посредством комплекса объединённых единым изобретательским замыслом конструктивных усовершенствований в базовых компонентах.
На фиг. 1 показана ступень центробежного многоступенчатого насоса, состоящая из рабочего колеса 1, состоящего в свою очередь из ступицы 2, покрывающего диска 3, лопастей 4, и направляющего аппарата 5, состоящего в свою очередь из двух рядов лопаток – отводящих лопаток 6 и подводящих лопаток 7 закреплённых на основном диске 8.
На фиг. 2 изображен направляющий аппарат 5 – вид спереди, а также показано сечение Б-Б направляющего аппарата 5, по главной плоскости. Фигура иллюстрирует построение количества n1 отводящих лопаток 6, толщиной h1, с началом построения на диаметре D1, с разворотом на угол φ1, при этом значения угла φ1 лежат в диапазоне от 40° до 140°, начиная разворот под углом α1, оптимальные значения которого,  минимизирующие потери от натекания жидкости на входную кромку лопатки направляющего аппарата, лежат в диапазоне от 1° до 30° и заканчивая разворот под углом α2, выбор значения угла α2 лежит предпочтительно в диапазоне от 3° до 60°, со смещением вдоль оси на величину L1 – значение которой является конструктивным размером габарита ступени. Из построенных таким образом лопаток, состоящих из рабочей поверхности kp и тыльной поверхности ks, образуется массив отводящих лопаток, позволяющий с минимальными энергетическими потерями отвести жидкость от рабочего колеса до внешнего диаметра D2 направляющего аппарата.
На фиг. 3 изображен направляющий аппарат 5 – вид сбоку, а также показан его вид А – сзади. Фигура иллюстрирует построение количества n2 подводящих лопаток 7, толщиной h2, с началом построения на диаметре D2, с разворотом на угол φ2, оптимальные значения которого лежат в диапазоне от 30 до 130°,   начиная разворот под углом β1, равным углу α2, и заканчивая разворот под углом β2, оптимальные значения которого,  минимизирующие потери от натекания на входные лопасти рабочего колеса следующей ступени насоса, лежат в диапазоне от 1° до 50° со смешением вдоль оси на величину L2. Из построенных таким образом лопаток, состоящих из рабочей поверхности k1p и тыльной поверхности k1s, образуется массив подводящих лопаток, позволяющий с минимальными энергетическими потерями отвести жидкость от периферийного диаметра D2 к диметру D3 и далее по радиусу R1 во всасывающую воронку рабочего колеса следующей степени многоступенчатого центробежного насоса.
На фиг. 4 и 5 изображены измеренные на натурном эксперименте линии тока SL0 жидкости в рабочем колесe, SL1 – в отводящих каналах и SL2 – в подводящих каналах. Из рисунков видно, что течение жидкости в ступени безвихревые, а полученная форма течения в ступени обеспечивает максимально возможный КПД ступени насоса. В конструкции направляющего аппарата ступени центробежного насоса дополнительно учтена подкрутка жидкости на угол β2SL, равный углу β2 окончания подводящей лопатки, при переходе от потока жидкости ступени к ступени, с целью минимизации потерь гидродинамической энергии всех ступеней центробежного многоступенчатого насоса.
На фиг. 6 и 7 изображена форма струи (проекция спереди и сзади) получаемая в результате течения жидкости по каналам ступени фиг. 1. Полученная в результате построения ступени, форма течения жидкости в проточной части ступени не имеет вихреобразования и достигает цели течения с минимально возможными потерями, т.е. с максимально возможным КПД.