РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ДЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ
IMPELLER FOR CENTRIFUGAL PUMPS

Изобретение относится к рабочему колесу для центробежных насосов, имеющему, по меньшей мере, две лопасти для перекачки сред, содержащих твердые компоненты.
В публикации заявки на патент Германии DE 4015331 A1 описано рабочее колесо, имеющее только одну лопасть. Однолопастное колесо, которое изготовлено способом литья, образует канал между кожухом передней крышки, кожухом задней крышки и лопастью, причем поперечное сечение этого канала уменьшается от входа однолопастного колеса к выходу. На первых 180° угла поворота засасывающая сторона образует полукруг, который расположен концентрически относительно оси вращения. Однолопастное рабочее колесо сконструировано таким образом, что предотвращает раннее образование пузырьков и, следовательно, возникновение кавитации. Кромка лопасти имеет очень большой радиус кривизны. Этот спрямленный участок предотвращает накопление длинноволокнистых компонентов.
В отличие от однолопастных колес, рабочие колеса, имеющие множество лопастей, отличаются высоким коэффициентом полезного действия. Однако на рабочие колеса этого типа также накладываются особые требования относительно предотвращения накопления твердых компонентов в тракте перекачки. В многолопастных рабочих колесах должны быть реализованы особые меры во избежание засорения.
Пригодность упомянутых рабочих колес для области техники перекачки сточных вод проверяют, в частности, по прохождению шариков. Прохождение шариков описывает способность рабочих колес также перекачивать большие твердые тела, соответствующие шарику.
В публикации заявки на патент Германии DE 8800074 U1 описано рабочее колесо насоса для центробежного насоса, в котором угол лопасти рабочего колеса насоса на входе составляет от 0° до 40°. Здесь лопасти рабочего колеса сконструированы таким образом, что уменьшена вероятность возникновения кавитации и тем не менее обеспечена удовлетворительная способность всасывания в зоне перегрузки. Для этого линии обтекания лопастей рабочего колеса имеют участок, в котором угол лопасти увеличен на величину до 25°.
В технологии перекачки сточных вод все более часто используются центробежные насосы с высокими приведенными скоростями вращения. В обычных рабочих колесах это приводит к перемещению точки застоя на лопасти, на которую набегает поток, на нагнетательную сторону лопастей, в частности, при работе с неполной нагрузкой. Обтекание входных кромок лопастей происходит с нагнетательной стороны к засасывающей стороне. Точка застоя, которая находится на нагнетательной стороне, плотно прижимает волокна, имеющиеся в сточных водах, к поверхности лопастей.
При обтекании входных кромок лопастей существует область высоких скоростей. В рабочих колесах, входная кромка которых имеет малый радиус кривизны, скорости в упомянутой области являются особенно высокими. Если статическое давление падает ниже давления пара вследствие высокой скорости потока, то образуются пузырьки пара, которые приводят к кавитационному разрушению.
К области высоких скоростей примыкает область более низких скоростей. В ней образуются завихрения воды. Волокна, прилипшие к входной кромке, стремятся заполнить упомянутые завихрения воды. Обтекание прижимает волокна к контуру лопасти, вследствие чего возможно очень сильное увеличение площади покрытия волокнами.
Задачей настоящего изобретения является создание рабочего колеса с высоким коэффициентом полезного действия, в котором предотвращено образование отложений и возникновение кавитации.
Согласно настоящему изобретению эта задача достигнута в силу того факта, что угол лопасти на входе является меньшим чем 0°, причем угол лопасти увеличивается на первом участке до тех пор, пока его величина не достигнет 0°, а затем увеличивается на втором участке до максимального значения и уменьшается на третьем участке.
Согласно настоящему изобретению угол лопасти на входе является меньшим чем 0°, а затем увеличивается. Это приводит к явно выраженной кривизне контура лопасти. Угловой профиль обеспечивает равномерную нагрузку на всю поверхность лопасти. Точка застоя потока смещена от нагнетательной стороны в область максимальной кривизны входной кромки или даже на засасывающую сторону. В результате уменьшена нагрузка на входную кромку лопасти и уменьшены силы, которые прижимают волокна на входном участке. Область высоких скоростей образуется на засасывающей стороне лопастей, причем эта область вносит вклад в отсоединение прилипших волокон. После того как достигнута максимальная величина угла лопасти, он снова уменьшается. Контур лопасти имеет S-образную форму.
Цель конструкции состоит в уменьшении нагрузки на кромку лопасти, на которую набегает поток, и в уменьшении области застойного давления на нагнетательной стороне.
В потоке, набегающем на лопасть без гидравлического удара, скорость (набегающего потока) в точке носовой части контура лопасти приблизительно равна нулю. Обтекание вокруг контура лопасти является равномерным.
В отличие от этого, поток, набегающий на лопасть под углом, приводит к работе с неполной нагрузкой, точка застоя перемещается из носовой части контура лопасти на нагнетательную сторону лопасти. В этом случае набегающий поток при неполной нагрузке набегает под углом относительно средней линии профиля лопасти. В таком случае возникают чрезвычайно высокие скорости во время обтекания носовой части профиля и, главным образом, в точке наибольшей кривизны, в точке в носовой части. На засасывающей стороне лопасти создается замедление скорости потока, следствием чего является образование области отрыва потока на засасывающей стороне далее по ходу относительно точки в носовой части контура лопасти в направлении потока. В результате поток больше не давит на лопасть, отрывается от лопастей и уменьшает поперечное сечение, границами которого служат соседние лопасти, канала протекания потока в рабочем колесе. Волокна могут засасываться в область отрыва потока, которая расположена далее по ходу потока относительно точки в носовой части.
В отличие от этого профиль контура лопасти согласно настоящему изобретению и, следовательно, угол лопасти обеспечивают дополнительное ускорение потока в диапазоне неполной нагрузки даже во время работы с неполной нагрузкой, в результате чего область отрыва потока сохраняется малой. Следовательно, точка самой высокой скорости потока перемещается в среднюю часть лопасти на засасывающей стороне. Результат этого технического решения состоит в том, что волокна и т.п., унесенные потоком, больше не прижимаются к кромке лопасти, на которую набегает поток. Вместо этого они уносятся за счет высоких скоростей в средней части лопасти на засасывающей стороне. Следовательно, предотвращено засорение рабочего колеса на входе.
В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения угол лопасти остается постоянным на смежном четвертом участке. Рабочее колесо имеет постоянно малый угол лопасти в радиальной области насоса. Расширение области обратного потока на нагнетательной стороне уменьшено за счет нагрузки на засасывающую сторону. Малый угол лопасти на выходе уменьшает нагрузку на рабочее ребро и уменьшает область ламинарного обратного потока на нагнетательной стороне лопасти.
В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, который является особо пригодным для высоких приведенных скоростей вращения, угол лопасти во входной области является меньшим чем -10°. Малые углы на входе приводят к набеганию потока без гидравлического удара.
На первом участке угол лопасти увеличивается до тех пор, пока он не достигнет величины 0°. Затем имеет место дополнительное увеличение угла лопасти на втором участке до тех пор, пока не будет достигнуто максимальное значение. Угол лопасти предпочтительно увеличивается на первом и втором участках с одним и тем же градиентом.
В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения угол лопасти увеличивается на первом и/или втором участке с градиентом, большим чем 0,35. Явно выраженная кривизна приводит к равномерной нагрузке на лопасть в средней области поверхности лопасти. Распределение нагрузки сохраняется даже в случае неполной нагрузки в результате предельного увеличения угла в передней части лопасти. В результате уменьшена увеличенная нагрузка на входную кромку, которая обычно усиливает эффект прилипания.
Доказано, что особо целесообразно, если от точки инверсии угол лопасти на третьем участке уменьшается до угла лопасти на выходе. Угол лопасти предпочтительно остается постоянным на четвертом участке.
Доказано, что особо целесообразно, если рабочее колесо выполнено в виде радиального колеса. Здесь отношение радиуса лопасти на выходе к радиусу лопасти на входе предпочтительно является меньшим чем 1,5. В результате рабочее колесо может эффективно работать даже при высоких приведенных скоростях вращения.
В традиционных рабочих колесах необходимы большие радиусы кривизны входных кромок лопастей во избежание высоких скоростей обтекания и связанного с этим возникновения кавитации. Это вызывает необходимость накоплений материала, что приводит к тяжелым рабочим колесам. Вследствие того, что лопасть имеет угловой профиль согласно настоящему изобретению, можно использовать рабочие колеса, имеющие малый радиус кривизны входных кромок лопасти. Радиус кривизны входных кромок лопасти предпочтительно равен значению толщины лопасти в четвертой области или является меньшим, чем эта толщина. Несмотря на высокие скорости обтекания, которые здесь имеют место, в случае рабочих колес согласно настоящему изобретению кавитационное разрушение не возникает. Вследствие малого радиуса кривизны входных кромок лопасти рабочие колеса могут иметь тонкую и легкую конфигурацию.
Рабочее колесо, используемое для перекачки сточных вод, предпочтительно содержит две или три лопасти. Варианты осуществления изобретения такого типа являются особо пригодными для сточных вод, имеющих высокое процентное содержание твердых составляющих, и их также именуют двухканальным колесом или трехканальным колесом. Если количество лопастей слишком велико, то существует риск засорения. По сравнению с однолопастными колесами, двухлопастные или трехлопастные рабочие колеса обеспечивают более высокий коэффициент полезного действия и улучшенный режим работы вследствие отсутствия несбалансированности и перекачки с меньшими пульсациями.
Рабочее колесо предпочтительно имеет кожух крышки и, следовательно, сконфигурировано имеющим закрытую общую конструкцию.
Дальнейшие признаки и преимущества настоящего изобретения вытекают из описания вариантов его осуществления, которые приведены в качестве примеров, с использованием чертежей, и из самих чертежей, на которых изображено следующее:
на чертеже Фиг.1 показан осевой разрез через рабочее колесо,
на чертеже Фиг.2a показаны лопасти рабочего колеса на виде спереди,
на чертеже Фиг.2b показаны лопасти рабочего колеса на виде в перспективе,
на чертеже Фиг.3a показан профиль угла лопасти,
на чертеже Фиг.3b показана соответствующая диаграмма средней линии профиля лопасти,
на чертеже Фиг.4a показан радиальный разрез через рабочее колесо с иллюстрацией скоростей линий потока, и
на чертеже Фиг.4b в увеличенном масштабе показана иллюстрация части входной кромки лопасти согласно чертежу Фиг.4a.
2
1
2
1
На чертеже Фиг.1 показан осевой разрез через радиальное рабочее колесо. Жидкость, в которую вкраплены твердые составляющие, входит в рабочее колесо через всасывающее отверстие 1. Лопасти 4, которые расположены между кожухом 2 крышки и задним кожухом 3, ускоряют жидкость. Жидкость протекает от оси вращения 5 в радиальном направлении наружу. Рабочее колесо работает с приведенными скоростями вращения свыше 70. Здесь низкое отношение радиуса R лопасти на выходе к радиусу Rлопасти на входе оказывается особо целесообразным. В варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, отношении радиуса R лопасти на выходе к радиусу R лопасти на входе является меньшим чем 1,3.
На чертежах Фиг.2a и Фиг.2b на виде спереди и на виде в перспективе показаны лопасти 4 рабочего колеса. Рабочее колесо содержит две лопасти 4, которые закреплены на заднем кожухе 3. На приведенных на чертежах изображениях рабочее колесо вращается в направлении по часовой стрелке. Входные кромки 6 лопасти имеют малый радиус кривизны. В варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, радиус кривизны равен 7 мм. Лопасти 4 придают ускорение среде, содержащей твердые компоненты. Проведено различие между нагнетательной стороной 7 и засасывающей стороной 8 лопастей 4.
1
2
2
На чертеже Фиг.3a показан профиль угла β лопасти. На чертеже Фиг.3b показана соответствующая иллюстрация средней линии профиля лопасти. На графике абсцисса отображает угол φ отклонения. На графике ордината отображает угол β лопасти на средней линии профиля лопасти. Угол β лопасти на входе является меньшим чем 0°. На первом участке 9 угол β лопасти непрерывно увеличивается до тех пор, пока он не достигнет величины 0°. Затем имеет место дополнительное непрерывное увеличение на втором участке 10 до тех пор, пока угол β лопасти не достигнет максимального значения. Градиенты увеличения угла β лопасти на первом участке 9 и на втором участке 10 являются одинаковыми. Угол β лопасти достигает своего максимального значения в точке инверсии средней линии профиля лопасти. На третьем участке 11 угол β лопасти непрерывно уменьшается до тех пор, пока его величина не достигает величины угла β лопасти на выходе. На четвертом участке 12 угол β лопасти остается постоянным, равным величине угла β лопасти на выходе.
1
min
2
Соответствующая диаграмма средней линии профиля лопасти показывает, что начиная с радиуса R лопасти на входе радиус сначала уменьшается до минимальной величины R, а после этого снова увеличивается до величины радиуса R лопасти на выходе.
На чертежах Фиг.4a и Фиг.4b показан радиальный разрез двухлопастного рабочего колеса с иллюстрацией линий потока, имеющих различные скорости. На приведенных на чертежах изображениях рабочее колесо вращается в направлении против часовой стрелки. В отличие от традиционных рабочих колес точка 13 застоя потока расположена не на нагнетательной стороне 7, а, наоборот, в области максимальной кривизны входной кромки 6 лопасти. На засасывающей стороне 8 лопастей 4 образуется область 14 высоких скоростей, которая вносит вклад в отсоединение прилипших волокон.
В рабочем колесе согласно настоящему изобретению уменьшена нагрузка на входную кромку 6 лопасти. В результате, уменьшены силы, прижимающие волокна во входной области. В результате нагрузки на среднюю область лопасти 4 на засасывающей стороне там возникают высокие скорости, в результате чего прилипшие волокна уносятся.