Способ повышения давления и экономичности центробежного насоса и устройство для его реализации
METHOD FOR INCREASING THE PRESSURE AND EFFICIENCY OF A CENTRIFUGAL PUMP AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области насосостроения, в частности к центробежным насосам с рабочими колесами, содержащими лопасти, загнутые назад, и предназначено для повышения энергии потока жидкой среды за счет формирования циркуляционного течения вокруг лопастей, обусловленного их вращением, способствующего возникновению разности давлений между рабочей и тыльной поверхностями лопастей и выходу потока жидкой среды с увеличенной потенциальной и кинетической энергией с объемных лопастей через нагнетательный патрубок насоса.
В центробежных насосах преобразование механической энергии вращающегося рабочего колеса во внутреннюю энергию перемещаемой жидкой среды происходит, главным образом, за счет воздействия на нее циркуляционных сил, возникающих от ее взаимодействия с вращающимся рабочим колесом и обусловленных формированием циркуляционного течения жидкой среды в межлопастных каналах рабочего колеса, образованных его несущим и покрывным дисками с объемными лопастями, и, как результат, возникновением перепада давления между рабочей и тыльной поверхностями лопасти, роста на рабочей поверхности лопасти давления перемещаемой жидкой среды, то есть ее внутренней энергии.
Для существенного повышения давления, развиваемого центробежным насосом, и его экономичности путем улучшения эффективности процесса преобразования механической энергии вращения рабочего колеса центробежного насоса во внутреннюю энергию перемещаемой им жидкой среды необходимо увеличить циркуляционные силы, действующие на жидкую среду, то есть усилить интенсивность циркуляционного течения перемещаемой среды в межлопастных каналах рабочего колеса, образованных его несущим и покрывным дисками с объемными лопастями.
Известна радиально-вихревая турбомашина, содержащая спиральный корпус, установленное в нем рабочее колесо с несущим и покрывным дисками, расположенные между ними загнутые назад профильные лопатки, каждая из которых в области выходного участка снабжена установленным с конфузорным зазором по отношению к ее рабочей поверхности накрылком с вогнутой рабочей, выпуклой торцевой поверхностями и имеющим вихревую камеру, сообщающуюся тангенциально с конфузорным зазором, выпускные конфузорные каналы на его выпуклую торцевую поверхность из вихревой камеры и впускные конфузорные каналы с тангенциальным входом в нее с вогнутой рабочей поверхности накрылка, в спиральном корпусе на несущем диске в вихревую камеру каждого накрылка выполнен тангенциальный входной конфузорный канал, а на покрывном диске из вихревой камеры каждого накрылка выполнен тангенциальный выходной конфузорный канал. [Патент RU 2557818 С1 МПК F04D 29/28, F04D 29/22 Радиально-вихревая турбомашина / Макаров Н.В., Макаров В.Н., Ясаков С.Е. опубл.27.07.2015 Бюл. №21]
Такое исполнение профильных лопаток рабочего колеса направлено на устранение области отрывного вихреобразования жидкой среды при выходе из рабочего колеса и способствует существенному увеличению угла выхода основного потока на выходе из рабочего колеса, тем самым достигается существенный рост перепада давления потока между рабочей и тыльной поверхностями лопатки, что приводит к росту аэродинамической нагруженности радиально-вихревой турбомашины.
Однако, в данной конструкции направление части перемещаемой жидкой или газообразной среды в единственную вихревую камеру непосредственно на выходном участке каждой лопатки рабочего колеса создает незначительный уровень энергии циркуляционного течения, а взаимодействие этого циркуляционного движения с потоком, проходящем через межлопаточные каналы рабочего колеса не обеспечивает эффективного энергетического взаимодействия циркуляционного движения части перемещаемой среды, закрученной в вихревой камере, с циркуляционным потоком проходящем через межлопаточные каналы рабочего колеса и, как результат, достижение с минимальными потерями несущественного увеличения потенциальной и кинетической энергии перемещаемой среды, то есть незначительно увеличивает давление, развиваемое лопастной турбомашиной, и ее экономичность.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ повышения давления и экономичности лопастных турбомашин радиального типа реализуемый повышением энергии, сообщаемой жидкой или газообразной среде лопастными турбомашинами радиального типа, включающий в себя подачу жидкой или газообразной среды через всасывающий патрубок турбомашины в межлопаточные каналы рабочего колеса, образованные его объемными лопатками, преобразование механической энергии вращения рабочего колеса во внутреннюю энергию жидкой или газообразной среды за счет формирования ее циркуляционного течения вокруг объемных лопаток в межлопаточных каналах рабочего колеса, создающего прирост давления на рабочей поверхности лопаток по отношению к тыльной их поверхности, и выход жидкой или газообразной среды с увеличенной внутренней энергией из межлопаточных каналов через нагнетательный патрубок турбомашины, часть перемещаемой жидкой или газообразной среды, подаваемой через всасывающий патрубок в межлопаточные каналы, направляют из них по входным каналам с рабочей поверхности лопаток в цилиндрические вихревые камеры, расположенные по всей длине объемной лопатки, закручивают ее в вихревое интенсивное вращательное движение, далее перемещают по выходным каналам на рабочую и тыльную поверхности объемных лопаток, смешивают с жидкой или газообразной средой, перемещаемой по межлопаточным каналам по всему пространству, и направляют смешенный поток из межлопаточных каналов на вход в нагнетательный патрубок. [Патент RU 2543638 С1 МПК F04D 29/22, F04D 29/28 Способ повышения давления и экономичности лопастных турбомашин радиального типа / Косарев Н.П., Макаров Н.В., Макаров В.Н., опубл.10.03.2015 Бюл. №7].
Данный способ позволяет достичь улучшения циркуляционного течения вокруг объемных лопаток в межлопаточных каналах рабочего колеса, создающего прирост давления на рабочей поверхности лопаток по отношению к тыльной поверхности, тем самым достигается повышение давления развиваемого турбомашиной при тех же габаритах и металлоемкости.
По причине того, что в вихревые камеры, находящиеся внутри рабочего колеса, направляется часть жидкой или газообразной среды только с рабочей поверхности лопатки не обладающая большой внутренней энергией и скоростью, интенсивность циркуляции в цилиндрических вихревых камерах обладает низкой скоростью вращения, следовательно малой энергией, которая не позволяет достигнуть существенного увеличения циркуляции жидкой или газообразной среды вокруг объемных лопаток рабочего колеса и не позволяет достигнуть максимально возможного давления лопастной турбомашине радиального типа.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в достижении максимальной энергии вращения циркуляционного потока части перемещаемой жидкой среды в цилиндрических вихревых камерах, вписанных во внутренние полости объемных лопастей по всей их длине, за счет механической энергии вращения рабочего колеса и эффективного преобразования этой энергии с минимальными потерями во внутреннюю энергию перемещаемой жидкой среды по всему пространству межлопастного канала, то есть по всей его ширине и длине.
Технический результат повышения давления и экономичности центробежного насоса достигается за счет того, что способ, направленный на повышение энергии, сообщаемой жидкой среде центробежным насосом, включающий в себя подачу жидкой среды через всасывающий патрубок насоса к входу на объемные лопасти его рабочего колеса, преобразование механической энергии вращения рабочего колеса в потенциальную и кинетическую энергию жидкой среды за счет формирования ее циркуляционного течения вокруг объемных лопастей, обусловленного их вращением, способствующего возникновению перепада давления между рабочей и тыльной поверхностями лопастей, и выход жидкой среды с увеличенной потенциальной и кинетической энергией с объемных лопастей через нагнетательный патрубок насоса, согласно изобретению часть перемещаемой жидкой среды, подаваемой через всасывающий патрубок в межлопастные каналы, направляется из них по входным каналам с рабочей поверхности лопастей в цилиндрические вихревые камеры, расположенные по всей длине объемной лопасти, закручивается в вихревое интенсивное вращательное движение, далее перемещается по выходным каналам на рабочую и тыльную поверхности объемных лопастей, смешивается с жидкой средой, перемещаемой по межлопастным каналам по всему пространству, и смешенный поток направляется из межлопастных каналов в спиральный отвод и далее в нагнетательный патрубок. Дополнительно часть жидкой среды с повышенной энергией из полости между корпусом и несущим диском направляется тангенциально через конфузорные отверстия в цилиндрические вихревые камеры, закручиваясь при входе в них в интенсивное вращательное движение, за счет взаимодействия с потоком проходящем через вихревые камеры с рабочей поверхности лопасти, передает ему свою повышенную энергию усиливая вихревое движение, то есть усиливает циркуляцию в цилиндрической камере, после передачи своей повышенной энергии дополнительный поток выходит за счет разряжения через диффузорные отверстия в полость между покрывным диском и корпусом насоса. Таким образом, усиленная циркуляция при выходе через выходные каналы на рабочую и тыльную поверхности лопастей усиливает циркуляционное течение вокруг объемных лопастей, способствует дополнительному приросту давления на рабочей поверхности лопасти по отношению к ее тыльной поверхности.
Техническим результатом использования предлагаемого изобретения является:
- повышение потенциальной и кинетической энергии перемещаемой жидкой среды и, как результат, увеличение давления, развиваемого центробежным насосом;
- снижение потерь энергии за счет устранения отрывного вихреобразования жидкой среды при выходе из рабочего колеса и входе в спиральный отвод и нагнетательный патрубок, как результат, повышение экономичности (к.п.д.) центробежного насоса;
- снижение удельных показателей металлоемкости и габаритов центробежного насоса;
- увеличение давления на одну ступень применительно к многоступенчатым конструкциям центробежных насосов;
- снижение уровня вибрации и шума, вызванных гидравлическими процессами, в области рабочих режимов центробежного насоса за счет устранения вихреобразования жидкой среды при выходе из рабочего колеса и входе в спиральный отвод и нагнетательный патрубок.
Цель изобретения заключается в повышении гидродинамической нагруженности рабочего колеса центробежного насоса и повышении эффективности передачи механической энергии вращения рабочего колеса потоку жидкой среды за счет формирования интенсивного циркуляционного движения в проточно-гидравлической части центробежного насоса в широком диапазоне его работы.
На фиг.1 изображен поперечный разрез центробежного насоса. На фиг.2 изображено продольное сечение центробежного насоса. На фиг.3 изображен фрагмент сечения объемной лопасти рабочего колеса с поперечным сечением цилиндрических вихревых камер. На фиг.4 изображено сечение цилиндрической вихревой камеры с входным конфузорным отверстием. На фиг.5 изображено сечение цилиндрической вихревой камеры с выходным диффузорным отверстием. На фиг.6 и фиг.7 изображены продольные разрезы цилиндрической вихревой камеры.
Центробежный насос 1 содержит всасывающий 2 и нагнетательный 3 патрубки, спиральный отвод 4, рабочее колесо 5 с несущим 6 и покрывным 7 дисками, между которыми установлены объемные лопасти 8, имеющие рабочие 9 и тыльные 10 поверхности и образующие межлопаточные каналы 11. Во внутреннюю полость объемной лопасти 8 по всей ее длине вписаны цилиндрические вихревые камеры 12. Входные каналы 13 обеспечивают гидродинамическую связь в тангенциальном направлении межлопастного канала 11 с цилиндрическими вихревыми камерами 12 со стороны рабочей поверхности 9 объемной лопасти 8. Выходные каналы 14, 15 обеспечивают гидродинамическую связь в тангенциальном направлении цилиндрических вихревых камер 12 с межлопастными каналами 11 с рабочей 9 и тыльной 10 поверхностями объемных лопастей 8 соответственно. Входной канал 13 и выходной канал 14 на рабочей поверхности 9 объемной лопасти 8 гидродинамически связаны между собой с помощью обечайки 16, установленной с зазором по отношению к рабочей поверхности 9 объемной лопасти 8. Кроме того, цилиндрические вихревые камеры 12 лопастей 8 гидродинамически  тангенциально связаны посредством входных конфузорных отверстий 17 со стороны несущего диска 6 и выходных диффузорных отверстий 18 со стороны покрывного диска 7 рабочего колеса 5 с полостями 19 и 20 корпуса 21 насоса 1 соответственно, а полости 19 и 20 соединены со спиральным отводом 4 и нагнетательным патрубком 3. Отверстия 17 в цилиндрические вихревые камеры со стороны несущего диска 6 снабжены тангенциальными входными конфузорами направленными в сторону вращения рабочего колеса, а отверстия 18 расположенные со стороны покрывного диска 7 снабжены тангенциальными выходными диффузорами направленными в противоположную сторону. На внутренней поверхности вихревой камеры выполнена спиралевидная канавка 22 с уменьшающимся шагом спирали от конфузорного входного отверстия 17 к выходному диффузорному отверстию 18.
p
ω
ω
p
ω
p
ц
т
ц
т
При вращении рабочего колеса 5 центробежного насоса 1 поток перемещаемой жидкой среды поступает через всасывающий патрубок 2 в межлопастные каналы 11, образованные рабочими 9 и тыльными 10 поверхностями объемных лопастей 8, взаимодействуя с ними, поворачивается в направлении вращения рабочего колеса 5. Часть потока перемещаемой жидкой среды за счет избыточного давления на рабочей поверхности 9 объемных лопастей 8 из межлопастных каналов 11 поступает через входные каналы 13 (V) и закручивается в цилиндрических вихревых камерах 12, расположенных во внутренней полости объемных лопастей 8 по всей их длине. За счет избыточной скорости вращения (V) в вихревых камерах 12, значительно превышающей скорость вращения рабочего колеса 5 (ω), часть закрученного в них потока по выходным каналам 14 (V) поступает на рабочую поверхность 9 объемных лопастей 8 в направлении, противоположном перемещаемой в межлопастных каналах 11 жидкой среды (V), и через зазор между обечайкой 16 и рабочей поверхностью 9 по входному каналу 13 возвращается в цилиндрические вихревые камеры 12, способствуя увеличению давления на рабочей поверхности 9 объемных лопастей 8 за счет эффекта Магнуса (V)>(V). За счет центробежной силы вращения другая часть закрученного потока из цилиндрических вихревых камер 12 по выходным каналам 15 (V) поступает в направлении движения перемещаемой в межлопастных каналах 11 жидкой средой на тыльную 10 поверхность объемных лопастей 8 (V), способствуя при смешивании с перемещаемой по межлопастным каналам 11 жидкой средой за счет эффекта Магнуса и эжекции (V)>(V) снижению давления на тыльной поверхности 10 лопасти 8. Из полости 19 между несущим диском 6 рабочего колеса 5 и корпусом 21 насоса 1 формируются дополнительные потоки путем направления части жидкой среды с повышенной внутренней энергией через каждое входное отверстие 17 с конфузором со стороны несущего диска 6 рабочего колеса 5, закручивании этого потока на входе в цилиндрическую вихревую камеру 12, проходе по спиралевидной канавке 22 на внутренней поверхности вихревой камеры 12 с передачей повышенной внутренней энергии вращающемуся потоку, проходящему через вихревые камеры 12 с рабочей поверхности 9 лопасти 8. После передачи своей повышенной энергии этот дополнительный поток за счет разряжения создаваемого диффузорными отверстиями 18 направленными в сторону противоположную вращению рабочего колеса, выходит в полость 20 между покрывным диском 7 рабочего колеса 5 и корпусом 21 насоса 1. Такой дополнительный поток жидкой среды с повышенной внутренней энергией из полости 19 корпуса 21 насоса 1 способствует усилению интенсивности вихря в цилиндрических вихревых камерах 12, значительно увеличивая скорость его вращения, тем самым увеличивает его циркуляцию, следственно создает дополнительный прирост циркуляции потока проходящего в межлопастных каналах 11, что способствует дополнительному приросту давления на рабочей 9 поверхности и снижению давления на тыльной 10 поверхности лопасти 8.
Поскольку при движении вихря в цилиндрической вихревой камере 12 от входного отверстия 17 к выходному отверстию 18 интенсивность вихря снижается, то есть снижается угловая скорость его вращения, то для поддержания энергии вращения вихря по внутренней поверхности вихревой камеры 12 выполнена спиралевидная канавка 22 с уменьшающимся шагом спирали от входного конфузорного отверстия 17 к выходному диффузорному отверстию 18, двигаясь по которой, поток преобразует часть потенциальной энергии в кинетическую энергию вращения вихря.
Таким образом, вышеуказанный способ, реализуемый в предложенной конкретной конструкции центробежного насоса 1, позволяет за счет использования эффекта Магнуса и эжекции по всему пространству межлопастных каналов 11, образованных несущим 6 и покрывным 7 дисками с объемными лопастями 8, существенно увеличить перепад давления между рабочей 9 и тыльной 10 поверхностями объемных лопастей 8, тем самым увеличивается гидродинамическая нагруженность центробежного насоса 1, то есть развиваемое им давление. Направление дополнительного потока жидкой среды с повышенной энергией из полости 19 между корпусом 21 и несущим 6 диском в вихревые камеры 12 позволяет дополнительно усилить циркуляционное движение в вихревой камере 12, что способствует еще большему увеличению перепада давления между рабочей 9 и тыльной 10 поверхностями лопастей 8, дополнительно увеличивая гидродинамическую нагруженность рабочего колеса 5, повышает стабильность потока, проходящего в межлопастных каналах 11 рабочего колеса 5, в широком диапазоне работы насоса 1, тем самым улучшая адаптивность насоса, а также за счет эффекта Коанда снижает вихреобразование на тыльной 10 поверхности объемных лопастей 8, то есть позволяет существенно увеличить экономичность центробежного насоса 1.
Вышеуказанное обеспечено тем, что в предложенной конструкции центробежного насоса 1 цилиндрические вихревые камеры 12, вписанные во внутреннюю полость объемной лопасти 8 по всей ее длине, через тангенциально связанные с ними входные каналы 13 соединены с межлопастными каналами 11 со стороны рабочей 9 поверхности объемной лопасти 8, а через выходные каналы 14, 15 тангенциально связанные с межлопастными каналами 11 со стороны рабочей 9 и тыльной 10 поверхностей объемной лопасти 8 соответственно, дополнительно цилиндрические вихревые камеры 12 через входные конфузорные отверстия 17, со стороны несущего 6 диска направленные в сторону вращения рабочего колеса, тангенциально связаны с полостью 19 между несущим 6 диском и корпусом 21 насоса 1, а так же через выходные диффузорные отверстия 18, со стороны покрывного 7 диска направленными против направления вращения рабочего колеса, тангенциально связаны с полостью 20 между покрывным диском 7 и корпусом 21 насоса 1.
Это позволяет создать внутри объемной лопасти 8 по всей ее длине вперед загнутые лопасти с вихреисточниками, способствующие дополнительному созданию избыточного давления на рабочих 9 поверхностях, что обеспечивает интенсивную закрутку потока в цилиндрических вихревых камерах 12, соответственно формирование устойчивых вихрей с большой циркуляцией, являющихся основным источником энергии, обеспечивающим существенное увеличение перепада давления между рабочей 9 и тыльной 10 поверхностями объемных лопастей 8 по всей их длине.
За счет того, что часть жидкой среды с повышенной энергией из полости 19 между несущим 6 диском и корпусом 21 насоса 1 через конфузорные каналы 17 тангенциально направляется в вихревые камеры 12, где передает свою повышенную энергию вращающимся потокам жидкой среды, поступающим с рабочих поверхностей лопастей происходит существенное возрастание скорости вращения жидкой среды, достигается эффект устойчивого вихревого жгута, а следовательно существенным образом возрастает циркуляция в вихревых камерах обеспечивающая стабильность потока жидкой среды проходящей в межлопастных каналах рабочего колеса в широком диапазоне работы центробежного насоса.
Данный способ и устройство для его реализации могут быть применены как в одноступенчатых, так и в многоступенчатых конструкциях насосов.