Рабочее колесо центробежного насоса
IMPELLER OF CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при проектировании центробежных насосов и предназначенного для перекачивания жидкости с расходом Q под напором Н при угловой скорости вращения рабочего колеса ω.
Известно рабочее колесо центробежного насоса, лопастная система которого содержит равномерно распределенные по окружности колеса лопасти, имеющие минимальную толщину (Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Лопастные насосы. Теория расчет и конструирование. - М.: "Машиностроение", 1977). Профиль лопастей строится на скелетной линии - кривой, совпадающей с расчетной линией тока жидкости, построение которой выполняется по трем параметрам: углу входа, углу выхода и углу охвата.
Недостатком данного рабочего колеса являются высокие вихревые потери и, как следствие, узкая рабочая зона по подаче, за пределами которой КПД принимает низкие значения.
i
i
i
i
i
1
i
l
i
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является реактивное рабочее колесо центробежного насоса (см. патент на изобретение RU 2613545, МПК F04D 29/22, опубл. 17.03.2017 г.), содержащее равномерно распределенные по окружности колеса лопасти с идентичными скелетами профилей, образующие между собой каналы с горлом, каналы образованы так, что средние их линии есть геометрическое место точек - центров окружностей с диаметрами D, вписанных между скелетами соседних профилей на различных радиусах колеса, а внешние обводы каналов образованы кривыми, касательными к окружностям с диаметрами d, меньшими диаметров D, концентричным окружностям, вписанным между скелетами профилей, причем диаметры d на любом i-м радиусе рабочего колеса определяются зависимостью d=(D-s)⋅k+(D-s)⋅(1-k), где D есть диаметр D в горле канала, s есть толщина входной кромки профиля лопасти, а константа k идентична для всех каналов колеса и имеет значение в диапазоне от 0,3 до 0,5.
Недостатками известного технического решения являются повышенные энергетические потери, надкавитационный напор NPSH3 центробежного насоса и низкая производительность.
Технической задачей изобретения является улучшение энергетических и кавитационных характеристик центробежного насоса.
Техническим результатом изобретения является повышение КПД, пониженная потребляемая мощность и надкавитационный напор.
к
к
л
выр
0
к
л
выр
0
выр
л
0
K
выр
u
Поставленная техническая задача решается тем, что в известном рабочем колесе центробежного насоса, содержащем равномерно распределенные по окружности лопасти с идентичными скелетами профилей, входными и выходными кромками, рабочими поверхностями, образующими межлопастные каналы с площадью проходного сечения F и длиной L, на рабочих поверхностях лопастей с толщиной b выполнены полуцилиндрические вырезы радиусом r, которые расположены с отступом L от входной кромки и интервалом Δ по всей длине L межлопастного канала, при этом толщина лопастей b, радиус вырезов r, отступ L от входной кромки и интервал Δ между ними выбраны из условий  r=0,4b, L=0,25L и Δ=4r соответственно, где Q - расход жидкости, ω - угловая скорость вращения рабочего колеса, β' - угол лопасти в каждой точке рабочей поверхности лопасти, расположенной от оси вращения на расстоянии R, V - кинематический параметр, определенный из условия  Н - напор насоса, а k - константа.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан пример рабочего колеса на виде спереди, на фиг. 2 представлен пример рабочего колеса в изометрии, на фиг. 3 приведена иллюстрация к принципу действия эффекта Магнуса в рабочем колесе, на фиг. 4 представлен выносной вид к иллюстрации принципа действия эффекта Магнуса в рабочем колесе, содержащий фрагмент лопасти с полуцилиндрическим вырезом.
л
вх
вых
к
к
выр
л
0
к
выр
к
Рабочее колесо центробежного насоса, содержит равномерно распределенные по окружности лопасти 1 толщиной b и с идентичными скелетами профилей 2, лопасти 1 имеют входные кромки 3, расположенные на расстоянии R от оси вращения, выходные кромки 4, расположенные на расстоянии R от оси вращения, рабочие поверхности 5, образующие межлопастные каналы 6 с площадью проходного сечения F и длиной L, и полуцилиндрические вырезы 7 радиусом r=0,4b, расположенные с отступом от L=0,25L от входной кромки 3 и интервалом Δ=4r по всей длине L межлопастного канала 6, создающие локальные вихри 8.
Рабочее колесо центробежного насоса работает следующим образом.
м
м
м
с
г
п
у
кр
м
При вращении рабочего колеса в полуцилиндрических вырезах 7 формируются локальные вихри 8, приведенные на иллюстрациях к принципу действия эффекта Магнуса, полученных по результатам численного моделирования течения в рабочем колесе. При обтекании вихрей 8 потоком возникает подъемная сила F, обусловленная эффектом Магнуса, согласно которому при обтекании вращающегося тела возникает поперечная сила, направленная от той стороны вращающегося тела, на которой направление вращения и направление потока противоположны, к той стороне, на которой эти направления совпадают. Сила F создает момент М имеющий направление противоположное моменту сопротивления М, согласно (1) представляющему сумму гидравлического момента на лопастях 1 рабочего колеса М, момента сопротивления в подшипниках М и момента сопротивления в уплотнениях М. Таким образом крутящий момент М на валу колеса с полуцилиндрическими вырезами 7 в лопастях 1, определяемый уравнением (2), оказывается сниженным на величину М по сравнению с аналогичным колесом без полуцилиндрических вырезов 7.
Поскольку локальные вихри 8 остаются на периферии и практически не затрагивают ядро потока, гидравлические потери и напор Н практически не отличаются у насоса с полуцилиндрическими вырезами 7 в лопастях 1 рабочего колеса и без них.
затр
м
затр
Как можно увидеть из уравнений (3) и (4), отражающих зависимость потребляемой мощности N и КПД η от М, N в центробежном насосе с лопастями 1 с полуцилиндрическими вырезами 7 оказывается ниже, а КПД η, чем в центробежном насосе с аналогичным колесом без полуцилиндрических вырезов 7.
где ω - угловая скорость вращения рабочего колеса.
где ρ - плотность перекачиваемой насосом жидкости;
g - ускорение свободного падения.
выр
л
м
0
0
к
выр
Величина полуцилиндрических вырезов 7 при этом определена из условия r=0,4b обеспечения требуемых прочностных характеристик лопастей 1 при максимальном моменте М, а отступ L от входной кромки 3 и интервал Δ расположения вырезов 7 из условий L=0,25L и Δ=4r стабилизации потока в межлопастных каналах 6 за входной кромкой 3 и локальными вихрями 8, расположенными в каждом из вырезов 7.
л
Толщина b лопастей 1 выбрана из условия (5) обеспечения напора Н при перекачивании жидкости с расходом Q и угловой скоростью вращения ω при минимальных затратах энергии на привод насоса. При этом при обтекании лопастей 1 имеют место снижение надкавитационного напора NPSH3 и повышение КПД η.
где β' - угол лопасти в каждой точке рабочей поверхности 5 лопасти 1, расположенной от оси вращения на расстоянии R;
- кинематический параметр;
k - константа.
Использование изобретения позволяет улучшить энергетические и кавитационные характеристики центробежного насоса при этом имеет место повышение КПД, снижение потребляемой мощности и надкавитационного напора.