Предвключенное осевое колесо

Полезная модель относится к области насосостроения, в частности к элементам, предотвращающим кавитацию на входе в рабочее колесо первой ступени и снижающим значение допускаемого кавитационного запаса, тем самым улучшая антикавитационные качества многоступенчатых центробежных насосов.
Существуют и применяются предвключенные осевые колеса, устанавливаемые перед входом в рабочее колесо первой ступени многоступенчатых центробежных насосов (авторское свидетельство СССР №421801 "Предвключенное осевое колесо"; авторское свидетельство СССР №731075 "Предвключенное осевое колесо"). Данные технические решения характерны тем, что на лопастях предвключенных осевых колес предусмотрены канавки и уступы. Недостатком подобных решений является увеличение гидравлических потерь, связанных с нарушением равномерности потока по мере его движения по проточной части, что в итоге приводит к снижению эффективности всего насоса.
Из известных конструкций близкой к предложенной полезной модели является конструкция, описанная в патенте РФ на полезную модель №134255 "Шнекоцентробежная ступень насоса". Предвключенное колесо в данной конструкции состоит из втулки и лопастной части. Сходство указанных конструкций заключается в отсутствии у предвключенного осевого колеса обтекателя. Однако, упомянутая полезная модель имеет ограниченный диапазон применения, в частности, она не может использоваться в многоступенчатых центробежных вертикальных герметичных насосах, предназначенных для перекачивания в стационарных условиях углеводородов нейтральных, агрессивных, токсичных и пожаровзрывоопасных жидкостей, пары которых могут образовывать с воздухом взрывоопасные смеси.
Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является обеспечение с помощью предвключенного осевого колеса уменьшения кавитации с сохранением энергоэффективности многоступенчатого центробежного вертикального герметичного насоса, предназначенного для перекачивания в стационарных условиях углеводородов нейтральных, агрессивных, токсичных, химически активных и пожаровзрывоопасных жидкостей, пары которых могут образовывать с воздухом взрывоопасные смеси.
Решение указанной технической проблемы достигается проектированием предвключенного осевого колеса со следующими характеристиками:
втул.
пер.
лопастная часть состоит из пяти лопастей (Z=5), имеющих переменный угол наклона по ходу винтовой линии и по радиусу, описываемый уравнением β = 14,819 × s + 40,231 по втулочному сечению и β = 12,266 × s + 33,003 по периферийному сечению, где s - значение относительной длины хорды лопасти от 0 до 1;
осевого колеса
втулки
отношение наружного диаметра предвключенного осевого колеса к диаметру втулки предвключенного осевого колеса, равное D / d = 1,3;
осевого колеса
вала
отношение наружного диаметра предвключенного осевого колеса к диаметру вала, равное D / d = 1,9;
осевого колеса
осевого колеса
отношение наружного диаметра предвключенного осевого колеса к осевой длине предвключенного осевого колеса, равное D / L = 1,3;
осевого колеса
величина радиального зазора δ относительно наружного диаметра предвключенного осевого колеса, равное δ / D = 0,002.
Используемые характеристики позволяют изготовить предвключенное осевое колесо сравнительно небольших габаритов без снижения энергоэффективности. Высокий уровень технологичности достигается за счет угла охвата лопасти, благодаря которому упрощается механическая обработка лопастной части, позволяющая минимизировать гидравлические потери в межлопастных каналах предвключенного осевого колеса.
втул.
пep.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении антикавитационных свойств насоса с сохранением его энергоэффективности за счет того, что лопастная часть предвключенного осевого колеса состоит из пяти лопастей (Z=5), имеющих переменный угол наклона по ходу винтовой линии и по радиусу, описываемый уравнением β = 14,819 × s + 40,231 по втулочному сечению и β = 12,266 × s + 33,003 по периферийному сечению, где s - значение относительной длины хорды лопасти от 0 до 1.
Заявляемая полезная модель поясняется иллюстрациями, на которых представлены:
Фиг. 1 - Общий вид предвключенного осевого колеса.
Фиг. 2 - Общий вид предвключенного осевого колеса с указанием числа лопастей, положения шпоночного паза и направления вращения.
Фиг. 3 - Продольный разрез проточной части многоступенчатого центробежного насоса с установленным предвключенным осевым колесом. На фиг. 3 изображено предвключенное осевое колесо 1, центробежное рабочее колесо первой ступени 2, вал насоса 3, стопорное кольцо 4.
Фиг. 4 - Характерные элементы лопастной части предвключенного осевого колеса (входная кромка лопасти 5, выходная кромки лопасти 6, тыльная сторона лопасти 7, напорная сторона лопасти 8) с обозначением основных геометрических размеров (диаметр предвключенного осевого колеса Dосевого колеса, длина осевого предвключенного осевого колеса Lосевого колеса, диаметр вала насоса dвала, диаметр втулки предвключенного осевого колеса dвтулки.
доп
ном.
Фиг. 5 - Сравнение кавитационных характеристик насоса без предвключенного колеса и с установленным предвключенным осевым колесом Δh - значение допускаемого кавитационного запаса, меньше - лучше; Q/Q - отношение текущей подачи к номинальной).
Общий вид предвключенного осевого колеса представлен на фиг. 1.
Число лопастей, положение шпоночного паза и направление вращения указано на фиг. 2.
осевого колеса
На фиг. 3 представлен разрез проточной части многоступенчатого центробежного вертикального герметичного насоса, предназначенного для перекачивания в стационарных условиях углеводородов нейтральных, агрессивных, токсичных, химически активных и пожаровзрывоопасных жидкостей, пары которых могут образовывать с воздухом взрывоопасные смеси. При вращении против часовой стрелки вала 3, на котором установлено предвключенное осевое колесо 1 и центробежное рабочее колесо первой ступени 2, рабочая жидкость после входного патрубка поступает в предвключенное осевое колесо, в котором приобретает приращение энергии, необходимое для бескавитационной работы центробежного рабочего колеса первой ступени 2, идущего следом. Передача крутящего момента от вала 3 предвключенному осевому колесу 1 осуществляется с помощью шпоночного соединения, в осевом направлении предвключенное осевое колесо фиксируется стопорным кольцом 4. Величина радиального зазора δ между лопастями предвключенного осевого колеса и корпусом насоса относительно наружного диаметра предвключенного осевого колеса D составляет 0,002.
Характерные элементы лопастной части предвключенного осевого колеса с обозначением основных геометрических размеров представлены на фиг. 4.
Предлагаемое предвключенное осевое колесо имеет следующие особенности конструкции:
лопастная часть состоит из пяти лопастей (Z=5), каждая из которых имеет переменный угол наклона по ходу винтовой линии и по радиусу; который по втулочному сечению описывается уравнением (1):
втул.
где β - переменный угол наклона вдоль хорды лопасти по втулочному сечению; s - значение относительной длины хорды лопасти от 0 до 1;
переменный угол наклона по периферийному сечению описывается уравнением (2):
пер.
где β - переменный угол наклона вдоль хорды лопасти по периферийному сечению;
отношение наружного диаметра предвключенного осевого колеса к диаметру втулки предвключенного осевого колеса описывается уравнением (3):
осевого колеса
втулки
где D - внешний диаметр предвключенного осевого колеса, измеряемый по периферии лопастной части; d - диаметр втулки предвключенного осевого колеса;
отношение наружного диаметра предвключенного осевого колеса к диаметру вала описывается уравнением (4):
вала
где d - диаметр вала в месте установки предвключенного осевого колеса;
отношение наружного диаметра предвключенного осевого колеса к осевой длине предвключенного осевого колеса описывается уравнением (5):
осевого колеса
где L - осевая длина предвключенного осевого колеса;
величина радиального зазора δ относительно наружного диаметра предвключенного осевого колеса описывается уравнением (6):
где δ - величина радиального зазора между корпусом насоса и лопастной частью предвключенного осевого колеса.
доп
Колесо изготавливается как цельная конструкция, методом механообработки заготовки из металла или при помощи аддитивных технологий. Положительный эффект применения предвключенного осевого колеса в конструкции многоступенчатого центробежного вертикального герметичного насоса подтверждается результатами экспериментальных исследований, проведенных в Лаборатории гидромашиностроения СПбПУ Петра Великого. Так, на фиг. 5 представлены графики, показывающие зависимости допускаемого кавитационного запаса Δh от подачи Q насоса с предвключенным осевым колесом известной конструкции (пунктирная линия) и с использованием предлагаемого предвключенного осевого колеса (сплошная линия).
доп
Установка заявляемого на полезную модель предвключенного осевого колеса в конструкции многоступенчатого центробежного вертикального герметичного насоса в сравнении с насосом с предвключенным осевым колесом известной конструкции позволяет снизить величину критического кавитационного запаса Δh на 61,5% на режимах малых подач, на 55,7% на номинальном режиме, и на 27,8% на режиме, превышающем номинальную подачу на 20%.