Рабочее колесо центробежного многоступенчатого насоса
CENTRIFUGAL MULTI-STAGE PUMP IMPELLER

Изобретение относится к области центробежных гидравлических машин и может быть использовано в добывающей промышленности, а также сельском хозяйстве и для бытовых нужд.
Известно рабочее колесо центробежного многоступенчатого насоса, содержащее основной и покрывной диски, между которыми расположены лопатки, а проточная часть рабочего колеса имеет перегиб с двумя поворотами потока жидкости, при этом поскольку перегиб имеет прямолинейный участок, то касательная, проходящая через точку перегиба проточной части рабочего колеса параллельна поперечной плоскости, а поскольку выход жидкости расположен под прямым углом, то касательные к выходным кромкам основного и покрывного дисков перпендикулярны поперечной плоскости [US846971, дата публикации: 12.03.1907 г., МПК: F01D 11/005, F04D 29/0413].
Недостатком известного технического решения является невозможность одновременного обеспечения увеличенных радиусов поворота жидкости на входе и выходе из рабочего колеса и уменьшения его габаритного размера. При этом уменьшение диаметра рабочего колеса приводит к уменьшению радиусов поворотов потока жидкости, вследствие чего снижается КПД рабочего колеса многоступенчатого насоса и наоборот.
Известно рабочее колесо центробежного многоступенчатого насоса, выполненное в виде диска с тангенциальными каналами, а проточная часть рабочего колеса имеет перегиб с двумя поворотами потока жидкости. При этом на основании чертежей можно предположить, что величина угла между касательной, проходящей через точку перегиба проточной части рабочего колеса, и поперечной плоскостью составляет от 35 до 40°, а величина угла между касательными к выходным кромкам основного и покрывного дисков и поперечной плоскостью составляет от 85 до 90° [US4029431, дата публикации: 21.08.1975 г., МПК: F01D 1/34, F01D 5/04, F01D 5/14].
Преимуществом известного технического решения являются низкие гидродинамические потери в проточной части рабочего колеса за счет большой величины радиусов поворотов потока жидкости в перегибе проточной части. Однако недостатком известного рабочего колеса является его увеличенный осевой габаритный размер.
В качестве прототипа выбрано рабочее колесо центробежного многоступенчатого насоса, содержащее основной и покрывной диски, между которыми расположены лопатки, а проточная часть в меридиональном сечении рабочего колеса имеет перегиб с двумя поворотами потока жидкости и обратным уклоном. При этом на основании чертежей можно предположить, что величина угла между касательной, проходящей через точку перегиба проточной части рабочего колеса, и поперечной плоскостью составляет от 15 до 20°, а величина угла между касательными к выходным кромкам основного и покрывного дисков и поперечной плоскостью составляет от 25 до 30° [US2014294575, дата публикации: 02.10.2014 г., МПК: F01D 1/06, F04D 29/44].
Преимуществом прототипа перед известным техническим решением являются увеличенные радиусы поворота, более низкое гидродинамическое сопротивление проточной части и, как следствие, более высокий КПД рабочего колеса. Однако общим недостатком прототипа и других известных решений являются их недостаточно хорошие массогабаритные характеристики из-за большой высоты рабочего колеса, которая обусловлена необходимостью увеличения осевой длины рабочего колеса для повышения КПД ступени многоступенчатого насоса, либо низкий КПД из-за малой величины углов между касательными к выходным кромкам основного и покрывного дисков и поперечной плоскостью. При этом попытка уменьшения высоты рабочего колеса без изменения радиусов поворотов, либо применение конструкции с малыми углами между касательными к выходным кромкам основного и покрывного дисков и поперечной плоскостью (либо без изменения величины этого угла) приводит к снижению КПД рабочего колеса центробежного многоступенчатого насоса, что в значительной степени ухудшает его эксплуатационные характеристики.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в улучшении эксплуатационных характеристик рабочего колеса центробежного многоступенчатого насоса.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в улучшении массогабаритных характеристик рабочего колеса центробежного многогоступенчатого насоса с сопутствующим сохранением его КПД.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Рабочее колесо центробежного многоступенчатого насоса содержит основной и покрывной диски, между которыми расположены лопатки, при этом проточная часть рабочего колеса имеет перегиб и обратный уклон. В отличие от прототипа рабочее колесо дополнительно содержит вспомогательные лопатки, а величина угла между касательными к выходным кромкам основного и покрывного дисков и поперечной плоскостью составляет от 40 до 80°.
Перегиб проточной части рабочего колеса многоступенчатого насоса обеспечивает возможность направления потока жидкости из рабочего колеса в направляющий аппарат многоступенчатого насоса. Перегиб проточной части имеет точку, в которой происходит плавное изменение направления потока жидкости, движущейся по перегибу, при этом точка расположена приблизительно в его средней части между поворотами потока жидкости. Обратный уклон проточной части рабочего колеса обеспечивает возможность увеличения радиусов поворота потока жидкости, что позволяет снизить гидродинамическое сопротивление проточной части рабочего колеса, и уменьшить общую высоту рабочего колеса, либо расстояние от плоскости входа рабочего колеса до плоскости выхода из рабочего колеса, без потери напора потока, тем самым сохраняя КПД рабочего колеса и улучшая его массогабаритные характеристики. При этом величина угла между касательной, проходящей через точку перегиба проточной части рабочего колеса, и поперечной плоскостью может составлять от 1 до 45°. В случае если величина угла будет составлять менее 1°, то величина радиусов поворота потока жидкости будет увеличиваться незначительно, вследствие чего снижения гидродинамического сопротивления и сохранения КПД рабочего колеса наблюдаться не будет. В случае если величина угла будет превышать 45°, то будет происходить увеличение гидродинамического сопротивления потока жидкости в проточной части рабочего колеса и снижаться КПД рабочего колеса. Величина угла может составлять от 25 до 35°, что обеспечивает оптимальные величины высоты, либо расстояния от плоскости входа рабочего колеса до плоскости выхода из рабочего колеса) рабочего колеса и гидродинамического сопротивления потоку жидкости в его проточной части.
Выходные кромки основного и покрывного дисков обеспечивают возможность направления потока жидкости из проточной части рабочего колеса во входную часть направляющего аппарата. Величина угла между касательными к выходным кромкам основного и покрывного дисков и поперечной плоскостью составляет от 40 до 80°, что обеспечивает возможность снижения гидродинамического сопротивления потоку жидкости при ее движении на выходе из рабочего колеса в направляющий аппарат многоступенчатого насоса, что позволяет сохранить или увеличить КПД рабочего колеса. В случае если величина угла будет составлять менее 40°, то при движении потока жидкости во входную часть направляющего аппарата многоступенчатого насоса будет происходить значительное увеличение гидродинамического сопротивления потоку жидкости на выходе рабочего колеса, что негативно сказывается на напоре потока и на КПД рабочего колеса. В случае если величина угла будет превышать 80°, то при повороте потока перед выходом из рабочего колеса будет увеличиваться гидродинамическое сопротивление потоку жидкости и нарушаться организованность ее движения на выходе, что также негативно сказывается на КПД рабочего колеса. Величина угла может составлять от 70 до 75°, что обеспечивает наиболее существенное снижение гидродинамического сопротивления потоку жидкости на выходе и сохранение КПД рабочего колеса при имеющихся условиях.
Вспомогательные лопатки обеспечивают возможность увеличения напора потока жидкости в проточной части рабочего колеса. Также применение вспомогательных лопаток позволяет дополнительно уменьшить массогабаритные характеристики рабочего колеса за счет уменьшения количества и толщины основных лопаток и обеспечения возможности изготовления рабочего колеса из полимерных материалов (за счет увеличения жесткости конструкции). Вспомогательные лопатки повторяют форму основных лопаток, а их длина может составлять до 85% от длины основных лопаток. При этом выходная кромка вспомогательных лопаток может быть расположена на одном уровне с выходной кромкой основных лопаток, что обеспечивает возможность увеличения напора потока. Дополнительно рабочее колесо может содержать один или несколько рядов вспомогательных лопаток, что обеспечивает возможность дополнительного увеличения указанных характеристик. При этом вспомогательные лопатки первого ряда могут иметь длину от 40 до 60% от длины основных лопаток, а дополнительные вспомогательные лопатки последующих рядов могут иметь длину от 40 до 60% от длины вспомогательных лопаток предыдущих рядов, что обеспечивает их минимальное гидродинамическое сопротивление потоку жидкости и позволяет сохранить КПД рабочего колеса центробежного насоса за счет улучшенной организации структуры потока.
Дополнительно форма лопаток может описываться поверхностями второго порядка, что при уменьшении высоты рабочего колеса обеспечивает возможность вытягивания лопаток по направлению ко входу в рабочее колесо для повышения КПД рабочего колеса улучшения его кавитационных качеств.
Основной и покрывной диски обеспечивают конструкционную прочность рабочего колеса, при этом основной диск обеспечивает возможность установки рабочего колеса на вал насоса. Основные лопатки обеспечивают возможность создания радиальных рабочих каналов между дисками и формирования проточной части рабочего колеса. При этом профилирование проточной части в меридиональном сечении рабочего колеса может обеспечиваться мультилинейной функцией, например, сплайн, мультилинейная и др., совокупностью радиусов и/или прямых таким образом, чтобы при максимально возможных радиусах перегиба проточной части обеспечивалась наименьшая высота рабочего колеса.
Изобретение характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных отличительных признаков, заключающейся в том, что:
- проточная часть рабочего колеса имеет обратный уклон, что позволяет увеличить радиусы поворота потока жидкости проточной части, благодаря чему обеспечивается возможность снижения гидродинамического сопротивления проточной части и уменьшения общей высоты, либо расстояния от плоскости входа рабочего колеса до плоскости выхода из рабочего колеса рабочего колеса без потери величины напора потока.
- величина угла между касательными к выходным кромкам основного и покрывного дисков и поперечной плоскостью составляет от 40 до 80°, что позволяет снизить гидродинамическое сопротивление потоку жидкости при ее движении на выходе из рабочего колеса в направляющий аппарат многоступенчатого насоса.
- рабочее колесо дополнительно содержит вспомогательные лопатки, что позволяет за счет создания дополнительных рабочих поверхностей, взаимодействующих с потоком жидкости, увеличить суммарный момент количества движения потока жидкости, выходящего из рабочего колеса.
Совокупность существенных отличительных признаков изобретения позволяет снизить гидродинамическое сопротивление проточной части рабочего колеса и гидродинамическое сопротивление потоку жидкости при ее перепуске из рабочего колеса в направляющий аппарат многоступенчатого насоса, уменьшить осевую длину (высоту) рабочего колеса и увеличить суммарный момент количества движения выходящего потока жидкости из рабочего колеса, благодаря чему обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в улучшении массогабаритных характеристик рабочего колеса центробежного многогоступенчатого насоса с сопутствующим сохранением его КПД, тем самым улучшая его эксплуатационные характеристики.
Совокупность существенных признаков изобретения неизвестна из уровня техники, что свидетельствует о соответствии изобретения критерию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники известно влияние величины перегиба проточной части на изменение габаритных размеров рабочего колеса. Также известно влияние наклона выходной кромки основного и покрывного диска рабочего колеса многоступенчатого насоса на снижение гидродинамического сопротивления потоку жидкости. При этом также из области одноступенчатых насосов известно влияние вспомогательных лопаток на увеличение скорости жидкости в проточной части рабочего колеса и сопутствующее увеличение прочности и жесткости рабочего колеса одноступенчатого центробежного насоса. Однако совокупность перечисленных признаков именно в рабочем колесе многоступенчатого насоса неизвестна из уровня техники и обеспечивает достижение синергетического эффекта, заключающегося в обеспечении возможности значительного уменьшения осевой длины многоступенчатого насоса с сопутствующим сохранением КПД многоступенчатого насоса за счет возможности уменьшения высоты рабочего колеса и, соответственно, ступени многоступенчатого насоса, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение может быть реализовано при помощи известных средств, материалов и технологий, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Изобретение поясняется следующими фигурами.
Фиг.1 –Рабочее колесо многоступенчатого насоса, продольный разрез.
Фиг.2 – Рабочее колесо многоступенчатого насоса, аксонометрический вид.
Фиг.3 – Рабочее колесо многоступенчатого насоса, местный вырез в покрывном диске, аксонометрический вид.
1
2
Рабочее колесо многоступенчатого насоса содержит основной диск 1 и покрывной диск 2, между которыми расположены основные лопатки 3 и вспомогательные лопатки 4, при этом проточная часть рабочего колеса имеет перегиб и обратный уклон, а величина угла α между касательной, проходящей через точку А перегиба проточной части рабочего колеса, и поперечной плоскостью составляет от 1 до 45°, величина угла β и β между касательными к выходным кромкам основного и покрывного дисков и поперечной плоскостью составляет от 40 до 80°.
Изобретение работает следующим образом.
На вход рабочего колеса поступает жидкость из выходной части направляющего аппарата (не показан на фигурах) многоступенчатого насоса и движется по изогнутой проточной части рабочего колеса, образованной основным диском 1, покрывным диском 2, а также поверхностью лопаток 3 и 4. При этом за счет взаимодействия жидкости с поверхностью лопаток 3 и 4 происходит увеличение суммарного момента количества движения потока жидкости из проточной части рабочего колеса при уменьшенном гидродинамическом сопротивлении криволинейного канала с двумя перегибами, имеющими увеличенные радиусы, и дальнейшее движение жидкости к выходу из рабочего колеса и в приемную часть направляющего аппарата (не показана на фигурах) многоступенчатого насоса. При этом обеспечивается возможность уменьшения высоты входной части рабочего колеса и соответственно уменьшения высоты и массы рабочего колеса многоступенчатого насоса.
Для иллюстрации достигаемого технического результата было проведено сравнение показателей напора жидкости на выходе рабочего колеса многоступенчатого насоса по прототипу и по изобретению. При этом рабочее колесо многоступенчатого насоса по прототипу содержало 1, 2 и 3 ряда вспомогательных лопаток.
В таблице 1 приведена зависимость снижения высоты h и массы mрабочего колеса от величины углов α и β и количества n рядов вспомогательных лопаток при постоянной величине КПД рабочего колеса.
Таблица 1
α
β<sub>1</sub>
β<sub>2</sub>
n
Снижениеh<sub>, </sub>%
Снижениеm, %
Пример (по прототипу)
15
25
20
⎯
⎯
⎯
Пример 1
15
40
35
0
18
5
Пример 2
25
60
55
1
30
14
Пример 3
35
75
65
2
40
25
Таким образом, достигается технический результат, заключающийся в повышении КПД и улучшении массогабаритных характеристик рабочего колеса центробежного многогоступенчатого насоса и улучшаются эксплуатационные характеристики рабочего колеса многоступенчатого насоса.