РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Область техники
Полезная модель относится к области насосостроения, конкретно к отрасли производства центробежных насосов, а именно к конструкциям их рабочих колес из различных термопластичных материалов.
Уровень техники
В России наиболее активно разработкой конструктивных элементов и узлов центробежных насосов, в частности рабочих колес, занимаются следующие организации: ОАО «Научно-исследовательский и конструкторский институт центробежных и роторных компрессоров», Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральное конструкторское бюро машиностроения», ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н.М.Федоровского», ОАО «Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов», ЗАО Уралэлектро-К», ОАО «Ливенский завод погружных насосов», ОАО «Бугульминский электронасосный завод», ООО «Научно-производственная фирма «АЛВИС», ООО «Завод полимеров КЧХК», ООО «Борец», ООО «Курс» и др.
Среди ведущих стран мира наиболее широкие исследования и разработки конструктивных элементов и узлов центробежных насосов, в частности рабочих колес, проводятся в Японии, ФРГ, США.
Известны отечественные и зарубежные изобретения и полезные модели, относящиеся к разработкам и производству рабочих колес центробежных насосов и являющиеся аналогами предлагаемой полезной модели.
Предложено центробежное реактивное рабочее колесо по патенту РФ на изобретение №2132973 С1, МПК F04D 29/22, F03В 3/12, 1999 г. /1/, которое может быть использовано в устройствах необъемного вытеснения, в частности в центробежных насосах для перекачивания жидкости и в турбинных установках. Колесо содержит два диска, между которыми жестко закреплен кольцевой поясок с выполненными в нем закрытыми отводными каналами. Колесо установлено на валу и имеет в центральной части отверстие для входа рабочего тела. Внутренней поверхностью пояска образована полость. Отводные каналы расположены по осевой составляющей, перпендикулярной радиусу колеса, и ориентированы выходами в направлении, противоположном направлению вращения колеса. Наиболее удаленная от центра колеса образующая канала расположена по касательной к внутренней окружности кольцевого пояска, имеющего высоту, равную диаметру отводного канала, и ширину - двум диаметрам отводного канала, а радиус свободной полости колеса выполнен равным не менее двух диаметров входного отверстия для рабочего тела. Использование данного изобретения позволяет снизить механические потери на трение и повысить КПД колеса.
Известно рабочее колесо центробежного насоса по патенту РФ на изобретение №21422068 С1, МПК F04D 29/22, 29/28, 1999 г. /2/, содержащее ведущий, ведомый и лопаточный диски, образующие многорядные радиальные каналы. В каналах размещены лопатки, смещенные в окружном направлении. Стенки боковых каналов ближе к периферии выполнены конусными. Стенки, обращенные в противоположные стороны от плоскости симметрии колеса, выполнены пересекающимися между собой в его плоскости симметрии по окружности. Длина указанной окружности равна длине дуги всех каналов плюс толщина стенок между смежными каналами. На периферийном участке колеса выполнены периферийные радиальные каналы, размещенные в один ряд и сообщенные с радиальными каналами всех рядов через кольцевое пространство. Указанное пространство может быть разделено на секторы. Использование рабочего колеса данной конструкции повышает КПД и снижает пусковой момент за счет снижения вихревых потоков в колесе.
Предложено рабочее колесо центробежного насоса по патенту РФ на изобретение №2154197 С2, МПК F04D 29/22, 2000 г. /3/, содержащее диски и пространственные рабочие лопасти, жестко соединенные между собой с помощью хвостовиков лопастей, входящих в тело дисков. Поверхности пространственных рабочих лопастей и хвостовиков выполнены в виде линейчатых поверхностей, образованных скрещивающимися и пересекающимися вне лопастей прямыми, а хвостовики выполнены в форме ласточкина хвоста. Эти хвостовики заливаются горячим расплавом, образующим диски при отливке рабочих колес, образуя соединение, обеспечивающее неразборность даже при местных повреждениях колеса. Предпочтительно, чтобы температура плавления материала лопастей была выше температуры плавления материала дисков рабочего колеса. Использование изобретения позволяет повысить надежность и экономичность насоса за счет снижения гидродинамических потерь.
Известно радиальное рабочее колесо центробежного насоса по европейскому патенту ЕР 978658 А1, МПК F04D 29/22, 2000 г. /4/ с проточным каналом между осевой зоной входа потока и радиальной зоной его выхода. Проточный канал ограничен внутренней и наружной поверхностями лопатки и кольцевыми первой и второй поверхностями канала, проходящими поперечно к оси радиального рабочего колеса, направленными одна к другой и выполненными за одно целое с радиальным рабочим колесом. Для упрощения изготовления радиального рабочего колеса поверхности канала имеют различный диаметр. При этом минимальный диаметр первой поверхности канала соответствует максимальному диаметру второй поверхности канала. Первая поверхность канала расположена на стороне входной зоны радиального рабочего колеса.
Предложено рабочее колесо погружного центробежного насоса по патенту РФ на изобретение №2164626 С1, МПК F04D 29/22, 2001 г. /5/, состоящее из ведущего и покрывного дисков с расположенными между ними лопатками, образующими с дисками проточные каналы переменного сечения. Проточные каналы выполнены сужающимися от центра к периферии колеса и уменьшающимися по высоте. При этом профиль лопаток выполнен по эвольвенте, концы которых распрямлены под углом 35-42° к касательной окружности наружного диаметра колеса, сопряжение с плоскостями ведущего и покрывного дисков выполнено по радиусу с возрастающей величиной от центра к периферии лопаток от 1/20 до 1/2 высоты канала на участке, равном 0,3-0,4 длины лопаток, и равной 1/2 высоты канала на периферийном участке. Причем угол наклона внутреннего конца лопаток к плоскости ведущего диска равен 107-115°, а ведущий и покрывной диски снабжены импеллерами, установленными на наружных плоскостях ведущего и покрывного дисков. Импеллеры на наружной поверхности ведущего диска выполнены в виде прямых лопаток, а импеллеры на наружной поверхности покрывного диска выполнены в виде эвольвентных лопаток. Диаметр ведущего диска меньше диаметра покрывного на величину, равную 1,2-1,6 ширины проточных каналов на периферии дисков. Изобретение позволяет повысить КПД и напор насоса.
Известно рабочее колесо центробежного насоса по патенту ФРГ на изобретение DE 10006983 А1, МПК F04D 29/22, 2001 г. /6/, в частности применяемого в посудомоечных и стиральных машинах циркуляционного насоса. Рабочее колесо вращается с упором в корпусе, снабженном всасывающим и напорным патрубками, и выполненное с несколькими рабочими лопатками, а также с упорным кольцом контактного кольцевого уплотнения. Рабочие лопатки проходят радиально от ступицы колеса к его периферии и расположены на передней стороне перекрытия лопаток со стороны набегания потока и/или на задней стороне перекрытия лопаток со стороны корпуса. Рабочее колесо с перекрытиями рабочих лопаток выполнено полуоткрытым. При этом перекрытие лишь частично перекрывает лопатки с передней или задней стороны. Преимущественно рабочее колесо изготовлено в виде детали модельного литья за одно целое с керамическим кольцом замыкающей опоры.
Предложен узел рабочего колеса насоса по международному патенту WO 190582 А1, МПК F04D 29/22, 2001 г. /7/, содержащий рабочее колесо, имеющее пару дисков, отдельно соединяемых с ведущим валом для вращения относительно оси. Между дисками расположены вращающиеся совместно с ними лопатки рабочего колеса. Кроме того, узел имеет устройство, прилагающее к рабочему колесу осевое усилие, скрепляющее между собой диски и расположенные между ними лопатки.
Известно открытое рабочее колесо для центробежных насосов по европейскому патенту ЕР 1173678 А1, МПК F04D 29/22, 2002 г. /8/ с деталью ступицы, в которой выполнено центральное отверстие ступицы, и с первым лопаточным элементом, который со стороны ступицы соединен с деталью ступицы. Рабочее колесо имеет среднюю поперечную пластину, на которую опираются с обеих сторон первые лопаточные элементы.
Предложено рабочее колесо центробежного насоса с регулируемой шириной по патенту США на изобретение US 6419450 ВА, МПК F04D 29/22, 2002 г. /9/, обеспечивающее возможность выбора заданной ширины рабочего колеса из ряда располагаемых значений. Рабочее колесо содержит первый кожух, имеющий ряд рабочих лопаток, и второй кожух, в котором сформировано равное количество плоских поверхностей, и группы канавок. Каждая группа имеет равное количество углубленных канавок, в которые вставляются лопатки первого кожуха. При сборке колеса имеется возможность выбора между формированием проточных каналов, образованных наружными кромками лопаток, упирающихся в плоские поверхности, или ряда проточных каналов различной ширины, образованных введением лопаток в соответствующую группу канавок. После окончательной сборки, рабочее колесо имеет фиксированную ширину. Предложенная конструкция уменьшает количество прессформ, необходимых для изготовления рабочих колес различной ширины, а также уменьшает количество различных сборочных деталей рабочих колес.
Известно центробежное колесо по патенту РФ на изобретение №2213271 С2, МПК F04D 29/22, 13/10, 2003 г. /10/, состоящее из пластмассовых переднего и ведущего дисков. Поверхность уплотнения, наиболее подверженная износу, выполнена в виде штампованного кольца из нержавеющей стали, залитого в пластмассу переднего диска, и работает в паре с резиновой втулкой диафрагмы. Осевая разгрузка колеса выполнена в виде радиальных лопаток, расположенных на оборотной стороне ведущего диска. Изобретение направлено на повышение износостойкости и долговечности пластмассовых колес.
Предложено сварное рабочее колесо двустороннего всасывания центробежного насоса по патенту РФ на изобретение №2229628 С1, МПК F04D 29/22, 2004 г. /11/, содержащее ведущий и два покрывных диска и расположенные между ними лопатки. По наружным краям лопаток выполнены прямоугольные шипы, имеющие длину в 3-5 раз большую толщины лопаток, и расположенные на расстояниях, кратных 1-1,3 длины шипов. В покрывных дисках по линиям сопряжения с лопатками выполнены сквозные отверстия, в которых установлены шипы лопаток с образованием зазоров по ширине и длине. С наружной стороны покрывных дисков по контуру отверстий сняты фаски для сварных швов. Шипы лопаток выполнены с высотой, на 1-2 мм большей толщины стенок покрывных дисков, и установлены с образованием зазоров 0,1-0,15 мм. Фаски, снятые по контуру отверстий, равны 0,3-0,5 толщины лопаток. Изобретение направлено на создание недорогого и эффективного сварного колеса с надежной фиксацией дисков и лопаток между собой за счет повышения качества сварных швов.
Известно рабочее колесо погружного центробежного насоса по патенту РФ на изобретение №2234001 С1, МПК F04D 29/22, 13/10, 2004 г. /12/, содержащее основной и покрывной диски, между которыми размещен профильный диск, выполненный с чередующимися передними и задними выступающими поверхностями. Передние выступающие поверхности жестко соединены с покрывным диском, задние выступающие поверхности жестко соединены с основным диском, лопасти рабочего колеса образованы боковыми поверхностями профильного диска, а проточная часть образована выступающими поверхностями профильного диска и чередующимися секторами внутренних поверхностей основного и покрывного дисков. Профильный диск может быть выполнен методом штамповки, а жесткое соединение выступающих поверхностей профильного диска с основным и покрывным дисками может быть выполнено посредством сварки, пайки или склейки. Изобретение направлено на создание рабочего колеса погружного центробежного насоса, конструкция которого позволяет снизить трудоемкость за счет упрощения технологии изготовления, снизить металлоемкость и повысить КПД
Предложено сварное рабочее колесо центробежного насоса по патенту РФ на изобретение №2244169 С2, МПК F04D 29/22, 2005 г. /13/, содержащее ведущий и покрывной диски с расположенными между ними лопатками, по наружным краям которых выполнены шипы длиной в 3-5 раз большей толщины лопаток, расположенные на расстояниях между ними кратных 1-1,3 длины шипов. В покрывном и ведущем дисках выполнены сквозные отверстия, в которых установлены шипы лопаток с образованием зазоров по ширине и длине. С наружной стороны дисков по контуру отверстий сняты фаски для сварных швов. Шипы лопаток выполнены прямоугольными с высотой, на 1-2 мм большей толщины стенок дисков и установлены в отверстиях с образованием зазоров по ширине и длине 0,1-0,15 мм. Фаски, снятые по контуру отверстий дисков, равны 0,3-0,5 толщины лопаток. Шипы лопаток вместе с дисками в сборе обварены электродуговой сваркой, а входной участок лопаток выполнен со скосом по радиусам образующей конуса. Изобретение направлено на создание недорогого и эффективного колеса насоса и снятие ограничения по его максимальному диаметру.
Известно рабочее колесо центробежного насоса по патенту РФ на изобретение №2258158 С1, МПК F04D 29/22, 7/06, 2005 г. /14/, содержащее металлическую ступицу, защитное полимерное покрытие, из которого сформированы части рабочего колеса, соприкасающиеся с перекачиваемой жидкостью. Ступица снабжена соосным с ней металлическим кольцом, которое соединено со ступицей неразъемным соединением и имеет овальные отверстия, длинные оси которых расположены радиально и симметрично оси ступицы. Причем отношение площади кольца к суммарной площади овальных отверстий от 3 до 5, отношение ширины овальных отверстий к толщине защитного покрытия от 1 до 3, отношение длины овальных отверстий к их ширине от 1 до 5, отношение наружного диаметра колеса к наружному диаметру кольца от 1,02 до 1,10. Полимерное покрытие выполнено из фторопласта. Изобретение направлено на повышение долговечности.
Предложено двухдисковое рабочее колесо лопастной гидравлической машины по патенту РФ на изобретение №2266434 С2, МПК F04D 29/22, 7/04, 2005 г. /15/, содержащее металлический каркас, состоящий из соединенных между собой ведущего диска, его ступицы, ведомого диска и соединительных элементов, установленных между торцевыми поверхностями дисков и формирующих профили нескольких лопастей, а также износостойкое покрытие каркаса. Диски выполнены в виде концентричных колец, соединенных между собой перемычками. Соединительные элементы, формирующие профиль каждой лопасти, соединены с упомянутыми кольцами дисков. Кольца, перемычки и соединительные элементы выполнены из арматурной стали одинакового сортамента и соединены между собой с помощью сварки. Для формирования единого каркаса внутреннее кольцо ведущего диска соединено перемычками со ступицей также посредством сварки. Изобретение направлено на снижение металлоемкости и массы рабочего колеса машины.
Известно рабочее колесо водяного насоса по патенту Японии на изобретение JP 3668465 В2, МПК F04D 29/22, 2005 г. /16/, имеющее основное тело, сформированное из синтетического полимерного материала, и лопатки, расположенные вокруг центрального вращающегося участка. Имеется также металлическая втулка, в которую с передней стороны вращающегося центрального участка установлен цилиндрический элемент, имеющий на осевом конце плавно сужающийся участок. С задней стороны вращающегося центрального участка установлен околоосевой опорный элемент. Между цилиндрическим элементом и околоосевым опорным элементом сформирована опорная поверхность. Металлическая втулка вставлена в центральный вращающийся элемент.
Проведенный анализ отечественной и зарубежной патентной информации по конструкциям рабочих колес центробежных насосов показал, что рабочие колеса выполнены из различных конструктивных элементов с использованием различных сварочных, штамповочных, прессовых, литейных и других форм. При этом рабочие колеса по точность конструктивных элементов и прочность их соединения, в частности основного (лопастного) и покрывного дисков, можно разделить на два типа в зависимости от технологии их производства.
Первый тип: отливают два диска - основной и покрывной, а затем эти два диска либо сваривают, либо спаивают, либо склеивают. Однако, очень сложно при сварке, пайке или склеивании сохранить геометрию проточных каналов, да и прочность соединения дисков значительно ниже прочности материалов дисков. Кроме того, при этом невозможно получить лопатки рабочего колеса с пространственной геометрией.
Второй тип: рабочее колесо отливают целиком, а пространство между лопаток формируют путем обработки или за счет специальных вставок. Недостатки второго типа: или невозможность получить форму канала, точно соответствующую теоретической геометрии, или, так как вставки состоят из множества разъемных деталей, сложность процесса изготовления рабочих колес и, соответственно, его нетехнологичность.
Таким образом, известные в настоящее время конструкции рабочих колес центробежных насосов и технологии их производства имеют существенные недостатки: невозможность точного копирования в прессовой или литейной форме теоретической геометрии проточных каналов и/или низкая надежность соединения покрывного и лопастного дисков, а также недостаточная технологичность производственного процесса.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение вышеперечисленных недостатков.
Предлагается рабочее колесо центробежного насоса, представляющее единую цельнолитую конструкцию из термопластичного материала, получаемую литьем по выплавляемым стержням, позволяющим с высокой точностью (до 50 мкм) повторить теоретическую геометрию проточных каналов и получить прочное рабочее колесо, без сваривания, пайки или склеивания его конструктивных элементов, а именно с прочностью эквивалентной прочности используемого термопластичного материала.
Из вышеприведенных конструкций рабочих колес центробежных насосов, являющихся аналогами заявляемой полезной модели, в качестве прототипа принято рабочее колесо по патенту РФ на изобретение №2213271 С2, МПК F04D 29/22, опубл. 27.09.2003 /10/, которому присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков предлагаемой полезной модели.
Раскрытие полезной модели
Предлагаемая полезная модель представляет собой единую цельнолитую конструкцию высокоточного и прочного рабочего колеса центробежного насоса из термопластичного материала.
Такая единая цельнолитая конструкция рабочего колеса выполнена путем применения литья по выплавляемым стержням, включающего три этапа.
На первом этапе: из легкоплавкого, но теплоемкого металла или сплава отливают стержни, по своей наружной геометрии полностью соответствующие внутреннему межлопаточному пространству рабочего колеса. Количество стержней определяется геометрией рабочего колеса. Температура плавления легкоплавкого материала должна быть немного ниже рабочей температуры термопластичного материала, а его теплоемкость должна быть такой, чтобы выдержать без потери формы и повреждения поверхностного слоя кратковременный нагрев до температуры переработки термопластичного материала.
На втором этапе: отлитые из легкоплавкого материала стержни, а также металлическую втулку для привода, вставляют в прессовую форму в качестве закладных элементов и рабочее колесо отливают на термопластавтомате или ином оборудовании по переработке термопластичных материалов.
На третьем этапе: отлитое рабочее колесо вместе со стержнями и втулкой нагревают до температуры плавления легкоплавкого материала, выплавляют стержни и получают цельнолитое рабочее колесо с внутренним межлопаточным пространством высокой точности, до 50 мкм, соответствующей точности изготовления литейных форм получения стержней.
Выплавленный легкоплавкий материал стержней можно в дальнейшем многократно использовать.
В предлагаемом рабочем колесе практически отсутствует дисбаланс, что является следствием его конструктивного решения и высокой точности изготовления. Кроме того, производство таких колес является высоко технологичным и экономичным, так как материал выплавляемых стержней используется многократно.
Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью - создание единой конструкции цельнолитого высокоточного и прочного рабочего колеса центробежного насоса из различных термопластичных материалов.
Краткое описание графических материалов, поясняющих сущность полезной модели
На фиг.1. представлено графическое изображение 1-го этапа получения рабочего колеса: отливка стержней из легкоплавкого материала.
На фиг.2. - графическое изображение 2-го этапа получения рабочего колеса: сборка стержней и металлической втулки в пресс-форму и получение отливки.
На фиг.3. - графическое изображение 3-го этапа получения рабочего колеса: выплавка стержней.
На фиг.4. изображена единая цельнолитая конструкция рабочего колеса центробежного насоса - предлагаемая полезная модель.
Графические материалы представлены на отдельных листах с отдельной нумерацией.
Осуществление полезной модели
Получение конструкции единого цельнолитого высокоточного и прочного рабочего колеса центробежного насоса из термопластичного материала осуществляют литьем по выплавляемым стержням, в частности следующим образом.
Из сплава олова с висмутом, известного как сплав Вуда, отливают стержни, по своей наружной геометрии полностью соответствующие внутреннему межлопаточному пространству рабочего колеса (фиг.1). Количество стержней определяется геометрией рабочего колеса. Температура плавления указанного сплава - 155°С. Однако, стержни, отлитые из него, можно кратковременно, в течение 10 секунд, нагреть до температуры 320°С без потери формы и повреждения поверхностного слоя.
Отлитые из этого сплава стержни, а также металлическую втулку для привода, вставляют в прессовую форму в качестве закладных элементов (фиг.2). Рабочее колесо отливают в прессовой форме на термопластавтомате обычным способом переработки термопластичных материалов.
Отлитое на термопластавтомате, рабочее колесо вынимают из прессовой формы. Стержни из сплава олово-висмут находятся внутри рабочего колеса, образуя межлопаточное пространство. Затем колесо вместе со стержнями и втулкой помещают в специальную ванну с высокотемпературным маслом. Масло нагревают до температуры 180°С, выплавляют стержни и получают цельнолитое рабочее колесо (фиг.3) с внутренним межлопаточным пространством высокой точности, до 50 мкм, соответствующей точности изготовления литейных форм. Выплавленный сплав олово-висмут можно в дальнейшем многократно использовать.
Технический результат заключается в возможности получения цельнолитой конструкции прочного рабочего колеса из термопластичного материала с межлопаточным пространством полностью соответствующим теоретической геометрии и с точностью до 50 мкм (фиг.4).
Пример реализации полезной модели
Практическим примером реализации предлагаемой полезной модели является изготовленное рабочее колесо из термопластичного материала «Полифениленсульфид» марки «Фортрон 1140L4», представленное на фиг.4.
Где: 1 - покрывной диск;
2 - пространственные лопатки;
3 - металлическая закладная втулка;
4 - основной (лопастной) диск.
Промышленная применимость
Предлагаемая полезная модель может найти широкое применение в насосостроении в качестве цельнолитых, высокоточных и прочных рабочих колес центробежных насосов из различных термопластичных материалов.