Результат интеллектуальной деятельности: Рабочее колесо центробежного насоса

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.

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_i, вписанных между скелетами соседних профилей на различных радиусах колеса, а внешние обводы каналов образованы кривыми, касательными к окружностям с диаметрами d_i, меньшими диаметров D_i, концентричным окружностям, вписанным между скелетами профилей, причем диаметры d_i на любом i-м радиусе рабочего колеса определяются зависимостью d_i=(D₁-s)⋅k+(D_i-s)⋅(1-k), где D_l есть диаметр D_i 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.

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_к и длиной L_к, на рабочих поверхностях лопастей с толщиной b_л выполнены полуцилиндрические вырезы радиусом r_выр, которые расположены с отступом L₀ от входной кромки и интервалом Δ по всей длине L_к межлопастного канала, при этом толщина лопастей b_л, радиус вырезов r_выр, отступ L₀ от входной кромки и интервал Δ между ними выбраны из условий r_выр=0,4b_л, L₀=0,25L_K и Δ=4r_выр 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_u - 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.

Рабочее колесо центробежного насоса, содержит равномерно распределенные по окружности лопасти 1 толщиной b_л и с идентичными скелетами профилей 2, лопасти 1 имеют входные кромки 3, расположенные на расстоянии R_вх от оси вращения, выходные кромки 4, расположенные на расстоянии R_вых от оси вращения, рабочие поверхности 5, образующие межлопастные каналы 6 с площадью проходного сечения F_к и длиной L_к, и полуцилиндрические вырезы 7 радиусом r_выр=0,4b_л, расположенные с отступом от L₀=0,25L_к от входной кромки 3 и интервалом Δ=4r_выр по всей длине L_к межлопастного канала 6, создающие локальные вихри 8.

Рабочее колесо центробежного насоса работает следующим образом.

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_м, 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_м создает момент М_м имеющий направление противоположное моменту сопротивления М_с, согласно (1) представляющему сумму гидравлического момента на лопастях 1 рабочего колеса М_г, момента сопротивления в подшипниках М_п и момента сопротивления в уплотнениях М_у. Таким образом крутящий момент М_кр на валу колеса с полуцилиндрическими вырезами 7 в лопастях 1, определяемый уравнением (2), оказывается сниженным на величину М_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.

Как можно увидеть из уравнений (3) и (4), отражающих зависимость потребляемой мощности N_затр и КПД η от М_м, N_затр 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.

Величина полуцилиндрических вырезов 7 при этом определена из условия r_выр=0,4b_л обеспечения требуемых прочностных характеристик лопастей 1 при максимальном моменте М_м, а отступ L₀ от входной кромки 3 и интервал Δ расположения вырезов 7 из условий L₀=0,25L_к и Δ=4r_выр стабилизации потока в межлопастных каналах 6 за входной кромкой 3 и локальными вихрями 8, расположенными в каждом из вырезов 7.

Толщина b_л 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.