Результат интеллектуальной деятельности: РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Изобретение относится к области насосостроения и может быть использовано при проектировании и производстве центробежных насосов.

Известны рабочие колеса центробежных насосов, лопастная система которых содержит равномерно распределенные по окружности колеса лопасти с одинаковыми скелетами профилей, образующие между собой каналы с горлом, причем лопасти имеют преимущественно максимально тонкий аэродинамический профиль или минимально возможную постоянную толщину (см., например, Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование. - М.: "Машиностроение", 1977). Профиль лопастей строится на скелете - кривой, совпадающей с расчетной линией тока жидкости относительно колеса, при этом профиль лопасти идентифицируется, в первую очередь, углами входа и выхода и углом охвата.

Недостатками данных рабочих колес, лопастная система которых, по сути, гомогенная, являются минимизация гидравлических потерь и обеспечение высокого значения КПД исключительно в одном оптимальном режиме, за пределами которого КПД резко снижается.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является рабочее колесо центробежного насоса, содержащее гетерогенную лопастную систему, в которой по меньшей мере две лопасти имеют различный угол входа (см. патент на изобретение RU №2452875, МПК F04D 29/22, опубл. 10.06.2012). Различие лопастей, по меньшей мере, по углу входа предполагает, что они рассчитаны и спрофилированы для различных подач насоса. Преимуществами такого рабочего колеса являются: повышение КПД насоса в области значений подачи насоса, отличающихся от расчетного (оптимального) значения подачи насоса, и повышение средневзвешенного по времени КПД насоса.

Недостатком такого устройства является снижение максимально достижимого уровня КПД насоса.

Технической задачей изобретения является повышение КПД насоса, расширение эффективной рабочей зоны центробежного насоса, то есть повышение его КПД, как в области оптимальных подач, так и в области подач, отличающихся от оптимальной (расчетной).

Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение эффективной рабочей зоны центробежного насоса и увеличение его КПД вблизи оптимальных подач.

Это достигается тем, что у известного рабочего колеса центробежного насоса, содержащего гетерогенную лопастную систему, лопасти которой образуют между собой каналы, причем по меньшей мере две из них имеют неодинаковые скелеты профилей, все лопасти имеют клинообразную форму, а внешние обводы каналов образованы кривыми, касательными к окружностям с диаметрами d_i, концентричным окружностям с диаметрами D_i, вписанным между скелетами соседних профилей лопастей на различных радиусах колеса, причем диаметры d_i на любом i-м радиусе рабочего колеса определяются зависимостью d_i=(D₁-s)⋅k+(D_i-s)⋅(1-k), где D₁ есть диаметр D_i в горле канала, s есть толщина входных кромок профилей, константа k имеет значение более 1/4 и менее 1.

Дополнительно гетерогенная лопастная система рабочего колеса центробежного насоса может содержать по меньшей мере две соседние лопасти, которые составляют группу, повторяющуюся в лопастной системе по меньшей мере два раза, при этом повторяющиеся группы распределены по окружности колеса равномерно.

Кроме того, лопасти могут быть выполнены по меньшей мере с одной внутренней замкнутой полостью.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлены характерные параметры скелета профиля лопасти (скелетной линии, как ожидаемой линии тока): угол входа β_1Л, угол выхода β_2Л и угол охвата Θ, на фиг. 2 представлен план лопастной системы рабочего колеса центробежного насоса, имеющий, как частный случай, 6 лопастей, на фиг. 3 представлены зависимости КПД η центробежных насосов от относительной объемной подачи рабочей среды полученные методом 3D моделирования в среде ANSYS Fluent для известных решений а и b и изобретения с.

Рабочее колесо центробежного насоса содержит лопастную систему с шестью лопастями 1…6, три из которых - 1…3 - имеют неодинаковые скелеты профилей с различными, по меньшей мере, углами входа β_1Л1≠β_1Л2≠β_1Л3 и, как частный случай, составляют повторяющуюся группу, то есть группа лопастей 4…6 идентична группе лопастей 1…3, что облегчает балансировку ротора насоса и способствует снижению радиальной нагрузки его опор. Скелет профиля каждой из лопастей 1…3 рассчитан как ожидаемая линия тока рабочей жидкости по известным методикам (см., например, Машин А.Н. Профилирование проточной части рабочих колес центробежных насосов. - М.: Московский Ордена Ленина Энергетический Институт, 1976) для своей индивидуальной подачи. Так, например, лопасть 1 рассчитана на подачу относительно расчетной подачи насоса, лопасть 2, например, - на подачу относительно расчетной подачи насоса, лопасть 3, например, - на подачу относительно расчетной подачи насоса. В частом случае, выходные углы скелетов профилей одинаковы, а входные углы и углы охвата различные. В свою очередь внешние обводы каналов 7, одновременно очерчивающие и профили лопастей, образованы кривыми 8 и 9, касательными к окружностям с диаметрами d_i (i=1…n), концентричным окружностям с диаметрами D_i, вписанным между скелетами 10 на различных радиусах колеса. При этом диаметры d_i на любом i-м радиусе рабочего колеса определяются зависимостью d_i=(D₁-s)⋅k+(D_i-s)⋅(1-k), где D₁ - диаметр D_i окружности 11 в горле канала, когда i=1; s - толщина входной кромки профиля лопасти, а константа k может иметь значения более 1/4 и менее 1. В общем случае значения константы k для неидентичных каналов колеса неодинаковые. Лопасти могут иметь по меньшей мере одну замкнутую полость 12, что обеспечивает уменьшение инерционных сил.

Сформированная подобным образом гетерогенная лопастная система рабочего колеса с клиновидной формой лопастей обеспечивает центробежному насосу эффективную работу на подачах, отличных от расчетной, а также приводит к значительному уменьшению гидравлических потерь в колесе и столь же значительному приросту КПД насоса в области расчетной подачи за счет снижения интенсивности относительного осевого вихря в каналах.

Таким образом, использование изобретения значительно расширяет эффективную рабочую зону центробежного насоса и повышает КПД насоса вблизи оптимальных подач, позволяя эффективно использовать его в широком диапазоне подач.