Результат интеллектуальной деятельности: ЛОПАСТЬ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Изобретение относится к насосостроению, в частности к конструкциям лопастей центробежных насосов.

Известна лопасть рабочего колеса центробежного насоса, рассчитанная по методике (книга "Лопастные насосы" А.К.Михайлов, В.В.Малюшенко, М.: "Машиностроение", 1977, с.26-42, рис.14), ограниченная окружностью D₂ наружного диаметра рабочего колеса, содержащая лицевую и тыльную стороны, выходную кромку лопасти шириной σ₂, образованную пересечением лицевой и тыльной сторон лопасти с окружностью наружного диаметра рабочего колеса, и угол β₂ установки лопасти с тыльной стороны в точке пересечения ее с наружным диаметром рабочего колеса, причем угол образован касательными к тыльной стороне лопасти и к окружности наружного диаметра.

Недостатком известного технического решения является то, что выходная кромка лопасти в точке пересечения тыльной стороны лопасти с окружностью наружного диаметра D₂ рабочего колеса имеет острый угол β₂, что снижает ее прочность и может привести к поломке, особенно при работе насоса на нерасчетных режимах при возникновении дополнительных динамических нагрузок. Также недостатком является то, что выходная кромка, имея определенную ширину σ₂, способствует образованию кромочного следа в перекачиваемой жидкости, что приводит к увеличению пульсаций давления и снижению напора насоса.

Известна лопасть рабочего колеса центробежного насоса, рассчитанная по методике (книга "Судовые центробежные и осевые насосы" Б.М.Певзнер, Л.: "Судпромгиз"; 1958, с.15-33, 132, рис.6, 8 и 75), ограниченная окружностью 2R₂ наружного диаметра рабочего колеса, содержащая лицевую и тыльную стороны, выходную кромку лопасти, образованную пересечением лицевой и расчетной тыльной сторонами лопасти с окружностью наружного диаметра рабочего колеса и угол β₂ установки лопасти с тыльной стороны в точке пересечения ее с наружным диаметром рабочего колеса, причем угол образован касательными к тыльной стороне лопасти и к окружности наружного диаметра. На выходном участке лопасти с тыльной стороны сделана запиловка - механическая обработка по прямой линии, касательной к основному контуру лопасти с тыльной стороны, поэтому реальная ширина выходной кромки лопасти меньше расчетной. Утончение выходной кромки лопасти приводит к некоторому повышению напора насоса (до 3%) за счет увеличения реального угла β₂ установки лопасти на выходе с тыльной стороны по сравнению с расчетным углом и уменьшению стеснения потока, а также к снижению пульсаций давления за счет уменьшения кромочного следа. Недостатком известного технического решения является то, что повышение напора насоса на 3% бывает недостаточным, а уменьшение ширины выходной кромки лопасти менее, чем наполовину расчетной ширины, снижает ее прочностные характеристики и может привести к поломке.

Известна лопасть рабочего колеса центробежного насоса, рассчитанная по методике (авторское свидетельство СССР №1302030 F04D 29/24, опубл. 07.04.87, Бюл. №13, "Лопасть рабочего колеса центробежного насоса", авторы Л.Е.Чегурко и Б.А.Габов), принятая за прототип, ограниченная окружностью наружного диаметра D_н рабочего колеса, содержащая лицевую и тыльную стороны, выполнена на выходном участке скругленной с тыльной стороны, а дуга, образованная радиусом скругления, сопряжена с выходным участком тыльной стороны лопасти, причем каждая точка дуги связана с углом α установки лопасти с тыльной стороны, образованным пересечением касательных к поверхности лопасти и к окружности цилиндрического сечения рабочего колеса. Недостатком известного технического решения является то, что скругление лопасти, выполненное на коротком участке, резко изменяет форму лопасти. С одной стороны, на участке скругления увеличивается угол α установки лопасти, образованный касательными к поверхности лопасти и к окружности цилиндрического сечения рабочего колеса, и уменьшается стеснение потока, что должно вести к увеличению напора насоса. С другой стороны, происходит резкая перестройка потока, что приводит к отрыву потока, увеличению пульсаций давления и гидравлических потерь. В результате сложения этих двух факторов напор насоса увеличивается всего лишь на 3÷4%.

Задачами изобретения являются:

- повышение напора насоса за счет увеличения угла установки лопасти на выходе с тыльной стороны и уменьшения стеснения потока на выходе;

- повышение ресурса и надежности рабочего колеса за счет повышения прочности лопасти на выходе в результате отсутствия острой кромки на выходе лопасти;

- снижение виброактивности насоса за счет исключения срыва потока на выходе лопасти и снижения пульсаций давления в насосе.

Технический результат заявленного изобретения выражен в улучшении характеристик лопасти, влияющих на повышение напора, ресурса и надежности, а также на снижение вибрации насоса.

Указанный технический результат достигается тем, что лопасть рабочего колеса центробежного насоса, ограниченная окружностью наружного диаметра рабочего колеса, имеющая лицевую и тыльную стороны, выполнена на выходном участке скругленной с тыльной стороны, а дуга, образованная радиусом скругления, сопряжена с выходным участком тыльной стороны лопасти, причем каждая точка дуги связана с углом α установки лопасти, образованным пересечением касательных к поверхности лопасти и к окружности цилиндрического сечения рабочего колеса. Отличие предлагаемого технического решения от прототипа заключается в том, что выходной участок тыльной стороны лопасти образован прямой линией, ограничен точкой касания ее к тыльной стороне лопасти и точкой сопряжения с дугой, образованной радиусом округления, причем точка пересечения продолжения прямой линии с окружностью наружного диаметра рабочего колеса расположена посередине участка окружности наружного диаметра от точки ее пересечения с лицевой стороной лопасти до точки пересечения с продолжением тыльной стороной лопасти от точки ее касания с прямой, при этом дуга, образованная радиусом скругления, ограничена точкой пересечения лицевой стороны лопасти с окружностью наружного диаметра рабочего колеса, а величина радиуса скругления определена зависимостью σ_н/2≥R≥σ_н/3,

где σ_н - участок окружности наружного диаметра рабочего колеса между точками ее пересечения с лицевой стороной лопасти и с продолжением тыльной стороны от точки ее касания с прямой линией;

R - величина радиуса скругления тыльной стороны лопасти на выходном участке,

причем в каждой точке дуги угол α установки лопасти, образованный пересечением касательных к поверхности лопасти и к окружности цилиндрического сечения рабочего колеса, тем больше, чем больше диаметр цилиндрического сечения.

При исследовании отличительных признаков описываемого устройства не выявлено каких-либо известных аналогичных решений по выполнению лопасти таким образом, что выходной участок тыльной стороны лопасти образован прямой линией, ограничен точкой касания ее к тыльной стороне лопасти и точкой сопряжения с дугой радиуса округления, причем точка пересечения продолжения прямой линии с окружностью наружного диаметра рабочего колеса расположена посередине участка окружности наружного диаметра от точки ее пересечения с лицевой стороной лопасти до точки ее пересечения с продолжением тыльной стороны лопасти от точки ее касания с прямой линией, при этом дуга радиуса скругления ограничена точкой пересечения лицевой стороны лопасти с окружностью наружного диаметра рабочего колеса, а величина радиуса скругления определена зависимостью σ_н/2≥R≥σ_н/3,

где σ_н - участок окружности наружного диаметра рабочего колеса между точками ее пересечения с лицевой стороной лопасти и с продолжением тыльной стороны лопасти от точки ее касания с прямой;

R - величина радиуса скругления тыльной стороны лопасти на выходном участке,

причем в каждой точке дуги угол α установки лопасти, образованный пересечением касательных к поверхности лопасти и к окружности цилиндрического сечения тем больше, чем больше диаметр цилиндрического сечения.

При работе насоса поток жидкости проходит через рабочее колесо и давление жидкости повышается, т.е. насос создает определенный напор жидкости. Выполнение выходного участка тыльной стороны лопасти по прямой линии, касательной к тыльной стороне лопасти, обеспечивает утончение выходного участка и плавное изменение скорости потока на этом участке. Обеспечение прохождения этой прямой линии через середину расчетной кромки лопасти, образованной участком окружности наружного диаметра рабочего колеса между точками пересечения ее с лицевой и расчетной тыльной сторонами лопасти, увеличивает угол α установки лопасти с тыльной стороны и уменьшает стеснение потока жидкости лопастью, что приводит к повышению напора рабочего колеса.

Выполнение выходной кромки лопасти с тыльной стороны скругленной радиусом R по дуге, касательной в точке к выходному участку лопасти и проходящей через точку пересечения лицевой стороны лопасти с окружностью наружного диаметра D_н рабочего колеса, причем в каждой точке дуги угол α установки лопасти, образованный пересечением касательных к поверхности лопасти и к окружности цилиндрического сечения тем больше, чем больше диаметр D_ц цилиндрического сечения, что обеспечивает плавное увеличение угла α установки лопасти с тыльной стороны и уменьшение стеснения потока жидкости, а также повышает напор рабочего колеса. Неравенство, определяющее величину радиуса округления выходной кромки лопасти, σ_н/2≥R≥σ_н/3,

где σ_н - ширина расчетной кромки лопасти на окружности наружного диаметра рабочего колеса;

R - величина радиуса скругления тыльной стороны лопасти на выходном участке,

оптимизирует величину R, т.к. при значении R меньше σ_н/3 не обеспечивается касание дуги к выходному участку лопасти и одновременное прохождение дуги через точку пересечения лицевой стороны лопасти с окружностью наружного диаметра рабочего колеса, а при R больше σ_н/2 выходная кромка лопасти имеет острый угол, что может привести к ее поломке и снижению ресурса и надежности рабочего колеса.

Такая конфигурация выходного участка лопасти и выходной кромки способствует снижению пульсаций давления за рабочим колесом и уменьшению виброактивности насоса в целом.

На фиг.1 изображено рабочее колесо 2 центробежного насоса (на фигуре не показан), на фиг.2 - сечение А-А рабочего колеса 2. Лопасть 1, рассчитанная по методике, изложенной в книге «Лопастные насосы» А.К.Михайлов, В.В.Малюшенко, М.: «Машиностроение», 1977, с.26-42, рис.14, ограничена окружностью 3 наружного диаметра D_н рабочего колеса 2 (фиг.1). Лопасть 1 (фиг.2), имеющая лицевую 4 и тыльную 5 стороны, выполнена на выходном участке 6 скругленной с тыльной стороны 5, а дуга 7, образованная радиусом скругления R, сопряжена с выходным участком 6 тыльной стороны лопасти. Каждая точка дуги 7 связана с углом α установки лопасти, образованным пересечением касательных 8 и 9 к поверхности лопасти и к окружности цилиндрического сечения 10. Выходной участок 6 тыльной стороны 5 лопасти 1 образован прямой линией 11, ограниченной точкой 12 касания ее к тыльной стороне 5 лопасти и точкой 13 сопряжения с дугой 7, образованной радиусом скругления R. Точка 14 пересечения продолжения 15 прямой линии 11 с окружностью 3 диаметра D_н рабочего колеса расположена посередине участка 16 лопасти 1, образованного дугой окружности 3 наружного диаметра рабочего колеса между точками 17 и 18 пересечения ее с лицевой 4 стороной и продолжением 19 тыльной стороны 5 лопасти от точки 12 ее касания с прямой линией. Дуга 7, образованная радиусом скругления, ограничена точкой 17 пересечения лицевой стороны 4 лопасти с окружностью 3 наружного диаметра рабочего колеса, а величина радиуса скругления R определена зависимостью σ_н/2≥R≥σ_н/3,

где σ_н - участок 16 окружности наружного диаметра рабочего колеса между точкой 17 ее пересечения с лицевой стороной лопасти и точкой 18 ее пересечения с продолжением 19 тыльной стороны 5 лопасти от точки 12 ее касания с прямой линией.

R - величина радиуса скругления тыльной стороны 5 лопасти на выходном участке 6.

В каждой точке, например точке 20, образованной пересечением дуги 7 с окружностью 10 цилиндрического сечения D_ц, угол α установки лопасти, образованный пересечением касательных 8 и 9 к поверхности лопасти и к окружности 10 диаметра цилиндрического сечения D_ц, тем больше, чем больше диаметр D_ц.

Лопасть работает следующим образом.

Перед пуском насос (на фиг. не показан) заполняется жидкостью. При пуске насоса и вращении рабочего колеса 2 (фиг.1) жидкость проходит через рабочее колесо 2 и давление жидкости повышается, т.е. насос создает определенный напор жидкости. Выполнение выходного участка 6 (фиг.2) тыльной стороны 5 лопасти 1 по прямой линии 11, касательной в точке 12 к тыльной стороне 5 лопасти 1, обеспечивает утончение выходного участка 6 и плавное изменение скорости потока на этом участке. Обеспечение прохождения продолжения 15 прямой линии 6 через середину участка 16, окружности наружного диаметра рабочего колеса между точкой 17 ее пересечения с лицевой стороной лопасти и точкой 18 ее пересечения с продолжением 19 тыльной стороны 5 лопасти от точки 12 ее касания с прямой линией, увеличивает угол α установки лопасти с тыльной стороны 5 и уменьшает стеснение потока жидкости лопастью 1, что приводит к повышению напора рабочего колеса 2.

Выполнение выходной кромки лопасти 1 с тыльной стороны 5 скругленной радиусом R по дуге 7, касательной в точке 13 к выходному участку 6, лопасти, и проходящей через точку 17 пересечения лицевой стороны 4 лопасти с окружностью 3 наружного диаметра D_н рабочего колеса, причем в каждой точке дуги 7 угол α установки лопасти, образованный пересечением касательных 8 и 9 к поверхности лопасти и к окружности 10 цилиндрического сечения тем больше, чем больше диаметр D_ц цилиндрического сечения окружности 10, обеспечивает плавное увеличение угла α установки лопасти с тыльной стороны и уменьшение стеснения потока жидкости, что также повышает напор рабочего колеса.

Неравенство, определяющее величину радиуса скругления выходной кромки лопасти, σ_н/2≥R≥σ_н/3,

где σ_н - участок 16 окружности наружного диаметра рабочего колеса между точкой 17 ее пересечения с лицевой стороной лопасти и точкой 18 ее пересечения с продолжением 19 тыльной стороны 5 лопасти 1 от точки 12 ее касания с прямой линией.

R - величина радиуса округления тыльной стороны 5 лопасти на выходном участке 6,

оптимизирует величину радиуса R, т.к. при R меньше σ_н/3 не обеспечивается касание дуги 7 к выходному участку 6 лопасти и одновременное пересечение дугой точки 17, а при R больше σ_н/2 выходная кромка лопасти имеет острый угол, что может привести к ее поломке и снижению ресурса и надежности рабочего колеса.

Такая конфигурация выходного участка 6 лопасти 1 и выходной кромки способствует снижению пульсаций давления за рабочим колесом 2 и уменьшению виброактивности насоса в целом.

Влияние изменения выходного участка лопасти рабочего колеса центробежного насоса на улучшение технических характеристик насоса проверено при испытаниях ступеней насосов на опытных установках и насосов на испытательных стендах.

В частности, при испытаниях на стенде ОАО "Пролетарский завод" центробежного насосного агрегата ЦЭНА 350-35 при выполнении лопасти по варианту 1 (базовый вариант, идентичен аналогу - книга «Лопастные насосы» А.К.Михайлов, В.В.Малюшенко, М.: «Машиностроение»; 1977, с.27, рис.14) на номинальном режиме 350 м.куб/ч напор составил 34,3 м.

В варианте 2 (идентичен аналогу - книга «Судовые центробежные и осевые насосы» Б.М.Певзнер, Л.: «Судпромгиз»; 1958, с.132, рис.75) напор составил 35,19 м, что выше на 2,6% по сравнению с вариантом 1.

В варианте 3 (идентичен прототипу - авторское свидетельство СССР №1302030 F04D 29/24, опубл. 07.04.87, Бюл. 13, «Лопасть рабочего колеса центробежного насоса», авторы Л.Е.Чегурко и Б.А.Габов) напор составил 35,43 м, что выше на 3,3% по сравнению с вариантом 1.

В варианте 4 (идентичен заявляемому техническому решению) напор составил 38,14, что выше на 11,2% по сравнению с вариантом 1.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует, что заявленное изобретение находит практическое применение в промышленности, а именно в насосостроении. При его использовании выполняются следующие поставленные задачи:

- повышение напора насоса;

- повышение ресурса и надежности рабочего колеса и насоса в целом;

- снижение виброактивности насоса.

Кроме того, комплексное решение проблем ресурса, надежности и виброактивности насоса сокращает время и стоимость его технического обслуживания.