Рабочее колесо центробежного насоса

Изобретение относится к отрасли гидромашиностроения и может быть использовано в насосах с повышенной всасывающей способностью. Рабочее колесо содержит основной и покрывающий диски с расположенными между ними пространственными лопастями. Входные кромки лопастей в плане вытянуты относительно периферийной (покрывающий диск) и втулочной (основной диск) поверхностей. Максимальный угол охвата лопасти на входной кромке в плане превышает от 5 до 15° углы охвата на периферийной и втулочной поверхностях. Нижняя точка входной кромки расположена на расстоянии от 0,3 до 0,5 высоты входного сечения. Входная кромка в плане закруглена по меньшей мере двумя радиусами. Угол атаки но основному диску находится в пределах от 6 до 10° и по покрывающему диску от 0 до 2,5°. Изобретение направлено на повышение всасывающей способности при сохранении высокого кпд насоса. 4 ил.

 

Изобретение относится к области гидромашиностроения, а именно к центробежным насосам с рабочим колесом первой ступени одностороннего или двустороннего входа для применения в насосах с повышенной всасывающей способностью, т.е. с повышенными антикавитационными качествами.

Возникновение и развитие кавитации в рабочем колесе центробежного насоса является следствием уменьшения давления на входных участках лопастей рабочего колеса. При натекании потока на входную кромку лопасти скорость скачкообразно увеличивается, что обусловливает уменьшение давления на этом участке, и в случае, если оно меньше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной температуре, образуется каверна (парогазовая полость), то есть начинается кавитация. В связи с этим при проектировании первых ступеней с повышенной всасывающей способности уделяется особое внимание входному участку лопастей, а именно расположению и форме входной кромки.

Для повышения всасывающей способности насоса при проектировании входа в рабочее колесо первой ступени выдерживаются определенные размеры входной воронки рабочего колеса из условия $$k_{вх}=D_{пр}/\sqrt[3]{Q/n}$$ , где k_вх - коэффициент входа в рабочее колесо; D_пр - приведенный диаметр входной воронки рабочего колеса; Q - расчетная подача; n - частота вращения насоса, рассчитывается угол установки лопастей рабочего колеса на входе β_1л с учетом введения определенного угла атаки Δβ₁ для улучшения гидродинамики обтекания профиля, используя формулу Δβ₁=β_1л-Δβ_1n, где β_1n - угол потока на входе, выбираются расположение и форма входной кромки и т.д.

Известны рекомендации для повышения всасывающей способности, в которых наиболее благоприятное расположение входной кромки лопасти параллельно плоскости основного диска. Выбор угла установки лопастей на входе проводится из условия обеспечения углов атаки от 8 до 15°. [Карелин В.Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах - М.: Машиностроение, - 1975 - С.119-125].

Однако в настоящее время к насосам с повышенной всасывающей способностью предъявляется требование, кроме обеспечения высоких антикавитационных качеств, еще и сохранение высоких значений коэффициента полезного действия (кпд), что в большинстве случаев трудно выполнимо. Так, например, увеличение диаметра входной воронки рабочего колеса D₀ до значения k_вх от 4,6 до 5,0, позволяющее получить значение критического коэффициента быстроходности С_кр от 1000 и более (критический коэффициент быстроходности С_кр определяется по формуле $$C_{кр}=\frac{5,62n\sqrt{Q}}{NPSH{3}^{0,75}}$$ где NPSH3 - надкавитационныи напор на входе, соответствующий 3% падению напора на частной кавитационной характеристике), вызывает увеличение диаметра переднего уплотнения и, как следствие, увеличение утечки и снижение объемного и, соответственно, общего кпд. Кроме того, чрезмерное увеличение диаметра входной воронки рабочего колеса приводит к нарушению плавности и устойчивости течения потока на входе в колесо даже на расчетном режиме, снижая кпд и приближая режим начала рециркуляции к оптимальному режиму, что снижает надежность работы.

Обеспечение углов атаки Δβ₁ от 8 до 15° увеличивает проходное сечение между лопастями на входе, но может привести к ухудшению формы напорной характеристики и снижению кпд из-за увеличенной зоны отрыва на входе в рабочее колесо. Расположение входной кромки параллельно плоскости основного диска ухудшает форму лопасти, т.е. плавность изменения углов лопасти от входа к выходу, что приводит к снижению кпд рабочего колеса.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является получение высокой всасывающей способности насоса с величиной критического кавитационного коэффициента быстроходности С_кр от 1100 и более при коэффициенте входа в рабочее колесо k_вх от 4,5 до 4,6 и сохранении высокого кпд насоса за счет оптимизации геометрических размеров лопастной системы на входном участке пространственных лопастей рабочего колеса с коэффициентом быстроходности от 80 до 200.

Технический результат достигается тем, что в рабочем колесе центробежного насоса, содержащем основной и покрывающий диски и расположенные между ними пространственные лопасти, у лопастей входные кромки в плане выполнены вытянутыми относительно периферийной и втулочной поверхностей покрывающего и основного дисков, соответственно, таким образом, что максимальный угол охвата лопасти на входной кромке превышает углы ее охвата на периферийной и втулочной поверхностях на 5÷15°, а нижняя точка входной кромки расположена на расстоянии 0,3÷0,5 (D₀-D_вт)/2 от D₀, где D₀ - диаметр входной воронки рабочего колеса, Dem -диаметр втулки рабочего колеса, причем входная кромка в плане скруглена по меньшей мере двумя радиусами, при этом угол атаки лопасти Δβ₁ со стороны основного диска составляет 6÷10°, а со стороны покрывающего диска составляет 0÷2,5°.

Заявленные соотношения на входном участке пространственной лопасти выведены на основании теоретического анализа имеющейся информации по влиянию входных условий рабочего колеса на кавитацию и результатов экспериментов, проведенных во ВНИИАЭН. Соотношения выбирались для обеспечения коэффициента входа в рабочее колесо k_вх, составляющем от 4,5 до 4,6, что соответствует определенному диаметру входной воронки рабочего колеса, для которого характерны плавность и устойчивость течения потока на входе в рабочее колесо, малые утечки в уплотнении рабочего колеса.

Выбор значений углов атаки лопастей рабочего колеса Δβ₁ со стороны покрывающего диска от 0 до 2,5° и со стороны основного диска - от 6 до 10° способствует улучшению формы напорной характеристики вследствие уменьшенной зоны отрыва на входе в рабочее колесо, обеспечению высокой всасывающей способности при сохранении высокого кпд насоса.

Выполнение лопастей с входными кромками, вытянутыми в плане относительно периферийной (покрывающий диск) и втулочной (основной диск) поверхностей, так, что максимальный угол охвата лопасти Θ_охвmax превышает углы ее охвата на периферийной и втулочной поверхностях от 5 до 15°, а нижняя точка входной кромки расположена на расстоянии 0,3÷0,5 (D₀-D_вт)/2 от D₀, где D₀ - диаметр входной воронки рабочего колеса и D_вт - диаметр втулки рабочего колеса, обеспечивает увеличение давления на входной кромке со стороны покрывающего диска - в зоне наиболее опасной с точки зрения возникновения кавитации, что способствует как бы рассеиванию кавитационных каверн по всей толщине потока на входе в рабочее колесо, препятствуя тем самым их концентрации (образованию устойчивых кавитационных зон), и, тем самым, способствует повышению всасывающей способности при сохранении высокого кпд насоса.

Выполнение входной кромки путем скругления ее в плане по меньшей мере двумя радиусами R обеспечивает плавность ее формы, что приводит к безотрывному обтеканию без снижения кпд рабочего колеса.

Заявленное техническое решение поясняется чертежами, на которых представлены:

фиг.1 - рабочее колесо, меридианное сечение;

фиг.2 - лопасть в плане;

фиг.3 - входной участок лопасти со стороны основного диска, сечение А-А фиг.1;

фиг.4 - входной участок лопасти со стороны покрывающего диска, сечение Б-Б фиг.1.

Рабочее колесо центробежного насоса содержит основной диск 1 (фиг.1) и покрывающий диск 2 и расположенные между ними с образованием межлопастных каналов пространственные лопасти 3 с входными кромками 4 (фиг.2). Входные кромки 4 лопастей 3 вытянуты относительно периферийной поверхности 5 (покрывающий диск 2) и втулочной поверхности 6 (основной диск 1). Максимальный угол охвата Θ_охвmax на входной кромке 4 лопасти 3 превышает угол ее охвата на периферийной поверхности 5 Θ_охвпер и угол ее охвата на втулочной поверхности 6 Θ_охввт на 5÷15°. Один из лучей, образующих максимальный угол охвата Θ_охвmax, проходит через нижнюю точку входной кромки 4 - точку В, расположенную на расстоянии от 0,3 до 0,5 высоты входного сечения (D₀-D_вт)/2 от D₀. Входная кромка 4 в плане скруглена по меньшей мере двумя радиусами R (предпочтительно двумя или тремя радиусами). Угол атаки Δβ₁ по основному диску находится в пределах от 6 до 10° (фиг.3) и по покрывающему диску от 0 до 2,5° (фиг.4).

Устройство работает следующим образом. При вращении колеса поток натекает на входную кромку 4 пространственной лопасти 3 и благодаря заявляемым расположению и форме входной кромки 4 обеспечивается увеличение давления на периферийной поверхности 5 входной кромки 4 у покрывающего диска 2, способствующее рассеиванию кавитационных каверн по всей толщине потока на входе в рабочее колесо, препятствуя тем самым их концентрации, т.е. образованию устойчивых кавитационных зон. Далее поток проходит по каналам рабочего колеса, получая приращение механической энергии, и выходит в отводящее устройство.

Рабочее колесо центробежного насоса, содержащее основной и покрывающий диски и расположенные между ними пространственные лопасти, отличающееся тем, что у лопастей входные кромки в плане выполнены вытянутыми относительно периферийной и втулочной поверхностей покрывающего и основного дисков соответственно, таким образом, что максимальный угол охвата лопасти на входной кромке превышает углы ее охвата на периферийной и втулочной поверхностях на 5÷15°, а нижняя точка входной кромки расположена на расстоянии 0,3÷0,5 (D₀-D_вт)/2 от D₀, где D₀ - диаметр входной воронки рабочего колеса и D_вт - диаметр втулки рабочего колеса, причем входная кромка в плане скруглена по меньшей мере двумя радиусами, при этом угол атаки лопасти со стороны основного диска составляет 6÷10°, а угол атаки лопасти со стороны покрывающего диска составляет 0÷2,5°.