Ротор для центробежной проточной машины и центробежная проточная машина
Изобретение относится к структуре ротора для центробежной проточной машины. Ротор 10 имеет конструкцию рабочей лопатки 14, которая расположена на ступице 12 ротора без опорного диска или бандажа. Кроме того, лопатка 14 имеет средство для эффективного промывания уплотнительной камеры за ротором 10. Уменьшается трение, уравновешивается осевое усилие, повышается коэффициент эффективности. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 10 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к ротору для центробежной проточной машины и центробежной проточной машине. Настоящее изобретение в особенности применимо при конструировании рабочих колес для центробежных насосов и нагнетателей.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] В последующем описании предшествующего уровня техники и настоящего изобретения, центробежный насос был использован в качестве примера центробежной проточной машины, а рабочее колесо в качестве примера ротора центробежной проточной машины. Тем не менее, следует иметь в виду, что настоящее изобретение может быть использовано в сочетании с любой центробежной проточной машиной, т.е. любым накачивающим или нагнетающим устройством, имеющим вращающийся вал, который имеет ротор, соединенный с ним. Таким образом, центробежная проточная машина включает в себя, в дополнение к центробежным насосам, также центробежные нагнетатели, только для обозначения нескольких наиболее предпочтительных вариантов осуществления.
[0003] В настоящее время центробежные насосы или проточные машины могут быть классифицированы по типу их ротора в центробежных проточных машинах, имеющих открытые, полуоткрытые или полностью открытые рабочие колеса. Говоря вкратце и в несколько упрощенном виде, закрытое рабочее колесо является рабочим колесом, чьи рабочие лопатки являются как в их радиально, так и спирально продолжающиеся стороны или края покрытыми посредством бандажа, полуоткрытое рабочее колесо имеет бандаж только в одну, радиально или спирально продолжающуюся сторону или край рабочих лопаток, и открытое рабочее колесо не имеет бандажа вообще.
[0004] Традиционно, центробежные насосы используют в качестве уплотнения их вала уплотнение типа сальниковой коробки. Тем не менее, в настоящее время различные уплотнительные кольцевые уплотнения были разработаны для выполнения той же самой задачи и занимают то же положение на задней стороне рабочего колеса. Кроме того, также используются так называемые уплотнения подвижного соединения. В уплотнениях подвижного соединения уплотнение обеспечивается посредством отражателя, когда насос работает, а уплотнение неподвижного соединения, когда насос не работает. Тем не менее, использование уплотнительного кольцевого уплотнения получило популярность, и его популярность будет возрастать и в будущем, в то время как пользователи переходят к насосам, имеющим частотно-регулируемые приводы. Конструкция настоящих рабочих колес не в состоянии обеспечить безопасную эксплуатацию уплотнительного кольцевого уплотнения, так как никакая полость или пространство для уплотнения, ни рабочее колесо не были разработаны таким образом, чтобы уплотнение было, во всех режимах работы насоса, полностью окружено жидкостью, которая должна быть перекачана. Кроме того, различные конструкции рабочего колеса должны быть выбраны в соответствии с жидкостью, которая должна быть перекачана, и пользователь не может быть уверен, что уплотнение работает надежным образом во всех возможных условиях эксплуатации. Рабочие колеса содержат структуры, которые делают рабочие колеса трудными в изготовлении и уменьшают коэффициент эффективности рабочего колеса. Кроме того, балансировочные устройства в использовании в настоящее время для балансировки осевых сил через рабочее колесо, теряют значительную часть коэффициента эффективности рабочего колеса.
[0005] Далее будут рассмотрены различные проблемы, касающиеся различных структур рабочего колеса.
[0006] ЕР-A2-2236836 может быть упомянут в качестве примера документа, рассматривающего закрытое рабочее колесо центробежного насоса. В качестве первой проблемы, особенно в отношении закрытого рабочего колеса небольших насосов, где рабочие лопатки рабочего колеса расположены между двумя бандажами, т.е. задним и передним бандажом, бандажи занимают значительную часть площади сечения потока проточного канала (между передней и задней стенками спиральной камеры).
[0007] Если рабочее колесо снабжено уплотнительным кольцом на задней стороне заднего бандажа (бандажа, удаленного от входного отверстия насоса), существует, как правило, соединение потока посредством уравновешивающих отверстий через задний бандаж к передней стороне заднего бандажа, то есть к области рабочих лопаток. В этой конструкции существует поток жидкости, которая должна быть перекачана от стороны нагнетания рабочего колеса (области на или близкой к выходным краям рабочих лопаток) к уплотнительной полости и оттуда через уравновешивающие отверстия обратно к стороне всасывания рабочего колеса (области на или близкой к входным краям рабочих лопаток). Уплотнительное пространство образует камеру, которая не может быть сохранена чистой, а твердое вещество, находящееся во взвешенном состоянии в жидкости, которая должна быть перекачана, принимается и собирается в камере. Осевое усилие, действующее на рабочее колесо, может быть относительно эффективно уравновешено посредством уравновешивающих отверстий.
[0008] Если рабочее колесо снабжено задними лопатками по задней поверхности (обращенной от входного отверстия насоса) заднего бандажа, рабочее колесо может быть разработано с или без уравновешивающих отверстий.
[0009] Если такое рабочее колесо с задними лопатками не имеет уравновешивающих отверстий через задний бандаж, уплотнительная камера представляет собой тупиковую камеру, где жидкость находится без возможности ее замены, и обычно газ, содержащийся в жидкости, собирается в уплотнительной камере, в результате чего уплотнение работает сухим и давление снижается ниже точки кипения за счет эффективной работы задних лопаток. Осевое усилие является высоким, когда насос работает за пределами его наилучшей точки эффективности.
[0010] Если рабочее колесо с задними лопатками имеет уравновешивающие отверстия, проходящие через его задний бандаж, жидкость протекает к задней стороне заднего бандажа через уравновешивающие отверстия. Это конструкция обеспечивает лучшую циркуляцию жидкости, и осевое усилие уравновешивается лучше в более широком диапазоне производительности.
[0011] Полуоткрытое рабочее колесо, иногда также называемое наполовину открытым или полузакрытым колесом, было рассмотрено в качестве примера в патенте США US-A-5385442. Полуоткрытое рабочее колесо имеет пространство для потока между задним бандажом рабочего колеса и отдельной неподвижной задней стенкой, при этом задняя стенка часто является частью крышки корпуса центробежной проточной машины. В этом виде центробежной проточной машины задний бандаж занимает значительную часть площади сечения потока также в канале потока.
[0012] Полуоткрытое рабочее колесо может иметь задние лопатки, так что давление, действующее на заднюю стенку, является уравновешенным близко к давлению на передней стороне бандажа. Тем не менее, следует понимать, что только в одной рабочей точке насоса осевое усилие является полностью уравновешенным. Если полуоткрытое рабочее колесо снабжено уравновешивающими отверстиями, те же проблемы можно рассматривать, что и с закрытым рабочим колесом. И если полуоткрытое рабочее колесо не снабжено уравновешивающими отверстиями, те же проблемы можно рассматривать, что и с закрытым рабочим колесом, также.
[0013] Если полуоткрытое рабочее колесо не снабжено задними лопатками, осевое усилие не может быть уравновешенным, поэтому отдельные подшипники должны быть предусмотрены при использовании для поглощения осевого усилия. Если эта конструкция не имеет уравновешивающих отверстий, проходящих через бандаж, уплотнительная камера представляет собой тупиковую камеру, где жидкость находится без возможности ее замены, и обычно газ, содержащийся в жидкости, собирается в уплотнительной камере, в результате чего уплотнение работает сухим. Осевое усилие является очень высоким. Если бандаж полуоткрытого рабочего колеса снабжен уравновешивающими отверстиями, уплотнительная камера представляет собой еще тупиковую камеру, где жидкость находится без возможности ее замены, и обычно газ, содержащийся в жидкости, собирается в уплотнительной камере, в результате чего уплотнение работает сухим. Осевое усилие является высоким, но несколько ниже, чем в конструкции без уравновешивающих отверстий.
[0014] Если полуоткрытое рабочее колесо снабжено на его задней стороне уплотнительным кольцом, уплотнительная камера имеет жидкостное соединение с передней стороной бандажа, то есть со стороной всасывания рабочего колеса, через уравновешивающие отверстия. В этом виде конструкции, жидкость, которая должна быть перекачана, протекает от напорной стороны рабочего колеса (на внешней периферии рабочего колеса) к уплотнительной камере и оттуда, посредством уравновешивающих отверстий, к всасывающей стороне рабочего колеса (на внутренней периферии рабочих лопаток рабочего колеса). В этом случае уплотнительная камера представляет собой полость, которая не может остаться чистой, но твердые вещества, находящиеся во взвешенном состоянии в жидкости, которая должна быть перекачана, принимаются и собираются в камере. Осевое усилие является относительно хорошо уравновешенным посредством рассмотренной структуры.
[0015] Открытое рабочее колесо является рабочим колесом, где канал потока для жидкости предусмотрен между опорным диском рабочего колеса, передней стенкой спиральной камеры и ее неподвижной задней стенкой. В качестве примера документа, рассматривающего открытое рабочее колесо, может быть, упомянут патент США № 3,964,840. Опорный диск рабочего колеса является, на самом деле, задним бандажом рабочего колеса, имеющим уменьшенный диаметр так, что опорный диск продолжается наружу по радиальному расстоянию от ступицы рабочего колеса и дает поддержку рабочим лопаткам. Как правило, из-за наличия опорного диска рабочие лопатки могут быть изготовлены относительно тонкими в их корневой области, т.е. на их концах, где они соединяются со ступицей.
[0016] Конструкция открытого рабочего колеса может содержать опорный диск без уравновешивающих отверстий. Если такая конструкция уплотнительной камеры представляет собой тупиковую камеру, где жидкость не может заменяться, и обычно газ, содержащийся в жидкости, собирается в уплотнительной камере, в результате чего уплотнение работает сухим. Осевое усилие, однако, является довольно хорошо уравновешенным.
[0017] Конструкция открытого рабочего колеса может, как вариант, содержать опорный диск без уравновешивающих отверстий. В этой конструкции жидкость, которая должна быть перекачана, протекает через уравновешивающие отверстия в задней стороне опорного диска. Конструкция обеспечивает лучшую циркуляцию жидкости, и осевое усилие является достаточно хорошо уравновешенным в относительно широком диапазоне производительности.
[0018] Публикация США US-A-3,481,273 рассматривает другой тип открытого рабочего колеса, где рабочие лопатки присоединяются к ступице посредством корневых участков, которые находятся между рабочими лопатками, при этом открытые области имеют один и тот же диаметр, что и поверхность ступицы. То есть отсутствует опорный диск для прикрепления лопаток к ступице.
[0019] В общем, различные традиционные структуры ротора или рабочего колеса центробежных проточных машин имеют несколько недостатков, которые усложняют изготовление и использование проточных машин, уменьшают их коэффициент эффективности и угрожают надежной и бесперебойной работе уплотнения вала.
[0020] Во-первых, закрытое и полуоткрытое рабочее колесо имеет относительно высокие потери на трение и ограниченную площадь сечения потока за счет наличия, по меньшей мере, одного бандажа. Также, коэффициент эффективности отрицательно страдает из-за присутствия бандажа/бандажей.
[0021] Во-вторых, наличие осевого усилия, которому подвергается рабочее колесо или ротор, требует использования больших или более мощных подшипников.
[0022] В-третьих, настоящее состояние уровня техники структур рабочего колеса, даже не открытого рабочего колеса, не обеспечивает достаточную и надежную промывку уплотнительной камеры.
КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0023] Таким образом, задачей настоящего изобретения является устранение, по меньшей мере, одного из вышеуказанных недостатков или проблем посредством новой структуры ротора центробежной проточной машины.
[0024] Еще одной задачей настоящего изобретения является разработка новой структуры ротора, улучшающей коэффициент эффективности центробежной проточной машины.
[0025] Дополнительной задачей настоящего изобретения является предложить новую структуру ротора, минимизирующую осевое усилие на роторе и, таким образом, позволяющую применение небольших подшипников для поддержки вала центробежной проточной машины.
[0026] Еще одной дополнительной задачей настоящего изобретения является предложить новую структуру ротора, обеспечивающую эффективную промывку уплотнительной камеры и, как следствие, обеспечивающую длительную и бесперебойную работу уплотнения вала.
[0027] Еще дополнительной задачей настоящего изобретения является предложить новую структуру ротора, представляющую новую геометрию рабочей лопатки или конструкцию сечения для рабочей лопатки, такую, чтобы рабочие лопатки являлись легкими, но прочными.
[0028] Отличительные признаки ротора для центробежной проточной машины в соответствии с настоящим изобретением, посредством которого, решается по меньшей мере одна из рассмотренных выше проблем, станут очевидными из прилагаемой формулы изобретения.
[0029] Настоящее изобретение приносит ряд преимуществ, таких как:
- Посредством удаления бандажа/бандажей с закрытого или полуоткрытого роторов, и опорного диска открытого ротора, создан полностью открытый ротор. Канал для потока (от входного отверстия к выходному отверстию) такой центробежной проточной машины работает более эффективно, чем в традиционных насосах, поскольку потери на трение уменьшаются, в результате чего эффективная скорость возрастает, несмотря на то, что утечка вокруг боковых краев рабочих лопаток несколько увеличивается.
- Поскольку ротор полностью открыт и давления в обеих осевых сторонах ротора одинаковые, нет необходимости в каких-либо средствах (уравновешивающих отверстиях, задних лопатках) для уравновешивания осевого усилия. Это приводит к лучшему коэффициенту эффективности и возможности использовать более мелкие подшипники.
- Посредством удаления опорного диска или опорных ребер, расположенных на задней стороне рабочих лопаток, часто используемых в традиционных открытых роторах, открывается свободный доступ к уплотнительной камере. Для поддержания уплотнительной камеры в сообщении по потоку с основным потоком ротора во всех режимах работы центробежной проточной машины, диаметр ступицы ротора является таким же или меньше, чем вращающегося уплотнительного элемента.
- Промывка уплотнительной камеры может быть улучшена путем создания поперечного сечения рабочей лопатки в корневой области лопатки, такой как лопатка насоса для пресной текучей среды, которая должна быть перекачана к уплотнительной камере, посредством чего создается циркуляция текучей среды и текучая среда, присутствующая в уплотнительной камере, выталкивается обратно в основной поток ротора.
- Новый профиль лопатки, т.е. поперечное сечение рабочей лопатки не нуждается в опорном диске, и он является экономически эффективным при изготовлении, так как материал используется только там, где это действительно необходимо. Изготовление ротора может быть легко выполнено посредством литья или механической обработки, так как структура является открытой и прочной.
[0030] Что касается перечисленных выше преимуществ, следует понимать, что каждый вариант осуществления изобретения не может привести к каждому преимуществу, но лишь немногим из них.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0031] Ротор для центробежной проточной машины и центробежная проточная машина согласно настоящему изобретению, описаны более подробно ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 схематично иллюстрирует вид спереди ротора в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения,
Фиг. 2 иллюстрирует частичное осевое сечение центробежной проточной машины, содержащего ротор согласно Фиг. 1,
Фиг. 3а иллюстрирует вид сечения А-А ротора по Фиг. 1, представляющего пример формы корневого участка рабочей лопатки,
Фиг. 3b иллюстрирует вид сечения А-А ротора по Фиг. 1, представляющего пример формы корневого участка рабочей лопатки,
Фиг. 3с иллюстрирует вид сечения А-А ротора по Фиг. 1, представляющего еще один пример формы корневого участка рабочей лопатки,
Фиг. 4 иллюстрирует на виде спереди В-В по Фиг. 2 рабочую лопатку по ее сбегающей краевой области,
Фиг. 5 иллюстрирует вид спереди С-С по Фиг. 2 рабочий лопатки на ее ведущей краевой области,
Фиг. 6а иллюстрирует сечение D-D по Фиг. 3а, то есть сечение рабочей лопатки в плоскости, перпендикулярной к передней поверхности рабочей лопатки, и параллельной с осью ротора,
Фиг. 6b иллюстрирует сечение Е-Е по Фиг. 3с, то есть сечение рабочей лопатки в плоскости, перпендикулярной к передней поверхности рабочей лопатки, и параллельной с осью ротора,
Фиг. 7 иллюстрирует еще один вид сечения A-A ротора, по Фиг. 1, представляющий предпочтительную ориентацию задней поверхности рабочего лопатки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0032] Фиг. 1 иллюстрирует вид спереди ротора в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Ротор по Фиг. 1 является особенно применимым в качестве рабочего колеса центробежного насоса. Ротор 10 содержит ступицу 12 и четыре рабочие лопатки, продолжающиеся снаружи от нее. Лопатки 14 ротора оставляют камеры 16 потока между ними, через которые поток продвигается от входного отверстия проточной машины к его выходному отверстию. Это является существенным признаком настоящего изобретения, что камеры 16 потока открывают полностью путь от внешней периферии или окружности (пунктирной линии 20) ротора 10 к внешней поверхности 60 ступицы 12. Предпочтительно, но не обязательно, внешняя поверхность ступицы является вращательно симметричной (например, конической или параболоидальной) поверхностью. Другими словами, открытое рабочее колесо согласно настоящему изобретению не имеет никакого опорного диска, продолжающегося от ступицы для поддержки рабочих лопаток. Таким образом, жидкость имеет свободный и открытый проход от входного отверстия проточной машины, т.е. передней стороны ротора, к уплотнительной камере, т.е. задней стороне ротора, вдоль поверхности ступицы 12. Естественно, очевидно, что количество рабочих лопаток 14 ни в коем случае не ограничивается четырьмя, но может, в действительности, быть одной или более. Кроме того, очевидно, что рабочая лопатка/лопатки 14 могут не только быть изогнутыми и продолжаться снаружи ступицы 12 по спирали, как представлено на Фиг. 1, но она/они могут быть прямыми и продолжаться от ступицы 12 в радиальном направлении или в направлении, наклоненном к радиальному направлению. Фиг. 1 представляет также передний край 18 рабочей лопатки 14, имеющий толщину S. Рабочие лопатки 14 имеют ведущий край 22, сбегающий край 24 и задний край или заднюю поверхность (обращенную от входного отверстия проточной машины). Пунктирная окружность 26 иллюстрирует внешний периметр уплотнительной полости в уплотнительном кожухе проточной машины 10 (лучше видимом на Фиг. 2) относительно ступицы 12, для пояснения проходного сечения от входного отверстия проточной машины к уплотнительной камере на задней стороне ротора.
[0033] Фиг. 2 иллюстрирует частичное осевое сечение центробежной проточной машины 30, содержащей ротор 10 по Фиг. 1. Центробежная проточная машина 10 содержит спиральный кожух 32, имеющий входной канал с впускным отверстием (не показано) на правой стороне на Фиг. 2, и выпускной канал с выходным отверстием (не показано). Спиральный кожух 32 присоединен к крышке 34 кожуха. Спиральный кожух 32 и крышка 34 кожуха оставляют между ними полость, называемую спиральной камерой для размещения ротора 10, или рабочего колеса. Фиг. 2 также представляет рабочие лопатки 14 ротора 10, а также передние края 18, задние края или поверхности 28, ведущие края 22 и сбегающие края 24 рабочих лопаток 14. Крышка 34 кожуха не только размещает подшипники (не показаны), которые поддерживают вал 36 центробежной проточной машины, но также вмещает уплотнение 38 вала центробежной проточной машины 30.
[0034] В этом варианте осуществления центробежной проточной машины, уплотнение 38 вала, только в качестве примера, образовано из скользящего кольцевого уплотнения. Скользящее кольцевое уплотнение имеет неподвижный уплотнительный элемент и вращающийся уплотнительный элемент, и при этом оба имеют особые скользящие кольца, которые находятся в непрерывном контакте друг с другом. Левосторонний уплотнительный элемент, т.е. неподвижный уплотнительный элемент, закреплен без возможности вращения в крышке 34 корпуса и уплотнен к ней посредством О-образного кольца. Правосторонний уплотнительный элемент прикреплен или соединен с задним концом (обращенным в сторону от входного отверстия центробежной проточной машины) ступицы 12 ротора 10 так, что он вращается вместе с ротором 10. Уплотнение 38 вала, которое может, в действительности, быть любого типа, используемое для уплотнения вала 36 центробежной проточной машины 30, окружено, так называемой, уплотнительной камерой 40, имеющей внешний периметр 26 и расположенной в крышке 34 кожуха. Так как текучая среда, которая должна перекачиваться, содержит очень часто твердые включения, включения неизбежно входят в уплотнительную камеру 40, также. В зависимости от типа используемого уплотнения 38, сухой остаток, собранный в камере 40 и на уплотнении 38, влияет более или менее на производительность и/или изнашивание уплотнения 38. Таким образом, уплотнительная камера 40 должна промываться текучей средой, которая должна перекачиваться, как показано стрелками F.
[0035] Фиг. 2 также представляет ступицу 12 со средством для соединения ротора 10 с валом 36. Средство может быть, как представлено, отверстием 42 с резьбой в ступице 12. Средство может также быть центральным отверстием, проходящим через ступицу, так что вал может быть вдвинут в отверстие, а ротор закреплен на конце вала гайкой. Последний вариант может также использовать шпонку или некруглого сечения вал и отверстие, для предотвращения вращения ротора на валу.
[0036] Как рассматривалось выше в данном описании, большинство из или практически все известные структуры рабочего колеса или ротора имеют проблемы как уравновешивания осевых усилий через рабочее колесо, так и промывки уплотнительной камеры.
[0037] Часть проблем решается, а часть из недостатков устраняется путем удаления опорного диска традиционных открытых рабочих колес и посредством конструирования области ступицы ротора 10 новым и обладающим признаками изобретения образом. Понятно, что, когда опорный диск удален, конструкция рабочей лопатки 14 сама должна быть изменена таким образом, чтобы лопатка 14 была способна переносить все нагрузки, которым она подвергается, без какого-либо риска поломки. Таким образом, по меньшей мере, корневая область (представляющая, по существу, трапецеидальную или треугольную область 44 по Фиг. 3а-3с) рабочей лопатки 14 была повторно разработана для того, чтобы быть прочнее, чем раньше. Другая часть проблем решается путем конструирования рабочей лопатки 14 и ступицы 12 ротора 10 таким образом, что эффективная промывка уплотнительной камеры 40 (представленной на Фиг. 1, также пунктирной линией 26) обеспечивается в любых рабочих условиях центробежной проточной машины 30.
[0038] Рабочие лопатки 14 ротора 10, представленные в варианте осуществления по Фиг. 1 и 2 образованы корневым участком 44 и участком лопатки. Основной и, по сути, единственной задачей лопастного участка является прокачивание текучей среды от входного отверстия к выходному отверстию центробежной проточной машины 30. Корневой участок 44 рабочей лопатки 14 используется для крепления лопастного участка рабочей лопатки 14 к ступице 12, и для оказания помощи в перекачивании текучей среды. Другими словами, корневой участок 44 принимает на себя задачу опорного диска по предшествующему уровню техники открытого рабочего колеса, т.е. он поддерживает лопастной участок для значительной части его расширения. Тем не менее, корневые участки 44 рабочих лопаток 14 не образуют опоры по типу диска, а являются отдельным и специфическим элементом рабочей лопатки, индивидуально продолжающимся от поверхности 60 ступицы 12 ротора 10 таким образом, что в камерах 16 потока между рабочими лопатками 14 поверхность 60 ступицы 12 остается свободной и открытой.
[0039] Рабочие лопатки 14 имеют входной край 22, принимающий текучую среду из впускного отверстия центробежной проточной машины 30, и выходной край 24, выбрасывающий текучую среду к выпускному отверстию центробежной проточной машины 30. Рабочие лопатки 14 также имеют входную поверхность 46, толкающую текучую среду вперед к выпускному отверстию, и выходную поверхность 48 на противоположной стороне рабочей лопатки 14. Кроме того, рабочие лопатки имеют передний край 18, обращенный к спиральному кожуху 32 и задний край или поверхность 28, обращенный к крышке 34 кожуха. В зависимости от применения края, т.е. входной, выходной, передний и задний края рабочих лопаток, могут быть прямоугольными или закругленными. Например, при перекачивании волокнистой пульпы входной край 22, а также передний 18 и задний 28 края должны быть закругленными для предотвращения прилипания волокон к краям. Кроме того, входной край 22 может быть заостренным, т.е. более или менее клиновидной формы (но по-прежнему закругленным), также для улучшения эффекта притягивания текучей среды из впускного отверстия проточной машины к эффективной площади рабочих лопаток 14.
[0040] Фиг. 3а-3с иллюстрируют частичное сечение А-А ротора по Фиг. 1 с вырезом рабочей лопатки. Стрелка R показывает направление вращения ротора 10, а точнее направление движения рабочей лопатки, которая показана с вырезом. Фигуры 3а-3с представляют собой корневой участок 44 рабочей лопатки 14, имеющий, в целом, трапецеидальное или треугольное сечение. Корневой участок 44 имеет закругленный передний край 50, две боковые поверхности; входную боковую поверхность 52 и выходную боковую поверхность 54 и заднюю поверхность 56. Передний край 50 может рассматриваться либо как кончик треугольника, или короткая сторона трапеции, которая имеет, после закругления, толщину S, которая, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, соответствует толщине лопастного участка рабочей лопатки 14. В более общем смысле толщина S переднего края 50 после закругления соответствует толщине лопастного участка 14' в положении, где лопастной участок присоединяется к корневому участку 44. Под толщиной S рабочей лопатки, в данном описании, в целом, понимается средний измеренный размер в направлении Z, перпендикулярном к средней линии CL рабочей лопатки в ее лопастном участке 14'. Посредством использования среднего размера в качестве толщины S локальных изменений в толщине лопатки, подобные различные закругления, грушевидные или конусообразные поверхности на краях лопатки и т.д., были приняты во внимание. При сравнении сечения 44 рабочей лопатки 14 вправо можно понять, что передний край 50 корневого участка 44, является, на самом деле, простым углом между передней поверхностью 58 ступицы 12 и входным краем 22 лопастного участка 14' рабочей лопатки 14. Это, предпочтительно, но не обязательно, единственное положение, где корневой участок 44 сам по себе может рассматриваться принимающим текучую среду так, чтобы текучая среда не была раньше в контакте с лопастным участком 14' рабочей лопатки 14. Радиус закругления на переднем крае 50 корневого участка 44, а также на входном краю рабочей лопатки 14, предпочтительно, но не обязательно, находится между 1/4*S - 1/2*S. Поперечное сечение корневого участка 44 рабочей лопатки имеет среднюю линию CL, которая в этом примере, по существу, параллельна оси ротора 10, и проходит через передний край 50 корневого участка 44. Ширина или толщина S1 корневого участка на задней поверхности 56 (близкого к ступице 12 и измеренного в направлении, перпендикулярном средней линии CL рабочей лопатки как показано в качестве примера на Фиг. 3а) имеет порядок 2*S … 5*S в зависимости от размера ротора, то есть с небольшими роторами ширина может быть ближе к 2*S, а с большими роторами ближе к 5*S.
[0041] Входная боковая поверхность 52 и выходная боковая поверхность 54 корневого участка 44 отходят друг от друга при перемещении от переднего края 50 к задней поверхности 56 рабочей лопатки, под углом α (представленном на Фиг. 3b), причем угол α находится, предпочтительно, между 5 и 45 градусами, посредством чего толщина S1 представляет больший размер по толщине в корневом участке рабочей лопатки. Если одна или обе боковые поверхности 52 и 54 являются изогнутыми (в поперечном сечении, представленном на Фиг. 3а, 3b, 3c и 7), угол наклона α определяется использованием касательной к изогнутой боковой поверхности для представления угла наклона изогнутой боковой поверхности. Задняя поверхность 56 корневого участка 44 рабочей лопатки 14 была представлена как плоскость под прямым углом к оси ротора 10. Задняя поверхность может, естественно, быть изогнутой, а также наклонной в случае рабочих лопаток, наклоненных вперед или назад. Но во всех этих случаях задняя поверхность продолжается, по существу, в окружном направлении. Эта конструкция обеспечивает максимальную прочность для рабочей лопатки. Если задняя поверхность корневого участка значительно отклонена от ее окружного направления это будет означать удаление материала из корневого участка и более ослабленный корневой участок, если ширина лопатки не увеличивается. Однако такая конструкция имеет свои преимущества, как будет объяснено позже. Что касается задней поверхности 56 рабочей лопатки 14, следует понимать, что в соответствии с предпочтительным дополнительным вариантом осуществления настоящего изобретения, она преобразуется постепенно, при перемещении по направлению к внешней окружности ротора 10, то есть, по меньшей мере, по внешней окружности к заднему краю 28 рабочей лопатки 14. Предпочтительно, но не обязательно, лопастной участок 14' имеет толщину S на его выходном краю. Задний край 28 рабочей лопатки 14 может быть закруглен по виду входного края 22 или может быть прямоугольным, например.
[0042] Фиг. 3с рассматривает более подробно угол наклона средней линии CL корневого участка 44 и фактического профилирования рабочей лопатки 14 между сечением корневого участка, представленного на Фиг. 3а-3с, и выходным краем 24 рабочей лопатки 14. Угол наклона средней линии CL корневого участка 44 от направления оси А ротора представлен углом β. В соответствии с проведенными экспериментами угол β может варьироваться, по меньшей мере, в диапазоне +/- 45 градусов.
[0043] Фиг. 3с рассматривает также фактическое профилирование рабочей лопатки 14 между сечением корневого участка, представленного на Фиг. 3а-3с и выходным краем 24 рабочей лопатки 14. Фиг. 3с иллюстрирует различные предпочтительные дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения в виде шести прерывистых переходных кривых T1, T2, … Т6 на выходной поверхности рабочей лопатки 14, где толщина рабочей лопатки 14 начинает увеличиваться от толщины лопастного участка 14' до толщины корневого участка 44 на его задней поверхности 56. Другими словами, на Фиг. 3с часть рабочей лопатки 14, которая находится ниже кривых T1, Т2, … T6, т.е. между кривыми Т1, Т2, … Т6 и передним краем 18 рабочей лопатки 14, имеет, предпочтительно, но необязательно, по существу, постоянную толщину S, а часть выше кривых T1, T2, … T6, т.е. между кривыми и задним краем или задней поверхностью 56 рабочей лопатки 14, имеет увеличенную толщину. Как представлено на Фиг.3с корневой участок 44, т.е. утолщенная часть рабочей лопатки 14 на заднем крае 28 или задней поверхности 56 рабочей лопатки 14 может оканчиваться или на выходном краю 24 рабочей лопатки 14 (кривые T4-T6) или на некотором расстоянии от оси А ротора 10 (кривые T1-T3). Проведенные эксперименты показали, что корневой участок 44, то есть утолщенная часть рабочей лопатки, должен продолжаться на его заднем крае 28 или задней поверхности 56 на расстояние от 0,5 до 1,0 * r от оси А ротор 10, где r есть радиус ротора 10. В соответствии с дополнительным вариантом осуществления настоящего изобретения толщина корневого участка 44 на его задней поверхности 56 постепенно уменьшается от ступицы 12 к наружному концу корневого участка 44, так что толщина корневого участка на его наружном конце равна толщине лопастного участка.
[0044] Фиг. 4 представляет вид с торца В-В на область выходного края рабочей лопатки по Фиг. 2. Другими словами, в области выходного края рабочей лопатки 14 лопатка имеет толщину S и сечение рабочей лопатки в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения является прямоугольным. В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения сечение рабочей лопатки 14 в области выходного края является, в основном, прямоугольным, но снабжено, по меньшей мере, одним закругленным боковым краем. В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения сечение рабочей лопатки в области выходного края является изогнутым с прямоугольными боковыми краями. В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения сечение рабочей лопатки в области выходного края является изогнутым с, по меньшей мере, одним закругленным боковым краем.
[0045] Фиг. 5 иллюстрирует вид С-С с торца рабочей лопатки по Фиг. 2 по ее входной краевой области. Другими словами, во входной краевой области рабочей лопатки 14 лопатка имеет толщину S и сечение рабочей лопатки в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения является прямоугольным. В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения сечение рабочей лопатки во входной краевой области является, в основном, прямоугольным, но снабжено закругленным передним краем. Радиус закругления находится, предпочтительно, между 1/4*S - 1/2*S. В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения сечение рабочей лопатки во входной краевой области является изогнутым с прямоугольным боковым краем. В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения сечение рабочей лопатки во входной краевой области является изогнутым с закругленным боковым краем. Как представлено на Фиг. 5, рабочая лопатка продолжается, предпочтительно, по существу, в радиальном направлении от ступицы. Тем не менее, также возможно, что лопатка является несколько наклоненной в любом направлении.
[0046] Фиг. 6а иллюстрирует сечение D-D рабочей лопатки по Фиг. 3а в плоскости, перпендикулярной к входной поверхности рабочего лопатки и параллельной с осью ротора. Здесь сечение рабочей лопатки 14 является, в некотором смысле, выполненным из двух частей, корневого участка 44 и действующего лопастного участка 14' (части, имеющей, например, по существу, постоянную толщину S). Корневой участок 44 имеет переднюю часть 44', переднюю поверхность 52, выходную поверхность 54 и заднюю поверхность 56. Лопастной участок 14' рабочей лопатки 14 имеет входную поверхность 46, которая, предпочтительно, но необязательно, интегрирована в переднюю поверхность 52 корневого участка 44, то есть вместе они образуют нагнетающую или входную поверхность 46 (Фиг. 1) рабочего лопатки 14. Лопастной участок 14' дополнительно имеет выходную поверхность 48, которая в этом варианте осуществления, образует тупой угол Y 135-180° с выходной поверхностью 54 корневого участка 44. В самом деле, основные направления поверхности 48 и поверхности 54 для определения тупого угла рассматриваются в плоскости, проходящей перпендикулярно к входной поверхности 46 рабочей лопатки 14 и параллельно с осью ротора. Корневой участок 44 имеет толщину S на его передней части 44', то есть равную толщине лопастного участка 14', и толщину или ширину S1 на его задней поверхности 56. Толщина S1 больше чем S, порядка 2*S-5*S в области, близкой к ступице, откуда она уменьшается при перемещении к выходному краю лопатки, до S.
[0047] Фиг. 6b иллюстрирует сечение Е-Е рабочей лопатки 14 по Фиг. 3с в плоскости, перпендикулярной к входной поверхности 46 рабочей лопатки и параллельной с осью ротора и показывающей рабочую лопатку использующую переходного кривую Т6. Фиг. 6b, таким образом, представляет сечение лопатки 14 дальше от ступицы, как показано, в направлении к ступице, и лопатку 14, изогнутую к прямой лопатке. Можно видеть, что использование кривой Т6 при образовании утолщенной части рабочей лопатки 14, приводит к лопатке, имеющей, для большей части длины лопатки, увеличивающуюся толщину от переднего края 18 к ее задней поверхности 56. Фиг. 6b представляет, как нагнетающая или входная поверхность 46 рабочей лопатки имеет определенный наклон, тогда как утолщение на выходной поверхности 48 изменяет наклон выходной поверхности. Это также означает, что толщина лопатки на ее задней поверхности 56 увеличивается, если двигаться в направлении ступицы. Фиг. 6b также представляет, как передний край 18 рабочей лопатки 14 может быть закруглен, если такое будет сочтено необходимым, например, при использовании проточной машины для перекачивания волокнистых суспензий.
[0048] Другими словами, рабочая лопатка может иметь, для большей части ее длины, по существу, трапецеидальное, треугольное или четырехугольное сечение основной формы. Стороны трапеции, треугольника или четырехугольника, представляющие переднюю и заднюю поверхности 18, 28, 56 или поверхности или края рабочих лопаток 14, все словосочетания, использованные выше, могут быть более или менее закругленными, а две другие стороны, представляющие входную и выходную поверхности рабочей лопатки, могут не только быть линейными, но и изогнутыми. Приведенная выше конфигурация сечения лопатки применяется как к корневому участку лопатки, как представлено на Фиг. 3а-3с, так и лопатке на ее полную ширину, представленную на Фиг. 6b.
[0049] Общим признаком для всех сечений рабочей лопатки по настоящему изобретению является то, что передний край 18 рабочей лопатки 14 имеет меньшую толщину, чем задний край или поверхность 56 рабочей лопатки 14 для значительной части длины лопатки. Как рассматривалось ранее, увеличенная толщина задней поверхности рабочей лопатки продолжается от ступицы до расстояния 0,5*r - 1*r от оси ротора.
[0050] Опорное свойство корневого участка рабочей лопатки стало очевидно из приведенного выше описания. Но другое свойство корневого участка, т.е. его способность эффективно помогать в промывке уплотнительной камеры не рассматривалось еще подробно. Путем расположения опоры рабочих лопаток посредством корневого участка, выделенного отдельно для каждой рабочей лопатки на месте непрерывного опорного диска из предшествующего уровня техники, вход для текучей среды, которая должна быть накачана в уплотнительную камеру, обеспечивается. Другими словами, путем расположения корневых участков соседних рабочих лопаток на окружности на расстоянии (возможно небольшом, но все же существующем) друг от друга, промывочная текучая среда может легко течь по поверхности ступицы в уплотнительную камеру.
[0051] Задняя поверхность корневого участка рабочей лопатки может, в качестве альтернативы продолжающаяся в направлении вдоль окружности или в радиальной плоскости, при желании быть разработанной, чтобы иметь угловой наклон относительно направления вдоль окружности, см. Фиг.7. Задняя поверхность 56, таким образом, образует острый угол δ с направлением вдоль окружности, угол δ раскрыва в направлении R вращения ротора. Задняя поверхность 56 является, таким образом, расположена под углом δ относительно радиальной плоскости. Такая наклонная задняя поверхность 56 функционирует таким образом, что, когда ротор принимает текучую среду от впускного отверстия центробежной проточной машины и текучая среда поступает в область рабочей лопатки, то есть на обе стороны рабочей лопатки 14, задняя поверхность 56 корневого участка 44 эффективно перекачивает текучую среду к задней стороне ротора, т.е. в уплотнительную камеру. То же самое можно выразить также тем, что задняя поверхность 56 корневого участка поднимает давление в уплотнительной камере посредством чего текучая среда, уже присутствующая в уплотнительной камере, вынуждена двигаться в обратном направлении в область рабочих лопаток. Посредством обеспечения такой непрерывной циркуляции в уплотнительной камере, любые твердые вещества, присутствующие в текучей среде, не в состоянии собираться в уплотнительной камере, и легко смываются.
[0052] Вышеупомянутое свойство промывания может быть дополнительно улучшено за счет размеров ступицы и уплотнения так, чтобы диаметр ступицы был равен или меньше, чем уплотнение, в результате чего циркуляция текучей среды происходит непрерывно от меньшего радиуса в направлении большего радиуса. Это особенно важно, когда используемое уплотнение является скользящим кольцевым уплотнением, которое должно содержаться в чистоте. В таком случае диаметр вращающегося уплотнительного элемента, соединенного с вращающейся ступицей ротора, должен быть равен или больше, чем у ступицы. Это обеспечивает, что текучая среда, которая течет вдоль поверхности ступицы и между корневыми участками соседних рабочих лопаток, также течет вдоль внешней окружности вращающегося уплотнительного элемента, не оставляя никаких мертвых зон, где твердые частицы из текучей среды могут оседать.
[0053] Как можно видеть из приведенного выше описания стало возможным разработать конструкцию ротора для центробежной проточной машины, ротора, являющегося очень простым по его конструкции и несмотря на это способного выполнять свои задачи также, или даже лучше, чем любой другой намного более сложный ротор. Ротор согласно настоящему изобретению является менее дорогим в изготовлении, чем известные роторы по предшествующему уровню техники.
[0054] В то время как изобретение было описано здесь в виде примеров, в связи с чем, являющихся в настоящее время продуманными предпочтительными вариантами осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления, а предназначено для охвата различных комбинаций и/или модификаций его свойств и других применений в пределах объема изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.
1. Ротор для центробежной проточной машины, при этом ротор (10) имеет ступицу (12) с осью А и средство (42) для соединения ротора (10), при использовании, с валом (36) проточной машины (30), снабженным уплотнительной камерой(40), и по меньшей мере одну рабочую лопатку (14), продолжающуюся наружу от ступицы (12), причем рабочая лопатка (14) имеет передний край (18), входной край (22), выходной край (24), заднюю поверхность (56), входную поверхность (46) и выходную поверхность (48), при этом задняя поверхность (56), при использовании, обращена к уплотнительной камере (40), причем рабочая лопатка (14) образована из корневого участка (44) и лопастного участка (14'), интегрированных друг с другом, при этом рабочая лопатка (14), прикреплена к ступице (12) исключительно посредством корневого участка (44), отличающийся тем, что корневой участок (44) имеет, при присоединении к ступице (12), по существу трапецеидальное или треугольное сечение, имеющее стороны, представляющие входную поверхность (52), выходную поверхность (54), закругленный передний край (50) между входной поверхностью (52) и выходной поверхностью (54) и заднюю поверхность (56), противоположную переднему краю (50) корневого участка (44), причем задняя поверхность (56) по меньшей мере одной рабочей лопатки (14) образует острый угол δ с направлением вдоль окружности, при этом угол δ раскрывается в направлении R вращения ротора (10) для перекачивания текучей среды к уплотнительной камере (40) для промывки уплотнительной камеры (40).
2. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что корневой участок (44) имеет среднюю линию CL, идущую через передний край (50), а на задней поверхности (56) толщина S1, измеренная в направлении, перпендикулярном к средней линии CL корневого участка (44), представляет толщину S1 наибольшего размера корневого участка (44) рабочей лопатки (14).
3. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что закругленный передний край (50) имеет толщину S, равную толщине лопастного участка (14') в положении, где лопастной участок (14') присоединяется к корневому участку (44).
4. Ротор по п.3, отличающийся тем, что толщина S1 корневого участка (44), находящаяся на задней поверхности (56) близко к ступице (12), равна 3*S-5*S, где S является средней толщиной рабочей лопатки (14) в лопастном участке (14').
5. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что входная поверхность (52) и выходная поверхность (54) расположены близко к ступице (12), под углом α в диапазоне между 5 и 45 градусами.
6. Ротор по п. 2, отличающийся тем, что средняя линия CL расположена под углом β относительно осевого направления А, при этом угол β находится в диапазоне +/- 45 градусов.
7. Ротор по п. 2, отличающийся переходной линией или кривой (Т1, Т2, …, Т6) на выходной поверхности (48) рабочей лопатки, при этом толщина рабочей лопатки (14) увеличивается от толщины на переходной кривой (Т1, Т2, …, Т6) к толщине на задней поверхности (56) рабочей лопатки (14).
8. Ротор по п. 7, отличающийся тупым углом y между 135-180 градусами на переходной линии или кривой (Т1, Т2, …, Т6) между основными направлениями выходной поверхности (48) и выходной поверхности (54) рабочей лопатки в плоскости, перпендикулярной к входной поверхности (46) рабочей лопатки (14) и параллельной с осью А ротора (10).
9. Ротор по п. 1, отличающийся рабочей лопаткой (14), имеющей трапецеидальное или треугольное сечение в плоскости, перпендикулярной к входной поверхности (46) рабочей лопатки (14) и параллельной с осью А ротора (10), при этом сечение имеет стороны, представляющие передний край (18), входную поверхность (46), выходную поверхность (48) и заднюю поверхность (56) рабочей лопатки (14)
10. Ротор по п. 9, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из сторон трапецеидального или треугольного сечения, представляющая передний край (18), входной край (22) рабочей лопатки (14) и заднюю поверхность (56), является закругленной.
11. Ротор по п. 9, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из сторон трапецеидального или треугольного сечения, представляющая входную поверхность (46) и выходную поверхность (48), является изогнутой.
12. Ротор по п. 3 или 10, отличающийся тем, что закругленные края (50, 18, 56, 28, 22) имеют радиус 1/4*S-1/2*S, где S является средней толщиной края после закругления.
13. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что корневой участок (44) рабочей лопатки (14) продолжается на его задней поверхности (56) по меньшей мере на расстояние 0,5*радиус ротора (10) от оси А ротора (10).
14. Центробежная проточная машина, содержащая ротор по любому из предшествующих пунктов.
15. Центробежная проточная машина по п. 14, отличающаяся тем, что центробежная проточная машина (30) имеет уплотнение (38) вала с вращающимся уплотнительным элементом, соединенным со ступицей (12) ротора (10), при этом вращающийся уплотнительный элемент имеет диаметр и ступица (12) имеет диаметр, причем диаметр ступицы (12) равен или меньше, чем у вращающегося уплотнительного элемента.
16. Центробежная проточная машина по п. 14 или 15, отличающаяся тем, что проточная машина (30) представляет собой центробежный насос или нагнетатель.
