Рабочее колесо для канализационного насоса
Рабочее колесо (2) для центробежных насосов с по меньшей мере одной лопастью (12). Рабочее колесо (2) используется для подачи сред, содержащих твердые вещества. Угол α представляет собой угол между передней кромкой (17) лопасти (12) и окружным направлением. Угол (3) при этом является углом между передней кромкой (17) лопасти (12) и меридиональным направлением. В зависимости от преобладающей скорости соответствующие углы α, β выполнены меньше 90°, предпочтительно меньше 70°, в частности меньше 50°. Во внутренней области угол β меньше или равен 45°, причем этот диапазон получается исходя из величины соответствующей скорости, причем при аксиальном входе в рабочее колесо при использовании коэффициента расхода получается предельный радиус Rq=Ra⋅ϕ. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.
Данное изобретение касается рабочего колеса для центробежных насосов с, по меньшей мере, одной лопастью для подачи сред, содержащих твердые вещества.
В центробежных насосах для подачи сред, содержащих твердые вещества, могут использоваться различные рабочие колеса, например, канальные рабочие колеса, свободновихревые рабочие колеса или однолопастные колеса. В случае канальных рабочих колес речь идет об открытых или закрытых рабочих колесах с уменьшенным количеством лопастей. Хорошо зарекомендовали себя 1, 2 или 3 лопасти в рабочих колесах радиальных или диагональных насосов.
Для подачи сред, содержащих твердые вещества, применяются также свободновихревые насосы. Такие свободновихревые насосы называются также вихревыми насосами, мощность которых от вращающегося, снабженного лопастями диска, так называемого свободновихревого колеса передается на текущую среду.
Помимо этого, в области очистки сточных вод могут применяться и полузакрытые рабочие колеса.
При конструировании рабочих колес форма лопасти играет решающую роль. В частности, большое значение имеет конструкция передней кромки. В канализационных насосах эта передняя кромка зачастую покрывается волокнами, имеющимися в транспортируемой среде. Обычно эти волокна не уносятся с передней кромки рабочего колеса, так как из-за сопротивления потоку на стороне разрежения и на напорной стороне соответствующие силы сопротивления находятся в равновесии. Если начинается отложение волокон на передних кромках, то могут наслаиваться и другие волокна, так что могут возникать большие скопления. Такому процессу особенно способствует обеспечение больших шаровых проходов. Шаровой проход является важным параметром для определения пригодности к применению канализационных насосов. Шаровой проход обозначает также свободный, не суженный проход рабочего колеса и описывает максимально допустимый диаметр твердых веществ, обеспечивающий не забивающийся проход.
Необходимые для достаточного шарового прохода большие проходные сечения способствуют образованию отложений. В частности, при частичной нагрузке, например, при небольших объемных потоках большие проходные сечения приводят к образованию застойных зон, по которым поток не проходит. Эти застойные зоны приводят к блокировкам. В частности, если необходим большой шаровой проход, то обычно возникают такие отложения на лопастях, в частности, на передних кромках.
В случае однолопастных колес такие отложения приводят к тому, что для работы центробежного насоса требуется большая мощность. В случае многолопастных колес из-за этих отложений может также возникать асимметричный поток в каналах. Такие асимметричные потоки оказывают влияние не только на требуемую мощность, но и на перекачиваемый объемный поток, а также на напор.
В заявке DE 4015331 А1 описано рабочее колесо всего с одной лопастью. Это изготовленное методом литья однолопастное колесо между передним защитным диском и задним несущим диском образует канал, поперечное сечение которого на входе однолопастного колеса уменьшается к выходу. Сторона разрежения на первых 180° угла поворота образует полуокружность, расположенную концентрично оси вращения. Однолопастное колесо выполнено таким образом, что предотвращается возникновение кавитационной эрозии.
В противоположность однолопастным колесам рабочие колеса с несколькими лопастями характеризуются более высоким кпд. Однако, к таким рабочим колесам также предъявляются особые требования по препятствованию образованию отложений твердых компонентов. В случае многолопастных рабочих колес должны приниматься особые меры для предотвращения засоров.
Из международной публикации WO 2015/000677 А1 среди прочего раскрыт пригодный для сточных вод насос с лопастями, который имеют изогнутую назад форму, начиная от ступицы.
В европейском патенте DE 2855385 В1 и в европейской заявке ЕР 0114932 А1 описано однолопастное рабочее колесо для транспортирования сред, содержащих всплывающие, длинноволокнистые твердые вещества, соответственно, вязко-текучих сред, причем выгрузочный конец лопасти с зазором ометает стенку корпуса, лежащую радиальной плоскости.
Из европейской заявки ЕР 0874161 А1 известен циркуляционный насос с рабочим колесом, которое имеет одну единственную лопасть винтовой формы.
В патенте DE 102011007907 В3 раскрыто рабочее колесо для циркуляционного насоса, имеющее по меньшей мере две лопасти, для транспортировки сред, содержащих твердые вещества.
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить рабочее колесо для канализационного насоса, в котором отложения эффективно предотвращаются. В частности, должно предотвращаться отложение волокон на передних кромках. К тому же, это рабочее колесо должно обеспечивать максимально высокий кпд используемого центробежного насоса. Далее, должно предотвращаться возникновение кавитационной эрозии.
Эта задача, согласно изобретению, решается посредством рабочего колеса с признаками независимого пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты раскрыты в зависимых пунктах формулы, в описании и на чертежах.
Согласно изобретению α - угол между передней кромкой лопасти и окружным направлением, а β - угол между передней кромкой лопасти и меридиональным направлением, причем в зависимости от преобладающей скорости соответствующий угол α и/или β выполнен меньше 90°, предпочтительно меньше 70°, в частности, меньше 50°. Под углом α понимается угол между передней кромкой лопасти и окружным направлением. Под углом β понимается угол между передней кромкой лопасти и меридиональным направлением.
Для решения проблемы отложений на лопасти учитывается сопротивление потоку волокон при их транспортировке вдоль передних кромок лопастей. При этом скорость попадания на переднюю кромку раскладывается на нормальную составляющую и тангенциальную составляющую. Нормальная составляющая действует прижимающим образом. Тангенциальная составляющая обеспечивает транспортировку волокон. При гидродинамическом анализе может рассматриваться как вращающаяся система, так и не вращающаяся система. Поскольку относительная скорость может быть разложена на составляющие в окружном направлении и в меридиональном направлении, то этим направлениям могут соответствовать и определенные силовые составляющие.
В одном особенно благоприятном варианте выполнения данного изобретения угол β меньше или равен 45°. Альтернативно или дополнительно угол α тоже может быть меньше или равен 45°. Предлагаемый изобретением подход приводит к тому, что во внутренних областях угол β следует делать меньшим или равным 45°, а во внешних областях угол а следует выполнять меньшим или равным 45°.
Если разделять соответственно преобладающие области по величине соответствующей скорости, при условии cm=u, то при аксиальном входе в рабочее колесо при использовании коэффициента, расхода 
получается предельный радиус Rgrenz=Rα⋅ϕ. Предпочтительно ϕ лежит в диапазоне между 0,3 и 0,6. Под скоростью и понимается окружная скорость. Символом Rα обозначается внешний радиус лопасти.
В области рециркуляции меридиональные скорости во внутренней области сильно возрастают, так что углу β в этом направлении придается повышенное значение.
Предлагаемое изобретением рабочее колесо позволяет эксплуатировать центробежный насос также в рабочем диапазоне с низкими коэффициентами быстроходности и малыми окружными скоростями. Вследствие неустановившегося характера создаваемая посредством предлагаемого изобретением рабочего колеса характеристика потока положительно воздействует на параметры подачи.
Благодаря предлагаемому изобретением подходу, а именно транспортировке волокон вдоль передних кромок лопастей под действием тангенциальных составляющих соответствующей доминирующей скорости, как в случае однолопастных колес, так и в случае многолопастных колес может обеспечиваться улучшение мощностной характеристики насоса, а также улучшенная транспортировка без засоров. В случае однолопастных рабочих колес известно решение при таком подходе в сочетании с диагональной формой потока в меридиональном сечении.
После своей транспортировки вдоль передней кромки лопасти волокна скользят по асимметричной и сглаженной ступице прямо в канал лопасти.
В случае полузакрытых многолопастных колес такая транспортировка происходит и направлении острия лопасти, где направляющие или транспортировочные канавки могут принимать на себя дальнейшую обработку волокон.
Для того, чтобы можно было использовать действие большей по своей величине доли скорости, должны преобладать небольшие углы β, предпочтительно менее 45° в зоне малых предельных радиусов Rq, и небольшие угла α, предпочтительно менее 45°, в области больших предельных радиусов Rq.
В одном особенно благоприятном варианте выполнения данного изобретения рабочее колесо выполнено полузакрытым. Это оказывается предпочтительным, если это рабочее колесо выполнено как радиальное колесо. Рабочее колесо может иметь одну или более лопастей. В одном особенно предпочтительном варианте выполнения данного изобретения рабочее колесо имеет две лопасти.
Другие признаки и преимущества данного изобретения вытекают из описания примеров осуществления с привлечением чертежей и из самих этих чертежей чертежи.
На чертежах показано следующее.
Фиг. 1 аксиальное сечение канализационного насоса,
Фиг. 2 вид со стороны всасывающего патрубка представленного на Фиг. 1 канализационного насоса,
Фиг. 3 вид в перспективе в частичном разрезе области всасывающего патрубка,
Фиг. 4 сечение области всасывающего патрубка,
Фиг. 5 вид сверху рабочего колеса,
Фиг. 6 половина изображения в перспективе рабочего колеса,
Фиг. 7 определение угла β на схематичном виде сбоку входной области лопасти,
Фиг. 8 определение угла α на виде сверху рабочего колеса.
На Фиг. 1 показан вид в разрезе канализационного насоса. В случае представленного на Фиг. 1 центробежного насоса речь идет о погружном насосе. Сточные воды, смешанные с примесями, через всасывающий патрубок 1 поступают в насос. Рабочее колесо 2 без возможности проворачивания соединено с валом 3, который приводит во вращение рабочее колесо 2. Рабочее колесо 2 помещено в корпусе 4 насоса, в данном примере, выполненном в виде спирального кожуха.
Во всасывающий патрубок 1 насоса выступает вставка 5, которая в этом примере осуществления выполнена как износостойкая стенка или, соответственно, кольцо для компенсации износа. Вал 3 приводится во вращение приводом 6, который в данном примере осуществления выполнен как электродвигатель. Привод 6 содержит ротор 7 и статор 8.
Корпус 4 насоса герметизируется посредством крышки 9 корпуса. Крышка 9 корпуса контактным уплотнительным кольцом 10 уплотнена относительно вала 3. Вал 3 установлен посредством подшипниковых элементов 11.
На Фиг. 2 показан вид центробежного насоса со стороны всасывающего патрубка 1. Рабочее колесо 2 согласно Фиг. 2 содержит две лопасти 12. Рабочее колесо 2 в своей середине имеет ступицу 13 и посредством крепежного средства через эту ступицу 13 соединено с валом 3.
Через напорный патрубок 14 текучая среда выходит из центробежного насоса.
На Фиг. 3 показан вид в перспективе и в частичном разрезе конструктивных элементов, образующих всасывающий патрубок 1. Вставка 5 закреплена на корпусе 4 насоса. Для этого на вставке 5 предусмотрено несколько сверленых отверстий 15. Через эти сверленые отверстия 15 вставка 5 может с помощью крепежных средств крепиться на корпусе 4 насоса.
Рабочее колесо 2 согласно изображению на Фиг. 3 вращается против часовой стрелки. Рабочее колесо 2 выполнено с двумя лопастями 12, которые закреплены на несущем диске 16. В указанных примерах осуществления обе лопасти 12 и несущий диск 16 выполнены в виде единого целого. Лопасти 12 имеют изогнутую форму.
Среда, содержащая твердые примеси, течет аксиально через всасывающий патрубок 1 на рабочее колесо 2 и уходит радиально наружу с рабочего колеса 2, так что эта среда покидает центробежный насос через напорный патрубок 14.
Лопасти 12 имеют изогнутую назад форму. Все лопасти 12 рабочего колеса 2 выполнены конгруэнтными друг другу и имеют одинаковую форму. Каждая лопасть 12 проходит от ступицы 13 с изгибом радиально наружу. На изображении по Фиг. 3 обе лопасти 12 смещены относительно друг друга на 180°.
На Фиг. 4 показан вид в разрезе области всасывающего патрубка согласно изображению на Фиг. 3. В случае вставки 5 речь идет о неподвижной детали. Рабочее колесо 2 является вращающимся конструктивным элементом. Лопасти 12 проходят, начиная от ступицы 13, радиально наружу по изогнутой назад форме.
Это еще раз представлено на Фиг. 5.
На Фиг. 6 показана половина рабочего колеса 2 в виде изображения в перспективе, вид сбоку. Область ступицы 13 здесь чисто для иллюстрации конструктивного выполнения рабочего колеса представляет собой два цилиндрических тела. При конструировании рабочего колеса 2 от такой цилиндрической формы можно отказаться.
От ступицы 13 начинается передняя кромка 17 каждой лопасти 12. Передняя кромка 17 каждой лопасти 12 проходит между двумя точками А и В.
На Фиг. 7 черным показана область передней кромки 17. Угол β получается между двумя вспомогательными линиями 18 и 19. Согласно изобретению, угол β меньше или равен 45°. Угол β при этом представляет собой угол между передней кромкой 17 лопасти 12 и меридиональным направлением. При этом угол β указывает угол в относительной системе. В абсолютной системе этот угол обозначен как α. При этом угол α описывает угол между передней кромкой 17 лопасти 12 и окружным направлением. Оба угла α или β согласно изобретению меньше или равны 45°.
На Фиг. 8 показано на виде сверху рабочего колеса определение угла α. Этот угол α измеряется между окружным направлением, т.е. между направлением по окружности и касательной в точке на передней кромке лопасти на рассматриваемом радиусе.
αi - угол на внутреннем радиусе Ri, αq - угол α на предельном радиусе Rq и αa - угол на внешнем радиусе Ra.
1. Рабочее колесо для центробежных насосов с по меньшей мере одной лопастью (12) для подачи среды, содержащей твердые вещества, с углом α между передней кромкой (17) лопасти (12) и окружным направлением и с углом β между передней кромкой (17) лопасти (12) и меридиональным направлением, причем в зависимости от преобладающей скорости соответствующие углы (α, β) выполнены меньше 90°, предпочтительно меньше 70°, в частности меньше 50°,
отличающееся тем,
что во внутренней области угол β меньше или равен 45°, причем этот диапазон получается исходя из величины соответствующей скорости, причем при аксиальном входе в рабочее колесо при использовании коэффициента расхода 
получается предельный радиус Rq=Ra⋅ϕ,
где ϕ - коэффициент расхода,
cm - меридиональная скорость,
u - окружная скорость,
Rq - предельный радиус лопасти и
Ra - внешний радиус лопасти.
2. Рабочее колесо по п. 1, отличающееся тем, что это рабочее колесо (2) имеет только одну лопасть (12).
3. Рабочее колесо по п. 1 или 2, отличающееся тем, что это рабочее колесо (2) имеет более одной лопасти (12), предпочтительно только две лопасти (12).
4. Рабочее колесо по п. 1 или 2, отличающееся тем, что это рабочее колесо (2) выполнено полузакрытым.
5. Рабочее колесо по п. 1 или 2, отличающееся тем, что это рабочее колесо (2) выполнено как радиальное колесо.
