Патент на изобретение №2334899

(54) РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ОСЕДИАГОНАЛЬНОГО ШНЕКОВОГО НАСОСА

(57) Реферат:

Изобретение относится к насосостроению и касается конструкции рабочих колес оседиагональных шнековых насосов. Рабочее колесо насоса содержит винтовые лопасти, закрепленные на конусообразной полой втулке. Втулка имеет на входе перепускные каналы, а на выходе элементы гидродинамического или щелевого уплотнения. Наружная поверхность колеса, очерчиваемая лопастями при его вращении, выполнена конической, увеличивающейся в диаметре в направлении от входа к выходу, и с углом конусности, равным 10°÷40°. Плавно изогнутые лопасти колеса образуют диффузорные каналы. Винтовые поверхности лопастей спрофилированы с переменным шагом вдоль радиуса и по длине рабочего колеса по определенному закону, определяемому математическими выражениями. Изобретение направлено на повышение эффективности перекачивания жидкостей с повышенными вязкостью и содержанием механических примесей, производимого с помощью оседиагонального шнекового насоса, обладающего высокими антикавитационными и энергетическими качествами. 4 ил.

Изобретение относится к области насосостроения и может быть использовано в насосах с высокими антикавитационными и энергетическими качествами, перекачивающими жидкости с повышенными вязкостью и содержанием механических примесей.

Известно рабочее колесо оседиагонального шнекового насоса (SU 1002671 А1, 07.03.1983), содержащее винтовые лопасти, закрепленные на профилированной втулке и образующие плавно изогнутые диффузорные каналы. В известном колесе проточная часть имеет три плавно переходящих друг в друга входной-осевой, диагональный и выходной-осевой участки, а образующие поверхности лопастей представляют собой кривые, описываемые уравнением

где

r_i -текущий радиус рабочего колеса,

_i – угол установки лопасти на текущем радиусе рабочего колеса,

а и b – коэффициенты, имеющие определенные значения, установленные для каждого участка колеса: входного-осевого, диагонального и выходного-осевого, и учитывающие влияние толщины лопастей и диаметра втулки.

Однако рекомендуемые значения коэффициентов а и b не учитывают влияние наклона лопастей к оси рабочего колеса, что имеет значение при перекачивании жидкостей с повышенными вязкостью и содержанием механических примесей.

Известно также рабочее колесо оседиагонального насоса (SU 857563 А2, 23.08.1981), имеющее постоянный или переменный наружный диаметр, профилированную втулку и плавно изогнутые лопасти, образующие диффузорные каналы с углами раскрытия на периферии колеса Q=1°÷3°, а в остальных сечениях – Q=1°÷5°, проточная часть колеса имеет три плавно переходящих друг в друга входной-осевой, диагональный и выходной-осевой с лопастями и втулкой, спрофилированными с переменным градиентом изменения угла установки и диаметра, имеющими максимальное значение на диагональном участке и минимальное на выходном-осевом.

Недостатком известного колеса является то, что при перекачивании жидкостей с повышенными вязкостью и содержанием мехпримесей наличие осевых участков на входе и выходе колеса, ограниченных на наружном диаметре через радиальный зазор корпусом насоса, приводит к накоплению на периферии колеса вязкостного пограничного слоя с сепарированными мехпримесями, что приводит к повышенному сопротивлению вращения и даже заклиниванию колеса, а на диагональном участке из-за отсутствия ограничения на величину конусности может происходить при некоторых минимальных значениях угла конусности в зависимости от концентрации мехпримесей в перекачиваемой жидкости также заклинивание вращения колеса, а при некоторых максимальных углах конусности – к резкому изменению диффузорности межлопастных каналов при переходе от осевого участка к диагональному и невозможности обеспечения на периферии колеса рекомендуемых малых углов раскрытия Q=1°÷3°.

Наиболее близким к изобретению является рабочее колесо оседиагонального шнекового насоса, содержащее винтовые лопасти, закрепленные на конусообразной полой втулке, имеющей на входе перепускные каналы, а на выходе элементы гидродинамического или щелевого уплотнения, наружная поверхность колеса, очерчиваемая лопастями при его вращении, выполнена конической, увеличивающейся в диаметре в направлении от входа к выходу, плавно изогнутые лопасти колеса образуют диффузорные каналы (RU 2135835 С1, 27.08.1999).

Однако известное колесо недостаточно эффективно при перекачивании жидкостей с повышенными вязкостью и содержанием механических примесей.

Задачей изобретения является: при сохранении высоких антикавитационных и энергетических качеств, достигнутых в рабочих колесах оседиагональных шнековых насосов, обеспечить их эффективную работоспособность при перекачивании жидкостей с повышенными вязкостью и содержанием механических примесей.

Технический результат достигается тем, что в рабочем колесе оседиагонального шнекового насоса, содержащем винтовые лопасти, закрепленные на конусообразной полой втулке, имеющей на входе перепускные каналы, а на выходе элементы гидродинамического или щелевого уплотнения, наружная поверхность колеса, очерчиваемая лопастями при его вращении, выполнена конической, увеличивающейся в диаметре в направлении от входа к выходу, плавно изогнутые лопасти колеса образуют диффузорные каналы, согласно изобретению винтовые поверхности лопастей спрофилированы с переменным шагом вдоль радиуса и по длине рабочего колеса по закону

где

r_i – текущий радиус рабочего колеса,

_i – угол установки лопасти на текущем радиусе рабочего колеса,

a – коэффициент, учитывающий влияние угла наклона лопастей к оси колеса, определяемый из математических выражений:

– при изменяемом угле наклона лопастей к оси по длине колеса

(х)=var=0°÷40°,

где

– изменение угла наклона лопастей к оси колеса на дискретном участке (b_i),

– соответствующая угловая проекция лопасти в окружном направлении колеса на дискретном участке (b_i),

– при неизменяемом угле наклона лопастей к оси по длине колеса

(х)=const=0°÷40°,

где

r₁ и r₂ – расчетные радиусы в привтулочном сечении и на периферии колеса, соответственно,

y₁ и y₂ – поперечное смещение лопасти от оси в диаметральной плоскости в начале и в конце дискретного участка соответственно, а наружная коническая поверхность рабочего колеса, очерчиваемая лопастями при его вращении, выполняется с углами конусности в диапазоне _к=10°÷40°.

На фиг.1 изображено рабочее колесо оседиагонального шнекового насоса с изменяемым углом наклона лопастей к оси по длине колеса, (х)=var=0°÷40°.

На фиг.2 изображена развертка цилиндрического сечения лопасти на дискретном участке, сечение А-А на фиг.1.

На фиг.3 изображено рабочее колесо оседиагонального шнекового насоса с неизменяемым углом наклона лопастей к оси по длине колеса, (х)=const=0°÷40°.

На фиг.4 изображено сечение Б-Б на фиг.3.

Рабочее колесо оседиагонального шнекового насоса (см. фиг.1) содержит винтовые лопасти 1, закрепленные на конусообразной полой втулке 2, имеющей на входе перепускные каналы 3, а на выходе – элементы гидродинамического (винтоканавочные, импеллерные и др.) или щелевого уплотнения 4.

Винтовая форма лопастей рабочих колес оседиагональных шнековых насосов является оптимальной при перекачивании жидкостей с повышенными вязкостью и содержанием механических примесей (включений), т.к. наряду с естественной способностью “ввинчиваться” в перекачиваемую (с повышенной вязкостью) среду и перемещать ее в осевом направлении позволяет из-за малого числа лопастей (обычно для шнековых колес Z=2÷3) обеспечить максимальное проходное сечение межлопастных каналов и, за счет этого эффективно перекачивать жидкости с повышенным содержанием и размером механических примесей.

Влияние угла наклона лопастей к оси колеса при перекачивании жидкостей с повышенными вязкостью и содержанием механических примесей проявляется на периферии колеса в зоне взаимодействия лопастей с ограничивающей через радиальный зазор поверхностью корпуса. Из практики получено, что накопление вязкостного пограничного слоя с сепарированными мехпримесями не происходит, если наружный контур колеса имеет коническую форму с увеличивающимся диаметром в направлении от входа к выходу и углом конусности в диапазоне _к=10°÷40° в зависимости от относительного содержания и вида мехпримесей, а напорная сторона лопасти в меридианальном сечении составляет с наружным контуром колеса тупой угол, т.е. _л90° (см. фиг.1). В этом случае возникает необходимость учитывать влияние наклона лопастей (а) к оси колеса при профилировании винтовых лопастей с переменным шагом в соответствии с законом (1) путем учета этого влияния при расчете величины коэффициента a по математическим выражениям (2) и (3).

Практически при расчете рабочего колеса оседиагонального шнекового насоса реализуются два варианта профилирования винтовых лопастей переменного шага:

– с изменяемым углом наклона лопастей к оси по длине колеса, (х)=0°÷40°=var,

– с неизменяемым углом наклона лопастей к оси по длине колеса (х)=0°÷40°=const.

Это связано с тем, что обычно шнековые колеса изготавливаются на фрезерных станках с числовым программным управлением (ЧПУ), имеющих или не имеющих в своей кинематике угловое перемещение фрезерной головки (а), но в большинстве случаев имеющих продольную (X) и поперечную (У) подачу стола с заготовкой шнекового колеса.

Закону профилирования лопастей (1) соответствует примерно линейное изменение шага винтовой поверхности лопастей вдоль радиуса колеса. Как следует из (1), величина коэффициента “a” выражается для двух расчетных радиусов, разнесенных по высоте лопасти, в виде

При положительном значении коэффициента “а”, как следует из выражения (4), величина шага в привтулочном сечении колеса больше, чем на периферии колеса, т.е.

Такое сочетание шагов позволяет спрофилировать шнековое колесо по закону (1), по своим характеристикам близким к известному закону “свободной циркуляции”

где

V_ui – окружная составляющая абсолютной скорости потока, а это, как известно из положений гидродинамики гидромашин, позволяет получить наиболее равномерное распределение эпюры осевых скоростей, обеспечивающее течение потока с минимальными гидравлическими потерями, т.е. обеспечить в шнековом рабочем колесе высокие энергетические качества. Условие сочетания шагов (5) целесообразно выполнять в заходной части шнекового рабочего колеса, где обычно из условия получения высоких антикавитационных качеств назначается минимальный диаметр втулки, а высота лопасти и проходное сечение колеса получаются максимальными (см. фиг.1).

Кроме того, профилирование шнекового рабочего колеса при условии (5) обеспечивает получении наилучших прочностных качеств лопастей, т.к. смещение “гидравлической нагруженности” лопастей в привтулочные сечения колеса уменьшает плечо приложения, а следовательно, и величину изгибающего момента от равнодействующей эпюры перепада давления на лопасти.

На выходе из шнекового рабочего колеса, где высота лопасти уменьшается, а поток приобретает радиальное направление течения, профилирование шнекового рабочего колеса целесообразно выполнять по закону (1), по своим характеристикам близким к известному закону “твердого тела”, т.е.

что соответствует профилированию лопастей при отрицательных значениях коэффициента “а”, рассчитанных из выражения (4) при выполнении условия

которое выражает смещение “гидравлической нагруженности” лопастей на выходе к периферии шнекового рабочего колеса, что и требуется для радиально выходящего потока из рабочего колеса в отвод насоса.

Таким образом, при вращении колеса поток жидкости с повышенными вязкостью и содержанием мехпримесей входит в колесо и под воздействием лопастей 1 приобретает закрутку в окружном направлении и направляется в осевом направлении ограничивающими коническими поверхностями втулки 2 и наружного контура колеса. При наличии закрутки под воздействием центробежных сил происходит сепарация вязкостного пограничного слоя и мехпримесей к периферии колеса, где благодаря конусности наружного контура колеса и винтовой формы лопастей 1 происходит беспрепятственное (без накопления) перемещение жидкости к выходу из колеса в отвод насоса. При этом благодаря профилированию лопастей по закону (1) в рабочем колесе обеспечивается получение одновременно высоких антикавитационных и энергетических качеств. На выходе из колеса часть жидкости (утечки) под действием перепада давления на динамическом уплотнении 4 перетекает в полость под втулкой 2, из которой эти утечки отводятся через перепускные отверстия 3 на вход в колесо в основной поток жидкости, чем обеспечивается низкое давление под втулкой 2 колеса и его разгрузка от осевой силы.

Формула изобретения

Рабочее колесо оседиагонального шнекового насоса, содержащее винтовые лопасти, закрепленные на конусообразной полой втулке, имеющей на входе перепускные каналы, а на выходе элементы гидродинамического или щелевого уплотнения, наружная поверхность колеса, очерчиваемая лопастями при его вращении, выполнена конической, увеличивающейся в диаметре в направлении от входа к выходу, плавно изогнутые лопасти колеса образуют диффузорные каналы, отличающееся тем, что винтовые поверхности лопастей спрофилированы с переменным шагом вдоль радиуса и по длине рабочего колеса по закону

r_i·(tg_i+a)=const,

где r_i – текущий радиус рабочего колеса;

_i – угол установки лопасти на текущем радиусе рабочего колеса;

a – коэффициент, учитывающий влияние угла наклона лопастей к оси колеса, определяемый из математических выражений

при изменяемом угле наклона лопастей к оси по длине колеса

(х)=var=0÷40°,

где – изменение угла наклона лопастей к оси колеса на дискретном участке (b_i);

– соответствующая угловая проекция лопасти в окружном направлении колеса на дискретном участке (b_i);

при неизменяемом угле наклона лопастей к оси по длине колеса

(х)=const=0÷40°,

где r₁ и r₂ – расчетные радиусы в привтулочном сечении и на периферии колеса, соответственно;

y₁ и y₂ – поперечное смещение лопасти от оси в диаметральной плоскости в начале и в конце дискретного участка, соответственно,

а наружная коническая поверхность рабочего колеса, очерчиваемая лопастями при его вращении, выполняется с углами конусности в диапазоне _к=10÷40°.

РИСУНКИ