ЛОПАСТНЫЙ НАСОС Российский патент 1994 года по МПК F04D29/66 

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в насосостроении при проектировании насосов с широким эксплуатационным диапазоном работ по подаче.

Известна конструкция лопастного насоса, в котором перед рабочим колесом установлена перепускная камера, которая устраняет кавитационные автоколебания на тех режимах, когда обратные токи полностью отбираются камерой [1].

Однако конструкция не является эффективной с энергетической точки зрения, поскольку в перепускной камере происходит практически полная потеря энергии закрутки противотоков.

Наиболее близким техническим решением является конструкция лопастного насоса с перепускной камерой, в которой установлена спрямляющая решетка, служащая для преобразования кинетической энергии "закрученных" противотоков в статическую энергию давления. В спрямляющей решетке происходит полная раскрутка потока, т.е. угол потока на выходе из решетки равен приблизительно 90^о. Применение такой конструкции насоса приводит к улучшению его антикавитационных свойств на режимах малых подач [2].

К недостаткам данной конструкции относится слабое влияние установки спрямляющей решетки на напорную характеристику насоса. Поэтому, если лопастной насос имел неустойчивую ветвь напорной характеристики, то она чаще всего сохраняется и для конструкции. Это часто приводит к потере устойчивости гидравлической системы с насосом, в основе механизма которой лежат помпажные явления.

Цель изобретения - обеспечение устойчивой работы гидравлической системы с лопастным насосом путем повышения напора на режимах малых подач.

Это достигается тем, что в лопастной насос, состоящий из рабочего колеса и входного патрубка, установлена перепускная камера с направляющей лопастной решеткой, лопатки направляющей решетки выполнены серповидными, при этом решетка расположена от рабочего колеса на осевом расстоянии, равном 0,3-0,5 калибра диаметра входного патрубка, и лопатки решетки на входе установлены под углом 25-30^о, а на выходе - под углом 150-160^о относительно фронта решетки.

Предлагаемое техническое решение отличается от прототипа тем, что лопатки направляющей решетки выполнены серповидными, при этом решетка расположена от рабочего колеса на осевом расстоянии, равном 0,3-0,5 калибра диаметра входного патрубка, и лопатки решетки на входе установлены под углом 25-30^о, на выходе из решетки - 150-160^оотносительно фронта решетки.

Экспериментальные исследования показали, что для зоны противотоков на периферии отношение меридиональной составляющей скорости потока к окружной является постоянным для всех подач и вдоль оси трубопровода: = -0,344 = const, т. е. направление потока к направлению окружной скорости составляет приблизительно -19^о, поэтому угол установки лопастей, в решетке на входе принят на 6-11^о больше (19^о), что обеспечивает натекание потока на лопатки с нулевым или небольшим положительным углом атаки. Для создания значительной "отрицательной" закрутки потока на выходе из решетки угол установки лопаток на выходе должен составлять 150-160^о. Фактический угол выхода потока из решетки несколько меньше из-за отставания потока от лопатки.

В этом случае поток, выходящий из решетки, "закручен" в сторону, противоположную вращению рабочего колеса, т.е. С_и < 0. Путем турбулентной вязкости указанная отрицательная закрутка передается основному потоку, втекающему в рабочее колесо. Тогда, согласно уравнению Эйлера происходит возрастание напора насоса
H_т= - , (1) где С_2и и С_1и - окружная составляющая скорости потока на выходе из рабочего колеса и на входе в него соответственно;
U₂ и U₁ - окружная скорость на наружном диаметре рабочего колеса D₂и на диаметре канала входных кромок лопаток колеса на входе D₁соответственно.

Поскольку С_1и < 0, то из уравнения (1) следует, что напор насоса повышается. При этом, чем меньше величина подачи Q, тем больше значение |C_1и| и тем существеннее повышение напора насоса на режимах малых подач, что приводит к уменьшению градиента напора от подачи, что делает систему более устойчивой по отношению к низкочастотным помпажным колебаниям.

На фиг. 1 и 2 изображена конструкция лопастного насоса. Насос состоит из лопастного рабочего колеса 1, перепускной камеры 2, в которой установлена решетка 3, со серповидными лопатками 4. Перепускная камера 2 размещена во входном патрубке 5 насоса. Вход потока в нее расположен на расстоянии 0,3-0,5 калибра диаметра входного патрубка 5 насоса. Располагать начало перепускной камеры ближе указанного расстояния нецелесообразно, так как в этом случае поток на входе в камеру существенно неосесимметричен, располагать на большем расстоянии также нецелесообразно, так как теряется энергия противотоков из-за трения о стенки трубопровода.

Работа предлагаемой конструкции на режимах малых подач.

Из рабочего колеса 1 во входной патрубок насоса 5 выходят сильно закрученные в сторону вращения колеса противотоки, которые поступают в перепускную камеру 2, где из-за силового воздействия серповидных лопаток 4 решетки 3 и противотоков происходит во входной половине решетки лопаток 3 раскрутка потока, а в выходной половине решетки 3 - закрутка потока противотоков в направлении, противоположном направлению вращения рабочего колеса. "Закрученный" поток поступает во всасывающую магистраль, где из-за действия турбулентных сил вязкости "закручивает" основной поток в направлении, противоположном направлению вращения рабочего колеса, в результате чего происходит возрастание напора насоса на режимах малых подач.

П р и м е р. Минимальная подача насоса составляет 20% от номинальной. Окружная скорость противотоков на входе в решетку составляет 0,75 U_н, где U_н - окружная скорость входных кромок лопастей колеса на периферии. Угол потока на периферии составляет приблизительно 19^о. Угол установки лопастей колеса 30^о. Угол атаки потока при входе на лопасти меньше 11^о, так как решетка установлена на диаметрах, больших внутреннего диаметра трубопровода (входного патрубка), поэтому из-за уменьшения С_и при переходе потока на большие диаметры угол входа потока в решетку возрастает, что приводит к уменьшению угла атаки.

Величина густоты решетки τ= 3, где L_л - длина лопастей в решетке;
Z - число лопастей;
D - диаметр решетки.

Для такой решетки коэффициент, учитывающий влияние конечного числа лопастей в решетке, приблизительно равен р≈ 0,5. Тогда при равенстве меридианальных скоростей в решетке и принятие угла установки лопастей на выходе из решетки βг.л.р = 150^о, получаем
C_2иp= - = - = -0,5 U_н. Знак минус означает, что окружная составляющая скорости потока, вытекающего из решетки, по направлению противоположна окружной скорости вращения центробежного колеса.

Согласно зависимости относительный расход обратных токов
Q′о

Естественно, что такой мощный закрученный поток вызывает существенную закрутку основного потока, что согласно формуле (1) приводит к возрастанию напора насоса на режимах малых подач. Можно полагать, что для насосов с коэффициентом быстроходности n_s = 80-150 напор насоса на режимах малых подач возрастает на 20-30%.

Сущность изобретения: обеспечение устойчивой работы гидравлической системы с лопастным насосом путем повышения напора на режимах малых подач. В насосе, состоящем из рабочего колеса 1 и входного патрубка 5, где установлена перепускная камера 2 с направляющей лопастной решеткой Р 3, лопатки 4 Р 3 выполнены серповидными. Р 3 расположена от колеса 1 на осевом расстоянии, равном 0,3 0,5 калибра диаметра патрубка 5. Лопатки 4 Р 3 на входе установлены под углом 25 - 30°, а на выходе - под углом 150 - 160° относительно фронта Р 3. 2 ил.

ЛОПАСТНОЙ НАСОС, состоящий из рабочего колеса и входного патрубка, в котором установлена перепускная камера с направляющей лопастной решеткой, отличающийся тем, что, с целью обеспечения устойчивой работы гидравлической системы с лопастным насосом путем повышения напора насоса на режимах малых подач, лопатки направляющей решетки выполнены серповидными, при этом решетка расположена от рабочего колеса на осевом расстоянии, равном 0,3 - 0,5 калибра диаметра входного патрубка, и лопатки решетки на входе установлены под углом 25 - 30^o, а на выходе из решетки - под углом 150 - 160^o относительно фронта решетки.