РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ШНЕКОВОГО НАСОСА Российский патент 1997 года по МПК F04D3/02 F04D29/66 

Изобретение относится к области насосостроения и может быть использовано при создании насосов с высокими энергетическими и антикавитационными качествами, а также длительным ресурсом работы.

Известно рабочее колесо оседиагонального насоса, содержащее втулку и закрепленные на ней 2/3 винтовые лопасти. Рабочее колесо выполнено с тремя плавно переходящими друг в друга участками, причем угол установки лопастей и диаметр втулки на двух участках выполнены с переменным градиентом изменения по длине колеса, а углы расширения диффузорных межлопастных каналов имеют значения θ 1^o-3^o для периферийного сечения, q 1^o-5^o для остальных сечений (авт.св. СССР N 857563, F 04 D 3/00, 1981).

Однако для достижения максимальных антикавитационных качеств втулка изготавливается минимального диаметра. Уменьшение диаметра втулки на входе приводит к увеличению высоты лопасти и возрастанию изгибающего момента, возникающего на ней от перепада давления. Это приводит к снижению прочности лопасти и, как следствие, снижает ресурс и надежность работы рабочего колеса.

Наиболее близким к описываемому изобретению является рабочее колесо шнекового насоса, содержащее втулку и закрепленные на ней винтовые лопасти с трапецеидальными поперечными сечениями и заостренными входными кромками и коническим участком со стороны входа на каждой из лопастей. Толщина лопасти в известном решении выбирается минимальной для уменьшения загромождения сечения и улучшения антикавитационных качеств. Толщина лопасти в корневом сечении равна 0,015-0,02 от длины лопасти в ее корневом сечении (Овсянников Б. В. Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. М. Машиностроение, 1979, с. 209, 210, рис. 3.60 а, b).

Однако, учитывая, что рабочее колесо шнекового насоса находит применение при высоких окружных скоростях вращения (150-350 м/с), а выбираемая толщина лопасти в корневом сечении не учитывает влияния высоких окружных скоростей вращения рабочего колеса, то это приводит к разрушению лопастей колеса.

Кроме того, здесь не учитываются прочностные качества материала для изготовления рабочего колеса, а также относительный диаметр втулки

где D_н диаметр втулки на входе, м;
D_т наружный диаметр рабочего колеса, м.

Чем меньше относительный диаметр втулки, тем больше высота лопасти, и тем больше ее нагруженность от гидродинамических сил, что приводит к снижению прочности лопасти и, как следствие, снижает ресурс и надежность работы рабочего колеса.

В основу изобретения поставлена задача создания рабочего колеса шнекового насоса, в котором за счет выполнения толщины лопастей в корневых сечениях на длине конического участка с увеличением от заостренной входной кромки до специальным образом определенной толщины обеспечивается увеличение прочности лопастей при одновременном сохранении повышенных антикавитационных качеств.

Указанная задача решается за счет того, что в рабочем колесе шнекового насоса, содержащем втулку и закрепленные на ней винтовые лопасти с трапецеидальными поперечными сечениями с заостренными входными кромками и коническими участками со стороны входа на каждой из лопастей, согласно изобретению, толщина S_н лопастей в корневых сечениях на длине конического участка монотонно возрастает от толщины заостренной входной кромки до величины, определяемой из математического выражения:

где D_т наружный диаметр рабочего колеса, м;
n частота вращения рабочего колеса, об/мин;
относительный диаметр втулки рабочего колеса;
D_н диаметр втулки рабочего колеса, м;
[σ] допустимое напряжение материала лопастей, Па;
относительная плотность перекачиваемой жидкости;
ρ плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³;
r_в 10³ кГ/м³ плотность воды.

Выполнение лопастей толщиной S_н в корневых сечениях на длине конического участка с монотонным увеличением от толщины заостренной входной кромки до величины, определяемой из математического выражения:

обеспечивает увеличение прочности лопастей за счет выбора достаточной толщины лопастей и обеспечивает минимальное загромождение проходного сечения и плавное поступление потока с минимальными потерями в межлопастные каналы, что обеспечивает повышение антикавитационных качеств.

Монотонное увеличение толщины лопастей позволяет потоку перекачиваемой жидкости плавно обтекать лопасти и не создавать на лопастях избыточные гидродинамические нагрузки.

На фиг. 1 изображено рабочее колесо шнекового насоса, продольный разрез; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1.

Рабочее колесо шнекового насоса содержит втулку 1, закрепленные на ней винтовые лопасти 2 (число лопастей от 2 до 5) с трапецеидальными поперечными сечениями и заостренными входными кромками 3 и коническими участками 4 со стороны входа 5 на каждой из лопастей 2.

Втулка 1 может быть выполнена как цилиндрической, так и с плавноизогнутым контуром.

Толщина S_н лопастей в корневых сечениях на длине конического участка 4 монотонно увеличивается от толщины заостренной входной кромки 3 до величины, определяемой из математического выражения:

Значение относительной плотности выбирается в зависимости от плотности r перекачиваемой жидкости.

В тексте приведены наиболее часто встречающиеся значения относительной плотности:
0,84 для керосина;
1,0 для воды;
1,15 для жидкого кислорода;
1,5 для азотной кислоты.

Работа шнекового насоса происходит следующим образом.

Поток жидкости с углом атаки в осевом направлении обтекает входные кромки 3 лопастей 2 и входит в межлопастные каналы рабочего колеса. При этом, за счет угла атаки набегающего потока, на лопастях 2 возникает перепад давления DP. Лопасти 2, закрепленные консольно на втулке 1, под действием перепада давления воспринимают изгибные деформации относительно места закрепления. Далее поток жидкости движется в межлопастном канале вдоль лопастей 2 и нагрузка на лопасти 2 снижается из-за уменьшения интенсивности воздействия потока жидкости на лопасти 2.

Далее приведен пример расчета толщины лопасти шнекового насоса с частотой вращения n 15000 об/мин, перекачивающего жидкий кислород с относительной плотностью ρ 1,15, с относительным диаметром втулки 0,44 и допускаемым напряжением материала лопасти (никелевого сплава ВНС 25) [σ] 800•10⁶ МПа.

Выбираем значение числового коэффициента в уравнении (1): 0,83

Выполнение лопастей толщиной S_н в корневых сечениях на длине конического участка с монотонным увеличением от толщины заостренной входной кромки до специальным образом определяемой величины позволяет увеличить прочность лопастей за счет выбора достаточной толщины лопастей и обеспечивает минимальное загромождение проходного сечения и плавное поступление потока жидкости с минимальными потерями в межлопастные каналы, что обеспечивает повышенные антикавитационные качества.

Рабочее колесо шнекового насоса прошло успешные испытания, которые показали его высокие прочностные характеристики и антикавитационные качества.

Использование: в насосостроении при создании насосов с высокими энергетическими и антикавитационными качествами и длительным ресурсом работы. Сущность изобретения: толщина S_н лопастей в корневых сечениях на длине конического участка со стороны входа выполнена монотонно возрастающей от толщины заостренной входной кромки до величины, определяемой из математического выражения. Математическое выражение определяет соотношения размеров между основными размерами рабочего колеса шнекового насоса, скоростью его вращения, параметрами перекачиваемой среды и материала лопастей. 2 ил.

Рабочее колесо шнекового насоса, содержащее втулку и закрепленные на ней винтовые лопасти с трапецеидальными поперечными сечениями, с заостренными входными кромками и коническим участком со стороны входа на каждой из лопастей, отличающееся тем, что толщина S_н лопастей в корневых сечениях на длине конического участка монотонно возрастает от толщины заостренной входной кромки до величины, определяемой из математического выражения

где D_т наружный диаметр рабочего колеса, м;
n частота вращения рабочего колеса, об/мин;
относительный диаметр втулки рабочего колеса;
D_н диаметр втулки рабочего колеса, м;
[σ] - допустимое напряжение материала лопастей, Па;
относительная плотность;
ρ - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³,
плотность воды.