РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ДЫМОСОСА Российский патент 2001 года по МПК F04D29/28 

Изобретение относится к области вентиляторостроения, а конкретно - к центробежным вентиляторам для перемещения запыленных газов и может быть использовано преимущественно в конструкциях дымососов агломерационного производства (эксгаустеров).

Из всех дымососов газоотводящих трактов металлургического производства, обжиговых агрегатов, котельных, тепловых электростанций и т.п., в наибольшей степени подвержены износу эксгаустеры агломерационного производства, причем изнашиваются преимущественно лопатки рабочих колес.

Пыль в колесе эксгаустера, как показало многократное обследование изношенных рабочих колес, концентрируется в узкие шнуры и прорезает лопатки у центрального диска полосой шириной менее 20 мм.

Известные методы по защите лопаток рабочих колес от абразивного износа путем нанесения на их рабочую поверхность высокотвердых наплавок неприменимы в эксгаустерах из-за высоких окружных скоростей колеса, а следовательно и больших центробежных сил, разрушающих защитные покрытия (см. А.Д. Брук, Дымососы газоочистных сооружений, М., Машиностроение, 1984, с. 42, 55, 88).

Транспортируемый поток газа, входя в колесо в осевом направлении и, упираясь в околоосевую зону центрального диска, меняет направление скорости на радиальное, при этом частицы пыли, на много порядков более инерционные, чем молекулы газа, долетают практически до поверхности центрального диска. На входном участке в межлопаточном пространстве частицы, ударяясь о лопатки, разгоняются в тангенциальном направлении до окружной скорости лопаток. Сила давления частицы на лопатку, как известно, равна произведению ее массы на ускорение, достигающее в зоне первичного контакта десятков тысяч м/сек².

Из этого следует, что предварительный разгон частиц в тангенциальном направлении на меньшем радиусе существенно уменьшает их воздействие на рабочие лопатки. Эта задача в технике решается путем установления перед рабочими лопатками дополнительных защитных лопаток на меньшем радиусе колеса, которые воспринимают первичные удары пылевых частиц и таким образом защищают рабочие лопатки от интенсивного износа.

Известно рабочее колесо центробежного вентилятора одностороннего всасывания, включающее несущий и передний диски с закрепленными между ними рабочими лопатками, в котором на несущем диске в проточной части перед рабочими лопатками установлен легкосъемный лопаточный венец с решеткой, имеющей по сравнению с рабочими в 2-3 раза большее количество защитных лопаток меньшей ширины с углом выхода на 22-25^o превышающим угол выхода газового потока с рабочих лопаток (см. а.с. N 259315, кл. 27 с, 12/02, МПК F 04 C).

Пылевые частицы, воздействуя преимущественно на защитные лопатки, разгоняются ими в тангенциальном направлении до скорости, сопоставимой со скоростью рабочей лопатки, а малый угол наклона защитных лопаток к радиусу обеспечивает создание вихревой зоны вдоль поверхности несущего диска, что способствует рассеиванию частиц по межлопаточной зоне.

К наиболее существенным недостаткам данного решения относятся:
- вихревая зона, создаваемая большим количеством защитных лопаток, занимает существенный объем межлопаточного пространства, что приводит к снижению напора газового потока:
- установка лопаточного венца на плоском несущем диске целесообразно только для маломощных центробежных вентиляторов общетехнического назначения, так как повышение скорости газового потока в данной конструкции рабочего колеса приводит к отрыву газового потока до переднего диска, образуя там вихревую зону, что повышает аэродинамическое сопротивление колеса:
Таким образом, решая задачу защиты рабочих лопаток от износа, данная конструкция существенно снижает создаваемый напор.

Кроме того, при вибрации рабочего колеса из-за неравномерного износа рабочих лопаток, резьбовое крепление деталей ненадежно, а отрыв их от колеса при скорости вращения порядка 1000 об/мин неизбежно приведет к аварии.

Таким образом, легкосъемность защитных лопаток снижает надежность работы вентилятора.

Известно и принято в качестве прототипа рабочее колесо дымососа двухстороннего всасывания, содержащее центральный и боковые диски с установленными между ними основными лопатками и защитные лопатки, количество которых равно числу основных лопаток, в котором защитные лопатки расположены в радиальном направлении между торцами основных лопаток, наклонены в сторону, обратную направлению окружной скорости колеса и приварены к центральному диску на участках с псевдосферической и плоской поверхностями в зоне поворота от осевой к радиальной скорости потока (см. А.Д. Брук, Дымососы газоочистных сооружений, М., Машиностроение, 1984, с. 60).

Защитные лопатки этой конструкции образуют вихревую зону существенно меньшего объема, т.е. меньше влияют на технологические параметры дымососа.

Недостатком прототипа является то, что при замене защитных лопаток (наиболее изнашиваемых деталей рабочего колеса), неизбежно повреждается поверхность центрального диска в наиболее напряженной и ответственной его части, что существенно снижает надежность работы колеса и сокращает срок его службы.

В основу данного изобретения поставлена задача: путем совершенствования конструкции рабочего колеса повысить надежность работы и продлить срок службы колеса без существенного ухудшения технологических параметров дымососа.

Поставленная задача решается тем, что в рабочем колесе дымососа, содержащем центральный и боковые диски с установленными между ними основными лопатками и защитные лопатки, количество которых равно числу основных лопаток, согласно изобретению защитные лопатки, имеющие трапециевидную форму с высотой 0,4 - 0,6 ширины входной части основной лопатки, жестко закреплены на входных торцах основных лопаток под углом α = 20-30^o к их рабочей поверхности и примыкают большим основанием к центральному диску, причем возвышение верхней кромки защитной лопатки над рабочей поверхностью основной лопатки составляет у центрального диска h = 0,015 - 0,02, а в противоположном конце защитной лопатки h = 0,007-0,01 длины основной лопатки.

Причем защитные лопатки приварены к торцам основных лопаток односторонним сварным швом.

Причем рабочая поверхность и торцы защитных лопаток наплавлены высокотвердым сплавом с толщиной слоя наплавки, составляющей 0,1 - 0,2 толщины защитной лопатки.

При работе дымососа наибольшему абразивному износу подвергаются защитные лопатки. Их крепление к торцам основных лопаток исключает повреждение центрального диска при замене защитных лопаток. Крепление сваркой обеспечивает надежность фиксации, а односторонний шов, расположенный на торце основной лопатки, дает возможность обрезать изношенные защитные лопатки без повреждения основных лопаток.

Таким образом, изобретение позволяет многократно заменять защитные лопатки без повреждения основных элементов рабочего колеса.

В связи с тем, что пылевые частицы в силу своей инерционности при входе в межлопастное пространство концентрируются у центрального диска, защитные лопатки примыкают к центральному диску и при их длине, равной 0,4 - 0,6 ширины основных лопаток, практически весь поток пыли попадает на защитные лопатки, однако, если их длина превышает 0,6 ширины основных лопаток, то это не только бесполезно в плане защиты, но и вредно, поскольку увеличивает напряжение в основных лопатках от действия центробежных сил.

Расположение защитных лопаток с наклоном к рабочей поверхности основных лопаток обеспечивает образование вдоль поверхности основных лопаток вихревой зоны, необходимой для рассеяния пылевого потока по межпластовому пространству, при этом с уменьшением угла между плоскостями лопаток улучшается обтекание защитных лопаток потоком газа и увеличивается их взаимодействие на пылевые частицы при ускорении последних в тангенциальном направлении, но вместе с тем увеличивается и ширина защитных лопаток, необходимая для образования вихревой зоны оптимальной толщины, что в свою очередь увеличивает массу защитных лопаток, а значит и центробежную силу, действующую на основные лопатки. Оптимальной является величина угла между поверхностями лопаток α = 20-30^o.

Толщина слоя вихревой зоны вдоль рабочей поверхности основных лопаток определяется преимущественно возвышением верхней кромки защитных лопаток (h) над рабочей поверхностью основных лопаток.

У центрального диска концентрация пылевых частиц перед лопатками наибольшая, поэтому и толщина слоя вихревой зоны должна быть наибольшей, но с увеличением толщины вихревой зоны, увеличивается занимаемый ею объем межлопастного пространства, а вместе с ним и затраты энергии на ее образование, что уменьшает перепад давлений, создаваемый рабочим колесом, т.е. напор на выходе вентилятора.

При отношении (h) к длине основной лопатки, большем чем 0,02 у центрального диска и 0,01 на другом ее конце, при достаточной степени рассеяния пыли потеря энергии потоком газа на образование вихревой зоны будет неоправданно большой, а при отношении, меньшем чем 0,015 и 0,007 соответственно, - рассеяние окажется недостаточно эффективным.

Таким образом, оптимальное возвышение верхней кромки защитной лопатки над рабочей поверхностью основной лопатки составляет у центрального диска h = 0,015 - 0,02, а в конце защитной лопатки h = 0,007 - 0,01 длины основной лопатки.

В связи с тем, что площадь поперечного сечения вихревых зон, образованных лопатками, не превышает 4% площади входа газа в межлопастное пространство, а объем этих вихревых зон - менее 1% объема межлопастного пространства, то негативное влияние защитных лопаток на напор и производительность дымососа несущественно.

Поскольку пылевые частицы абразивно воздействуют преимущественно на защитные лопатки, придание их рабочим поверхностям высокой твердости (HU = 1000) существенно увеличивает срок их службы, а следовательно и межремонтный срок эксплуатации дымососа.

Однако в наплавленном твердосплавном хрупком слое количество микротрещин пропорционально квадрату толщины слоя наплавки. При напряжениях от действия центробежных сил, достигающих в рабочих колесах эксгаустеров величины 1500-1800 кг/см, микротрещины приводят к выкрашиванию поверхностного слоя, если его толщина больше 0,2 толщины лопатки, а при относительной толщине наплавленного слоя, меньшей 0,1, - эффективность защитных лопаток от абразивного износа заметно снижается.

Оптимальная толщина твердосплавного слоя составляет 0,1 - 0,2 толщины защитной лопатки.

Поскольку радиус местоположения защитных лопаток в предлагаемом изобретении ориентировочно вдвое меньше наружного радиуса рабочего колеса, что ограничивает величину напряжений от центробежных сил в наплавленном слое защитных лопаток в пределах допустимых величин.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает многократную замену изношенных защитных лопаток без повреждения основных элементов рабочего колеса, что позволяет увеличить срок службы рабочего колеса дымососа до пределов допустимого по абразивному износу состояния дисков, а также повышает его ремонтопригодность и надежность работы.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется приложенными чертежами, где изображено:
фиг. 1 - общий вид рабочего колеса дымососа;
фиг. 2 - разрез по А-А фиг. 1;
фиг. 3 - разрез по Б-Б фиг. 1.

Рабочее колесо дымососа включает центральный диск 1 и два боковых диска 2, между которыми установлены основные лопатки 3. К входным торцам основных лопаток приварены защитные лопатки 4 с углом наклона α = 30^o к рабочей поверхности 5 основных лопаток. Защитные лопатки имеют трапециевидную форму и примыкают большим основанием к центральному диску 1. Длина защитных лопаток (высота трапеции) составляет 0,6 ширины входной части основных лопаток. Возвышение верхней кромки защитных лопаток над рабочей поверхностью 5 основных лопаток составляет у центрального диска - h = 0,02, а в конце защитной лопатки - h = 0,01 длины основной лопатки 3.

Защитные лопатки 4 приварены односторонним сварным швом, расположенным с тыльной стороны лопаток.

Рабочая поверхность защитных лопаток 4 наплавлена высокотвердым сплавом электродом марки Т-620. Толщина слоя наплавки 6 составляет 0,2 толщины защитной лопатки.

Работает колесо следующим образом.

Входящий в колесо поток газа, упираясь в околоосевую часть центрального диска 1, тормозится в осевом направлении. Кинетическая энергия потока преобразуется в напор, двигающий газ в радиальном направлении. Входя в межпластовое пространство, газ под воздействием основных лопаток 3 получает ускорение в окружном направлении, при этом центробежная сила ускоряет газ в радиальном направлении, создавая перепад давлений на входе и выходе рабочего колеса.

Поступающие с потоком газа пылевые частицы, так же как и газ, тормозятся в осевом направлении, но медленнее из-за несравненно большей массы частиц, поэтому долетают практически до самого центрального диска 1. Увлекаемые потоком газа к основным лопаткам 3, частицы пыли ударяются о движущиеся в окружном направлении защитные лопатки 4, установленные на входных торцах основных лопаток 3, разгоняются ими до окружной скорости входных торцов основных лопаток и вносятся в межлопастное пространство.

Благодаря наклону защитных лопаток 4 по отношению к основным лопаткам 3, и возвышению верхних кромок защитных лопаток над рабочей поверхностью 5 основных лопаток, наиболее существенному у центрального диска - вдоль трети длины основной лопатки 3 и на половине ее ширины образуется узкая вихревая зона, рассеивающая пылевые частицы по большей части ширины основных лопаток. Вихревая зона затрудняет контакт частиц пыли с рабочей поверхностью основных лопаток, при этом дальнейшее увеличение окружной скорости частиц пыли происходит за счет взаимодействия их с ускоряющимся потоком газа, а рабочая поверхность основных лопаток 5 практически не подвергается абразивному износу.

В процессе эксплуатации дымососа периодически производится технический осмотр рабочего колеса. При износе защитных лопаток, превышающем допустимые величины, их срезают и заменяют новыми, направленными твердосплавным слоем. При этом основные лопатки практически не повреждаются.

Таким образом, предложенная конструкция рабочего колеса существенно улучшает его ремонтопригодность и надежность работы, при этом многократная замена защитных лопаток без повреждения основных деталей рабочего колеса обеспечивает значительное повышение срока его эксплуатации.

Рабочее колесо предназначено для дымососов агломерационного производства. Рабочее колесо содержит центральный и боковые диски, между которыми установлены основные лопатки. На каждом входном торце основных лопаток приварены односторонним сварным швом защитные лопатки с наклоном 20-30° к рабочим поверхностям основных лопаток. Защитные лопатки имеют трапециевидную форму с высотой, равной 0,4-0,6 ширины входной части основных лопаток, и примыкают большим основанием к центральному диску. Возвышение верхней кромки защитных лопаток над рабочей поверхностью основных лопаток составляет у центрального диска 0,015-0,02, а на противоположном конце защитной лопатки - 0,007-0,01 длины основной лопатки. Рабочая поверхность и торцы защитных лопаток наплавлены высокотвердым сплавом с толщиной слоя наплавки, составляющей 0,1-0,2 толщины защитной лопатки. Такое выполнение дымососа позволит обеспечить возможность многократной замены изношенных защитных лопаток без повреждения основных лопаток, т.е. повышается ремонтопригодность, надежность работы колеса и удлиняется срок его службы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Рабочее колесо дымососа, содержащее центральный и боковые диски с установленными между ними основными лопатками и защитные лопатки, количество которых равно числу основных лопаток, отличающееся тем, что защитные лопатки, имеющие трапециевидную форму с высотой, составляющей 0,4 - 0,6 ширины входной части основной лопатки, жестко закреплены на входных торцах основных лопаток с углом наклона 20 - 30^o к их рабочей поверхности и примыкают большим основанием к центральному диску, причем возвышение верхней кромки защитной лопатки над рабочей поверхностью основной лопатки составляет у центрального диска 0,015 - 0,02, а на противоположном конце защитной лопатки - 0,007 - 0,01 длины основной лопатки. 2. Рабочее колесо дымососа по п.1, отличающееся тем, что защитные лопатки приварены к входным торцам основных лопаток односторонним сварным швом. 3. Рабочее колесо дымососа по п.1, отличающееся тем, что рабочая поверхность и торцы защитных лопаток наплавлены высокотвердым сплавом с толщиной слоя наплавки, составляющей 0,1 - 0,2 толщины защитной лопатки.