ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ПУЛЬПОВЫЙ НАСОС (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2013 года по МПК F04D7/04 F04D29/24 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при создании центробежных насосов, перекачивающих пульпу, насыщенную абразивными рудными и породными частицами. Область применения таких насосов - горно-обогатительные комбинаты. Задачей создания эффективных конструкций центробежных пульповых насосов является обеспечение заданных напора и подачи пульпы при длительной стабильности гидродинамических параметров их работы. Условием постоянства гидродинамических показателей насоса является сохранение конструктивных профилей элементов проточной части насоса, подверженных абразивному износу. По мере их износа показатели насоса ухудшаются. Основные известные работы в области насосостроения посвящены улучшению гидродинамических параметров проточной части насоса за счет оптимизации профиля лопастей рабочих колес и совершенствования конфигурации проточных каналов.

Наибольшее применение получили центробежные насосы с лопастями криволинейного профиля.

Известно рабочее колесо центробежного насоса с лопастями, профилированными по логарифмической спирали (патент RU 2159360), а также варианты лопастей, профилированных по:

- эпициклоиде (авт.св. SU 1435847),

- дуге окружности (патент RU 69586),

- параболической спирали (патент RU 2246641),

- эвольвенте (патент RU 2164626),

- параболе (патент RU 2162166),

- винтовой линии (патент RU 2079720),

- сопряженным отрезкам логарифмической спирали (патент RU 2205982),

- клиновидной форме с выпуклыми и вогнутыми поверхностями (патент RU 2329406).

Известны лопасти с различными профилями со стороны внешней (рабочей) поверхности и с тыльной стороны: с рабочей стороны по эпициклоиде, с тыльной по логарифмической спирали (SU 1435847).

В данном случае профиль с рабочей стороны лопасти не зависит от профиля с тыльной стороны и от интенсивности износа рабочей поверхности, влияющих на гидродинамические параметры потока пульпы в рабочем колесе. Произвольное сочетание вариантов профиля в лопасти не решает вопросов снижения влияния износа на принятую кривизну рабочей поверхности и ее сохранение и не обеспечивает улучшение показателей работы насоса.

Общим недостатком лопастей известных профилей является быстрое изменение кривизны их поверхностей вследствие износа, что отрицательно влияет на гидродинамические показатели насоса. Оптимальный профиль лопасти служит только в начале эксплуатации насоса, по мере износа профиль приобретает форму, соответствующую более низкой динамике взаимодействия лопасти с пульпой, подача и давление, развиваемые насосом, при этом снижаются.

В известных вариантах профилей лопастей не предусмотрены конструктивные элементы, учитывающие интенсивность износа лопасти и обеспечивающие сохранение выбранных оптимальных профилей в течение длительного времени работы насоса.

Наиболее близким к изобретению является конструкция центробежного пульпового насоса, содержащего рабочее колесо закрытого типа с передним и задним дисками и расположенными между ними лопастями с криволинейными образующими их внешней (рабочей) и тыльной поверхностей, улиткообразный корпус и крышку, футерованные внутри элементами из полиуретанового эластомера, приводной вал, подвод и спиральный отвод (WO 2004059173 A1, 15.07.2004).

Недостатком известного насоса является низкий ресурс из-за быстрого изнашивания лопастей.

Задачей изобретения является повышение длительности оптимального режима работы лопастей за счет наращивания над принятой рабочей поверхностью с оптимальным профилем лопасти слоя, параметры которого запрограммированы таким образом, что в результате износа этого слоя его рабочая поверхность, изменяясь, приобретает на определенной его глубине форму изначально принятого оптимального варианта поверхности. На разных этапах работы насоса по мере износа этого слоя конфигурация рабочей поверхности лопасти приближается к оптимальной, выбранной изначально конфигурации тыльной поверхности лопасти. Поэтому показатели подачи пульпы со временем не ухудшаются, а приближаются к показателям при оптимальном профиле лопасти.

Технический результат согласно первому варианту изобретения достигается за счет того, что в центробежном пульповом насосе, содержащем рабочее колесо закрытого типа с передним и задним дисками и расположенными между ними лопастями с криволинейными образующими их внешней (рабочей) и тыльной поверхностей, в качестве образующей поверхности которой с тыльной стороны принята дуга окружности, улиткообразный корпус и крышку, футерованные внутри элементами из полиуретанового эластомера, приводной вал, подвод и спиральный отвод, согласно первому варианту изобретения внешняя поверхность лопасти образована криволинейной образующей, определенной как кривая интенсивности абразивного износа по следующей зависимости:

$$R=r+K\frac{\Delta }{\delta {\rho }_0^2}\cdot \left[{\rho }_0^2+{\left(2asin\varphi \right)}^2\left(1-\frac{{\rho }_0}{a}\right)\right]$$ ,

где R - полярный радиус точек криволинейной образующей внешней (рабочей) поверхности лопасти;

r=2аcosφ - полярный радиус точек дуги окружности, образующей тыльную поверхность лопасти;

а - радиус точек дуги окружности, образующей тыльную поверхность лопасти;

φ - полярный угол точек образующих;

Δ - средний удельный на единицу поверхности износ материала лопасти в г/см², определяемый на 1/3 протяженности лопасти со стороны входа в колесо за интервал времени полного износа лопасти;

ρ₀ - радиус входного отверстия в рабочее колесо;

δ - плотность материала лопастей;

К - коэффициент пропорциональности между кинетической энергией элементарных объемов пульпы и удельным износом поверхности лопастей.

Технический результат согласно второму варианту изобретения достигается тем, что в центробежном пульповом насосе, содержащем рабочее колесо закрытого типа с передним и задним дисками и расположенными между ними лопастями, образующей поверхности которых с тыльной стороны служит логарифмическая спираль, улиткообразные корпус и крышку, футерованные внутри элементами из полиуретанового эластомера, приводной вал, подвод и спиральный отвод, согласно второму варианту изобретения внешняя поверхность лопастей образована криволинейной образующей, определяемой как кривая интенсивности износа по следующей зависимости:

$$R=a{e}^{б\varphi }(1+К\frac{\Delta a{e}^{б\varphi }}{\delta \cdot r_0^2})$$ ,

где R - полярный радиус точек криволинейной образующей внешней (рабочей) поверхности лопасти;

ае^вφ=r - полярный радиус точек логарифмической спирали, образующей тыльной поверхности лопасти, а, в - параметры спирали, φ - полярный угол точек образующих;

Δ - средний удельный на единицу поверхности износ материала лопасти в г/см², определяемый на 1/3 протяженности лопасти со стороны входа в колесо за интервал времени полного износа лопасти;

r₀ - радиус входного отверстия в рабочее колесо;

δ - плотность материала лопастей;

К - коэффициент пропорциональности между кинетической энергией элементарных объемов пульпы и удельным износом поверхности лопастей.

Технический результат согласно третьему варианту изобретения достигается тем, что в центробежном пульповом насосе, содержащем рабочее колесо закрытого типа с передним и задним дисками и расположенными между ними лопастями, улиткообразный корпус и крышку, футерованные внутри элементами из полиуретанового эластомера, приводной вал, подвод и спиральный отвод, согласно третьему варианту изобретения образующей тыльной поверхности лопастей служит спираль Архимеда, а внешней (рабочей) - криволинейная образующая, определяемая как кривая интенсивности износа по следующей зависимости:

$$\text{R}=\text{a}\cdot \varphi \text{(1}+\text{K}\frac{\text{Δ}}{\text{δ}\cdot {\text{r}}_{\text{0}}^{\text{2}}}\text{a}\varphi \text{)}$$ ,

где R - полярный радиус точек криволинейной образующей внешней (рабочей) поверхности лопасти;

а·φ=r - полярный радиус точек Архимедовой спирали, образующей тыльной поверхности лопасти;

а - параметр, определяющий расстояние между витками Архимедовой спирали;

φ - полярный угол точек образующих;

Δ - средний удельный на единицу поверхности износ материала лопасти в г/см², определяемый на 1/3 протяженности лопасти со стороны входа в колесо за интервал времени полного износа лопасти;

r₀ - радиус входного отверстия в рабочее колесо;

δ - плотность материала лопастей;

K - коэффициент пропорциональности между кинетической энергией элементарных объемов пульпы и удельным износом поверхности лопастей.

Технический результат согласно четвертому варианту изобретения достигается тем, что в центробежном пульповом насосе, содержащем рабочее колесо закрытого типа с передним и задним дисками и расположенными между ними лопастями, улиткообразный корпус и крышку, футерованные внутри элементами из полиуретанового эластомера, приводной вал, подвод и спиральный отвод, согласно четвертому варианту изобретения тыльная поверхность лопастей образована гиперболической спиралью, а внешняя (рабочая) поверхность - криволинейной образующей, определяемой как кривая интенсивности абразивного износа по следующей зависимости:

$$\text{R}=\text{a/}\varphi \text{(1}+\text{К}\frac{\text{Δa}}{\text{δ}\varphi \cdot {\text{r}}_{\text{0}}^{\text{2}}}\text{)}$$ ,

где R - полярный радиус точек криволинейной образующей внешней (рабочей) поверхности лопасти;

a/φ=r - полярный радиус точек гиперболической спирали, образующей тыльной поверхности лопасти;

а - асимптота гиперболической спирали;

φ - полярный угол точек образующих;

Δ - средний удельный на единицу поверхности износ материала лопасти в г/см², определяемый на 1/3 протяженности лопасти со стороны входа в колесо за интервал времени полного износа лопасти;

r₀ - радиус входного отверстия в рабочее колесо;

δ - плотность материала лопастей;

К - коэффициент пропорциональности между кинетической энергией элементарных объемов пульпы и удельным износом поверхности лопастей.

При этом в соответствии с четвертым вариантом спиралеобразные лопасти рабочего колеса могут выступать за пределы переднего диска во входном пространстве колеса на 0,05-0,2 длины лопасти.

Технический результат согласно пятому варианту изобретения достигается тем, что в центробежном пульповом насосе, содержащем рабочее колесо закрытого типа с передним и задним дисками и расположенными между ними лопастями с криволинейными образующими их внешней (рабочей) и тыльной поверхностей, улиткообразные корпус и крышку, футерованные внутри элементами из полиуретанового эластомера, приводной вал, подвод и спиральный отвод, согласно пятому варианту образующей тыльной поверхности лопасти служит дуга улитки Паскаля, а образующей внешней (рабочей) поверхности - криволинейная образующая, определяемая как кривая интенсивности абразивного износа по следующей зависимости:

$$\text{R}=\text{2acos}\varphi +\ell +\text{K}\frac{\text{Δ}\cdot {\text{ρ}}^{\text{2}}}{\text{δ}\cdot {\text{ρ}}_{\text{0}}^{\text{2}}}$$ ,

где R - полярный радиус точек криволинейной образующей внешней (рабочей) поверхности лопасти;

2аcosφ=r - полярный радиус точек дуги улитки Паскаля, образующей тыльной поверхности лопасти;

φ - угол полярного радиуса точек дуги улитки Паскаля;

а - радиус обкатываемой окружности в улитке Паскаля;

l - параметр улитки Паскаля, определяемый кривизну дуги образующей;

ρ - полярный радиус точек дуги улитки Паскаля с центром в точке вращения рабочего колеса;

Δ - средний удельный на единицу поверхности износ материала лопасти в г/см², определяемый на 1/3 протяженности лопасти со стороны входа в колесо за интервал времени полного износа лопасти;

ρ₀ - радиус входного отверстия в рабочее колесо;

δ - плотность материала лопастей;

К - коэффициент пропорциональности между кинетической энергией элементарных объемов пульпы и удельным износом поверхности лопастей.

Т.о. в соответствии с изобретением профиль лопасти образован сочетанием образующей поверхности тыльной стороны лопасти, принимаемой в качестве оптимальной, с образующей внешней (рабочей) поверхности лопасти в виде кривой интенсивности ее износа, определяемой в зависимости от координат образующей тыльной поверхности и параметров износа. Кривая интенсивности износа, служащая образующей линией рабочей поверхности, показывает толщину слоя, наращиваемого над тыльной поверхностью лопасти, при износе которого конфигурация внешней поверхности приобретет форму конфигурации тыльной поверхности. При толщине наращиваемого слоя выше расчетной рабочая поверхность с тыльной конфигурацией образуется при частичном износе слоя.

Новизна данного изобретения заключается в том, что в лопасти, предлагаемой конструкции, рабочая поверхность образована кривой интенсивности износа поверхности, определяемой в зависимости от принятого профиля тыльной стороны лопасти и практических данных об износостойкости применяемого материала.

В качестве профиля тыльной стороны лопасти служат наиболее эффективные профили.

Кривая интенсивности износа позволяет определить профиль лопасти, измененный в результате износа по истечении определенного интервала работы насоса.

В предлагаемой конструкции пульпового центробежного насоса впервые применены лопасти рабочего колеса, параметры которых оптимизированы с учетом происходящего при работе насоса износа поверхностей лопастей. Снижение отрицательного влияния износа на гидродинамические параметры насоса достигнуто за счет того, что для продления срока службы рабочей поверхности лопасти оптимальной кривизны поверхность наращивается слоем материала, предназначенного для износа с постепенным запрограммированным образованием новой поверхности принятой оптимальной кривизны.

По мере износа рабочей поверхности, профилированной по кривой интенсивности износа, ее конфигурация изменяется и на заданном уровне сечения лопасти приобретает форму, заложенную в поверхность тыльной части лопасти.

Благодаря этому гидродинамические показатели проточной струи на конечном отрезке времени служения рабочего колеса не ухудшаются.

В основу зависимости для определения криволинейной образующей рабочей поверхности лопасти - кривой интенсивности абразивного износа принято подтвержденное результатами опытов положение о том, что величина износа пропорциональна кинетической энергии, сообщаемой пульпе в рассматриваемой точке поверхности. Зависимость кривой интенсивности износа от конфигурации образующей тыльной поверхности определяется тем, что координаты образующей изнашиваемой поверхности зависят от координат образующей тыльной поверхности. Уравнение образующей рабочей поверхности состоит из двух частей: зависимости, определяющей координаты образующей тыльной поверхности лопасти, и зависимости, определяющей толщину изнашиваемого слоя лопасти над точками тыльной поверхности. Координаты кривой интенсивности абразивного износа определяются как сумма двух рассчитываемых по этим зависимостям величин.

На фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 показаны общий вид насоса и схематично рабочие колеса с лопастями предлагаемых профилей.

На фиг.1 приведен общий вид центробежного пульпового насоса, содержащего рабочее колесо с предлагаемыми профилями лопастей.

Насос состоит из корпуса 1 с футеровкой 3, крышки 2 с футеровкой 4, рабочего колеса 5 с передним и задним дисками 6, 7 и лопастями 8, всасывающего пульпу патрубка 9, спирального отвода насоса 10, приводного вала 11, корпуса 12 подшипников, корпуса 13 уплотнений, станины 14. Лопасти 8 выполнены с тыльной поверхностью 15 и с внешней рабочей поверхностью 16, образованной кривым интенсивности износа. От профиля лопастей 8 зависят подача пульпы, развиваемое давление в трубопроводе и интенсивность абразивного износа рабочей поверхности 16 лопасти 8.

На фиг 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 показаны варианты рабочих колес с лопастями, внешние (рабочие) и тыльные поверхности которых образованы парами зависимых между собой образующих в соответствии с приведенными выше вариантами изобретений.

На фиг.2 приведена схема рабочего колеса 5 насоса по первому варианту с лопастями 8, образующие поверхностей которых представлены с тыльной стороны 15 в виде дуги окружности, а с внешней стороны 16 - в виде кривой интенсивности абразивного износа по первому варианту, определяемой по зависимости:

$$\text{R}=\text{r}+\text{K}\frac{\text{Δ}}{{\text{δρ}}_{\text{0}}^{\text{2}}}\cdot \left[{\text{ρ}}_{\text{0}}^{\text{2}}+{\left(\text{2asin}\varphi \right)}^{\text{2}}\left(\text{1}-\frac{{\text{ρ}}_{\text{0}}}{\text{a}}\right)\right]$$

где R - полярный радиус точек криволинейной образующей внешней (рабочей) поверхности лопасти;

r=2аcosφ - полярный радиус точек дуги окружности, образующей тыльную поверхность лопасти;

а - радиус точек дуги окружности, образующей тыльную поверхность лопасти;

φ - полярный угол точек образующих;

Δ - средний удельный на единицу поверхности износ материала лопасти в г/см², определяемый на 1/3 протяженности лопасти со стороны входа в колесо за интервал времени полного износа лопасти;

ρ₀ - радиус входного отверстия в рабочем колесе;

δ - плотность материала лопастей;

К - коэффициент пропорциональности между кинетической энергией элементарных объемов пульпы и удельным износом поверхности лопастей.

Уравнение кривой интенсивности абразивного износа рабочей поверхности 15 получено сочетанием уравнения дуги окружности r=2a·cosφ и зависимости, выражающей толщину слоя изнашиваемой поверхности лопасти в точках по длине дуги окружности - $$\text{K}\frac{{\text{Δρ}}^{\text{2}}}{{\text{δρ}}_{\text{0}}^{\text{2}}}$$ . Полярный радиус точки образующей рабочей поверхности равен сумме полярного радиуса точки дуги окружности r и толщины наращиваемого в этой точке дуги слоя материала.

При построении образующей тыльной поверхности лопасти диаметр 2a определяющей окружности принимается из условия обеспечения входного угла лопасти β₁, замеряемого между касательными к окружности входного отверстия рабочего колеса 5 и к дуге определяющей окружности в точке начала лопасти 8 в пределах β₁=18-25^о и выходного угла β₂, замеряемого между касательными к окружности, очерчивающей контур диска колеса 5 и определяющей окружности в пределах β₂=14-35^о в соответствии с практическими рекомендациями (Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Конструкции и расчет центробежных насосов высокого давления. М.: Машиностроение, 1971, с.37-42).

Коэффициент К учитывает степень влияния частных факторов: размера и формы частиц в пульпе, плотности пульпы на соотношение кинетических энергий элементарных объемов пульпы в точках по длине лопасти 8 и величинами износа в этих точках. Коэффициент К определяется на основе замеров величин износа рабочей поверхности 16 лопасти 8, производимых на начальном и конечном отрезках лопасти 8 в начале и в конце эксплуатации на насосах аналогичной конструкции (горизонтальных центробежных равных размеров) при аналогичных режимах их работы. Величина износа определяется как разница h в средних толщинах лопасти 8 в начале h_н и в конце h_к эксплуатации. По данным замеров ЗАО «СОМЭКС» при применении рабочих колес из полиуретана и подаче пульповым центробежным насосом измельченной медно-никелевой руды величина К=0,7.

Величина $$\text{K}\frac{{\text{Δρ}}^{\text{2}}}{{\text{δρ}}_{\text{0}}^{\text{2}}}$$ представляет собой толщину слоя материала, равную глубине износа рабочей поверхности 2 лопасти, который наращивается над тыльной поверхностью оптимального профиля.

Величина Δ также определяется с помощью замеров толщин лопасти кронциркулем в начале h_н и в конце h_к эксплуатации как их разность h=h_н-h_к. Замеры производятся на участке 1/3 длины лопасти со стороны входа. Частота вращения рабочего колеса при замерах должна быть равной частоте вращения при расчетах кривой интенсивности износа.

Физическая величина удельного износа массы материала определяется как Δ=hδ. Физический процесс, определяющий текущее изменение координат образующей в период работы насоса, состоит в текущем уменьшении толщины изнашиваемого слоя лопасти 8 по мере износа и соответственном изменении Δ→Δ_к, где Δ_к - величина остатка от запрограммированного изначально практического удельного износа в процессе износа, изменяющегося от Δ в начале процесса износа до Δ_к=0 в конце процесса. При этом R=r. Разница R-r равна глубине дифференцированного износа в точках рабочей поверхности 16. Δ_к=0 и R=r означает окончание запрограммированного износа лопасти 8, и профиль лопасти 8 с рабочей стороны 16 трансформируется в профиль по оптимальной образующей, заложенной с тыльной стороны 15 лопасти 8.

Практический срок службы лопасти заканчивается при достижении предельно допустимого износа, при котором R-r>0. Оптимизация профиля лопасти 8 происходит в течение всего периода работы насоса, благодаря чему гидродинамические показатели насоса непрерывно улучшаются.

На фиг.3 показана схема рабочего колеса 5 по второму варианту с лопастями 8, образующие поверхностей которых представлены: с тыльной стороны 15 лопасти 8 - в виде отрезка логарифмической спирали, с внешней стороны 16 - в виде кривой интенсивности абразивного износа, определяемой по следующей зависимости:

$$\text{R}={\text{ae}}^{\text{в}\varphi }\text{(1}+\text{К}\frac{{\text{Δae}}^{\text{в}\varphi }}{\text{δ}\cdot {\text{r}}_{\text{0}}^{\text{2}}}\text{)}$$ ,

где R - полярный радиус точек криволинейной образующей внешней (рабочей) поверхности лопасти;

ае^вφ=r - полярный радиус точек логарифмической спирали, образующей тыльной поверхности лопасти, а, в - параметры спирали, φ - полярный угол точек образующих;

Δ - средний удельный на единицу поверхности износ материала лопасти в г/см², определяемый на 1/3 протяженности лопасти со стороны входа в колесо за интервал времени полного износа лопасти;

r₀ - радиус входного отверстия в рабочем колесе;

δ - плотность материала лопастей;

К - коэффициент пропорциональности между кинетической энергией элементарных объемов пульпы и удельным износом поверхности лопастей.

Данное уравнение получено сочетанием уравнения дуги логарифмической спирали $$\text{r}=\text{a}\cdot {\text{e}}^{\text{в}\varphi }$$ и зависимости, выражающей толщину слоя изнашиваемой поверхности лопасти 8 в точках по длине отрезка спирали (второй член уравнения). Полярный радиус точки образующей рабочей поверхности равен сумме полярного радиуса точки дуги логарифмической спирали и толщины наращиваемого в этой точке слоя материала.

При построении образующей тыльной поверхности 15 лопасти 8 в виде отрезка логарифмической спирали принимают а=r_o/2, величина коэффициента в определяется графическим построением отрезков спирали с началом в центре вращения рабочего колеса 5 в точке О при вариации величин коэффициента в. Принимается значение в, при котором отрезок спирали между окружностью входного отверстия и окружностью контура диска 6 колеса 5 образует входной угол β₁=18-25^о и выходной угол β₂=14-35^о.

На фиг.4 приведена схема рабочего колеса 5 по третьему варианту с лопастями 8, в качестве образующих поверхностей которых применены: с тыльной стороны 15 лопасти 8 - дуга спирали Архимеда, с внешней стороны 16 - кривая интенсивности абразивного износа в виде криволинейной образующей, определяемой по следующей зависимости:

$$\text{R}=\text{a}\cdot \varphi \text{(1}+\text{K}\frac{\text{Δ}}{\text{δ}\cdot {\text{r}}_{\text{0}}^{\text{2}}}\text{a}\varphi \text{)}$$ ,

где R - полярный радиус точек криволинейной образующей внешней (рабочей) поверхности лопасти;

а·φ=r - полярный радиус точек Архимедовой спирали, образующей тыльной поверхности лопасти;

а - параметр, определяющий расстояние между витками Архимедовой спирали;

φ - полярный угол точек образующих;

Δ - средний удельный на единицу поверхности износ материала лопасти в г/см², определяемый на 1/3 протяженности лопасти со стороны входа в колесо за интервал времени полного износа лопасти;

r₀ - радиус входного отверстия в рабочем колесе;

δ - плотность материала лопастей;

K - коэффициент пропорциональности между кинетической энергией элементарных объемов пульпы и удельным износом поверхности лопастей.

Данное уравнение получено сочетанием уравнения дуги спирали Архимеда $$\text{r}=\text{a}\cdot \varphi$$ и зависимости, выражающей толщину слоя изнашиваемой поверхности 16 лопасти 8 в точках по длине дуги (второй член уравнения). Полярный радиус точки образующей рабочей поверхности 16 равен сумме полярного радиуса точки дуги спирали Архимеда и толщины наращиваемого в этой точке слоя материала.

При построении образующей тыльной поверхности 15 лопасти 8 в виде отрезка спирали Архимеда строят серию кривых с началом в центре вращения рабочего колеса в точке О при разных значениях величин параметра а, затем принимают отрезок спирали между окружностями входного отверстия и контура диска 6 колеса 5, отвечающего условиям образования входного угла β₁=18-25^о и выходного угла β₂=19-35^о.

На фиг.5 показана схема рабочего колеса 5 с лопастями 8, образующими поверхностей которых служат: с тыльной стороны 15 лопасти 8 - дуга гиперболической спирали, с внешней стороны 16 - кривая интенсивности абразивного износа в виде криволинейной образующей, определяемой по следующей зависимости:

$$\text{R}=\text{a/}\varphi \text{(1}+\text{К}\frac{\text{Δa}}{\text{δ}\varphi \cdot {\text{r}}_{\text{0}}^{\text{2}}}\text{)}$$ ,

где R - полярный радиус точек криволинейной образующей внешней (рабочей) поверхности лопасти;

r=a/φ - полярный радиус точек гиперболической спирали, образующей тыльной поверхности лопасти;

а - асимптота гиперболической спирали;

φ - полярный угол точек образующих;

Δ - средний удельный на единицу поверхности износ материала лопасти в г/см², определяемый на 1/3 протяженности лопасти со стороны входа в колесо за интервал времени полного износа лопасти;

r₀ - радиус входного отверстия в рабочем колесе;

δ - плотность материала лопастей;

К - коэффициент пропорциональности между кинетической энергией элементарных объемов пульпы и удельным износом поверхности лопастей.

Данное уравнение получено сочетанием уравнения дуги гиперболической спирали $$\text{r}=\text{a/}\varphi$$ и зависимости, выражающей толщину слоя изнашиваемой поверхности 16 лопасти 8 в точках по длине отрезка спирали (второй член уравнения). Полярный радиус точки образующей рабочей поверхности 16 равен сумме полярного радиуса точки дуги гиперболической спирали и толщины наращиваемого в этой точке слоя материала.

При построении образующей тыльной поверхности 15 лопасти 8 в виде отрезка гиперболической спирали принимают следующие пределы значений угла поворота φ: от $$\text{π/2}$$ до $$\text{π}\cdot {\text{r}}_{\text{o}}\raisebox{1ex}{$$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\text{D}$}\right.$$ , где D - диаметр рабочего колеса. Полученный графически отрезок спирали ориентируют между окружностями входного отверстия и контура диска 6 колеса 5 с соблюдением условия: входной угол β₁=18-25^о и выходной угол β₂=19-35^о.

На фиг.6 дана схема рабочего колеса 5 закрытого типа, спиралеобразные лопасти 8 которых входят в пределы входного отверстия в переднем диске 6 на величину L=0,05-0,2 длины лопасти 8 обозначения на фиг.6 аналогичны фиг.5).

На фиг.7 приведена схема рабочего колеса 5 с лопастями 8, образующими поверхностей которых приняты: с тыльной стороны 15 лопасти 8 - дуга улитки Паскаля, с внешней стороны 16 - кривая интенсивности абразивного износа в виде криволинейной образующей, определяемой по следующей зависимости:

$$\text{R}=\text{2acos}\varphi +\ell +\text{K}\frac{\text{Δ}\cdot {\text{ρ}}^{\text{2}}}{\text{δ}\cdot {\text{ρ}}_{\text{0}}^{\text{2}}}$$ ,

где R - полярный радиус точек криволинейной образующей внешней (рабочей) поверхности лопасти;

2аcosφ=r - полярный радиус точек дуги улитки Паскаля, образующей тыльной поверхности лопасти;

φ - угол полярного радиуса точек дуги улитки Паскаля;

а - радиус обкатываемой окружности в улитке Паскаля;

l - параметр улитки Паскаля, определяемый кривизну дуги образующей;

ρ - полярный радиус точек дуги улитки Паскаля с центром в точке вращения рабочего колеса;

Δ - средний удельный на единицу поверхности износ материала лопасти в г/см², определяемый на 1/3 протяженности лопасти со стороны входа в колесо за интервал времени полного износа лопасти;

ρ₀ - радиус входного отверстия в рабочем колесе;

δ - плотность материала лопастей;

К - коэффициент пропорциональности между кинетической энергией элементарных объемов пульпы и удельным износом поверхности лопастей.

Данное уравнение получено сочетанием уравнения дуги улитки Паскаля $$\text{r}=\text{2a}\cdot \text{cos}\varphi \pm \text{l}$$ и зависимости, выражающей толщину слоя изнашиваемой поверхности 16 лопасти 8 в точках по длине дуги (второй член уравнения). Полярный радиус точки образующей рабочей поверхности 16 равен сумме полярного радиуса точки дуги улитки Паскаля и толщины наращиваемого в этой точке слоя материала.

При построении образующей тыльной поверхности 15 лопасти 8 в виде отрезка дуги улитки Паскаля, располагаемого между окружностями входного отверстия и контура диска 6 колеса 5, принимают следующие соотношения параметров уравнения улитки: l:а=1/3-1.

Графически строятся несколько отрезков дуги улитки Паскаля с началом отрезков на окружности входного отверстия, изменяя диаметр основной окружности 2а, и определяют параметры того принимаемого отрезка, при котором углы входа и выхода соответствуют условиям: β₁=18-25^о, β₂=19-35^о.

На фиг.8 изображено поперечное сечение рабочего колеса 5 с профилями рабочей и тыльной поверхностей 16, 15 лопасти 8.

В предложенных вариантах лопастей 8 их поверхности образуются по правилу параллельного переноса (смещения) точек образующих от одного диска 6 к другому - 7 по минимальным отрезкам пути.

Изготовление центробежного пульпового насоса включает стадию конструирования его составных элементов. При конструировании рабочего колеса 5 с образующей рабочей поверхности 16 лопасти 8 в виде кривой интенсивности износа на плане переднего диска 6 колеса 5 вычерчивают выбранную кривую образующей тыльной поверхности 15 при оптимальных угле входа β₁ между касательными к окружности входного отверстия и кривой образующей в начальной ее точке со стороны входа и угле выхода β₂ между касательными к окружности заднего диска 7 и кривой образующей в конечной ее точке. Затем определяются координаты кривой интенсивности износа R по зависимости, соответствующей принятой образующей тыльной поверхности 15. По рассчитанным координатам строится образующая рабочей поверхности 16, при этом толщина лопасти 8 равна R-r в точках по ее длине. На вычерченную фигуру переднего диска 6 с профилем лопасти 8 накладывается задний диск 7, по полученному чертежу изготавливается форма для изготовления рабочего колеса 5 методом литья. Построение тыльной поверхности 15 лопасти 8 в предложенных вариантах изобретения осуществляется параллельным переносом точек образующей, вычерчиваемой на плане переднего диска 6, от переднего диска 6 к заднему диску 7 по минимальным отрезкам пути. Построение рабочей поверхности 16 осуществляется аналогично.

Центробежный пульповый насос работает следующим образом.

Пульпа поступает через всасывающий патрубок 9 в проточную часть насоса, где разгоняется лопастями 8 рабочего колеса 5 и подается через спиральный отвод 10 в трубопровод внешних коммуникаций. Между внешней рабочей и тыльной поверхностями 16, 15 лопастей 8 и стенками дисков 6, 7 образованы каналы, по которым поступающая в рабочее колесо 5 пульпа движется от входа в колесо 5 к выходу. При этом кинетическая энергия элементарных объемов пульпы с увеличением тангенциальной скорости пропорционально квадрату радиуса точек рабочей поверхности 16 относительно центра вращения О. С ростом кинетической энергии пульпы, сообщаемой ей посредством контакта с рабочей поверхностью 16 лопасти 8 при вращении колеса 5, увеличивается интенсивность износа лопасти 8.

Работа лопасти 8 прекращается при максимально допустимом износе ее рабочей поверхности 16, после чего следует замена рабочего колеса 5 насоса.

Глубина износившегося слоя лопасти 8 со стороны ее рабочей поверхности 16 увеличивается с увеличением расстояния рассматриваемой точки на поверхности 16 от центра вращения О рабочего колеса 5, что соответствует предложенным выше формулам расчета образующей рабочей поверхности 16.

При максимальном износе лопасти 8 достигается высокая степень приближения расчетных координат образующих к рабочей поверхности 16, определяемых по приведенным выше формулам, к координатам принимаемых в качестве оптимальных образующих тыльной поверхности 15 и соответственно их профилей. Процесс оптимизации профиля рабочей поверхности 16 лопасти 8 при расчетах параметров образующей рабочей поверхности 16 с учетом толщины изнашиваемого слоя по указанным выше формулам осуществляется в течение всего периода эксплуатации лопасти 8. Это позволяет стабилизировать и улучшать гидродинамические показатели насоса, обеспечивающие эффективную работу на обогатительных фабриках таких комплексов, как мельница-гидроциклон.

Главным определяющим преимуществом изобретения по сравнению с известными конструкциями центробежных пульповых насосов является то, что в предлагаемом насосе образующие рабочих поверхностей 16 лопастей 8 учитывают величины ожидаемого износа поверхностей 16 в виде слоя над выбранной оптимальной образующей тыльной поверхности 15, при работе насоса изнашиваемый профиль оптимизируется, приближаясь к выбранному оптимальному профилю. При применении такой образующей рабочей поверхности 16 в виде кривой интенсивности износа оптимизация рабочего профиля и соответственно гидродинамических параметров насоса происходит на протяжении всего интервала его работы, включая заключительный период, в отличие от известных конструкций насосов, в которых гидродинамические показатели начинают снижаться из-за износа лопастей с самого начала их эксплуатации. Промышленная полезность данного изобретения заключается в повышении стабильности гидродинамических параметров перекачиваемой пульпы на обогатительных фабриках, применяющих гидроциклоны.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при создании центробежных насосов, перекачивающих пульпу на горно-обогатительных комбинатах. Насос состоит из корпуса и крышки, футерованных полиуретановым эластомером, рабочего колеса с передним и задним дисками и лопастями с криволинейными образующими их внешней (рабочей) и тыльной поверхностей, приводного вала, подвода и спирального отвода. Внешняя поверхность лопасти образована криволинейной образующей, определяемой как кривая интенсивности абразивного износа по разработанным зависимостям, связующим параметры заданной образующей поверхности с показателями предстоящего их износа. При этом образующие рабочих поверхностей определяют глубину ожидаемого износа поверхности в процессе работы в зависимости от износостойкости материала и от профиля лопасти с тыльной стороны, принятого в качестве оптимального. По мере износа рабочей поверхности, профилированной по кривой интенсивности износа, ее начальная конфигурация изменяется и приближается к заложенной с тыльной стороны лопасти оптимальной конфигурации. Благодаря этому гидродинамические показатели насоса в заключительный период эксплуатации не ухудшаются, повышая стабильность гидродинамических параметров и срок службы насоса. 5 н. и 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Центробежный пульповый насос, содержащий рабочее колесо закрытого типа с передним и задним дисками и расположенными между ними лопастями с криволинейными образующими их внешней (рабочей) и тыльной поверхностей, в качестве образующей поверхности которой с тыльной стороны принята дуга окружности, улиткообразные корпус и крышку, футерованные внутри элементами из полиуретанового эластомера, приводной вал, подвод и спиральный отвод, отличающийся тем, что внешняя поверхность лопасти образована криволинейной образующей, определяемой как кривая интенсивности абразивного износа по следующей зависимости:
$$R=r+K\frac{\Delta }{\delta {\rho }_0^2}\cdot \left[{\rho }_0^2+{\left(2asin\phi \right)}^2\left(1-\frac{{\rho }_0}{a}\right)\right],$$
где R - полярный радиус точек криволинейной образующей внешней (рабочей) поверхности лопасти;
r=2a cosφ - полярный радиус точек дуги окружности, образующей тыльную поверхность лопасти;
a - радиус точек дуги окружности, образующей тыльную поверхность лопасти;
φ - полярный угол точек образующих;
Δ - средний удельный на единицу поверхности износ материала лопасти в г/см², определяемый на 1/3 протяженности лопасти со стороны входа в колесо за интервал времени полного износа лопасти;
ρ₀ - радиус входного отверстия в рабочем колесе;
δ - плотность материала лопастей;
К - коэффициент пропорциональности между кинетической энергией элементарных объемов пульпы и удельным износом поверхности лопастей.

2. Центробежный пульповый насос, содержащий рабочее колесо закрытого типа с передним и задним дисками и расположенными между ними лопастями, образующей поверхности которых с тыльной стороны служит логарифмическая спираль, улиткообразные корпус и крышку, футерованные внутри элементами из полиуретанового эластомера, приводной вал, подвод и спиральный отвод, отличающийся тем, что внешняя поверхность лопастей образована криволинейной образующей, определяемой как кривая интенсивности износа по следующей зависимости:
$$R=a{e}^{в\phi }(1+К\frac{\Delta a{e}^{в\phi }}{\delta \cdot r_0^2}),$$
где R - полярный радиус точек криволинейной образующей внешней (рабочей) поверхности лопасти;
ае^вφ=r - полярный радиус точек логарифмической спирали, образующей тыльной поверхности лопасти, а, в - параметры спирали, φ - полярный угол точек образующих;
Δ - средний удельный на единицу поверхности износ материала лопасти в г/см², определяемый на 1/3 протяженности лопасти со стороны входа в колесо за интервал времени полного износа лопасти;
r₀ - радиус входного отверстия в рабочем колесе;
δ - плотность материала лопастей;
К - коэффициент пропорциональности между кинетической энергией элементарных объемов пульпы и удельным износом поверхности лопастей.

3. Центробежный пульповый насос, содержащий рабочее колесо закрытого типа с передним и задним дисками и расположенными между ними лопастями, улиткообразный корпус и крышку, футерованные внутри элементами из полиуретанового эластомера, приводной вал, подвод и спиральный отвод, отличающийся тем, что образующей тыльной поверхности лопастей служит спираль Архимеда, а внешней (рабочей) - криволинейная образующая, определяемой как кривая интенсивности износа по следующей зависимости:
$$\text{R}=\text{a}\cdot \phi \text{(1}+\text{K}\frac{\text{Δ}}{\text{δ}\cdot {\text{r}}_{\text{0}}^{\text{2}}}\text{a}\phi \text{)}\text{,}$$
где R - полярный радиус точек криволинейной образующей внешней (рабочей) поверхности лопасти;
a·φ=r - полярный радиус точек Архимедовой спирали, образующей тыльной поверхности лопасти;
a - параметр, определяющий расстояние между витками Архимедовой спирали;
φ - полярный угол точек образующих;
Δ - средний удельный на единицу поверхности износ материала лопасти в г/см², определяемый на 1/3 протяженности лопасти со стороны входа в колесо за интервал времени полного износа лопасти;
r₀ - радиус входного отверстия в рабочем колесе;
δ - плотность материала лопастей;
K - коэффициент пропорциональности между кинетической энергией элементарных объемов пульпы и удельным износом поверхности лопастей.

4. Центробежный пульповый насос, содержащий рабочее колесо закрытого типа с передним и задним дисками и расположенными между ними лопастями, улиткообразный корпус и крышку, футерованные внутри элементами из полиуретанового эластомера, приводной вал, подвод и спиральный отвод, отличающийся тем, что тыльная поверхность лопастей образована гиперболической спиралью, а внешняя (рабочая) поверхность - криволинейной образующей, определяемой как кривая интенсивности абразивного износа по следующей зависимости:
$$\text{R}=\text{a/}\phi \text{(1}+\text{К}\frac{\text{Δa}}{\text{δ}\phi \cdot {\text{r}}_{\text{0}}^{\text{2}}}\text{)}\text{,}$$
где R - полярный радиус точек криволинейной образующей внешней (рабочей) поверхности лопасти;
r=a/φ - полярный радиус точек гиперболической спирали, образующей тыльной поверхности лопасти;
а - асимптота гиперболической спирали;
φ - полярный угол точек образующих;
Δ - средний удельный на единицу поверхности износ материала лопасти в г/см², определяемый на 1/3 протяженности лопасти со стороны входа в колесо за интервал времени полного износа лопасти;
r₀ - радиус входного отверстия в рабочем колесе;
δ - плотность материала лопастей;
К - коэффициент пропорциональности между кинетической энергией элементарных объемов пульпы и удельным износом поверхности лопастей.

5. Центробежный пульповый насос по п.4, отличающийся тем, что спиралеобразные лопасти рабочего колеса выступают за пределы переднего диска во входном пространстве колеса на 0,05-0,2 длины лопасти.

6. Центробежный пульповый насос, содержащий рабочее колесо закрытого типа с передним и задним дисками и расположенными между ними лопастями с криволинейными образующими их внешней (рабочей) и тыльной поверхностей, улиткообразные корпус и крышку, футерованные внутри элементами из полиуретанового эластомера, приводной вал, подвод и спиральный отвод, отличающийся тем, что образующей тыльной поверхности лопасти служит дуга улитки Паскаля, а образующей внешней (рабочей) поверхности - криволинейная образующая, определяемая как кривая интенсивности абразивного износа по следующей зависимости:
$$\text{R}=\text{2acos}\phi +\ell +\text{K}\frac{\text{Δ}\cdot {\text{ρ}}^{\text{2}}}{\text{δ}\cdot {\text{ρ}}_{\text{0}}^{\text{2}}},$$
где R - полярный радиус точек криволинейной образующей внешней (рабочей) поверхности лопасти;
2а cosφ=r - полярный радиус точек дуги улитки Паскаля, образующей тыльной поверхности лопасти;
φ - угол полярного радиуса точек дуги улитки Паскаля;
а - радиус обкатываемой окружности в улитке Паскаля;
l - параметр улитки Паскаля, определяемый кривизну дуги образующей;
ρ - полярный радиус точек дуги улитки Паскаля с центром в точке вращения рабочего колеса;
Δ - средний удельный на единицу поверхности износ материала лопасти в г/см², определяемый на 1/3 протяженности лопасти со стороны входа в колесо за интервал времени полного износа лопасти;
ρ₀ - радиус входного отверстия в рабочем колесе;
δ - плотность материала лопастей;
К - коэффициент пропорциональности между кинетической энергией элементарных объемов пульпы и удельным износом поверхности лопастей.