Вихревой насос Советский патент 1992 года по МПК F04D5/00 

1

(21)4869699/29 (22) 26.09.90 (46)30.11.92. Бюл. №44

(71)Луганский машиностроительный институт

(72)Б.В. Рожнов, В.И. Соколов и В.В. Буга- енко

(56)Авторское свидетельство СССР Ns 199663, кл. F 04 D 5/00, 1966. (54) ВИХРЕВОЙ НАСОС

(57)Использование: цля перекачивания чистых жидкостей. Сущность изобретения: в

корпусе с проточным рабочим каналом и с разделенными перемычкой всасывающим и нагнетательным патрубками установлено рабочее колесо с лопатками. Поперечная площадь проточного канала выполнена увеличивающейся от всасывающего патрубка до середины длины канала и затем уменьшающейся до нагнетательного патрубка. Изменение статического момента поперечной площади канала относительно оси вращения канала описываетсч заданной зависимостью. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области насо- состроения и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства для перекачивания чистых жидкостей без примесей твердых вещестс.

Известны вихревые насосы, имеющие рабочее колесо с лопатками и корпус с проточным каналом, всасывающим и напорным патрубками, разделенными перемычкой. Единичные вихревые насосы могут быть изготовлены с минимально возможными торцовыми щелевыми уплотнениями между рабочим колесом и корпусом. В этом случае утечки жидкости из проточного рабочего канала корпуса незначительны и не влияют на рабочий процесс преобразования механической энергии вращения рабочего колеса в гидравлическую энергию потока жидкости. Здесь на всей длине активной части проточного канала преобразование энергии одного вида в другой происходит в оптимальном режиме с максимальным коэффициентом полезного действия, при этом на всей длине сохраняется равенство

Q/FU Qp.om.,

где Q - подача насоса;

F - поперечная площадь проточного рабочего канала;

U - окружная скорость рабочего колеса на радиусе центра тяжести сечения рабочего канала;

Ор.опт. оптимальное значение коэффициента рабочей подачи.

В серийно изготавливаемых вихревых насосах указанные выше торцовые зазоры обычно имеют размер д 0,25...0,1 мм. По этой причине перекачиваемая жидкость через торцовые зазоры перетекает из одной части проточного канала в другую. Процесс преобразования энергии выходит из оптимального режима, и вследствие этого уменьшается коэффициент полезного действия и падает развиваемый насосом напор, что можно оценить по приближенным зависимостям и графикам (О.В. Байбаков. Вихревые насосы. М.: Машиностроение, 1981, стр.95, рис.51).

Известен также вихревой насос, содержащий корпус с проточным рабочим каналом и с разделенными перемычкой

и

с

а а о ч

всасывающим и нагнетательным патрубками и установленное в корпусе рабочее колесо с лопатками. Здесь также радиальные утечки через -торцовый зазор между рабочим колесом и корпусом приводят к тому, что оптимальный режим вихревого процесса не поддерживается по всей длине проточного рабочего канала. Это приводит к уменьшению коэффициента полезного действия насоса и падению напора насоса.

Цель изобретения - повышение коэффициента полезного действия насоса путем обеспечения оптимального режима вихревого процесса по всей длине проточного рабочего канала.

Цель достигается тем, что в вихревом насосе, содержащем корпус с проточным рабочим каналом и с разделенными перемычкой всасывающим и нагнетательным патрубками и установленное в корпусе рабочее колесо с лопатками, поперечная площадь проточного канала выполнена увеличивающейся от всасывающего патрубка до середины длины канала, а затем уменьшающейся до нагнетательного патрубка; в насосе изменение статического мо- мента поперечной площади канала относительно оси вращения рабочего колеса описывается зависимостью

Soc( 0 Soc(0)(1 + 1 - (1 - -|Ј)15),

где Soc(y) - статический момент поперечной площади сечения канала, м ;

р-угол 0 р ро/2, под которым расположено сечение от начала или конца канала, град;

Soc(O)- статический момент поперечной площади в начале или конце канала, м ;

ро - угол обхвата проточного рабочего канала,град;

а-безразмерный коэффициент, равный

RBX

№o)J

1,55

д

VRO)

б - торцовый зазор между рабочим колесом и корпусом, мм;

RBX - радиус, на котором расположен зазор, мм;

F(0)- поперечная площадь в начале или кок.це канала, мм .

Благодаря этому возможно обеспечить постоянство Q/(FU) Ор.опт. по всей длине проточного рабочего канала и сохранить оптимальный режим вихревого рабочего процесса, тем самым увеличить коэффициент полезного действия насоса.

Существенными отличиями предлагаемого вихревого насоса является выполнение рабочего канала таким образом, что его поперечная площадь увеличивается от всасывающего патрубка до середины длины канала и затем уменьшается до напорного патрубка, а также выполнение поперечной площади так, что изменение статического момента последней относительно оси вращения рабочего колеса описывается зависимостью

Soc($ Soc(OXl.+ 1 -(1 - |$-5).

Авторам неизвестны другие технические решения, имеющие признаки, сходные с заявляемым вихревым насосом, что говорит о соответствии предлагаемого изобретению критерию существенные отличия.

На фиг.1 и 2 представлена основная гидравлическая часть насоса; на фиг.З - результаты конкретных расчетов поперечной площади проточного рабочего канала и ее

статического момента относительно оси вращения рабочего колеса.

В основную гидравлическую часть вихревого насоса входят рабочее колесо 1 с лопатками 2, корпус 3 с проточным рабочим

каналом 4, всасывающим 5 и напорным 6 патрубками, разделенными перемычкой 7.

Работа предлагаемого вихревого насоса происходит следующим образом.

При вращении рабочего колеса 1 жидкость из всасывающего патрубка 5 поступает в проточный рабочий канал 4 и ячейки 8 между лопатками 2 рабочего колеса 1. Благодаря силовому взаимодействию лопаток 2 с потоком жидкости в ячейках 8 рабочего

колеса 1 преобразуется механическая энергия вращения в гидравлическую. Жидкость движется от всасывающего патрубка 5 к напорному 6. Проточный рабочий канал 4 выполнен так, что его поперечная площадь

увеличивается от всасывающего патрубка 5 до середины канала и затем уменьшается до напорного патрубка 6. Изменение статического момента поперечной площади канала относительно оси вращения рабочего колеса 1 описывается зависимостью

ЗосИ Soc(oxi + 1 - d - |Ј)1 5D, (1)

где Soc(f) - статический момент поперечной площади сечения канала, м3;

р - угол 0 р , под которым расположено сечение от начала или конца канала,град;

Soc(O)- статический момент поперечной площади в начале или конце канала, м3;

УО - угол обхвата проточного рабочего канала, град;

а - безразмерный коэффициент, равный

(1,7...1,9)

Rex

№p)J

6 - торцовый зазор между рабочим колесом и корпусом, мм;

F(0) - поперечная площадь в начале или конце канала, мм ;

RBX радиус, на котором расположен зазор, мм.

Умножим обе части уравнения (1) на расход насоса Qo, а статические моменты представим через произведение поперечной площади и радиуса центра тяжести поперечного сечения канала

QoF(y)RUT( p) Р(0)Рцт(0)(Оо +

+ 0.-)1.55,

где F( p), RIJT( (р) - поперечная площадь и радиус центра тяжести поперечного сечения канала при угле р (фиг. 1,2);

F(0), RUT(O) - поперечная площадь и радиус центра тяжести поперечного сечения канала или конца канала.

В качестве безразмерного коэффициента а будем рассматривать отношение

а qCp/Qo,

где qcp - средний дополнительный расход радиальных утечек через торцовый зазор между рабочим колесом и корпусом. Для qcp известно выражение

qcp .(4)

где I - коэффициент расхода;

RBX - радиус входа в торцовое щелевое уплотнение;

6- зазор между рабочим колесом и корпусом;

Н - напор насоса.

Подставляя (4) в (3), а (3) в (2), имеем после преобразования

QoF(p)RUT(p)F(0)RUT(0)Qc

Р°

(1.-А

оЗ/2

р0)

3/21

(6)

где q( p) - расход радиальных утечек через торцовый зазор в сечении, расположенном под углом р от начала или конца канала.

С учетом (6) по выражению (5) получаем

QoF( р)Рцт( p) F(0)RUT(0)(Qo + q( 0). (7 )

Расход через поперечное сечение канала, расположенного под углом р от начала или конца канала

20

Q(p) Qo + q(y),

(8)

а через поперечное сечение в начале или конце канала

25

0(0) Qo .

(9)

Умножив обе части уравнения (7) на угловую скорость вращения рабочего колеса а) и приняв во внимание (8) и (9), имеем

30Q(0)F($Rl)T($ ft Q( 0F(0)Rl)T(0) 0) (10)

или

const (11)

ЗДРцт(р)и Р(0)ЯцТ( 35 Из (11) получаем

-рту Qp const для любого

,(12)

40 где U - окружная скорость рабочего колеса на радиусе центра тяжести сечения рабочего канала;

Qp - коэффициент рабочей подачи. Уравнение (12) показывает, что в пред45 лагаемом вихревом насосе возможно обеспечить постоянство коэффициента рабочей подачи по всей длине проточного рабочего канала и установить его равным оптимальному значению Ор.опт. Поэтому в каждой

50 ячейке рабочего колеса можно получить оптимальный режим вихревого процесса и, как следствие, повысить коэффициент полезного действия насоса в целом,

Задание в расчет насоса коэффициента

55 а по выражению (3) нежелательно, так как данное выражение включает режимные параметры. Вместе с тем, известно, что для рабочего режима отношение утечек через торцовый зазор qp к рабочей подаче Qp и

отношение падения напора Д Н из-за наличия утечек к напору Н при их отсутствии (зазор (5 0) одинаковы при одинаковых значениях параметра

т

д

W

(13)

Следовательно, при одинаковых значениях этого параметра будет одинаково отношение qcp/Qo, т.е. в соответствии с (3) и значение коэффициента а. Обработка экспериментальной зависимости Д Н/Н от А позволяет получить выражение для безразмерного коэффициента а, включающее только конструктивные параметры насоса

1,55

а (1,7...1,9)

VF(oy

(14)

Примеры конкретных расчетов поперечной площади проточного рабочего канала и ее статического момента относительно оси вращения рабочего колеса приведены на фиг.З. Рассматривался канал прямоугольного сечения при В 40 мм, RBx 150 мм, RK(O) 180 мм (обозначения переменных согласно фиг.2). Для этих данных Soc(O) 198 см3, F(0) 12 см2. Расчетная зависимость для статического момента (при ( 330°)

Socfa) 198(1 + 1,67а)1 -(1 1,5

), СМ3

Расчеты приведены для двух значений торцового зазора д 0,12 мм и д 0,24 мм. Значения безразмерного коэффициента а, полученные по выражению (14), составили

1С-р, 11.55

для (3 0,12 мм а (1.7...1,9). I . I

0,12

0,06;

V1200 для 5 0,24 мм а (1,7. .1,9).

150 155

024-12°°J

х Г м «0.12.

V1200 Выражение для поперечной площад

получено из системы уравнений

5ос($Р)-Р(р)Яц,(0); Кцт(

F(P)-B(RK(J)-RBX),

решение которой имеет вид

F(p) В (l/Rlx + Soc(y) - RBX).

BS

5 Для указанных значений констант

F( p) 4(V225+ Soc(p)- 15), см2.

Формула изобретения 1.Вихревой насос, содержащий корпус с проточным рабочим каналом и с разделенным перемычкой всасывающим и нагнетательным патрубками и установленное в корпусе рабочее колесо с лопатками, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД путем обеспечения оптимального режима вихревого процесса по всей длине проточного канала, поперечная площадь последнего выполнена увеличивающейся от всасывающего патрубка до середины длины канала, а затем уменьшающейся до нагнетательного патрубка.

Soc((0)((1-)15),

где Soc(p) статический момент поперечной площади сечения канала, м ;

р - угол 0 р /ъ/2. под которым расположено сечение от начала или конца канала,град;

Soc(0) - статический момент поперечной площади в начале или конце канала, м3;

ро - угол обхвата проточного рабочего канала,град;

а - безразмерный коэффициент, равный

(1.7...1.9)

RBX

).

д - торцевой зазор между рабочим колесом и корпусом, мм;

RBX - радиус, на котором расположен зазор, мм;

F(0)- поперечная площадь в начале или конце канала, мм .

5

А-А

повернуто

ОСЬ вращения рабочеёо колеса

Фиг.1

7

Фиг.1

&М

ОС

с/-

30 60 90 130 150 У°

30 60 90 120 150

Фиг.З