Шнекоцентробежный насос и шнекоцентробежная ступень этого насоса (варианты)
Полезная модель относится к области насосостроения. Шнекоцентробежная ступень насоса находится в корпусе и содержит предвкпюченное осевое колесо и установленное перед ним на валу дополнительное осевое колесо. В заявляемой шнекоцентробежной ступени предвключенное осевое колесо с выступом на тыльной поверхности выполнено с лопастями, в цилиндрических сечениях имеющих профили с выведенной по специальной формуле криволинейной средней линией, а размещенное перед ним на одном валу дополнительное осевое колесо, имеет наружный диаметр, равный 0,6-0,85 наружного диаметра предвключенного колеса. Полезная модель направлена на создание шнекоцентробежной ступени, работающей в широком диапазоне подач без разрушения предвключенного осевого колеса.
Полезная модель относится к области насосостроения, а именно к шнекоцентробежным насосам.
Известен шнекоцентробежный насос, находящийся в корпусе и содержащийя предвключенное осевое колесо (предвключенный шнек) и установленное перед ним на одном валу дополнительное осевое колесо (бустерный шнек). Наружный диаметр D1 предвкпюченного осевого колеса и наружный диаметр D2 дополнительного осевого колеса выполнены в соотношении 0,925
(D1/D2)1,0 (SU 
1186830, F 04 D 9/04, 29/66, опубл. 23.10.1985).
Данное изобретение принято в качестве прототипа для заявленных объектов.
Такая конструкция применяется для повышения всасывающей способности ступени. Лопастная система предвключенного осевого колеса и дополнительного осевого колеса составлена из решеток профилей «пластина».
Результаты многих исследований, в том числе и проведенных во ВНИИАЭН, свидетельствуют о том, что предвключенные осевые колеса с такой формой профиля лопасти, работая в режимах развитой кавитации, обеспечивают высокую всасывающую способность, но при этом подвергаются интенсивному кавитационному разрушению.
Таким образом, существенным недостатком данной шнекоцентробежной ступени является то, что решая одну из сторон проблемы кавитации - повышение всасывающей способности, данная конструкция не исключает опасности кавитационного разрушения предвключенного осевого колеса.
В полезной модели решается техническая задача по выполнению осевого колеса в шнекоцентробежной ступени с лопастями в цилиндрических сечениях имеющих профили с криволинейной средней линией, максимальный прогиб которой для текущего сечения определяется по формуле:
flmax=l×[0,107-0,19(Di/D Н.К.)+0,108(Dш/DH.K.)2 ], где
flmax - максимальный прогиб средней линии профиля в текущем цилиндрическом сечении;
l - длина хорды профиля;
Di - текущий диаметр цилиндрического сечения;
DН.К. - наружный диаметр колеса,
И установке перед ним на одном валу дополнительного осевого колеса, имеющего наружный диаметр, равный 0,6-0,85 наружного диаметра предвключенного осевого колеса.
Достигаемый при этом технический результат заключается в создании шнекоцентробежной ступени и насоса с этой ступенью, в котором снижается интенсивность процесса кавитации и, следовательно, достигается возможность создания крупных насосов с высокой всасывающей способностью без разрушения проточной части.
Указанный технический результат для первого объекта достигается тем, что в шнекоцентробежном насосе, содержащем расположенные в корпусе предвкпюченное осевое колесо и установленное перед ним на одном валу дополнительное осевое колесо, предвключенное осевое колесо состоит из втулки, на поверхности которой выполнена винтовая лопасть, перпендикулярная поверхности втулки, а перед зоной кавитационного разрушения на тыльной поверхности лопасти выполнен выступ, имеющий наибольшую высоту в зоне наружного диаметра колеса, постепенно уменьшающуюся до нуля к поверхности втулки, наружный диаметр дополнительного осевого колеса равен 0,6-0,85 наружного диаметра предвключенного осевого колеса, причем оба указанных колеса жестко закреплены на одном валу без возможности осевых и угловых смещений как относительно вала и друг друга, а лопасти в цилиндрических сечениях имеют профили с криволинейной средней линией, максимальный прогиб которой для текущего сечения определяется по формуле:
flmax=l×[0,107-0,19(D i/DH.K.)+0,108(Di/DH.K. )2], где
flmax - максимальный прогиб средней линии профиля в текущем цилиндрическом сечении;
l - длина хорды профиля;
Di - текущий диаметр цилиндрического сечения;
D H.K. - наружный диаметр колеса.
Указанный технический результат для второго объекта достигается тем, что в шнекоцентробежной ступени насоса, представляющей собой предвключенное осевое колесо и установленное перед ним на одном валу дополнительное осевое колесо, отличающаяся тем, что указанное колесо состоит из втулки, на поверхности которой выполнена винтовая лопасть, перпендикулярная поверхности втулки, и на тыльной поверхности которой выполнен выступ, расположенный перед зоной кавитационного разрушения и имеющий наибольшую высоту в зоне наружного диаметра колеса, постепенно уменьшающуюся до нуля к поверхности втулки, наружный диаметр дополнительное осевого колеса равен 0,6-0,85 наружного диаметра предвключенного осевого колеса, причем оба указанных колеса жестко закреплены на одном валу без осевых и угловых смещений относительно вала и друг друга, а лопасти в цилиндрических сечениях имеют профили с криволинейной средней линией, максимальный прогиб которой для текущего сечения определяется по формуле:
flmax=l×[0,107-0,19(D i/DH.K.)+0,108(Di/DH.K. )2], где
flmax - максимальный прогиб средней линии профиля в текущем цилиндрическом сечении;
l - длина хорды профиля;
Di - текущий диаметр цилиндрического сечения;
D H.K. - наружный диаметр колеса.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Применение такой конструкции создает наиболее благоприятное взаимодействие потока жидкости с лопастной системой этих колес в кавитационном режиме, в результате чего снижается интенсивность кавитационного разрушения предвключенного осевого колеса с выступом.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.
На фиг.1 - изображен шнекоцентробежный насос с шнекоцентробежной ступенью, продольный разрез;
фиг.2 - графики сравнительных характеристик шнекоцентробежной ступени насоса с предвключенным осевым колесом с профилем лопасти "пластина" и дополнительным осевым колесом и без него в диапазоне подач (0,3-1,3)Qном (где, Qном - подача номинальная);
фиг.3 - представлены графики сравнительных характеристик шнекоцентробежного насоса с предвключенным осевым колесом с заявляемым профилем лопасти и дополнительным осевым колесом и без него в диапазоне подач
(0,3-1,3)Qном;
фиг.4 - график, показывающий зависимость интенсивности кавитационного разрушения при соотношения диаметров дополнительного осевого колеса (D1) и предвключенного осевого колеса (D 2).
Согласно настоящей полезной модели шнекоцентробежный насос содержит расположенную в корпусе шнекоцентробежную ступень.
Шнекоцентробежная ступень насоса включает в себя предвключенное осевое колесо 1 и установленное перед ним на одном валу 2, дополнительное (брустерное) осевое колесо 3, наружный диаметр которого (D1) равен 0,6-0,85 наружного диаметра предвключенного осевого колеса 1 (D2). Кроме того, оба осевых колеса жестко закреплены на одном валу без возможности осевых и угловых смещений как относительно вала, так и относительно друг друга.
При этом предвключенное осевое колесо 1 состоит из втулки, на поверхности которой выполнена винтовая лопасть, перпендикулярная поверхности втулки, а перед зоной кавитационного разрушения на тыльной поверхности лопасти выполнен выступ, имеющий наибольшую высоту в зоне наружного диаметра колеса, постепенно уменьшающуюся до нуля к поверхности втулки, причем лопасти в цилиндрических сечениях имеют профили с криволинейной средней линией, максимальный прогиб которой для текущего сечения определяется по формуле:
flmax=l×[0,107-0,19(D i/DH.K.)+0,108(Di/DH.K. )2], где
flmax - максимальный прогиб средней линии профиля в текущем цилиндрическом сечении;
l - длина хорды профиля;
Di - текущий диаметр цилиндрического сечения;
D H.K. - наружный диаметр колеса,
Шнекоцентробежная ступень насоса работает следующим образом.
Жидкость из входного патрубка поступает на лопасти дополнительного осевого колеса, а затем - предвключенного осевого колеса. При кавитационном обтекании предвключенного осевого колеса на его поверхности образуются две каверны: одна, основная каверна, начинающаяся от входной кромки лопасти, и вторая каверна, за выступом, которая, выполняя функции демпфера, защищает лопасть от разрушающего воздействия основной каверны. Интенсивность воздействия основной каверны в значительной степени зависит от структуры потока на входе в предвключенное осевое колесо.
Результаты исследований свидетельствуют о том, что поток на входе в предвключенное осевое колесо является равноскоростным только на подачах больше, чем оптимальная. На оптимальной и недогрузочных подачах на входе в предвключенное осевое колесо возникают обратные токи, а область смешения обратных токов с основным потоком является наиболее неблагоприятной с точки зрения взаимодействия потока и лопастной системы, отличающейся крайней неупорядоченностью как по величине, так и по направлению скоростей. Интенсивность процесса кавитации определяется, в основном, явлениями, происходящими в этой области.
Применение дополнительного осевого колеса с заданными параметрами приводит к снижению интенсивности обратных токов, что ослабляет интенсивность кавитации в проточной части предвключенного осевого колеса. При этом увеличивается эффективность работы выступа на тыльной поверхности лопасти и, как следствие, снижается интенсивность кавитационного разрушения предвключенного осевого колеса. В настоящее время не существует достаточно достоверного теоретического метода определения интенсивности кавитационного разрушения предвключенного осевого колеса. Поэтому оптимизация конструкции ступени основывается на результатах экспериментов проведенных во ВНИИАЭН. В качестве критерия интенсивности кавитационного разрушения предвключенного осевого колеса принимается показатель превышения максимального уровня виброускорения, замеренного на участке корпуса, где расположено это колесо, над его значением при отсутствии кавитации: W к=Wmax-WH, где Wк - превышение максимального уровня виброускорения над его значением при отсутствии кавитации, Wmax - максимальный уровень виброускорения, WH - уровень виброускорения при отсутствии кавитации.
На фиг.2 представлен график сравнительных характеристик шнекоцентробежной ступени насоса с предвключенным осевым колесом с профилем лопасти "пластина" и дополнительным осевым колесом (на графике представлен кривой с кружочками) и без него (на графике представлен кривой с крестиками) в диапазоне подач (0,3-1,3)Qном (где, Qном - подача номинальная). Из этого графика видно, что интенсивность виброускорения (Wк/q) практически не изменилась.
Следовательно, установка дополнительного осевого колеса не изменила интенсивности кавитационного воздействия для предвкпюченных осевых колес с профилем лопасти "пластина".
На фиг.3 представлен график сравнительных характеристик шнекоцентробежного насоса с предвключенным осевым колесом с заявляемым профилем лопасти и дополнительным осевым колесом (на графике представлен кривой с кружочками) и без него (на графике представлен кривой с крестиками) в диапазоне подач (0,3-1,3)Qном. Как видно, для профиля лопасти по SU 731075 интенсивность виброускорения при установке дополнительного осевого колеса снизилась. Следовательно, интенсивность кавитационного разрушения тоже снизилась. Из графика, приведенного на фиг.4, видно, что максимальное снижение интенсивности кавитационного разрушения происходит в диапазоне (D1/D2 )=0,6-0,85. Это подтверждено ресурсными испытаниями, которые проводились при соотношении диаметров (D1/D2 )=0,5-1,0. Предвключенное осевое колесо с профилем согласно авторскому свидетельству СССР 731075 имело разрушение после четырех часов работы при частоте вращения 6000 об/мин. Это же Предвключенное осевое колесо с дополнительным осевым колесом при (D1/D2 )=0,8 не имело следов кавитационного разрушения после десяти часов работы при частоте вращения 8000 об/мин. Разрушений дополнительного осевого колеса также не было отмечено.
Применение предлагаемого дополнительного осевого колеса практически не снижает к.п.д. ступени.
1. Шнекоцентробежный насос, содержащий расположенные в корпусе предвключенное осевое колесо и установленное перед ним на одном валу дополнительное осевое колесо, расположенное перед входным патрубком корпуса, отличающийся тем, что предвключенное осевое колесо состоит из втулки, на поверхности которой выполнена винтовая лопасть, перпендикулярная поверхности втулки, а перед зоной кавитационного разрушения на тыльной поверхности лопасти выполнен выступ, имеющий наибольшую высоту в зоне наружного диаметра колеса, постепенно уменьшающуюся до нуля к поверхности втулки, наружный диаметр дополнительного осевого колеса равен 0,6-0,85 наружного диаметра предвключенного осевого колеса, причем оба указанных колеса жестко закреплены на одном валу без возможности осевых и угловых смещений как относительно вала и друг друга, а лопасти в цилиндрических сечениях имеют профили с криволинейной средней линией, максимальный прогиб которой для текущего сечения определяется по формуле:
flmax=l·[0,107-0,19(Di/DH.K. )+0,108(Di/DH.K.)2],
где flmax - максимальный прогиб средней линии профиля в текущем цилиндрическом сечении;
l - длина хорды профиля;
Di - текущий диаметр цилиндрического сечения;
DH.K. - наружный диаметр колеса.
2. Шнекоцентробежная ступень насоса, представляющая собой предвключенное осевое колесо и установленное перед ним на одном валу дополнительное осевое колесо, отличающаяся тем, что указанное предвключенное колесо состоит из втулки, на поверхности которой выполнена винтовая лопасть, перпендикулярная поверхности втулки, и на тыльной поверхности которой выполнен выступ, расположенный перед зоной кавитационного разрушения и имеющий наибольшую высоту в зоне наружного диаметра колеса, постепенно уменьшающуюся до нуля к поверхности втулки, наружный диаметр дополнительного осевого колеса равен 0,6-0,85 наружного диаметра предвключенного осевого колеса, причем оба указанных колеса жестко закреплены на одном валу без осевых и угловых смещений относительно вала и друг друга, а лопасти в цилиндрических сечениях имеют профили с криволинейной средней линией, максимальный прогиб которой для текущего сечения определяется по формуле:
flmax=l·[0,107-0,19(Di /DH.K.)+0,108(Di/DH.K.) 2],
где flmax - максимальный прогиб средней линии профиля в текущем цилиндрическом сечении;
l - длина хорды профиля;
Di - текущий диаметр цилиндрического сечения;
DH.K. - наружный диаметр колеса.
