Ротор импеллерного насоса

Импеллерные насосы предназначены для перекачивания различных жидкостей, в том числе вязких, эмульсий, суспензий, пульп в пищевой промышленности, горнодобывающей, целлюлозно-бумажной и других. За счет установки за гибкими лопастями ротора жестких выступов, задающих форму деформирования гибкой лопасти в виде профиля балки равного сопротивления изгибу уменьшаются возникающие в лопастях при их изгибе внутренние напряжения и повышается срок службы.

Область техники, к которой относится полезная модель

Настоящая полезная модель является узлом импеллерного насоса, предназначенного для перекачивания различных жидкостей, в том числе вязких, эмульсий, суспензий, пульп в пищевой промышленности, горнодобывающей, целлюлозно-бумажной и других.

Уровень техники

За аналоги данного насоса принимаются патенты: US 2455194 опубл. 1948, US 2599600 опубл. 1952, US 2789511 опубл. 1957, US 4392779 опубл. 1983, US 3303791 опубл. 1967.

Аналоги данного импеллерного насоса содержат ротор с лопастями из эластичного материала вращающейся внутри эксцентрично установленного корпуса или корпуса с изменением конфигурации внутренней поверхности корпуса. Благодаря этому происходит сгибание лопастей, уменьшение объема камер между смежными лопастями, формируется область сжатия и вытеснение жидкости из насоса. Всасывание жидкости происходит за счет увеличения объема камеры при разгибании лопастей, вследствие возвращения к первоначальной конфигурации корпуса. Основным недостатком данной конструкция насоса является малый срок службы лопастей, поскольку лопасти насоса подвергаются многократному изгибу и на внешней поверхности лопасти возникают большие растягивающие напряжения. Наибольшей величины эти напряжения достигают в месте крепления лопасти к ротору. В результате, вследствие усталости материала лопасти, происходит ее разрушение.

Прототипом для данной полезной модели является патент US 3218983 опубл. 1965. Насос, имеющий ротор с эластичными лопастями, зону сжатия, сформированную местным изменением конфигурации внутренней поверхности корпуса, зону всасывания, касательно расположенные впускные и выпускные окна и прочие сходные с другими насосами конструктивные элементы. Прототип полезной модели не обеспечивает защиты гибких лопастей от высоких растягивающих напряжений на внешней стороне изогнутой лопасти, вследствие чего ротор насоса выходит из строя из-за усталости материала лопастей.

Установлено [Резниковский М.М., Лукомская А.И. Механические испытания каучука и резины. М., Химия, 1968 г.], что усталостная выносливость, выраженная через число циклов до разрушения подчиняется зависимости

где _z - текущее напряжение, ₀ - прочность при однократном нагружении (разрывное напряжение), - коэффициент, характеризующий усталостные свойства резины (=2,5-8).

Из зависимости следует, что даже небольшое снижение напряжения позволяет значительно увеличить долговечность, так как усталостный коэффициент больше единицы.

На фиг.1 дан эскиз лопасти ротора насоса с основными геометрическими характеристиками без установки дополнительного жесткого выступа, а на фиг.2 расчетная схема нагружения, где 1 - длина лопасти; b и h - размеры поперечного сечения. Проведенные расчеты [Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М., Высшая школа, 1962 г.] позволили построить в общем: виде для расчетной схемы (фиг.3а) эпюры распределения: поперечных сил (фиг.3б) и изгибающих моментов(фиг.3в).

Как следует из эпюр (фиг.3б, 3в) наиболее опасным с точки зрения прочности и выносливости является сечение в заделке, то есть в узле крепления лопасти на ступице ротора.

Раскрытие полезной модели

Технический результат - повышение усталостного порога разрушения лопастей ротора и увеличение срока службы. Для решения этой проблемы, предложено конструктивное решение, согласно которому для уменьшения изгибных напряжений, действующих на лопасти, за каждой лопастью устанавливаются выступы, принимающему на себя часть усилий, вызванных сопротивлением перекачиваемой жидкостью и изгибающего момента от местных изменений конфигурации корпуса при создании повышенного давления на выходе. Жесткий выступ имеет профиль, обеспечивающий гибкой лопасти деформирование с минимальными и одинаковыми напряжениями по все длине опорной поверхности выступа.

Для увеличения срока эксплуатации изделия следует уменьшить напряжения в узле крепления лопасти, что возможно осуществить следующим способом (фиг.4). За лопастью (1) устанавливается дополнительный жесткий выступ (2), служащий опорой при изгибе и обеспечивающий необходимую форму деформирования гибкой лопасти.

Расчетная схема в этом варианте изображена на фиг.5а. Здесь l _к - длина опоры. Построены эпюра поперечных сил (фиг.5б), эпюра изгибающих моментов (фиг.5в).

Анализ эпюр внутренних усилий в лопасти без опоры (фиг.3б, 3в) и с опорой (фиг.5б, 5в) показывает, что установка опоры позволяет снизить внутренние усилия в материале лопасти и, соответственно напряжения, на величину, зависящую от длины линии контакта l_К лопасти с опорой. Для поперечных сил на ql_K, а для изгибающего момента . Причем зависимость степенная, что значительно увеличивает эффективность снижения напряжений.

Краткое описание чертежей

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.6 показан общий вид насоса. Насос имеет корпус 1 с местным изменением конфигурации внутренней поверхности корпуса 2. Лопасть 3 закреплена на ступице ротора имеющего жесткие выступы 4 заданного профиля.

Насос работает следующим образом. Ротор с лопастями 3 вращается против часовой стрелки. Благодаря местному изменением 2 конфигурации внутренней поверхности корпуса 1 формируется область сжатия, где происходит сгибание лопастей, что приводит к уменьшению объема камер между смежными лопастями и вытеснению жидкости из насоса. Всасывание жидкости происходит за счет увеличения объема камеры при разгибании лопастей, вследствие возвращения к первоначальной конфигурации корпуса. При изгибании лопасть ложится на жесткий выступ 4, имеющий заданный профиль. Благодаря этому происходит разгрузка основания лопасти от части изгибных напряжений, что ведет к повышению усталостной выносливости лопастей.

Ротор импеллерного насоса, имеющий лопасти, выполненные из эластомера, отличающийся тем, что на роторе за лопастями расположены выступы, задающие при изгибе эластичных лопастей на участке контакта с выступом постоянную форму деформирования лопасти в форме балки равного сопротивления изгибу.