EA000687B1

EA000687B1 - Рабочее колесо насоса

Info

Publication number: EA000687B1
Application number: EA199800935A
Authority: EA
Inventors: Ульф Арбеус
Original assignee: Ай Ти Ти Мэньюфэкчуринг Энтерпрайзиз Инк.
Priority date: 1997-11-18
Filing date: 1998-11-17
Publication date: 2000-02-28
Also published as: NO984310L; ES2193505T3; NO984310D0; MY129531A; HK1019781A1; SE9704222L; SI0916851T1; HU221153B1; EP0916851B1; SE512154C2; YU49045B; JPH11173294A; ZA988883B; JP4143184B2; CN1218148A; CA2254187A1; IL126858A; NZ332884A; ATE233373T1; UA39998C2

Description

Изобретение относится к лопастному колесу насоса и, в частности, к лопастному колесу для центробежного или полуосевого насосов для откачивания жидкостей, в основном сточной воды.

В литературе описано много типов насосов и лопастных колес насосов для этой цели, все из которых, однако, имеют определенные недостатки. Прежде всего, это касается проблем, связанных с засорением и низким КПД.

Сточная вода содержит много различных типов загрязняющих веществ, количество и состав которых зависит от времени года и типа области, откуда стекает вода. В городах обычными загрязняющими веществами являются пластмассы, гигиенические изделия, текстиль и так далее, в то время как промышленные зоны могут выбрасывать вещества, вызывающие различный износ. Опыт показывает, что наихудшие проблемы связаны с текстильными отходами и тому подобными, которые прилипают к кромкам лопастей и наматываются на ступицу лопастного колеса. Такие случаи вызывают необходимость частых перерывов в работе на обслуживание и уменьшенный КПД.

В сельском хозяйстве и целлюлозной промышленности используются различные типы специальных насосов, которые должны справляться с соломой, травой, листьями и другими видами органического материала.

С этой целью рабочие кромки лопастей изгибаются назад для того, чтобы вызывать подачу наружу загрязняющих веществ к периферии вместо прилипания к кромкам. Часто используют различные типы измельчающих средств для резки материала и облегчения прохождения потока. Такие примеры показаны в патентах Швеции № 435952, № 375831 и патенте США № 4347035.

При наличии в сточной воде загрязняющих веществ других типов, более трудно обрабатываемых, и ввиду того, что рабочее время для насосов, откачивающих сточную воду, является продолжительным, вышеупомянутые специальные насосы не выполняют требования при откачивании сточной воды ни с точки зрения надежности, ни с точки зрения КПД.

Насос для сточной воды часто работает до 1 2 ч в день, что означает, что потребляемая энергия во многом зависит от общего КПД насоса.

Испытания подтвердили, что можно повысить КПД на 50% насоса для сточной воды согласно изобретению по сравнению с известными насосами для сточной воды. Так как издержки за срок службы для насоса с электроприводом в основном определяются энергетическими затратами (примерно на 80%), очевидно, что такое резкое повышение КПД должно иметь чрезвычайно важное значение.

В литературе конструкции лопастных колес насосов описаны очень в общем виде, особенно это касается изгиба рабочих кромок. Не существует однозначного определения упомянутого изгиба.

Испытания показали, что расчет распределения узла изгиба на рабочих кромках является очень важным для получения необходимой самоочищающей способности лопастного колеса насоса. Природа загрязняющих веществ также требует различных углов изгиба для обеспечения хорошего функционирования.

В литературе не дается никакой информации о том, что необходимо для получения плавного движения, перемещения загрязняющих веществ наружу в радиальном направлении вдоль рабочих кромок лопастей. В общем упоминается, что кромки должны быть выполнены под тупым углом, изогнуты назад и так далее. См. патент Швеции № 435952.

При откачивании более мелких загрязняющих веществ, таких как трава и другой органический материал, сравнительно малые углы могут оказаться достаточными для получения радиального перемещения и также измельчения загрязняющих веществ в щели между рабочим колесом насоса и окружающим корпусом. На практике измельчение происходит путем срезания небольших частей в результате контакта с лопастным колесом и корпусом, когда первое вращается, имея окружную скорость в диапазоне 10-25 м/с. Этот процесс срезания улучшается путем обеспечения поверхностей режущими устройствами, вырезами или тому подобным. См. патент Швеции № 435952. Такие насосы используются для перемещения пульпы, навоза и так далее.

При конструировании лопастного колеса насоса, имеющего рабочие кромки лопастей, изогнутые назад для получения самоочищения, возникает конфликт между распределением угла изгиба, КПД и другими конструктивными параметрами. Вообще, справедливо, что увеличенный угол изгиба означает меньший риск засорения, но в то же самое время уменьшается КПД.

Изобретение приводит к возможности оптимального конструирования рабочей кромки лопасти относительно получения различных функций и качеств для надежного и экономичного откачивания сточной воды, содержащей загрязняющие вещества, такие как текстиль, волокна и так далее.

В принципе изобретение содержит три компоненты, представленные в формуле изобретения.

Первая компонента, показанная на фиг. 5, количественно определяет полосу распределения угла изгиба, которая обеспечивает хорошее функционирование и КПД. Диапазон связан с размером, окружной скоростью и коэффициентом трения материала. Независимая переменная, которая названа приведенным радиусом, определяется следующим образом:

Приведенный радиус = (r-r1)/(r2-r1) (1).

где rl - радиус соединения ступицы, r2 радиус к периферии рабочей кромки, и где радиус согласно системе цилиндрических координат, имеющей начало в центре вала лопастного колеса, определяет кратчайшее расстояние между действительной точкой и точкой на продолжении вала рабочего колеса.

Основой в этой части изобретения является то, что угол изгиба рабочей кромки увеличивается значительно в направлении наружу от минимального угла в 40 град. в соединении ступицы до минимум 55° на периферии. Верхний предел, находящийся в диапазоне 60-75°, определяет граничную линию, выше которой на КПД, а также на надежность оказывается отрицательное влияние.

Вторая часть изобретения касается специального воплощения, которое имеет особенность, заключающуюся в том, что угол изгиба должен быть практически независимым от рабочей точки, то есть различных потоков и напоров, которые также соответствуют различным треугольникам (с, U , W).

Ниже будет дано определение угла изгиба со ссылкой на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 показан трехмерный вид лопастного колеса насоса согласно изобретению;

на фиг. 2 - радиальный разрез схематично изображенного насоса согласно изобретению;

на фиг. 3 - схематичный осевой вид входа лопастного колеса;

на фиг. 4 - в увеличенном масштабе область рабочей кромки лопасти колеса.

На фиг. 5 представлена диаграмма, показывающая зависимость между задним изгибом рабочей кромки и стандартным радиусом согласно изобретению.

На фигурах. позицией 1 обозначена ступица рабочего колеса, позицией 2 обозначена лопасть, имеющая рабочую кромку 3. Позицией 4 обозначено место соединения рабочей кромки со ступицей, и позицией 5 обозначена периферия кромки. Позицией 6 обозначена нормаль к кромке в определенной точке. Позицией 7 обозначена стенка корпуса насоса, позицией 8 обозначен конец ступицы, позицией 9 обозначено направление вращения, символом α обозначен угол изгиба, символом W_R обозначена относительная скорость, скорость жидкости в совместно вращающейся системе координат, и буквой z обозначено направление вала лопастного колеса.

Для оптимального расчета геометрии лопастного колеса насоса дается правильное определение угла изгиба. Точный угол изгиба α вообще является функцией геометрии рабочей кромки в меридиональном виде (r-z), а также и в осевом виде (r-θ), см. фиг. 1 и 2.

Точное определение должно быть функцией кривой, которая описывает форму рабочей кромки 3 и локальной относительной скорости W на этой кривой. Это может быть математически сформулировано следующим образом.

Используя традиционные обозначения треугольника скоростей (с, U , W) относительная скорость W (r) является функцией положения вектора г в совместно вращающейся цилиндрической системе координат. Обычным образом относительная скорость W (r, θ, z) может быть также выражена через свои компоненты (Wr, W_fc Wz).

Трехмерная кривая вдоль рабочей кромки 3 может быть описана в соответствующей совместно вращающейся системе координат как функция R, которая зависит от вектора положения Г, то есть R = R (r, θ, z).

Бесконечно малый вектор, параллельный рабочей кромке в каждой точке, может определяться как dR. Из определения скалярного произведения получается выражение для точного угла изгиба α, определяемого как угол между нормалью к dR и W _R, где W _R проектируемая относительная скорость, определяемая как ортогональная проекция W _R в той же самой плоскости:

α =n/2-arccos[(dR -W_R)/(dR -|W_R|)] (2).

Это означает, что W _R и W равны или близки к номинальной рабочей точке, к наилучшей эффективной точке.

Если предполагается, что абсолютная входная скорость не имеет никакой окружной составляющей, которая является нормалью, то Wθ равна окружной скорости лопастного колеса.

Используя эти определения и предположения, ниже будет показано, что угол α является независимым от потока. Условиями является расположение рабочей кромки в плоскости, по существу перпендикулярной направлению z вала лопастного колеса и расположение рабочей кромки там, где абсолютная скорость является по существу осевой, это означает, что радиальная компонента W _R близка к нулю.

По этой же причине окружная составляющая W _R, то есть в θ направлении, равна периферийному лопастному колесу и является независимой от потока. Осевая составляющая W _R добавляет пренебрежимо малую величину в угол α, так как, как указано выше, dRz равно нулю. Это следует из определения скалярного произведения. Соответственно, зависимая от потока переменная \w _R| не влияет на угол α в уравнении 2, поскольку и числитель, и знаменатель изменяются пропорционально.

Согласно предпочтительному воплощению изобретения рабочая кромка лопасти расположена в плоскости, по существу перпендикулярной валу лопастного колеса. Имея в виду, что насос часто работает в широком диапазоне, что касается объемного расхода и напора, предпочтительное воплощение дает возможность поддерживать способность самоочищения независимо от различных рабочих условий.

Третья часть изобретения касается предпочтительного воплощения, в котором место соединения рабочей кромки со ступицей находится рядом с концом 8 ступицы 1, то есть последняя не имеет центрального выступа. Это снижает риск наматывания загрязняющих текстильных и других отходов на центральную часть лопастного колеса.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Лопастное колесо насоса центробежного или полуосевого типа, предназначенное для использования в насосе для откачивания сточной воды, отличающееся тем, что оно снабжено одним или несколькими лопастями (2), рабочие кромки (3) которых изогнуты назад к периферии, причем угол изгиба (α), определенный в каждой точке на рабочей кромке как угол между нормалью (6) к рабочей кромке и вектором относительной скорости (Wк) откачиваемой в этой точке среды, имеет величину, определенную интервалом 40-55° в месте соединения (4) рабочей кромки со ступицей (1) и интервалом 60-75° на периферии (5), причем угол имеет по существу равномерное изменение между ними.
2. Лопастное колесо насоса по п.1, отличающееся тем, что угол (α) между нормалью (6) к рабочей кромке (3) и относительной скоростью (Wк) откачиваемой среды в каждой точке на рабочей кромке имеет величину, ограниченную интервалом 45-55° в месте соединения (4) рабочей кромки со ступицей (1) и интервалом 62-72° на периферии (5), причем угол имеет по существу равномерное изменение между ними.
3. Лопастное колесо насоса по п.1, отличающееся тем, что рабочая кромка (3) крыла (2) расположена по существу в плоскости, перпендикулярной валу колеса (z), где абсолютная скорость откачиваемой среды равна по существу осевой скорости.
4. Лопастное колесо насоса по п.1, отличающееся тем, что место соединения (4) рабочей кромки (3) со ступицей (1) расположено рядом с концом (8) этой ступицы.