EA020629B1 - Рабочее колесо шламового насоса - Google Patents

Abstract

Рабочее колесо шламового насоса, содержащее передний диск и задний диск, имеющий, каждый, внутреннюю основную поверхность с наружным периферийным краем и центральной осью, множество насосных лопаток, проходящих между внутренними основными поверхностями дисков и расположенных на расстоянии друг от друга. Каждая насосная лопатка включает в себя передний край в области центральной оси и задний край в области наружных периферийных краев дисков, и между смежными насосными лопатками образован проход. Каждый проход имеет связанную с ним выходную направляющую лопатку, причем каждая выходная направляющая лопатка расположена внутри соответствующего прохода рядом с одной или другой из насосных лопаток и выступает от внутренней основной поверхности по меньшей мере одного из дисков или каждого из дисков.

Description

Настоящее изобретение относится, в общем, к рабочим колесам для центробежных шламовых насосов. Шлам обычно представляет собой смесь жидкости и измельченных твердых частиц и широко используется при переработке минерального сырья, добыче песка, гравия и/или драгировании.

Уровень техники

Центробежные шламовые насосы, в целом, включают в себя корпус насоса, содержащий насосную камеру, которая может иметь спиральную конфигурацию, с рабочим колесом, установленным с возможностью вращения в насосной камере. Приводной вал оперативно соединен с рабочим колесом насоса для приведения его во вращение, причем приводной вал входит в корпус насоса с одной стороны. Насос дополнительно включает в себя вход насоса, который типично соосен с приводным валом и расположен на стороне корпуса насоса, противоположной относительно приводного вала, и выход, типично расположенный на периферии корпуса насоса.

Рабочее колесо типично включает в себя ступицу, с которой оперативно соединен приводной вал, и по меньшей мере один диск. На одной стороне диска выполнены насосные лопатки с выходными проходами между смежными насосными лопатками. В одной конструкции рабочего колеса два диска обеспечены насосными лопатками, которые располагаются между ними. Рабочее колесо насоса выполнено с возможностью вращения с различными скоростями для создания требуемого напора.

Часто требуется, чтобы шламовые насосы были относительно больших размеров и имели рабочие колеса большого диаметра и ширины. Эти насосы должны иметь относительно большие выходные проходы для облегчения прохождения больших твердых частиц шлама и уменьшения общей скорости шлама, когда он проходит через рабочее колесо. Шламовые насосы подвергаются значительному износу под действием твердых частиц в шламе. Из-за этого количество насосных лопаток является небольшим, например три, четыре или пять. Для уменьшения износа шламовые насосы типично работают на относительно низких скоростях, например от 200 до 5000 об/мин для очень небольших насосов. Материалами, используемыми для изготовления частей шламового насоса, являются, как правило, очень твердые металлы или эластомерные материалы, которыми можно пожертвовать и которые, следовательно, можно заменять. Изменение рабочих характеристик насоса с точки зрения потока и напора в центробежных насосах может быть достигнуто путем изменения скорости насоса.

Центробежные шламовые насосы часто должны быть выполнены с возможностью работы в широком диапазоне условий потока и напора. На рабочие характеристики центробежных шламовых насосов может значительно влиять размер, плотность и концентрация твердых частиц в шламе, и также на рабочие характеристики насоса влияет износ. Необходимость обеспечения возможности работы шламового насоса в широком диапазоне условий означает, что вследствие больших проходов в рабочем колесе рабочие характеристики насоса будут изменяться в значительной степени и будет обеспечиваться меньшая направленность потока через рабочее колесо в сравнении с менее большим и более узким водяным насосом, который обеспечивает хорошую направленность потока. Частицы и жидкость в шламе также имеют тенденцию идти различными путями через рабочее колесо, в зависимости от размера конкретной частицы и концентрации в шламе. Это явление будет усиливаться при износе рабочего колеса. Центробежные насосы часто страдают от потерь потока из-за проскальзывания на периферии рабочего колеса и рециркуляции на входе и выходе рабочего колеса. При небольших потоках на выходе рабочего колеса может установиться вихревая схема потока. Это явление обычно ведет к уменьшению рабочих характеристик насоса.

Дополнительным явлением, характерным для центробежных насосов, является кавитация, которая происходит, в основном, на входе насоса и входе рабочего колеса и которая может влиять на рабочие характеристики насоса и может даже привести к повреждению насоса, если кавитация будет сильной и непрерывной. Как уже было упомянуто, центробежный шламовый насос изготавливается из твердых металлов или эластомерных материалов, которые тяжело отливать или формовать, и в связи с этим для упрощения процесса изготовления диски рабочего колеса, как правило, располагаются более или менее параллельно относительно друг друга и на постоянном расстоянии от входа и выхода. Из-за этого на выходе шламового насоса также возникают рециркуляция, вихревой поток и вихревые схемы потока, которые ведут к износу.

Существуют другие типы гидравлических машин, которые используют вращающиеся элементы для передачи текучей среды. Примеры таких машин включают в себя центробежные компрессоры, турбины и высокоскоростные водяные насосы. Требования к конструкции устройств этих типов достаточно специфичны для таких машин, более понятны и относительно легки для применения. Газы имеют низкую плотность, и, в целом, не содержат твердых частиц, и могут перекачиваться с намного большими скоростями в гидравлической машине. Так как трение является второстепенным в газовой машине, турбулентность может быть уменьшена до минимума за счет использования многолопаточных узлов или разделяющих лопаток.

Используемые в этих типах гидравлических машин лопатки являются относительно тонкими, так как они не подвергаются эрозионному износу. Кроме того, и самое важное, разделяющие лопатки функционируют фактически так же, как и основные лопатки, для увеличения или добавления энергии к газо- 1 020629 образному потоку. Разделяющие лопатки обычно немного короче, чем основные лопатки, так что они не мешают потоку на переднем крае основных лопаток.

Вспомогательные (или разделяющие) лопатки обычно имеют ту же конфигурацию, но немного короче, что и основные лопатки, и располагаются приблизительно посередине между основными лопатками. Разделяющие лопатки выполняют функцию разделения потока в небольшие проходы и добавляют большую направленность потоку, тем самым уменьшая турбулентность. Этот тип газовой машины типично работает с очень высокими скоростями, порядка 50000-100000 об/мин. Количество основных лопаток обычно достаточно большое, например 20, и между ними могут располагаться разделяющие лопатки, поэтому лопатки должны быть тонкими и проходы небольшими. Разделяющие или вспомогательные лопатки обычно имеют ту же высоту, что и основные насосные лопатки, чтобы обеспечить максимальную направленность и максимальную энергию для ввода (или вывода) в текучую среду, когда она проходит через вращающийся элемент машины.

Высокопроизводительные водные насосы в какой-то мере подобны центробежным компрессорам или турбинам, и здесь могут быть использованы некоторые одинаковые подходы к конструированию, например большее количество лопаток (типично 7 и более) и разделяющие лопатки между основными лопатками для управления турбулентностью и/или для сглаживания импульса давления на выходе за счет наличия большого количества лопаток. Во время работы это ведет к большему количеству небольших импульсов давления от каждой лопатки. Водяные насосы не применяются для перекачки твердых частиц и поэтому не требуют обладающих высокой износостойкостью материалов. Типичные высокопроизводительные водяные насосы также работают при более высоких скоростях, чем обычные водяные насосы, и могут работать при скоростях от 10000 до 30000 об/мин.

Чем больше количество основных насосных лопаток, тем меньше импульс давления от каждой лопатки. Что касается уменьшения общего импульса давления от гидравлической машины, известно, что увеличение количества лопаток будет сглаживать импульс. Поэтому некоторые водяные и газовые компрессоры имеют большое количество лопаток, и поэтому добавляются разделяющие лопатки, чтобы удвоить количество лопаток. Критерии конструирования для таких машин, как газовый компрессор, турбина или высокопроизводительный или высокоскоростной водяной насос, не подходят для шламовых насосов.

Обеспечение дополнительной направленности или уменьшение турбулентности путем добавления большого количества тонких лопаток или уменьшения размера прохода через рабочее колесо неэффективны в конструкции шламового насоса. Те решения, которые улучшают рабочие характеристики в машинах описанного выше типа, не подходят для шламового насоса.

Центробежные шламовые насосы являются достаточно уникальными гидравлическими машинами, так как необходимо сбалансировать конструкцию, износ и технологичность изготовления для различных износостойких материалов. Как было указано выше, обычно требуется создать шламовый насос, который работает в широком диапазоне потоков и скоростей и может использоваться в широком диапазоне областей применения, но это делает оптимизацию его конструкции более трудной. Типичные конструкции являются надежными, но, будучи гидравлической машиной, такие насосы все еще страдают от потери рабочих характеристик и износа из-за внутренней турбулентности. Вследствие индивидуальных конструктивных ограничений, различные подходы использовались для улучшения рабочих характеристик, но они имели, скорее, умеренный эффект. Конструктивные способы уменьшения турбулентности являются достаточно сложными из-за минимальной направленности шлама, которая может быть обеспечена диском рабочего колеса, основными лопатками и корпусом, так как все эти компоненты должны иметь хороший срок службы до износа.

Дополнительной сложностью, связанной со шламовыми насосами, является то, что твердые частицы шлама не следуют направлениям течения текучей среды. Чем больше и тяжелее частица, тем сильнее она отклоняется от направления течения текучей среды. Соответственно, добавление большего количества лопаток (или разделяющих лопаток), предназначенных направлять текучую среду вдоль направлений течения, не помогает направлять частицы, так как эти частицы будут просто вызывать увеличенную турбулентность и износ на любых тонких лопатках, и эти лопатки будут быстро изнашиваться и терять свою эффективность для направления текучей среды. Рабочие характеристики неизбежно будут быстро падать за короткое время, и потребление энергии также будет увеличиваться быстро, так что машина не сможет поддерживать свои рабочие характеристики.

Сущность изобретения

Согласно первому аспекту изобретения создано рабочее колесо шламового насоса, содержащее передний диск и задний диск, имеющий, каждый, внутреннюю основную поверхность с наружным периферийным краем и центральной осью, множество насосных лопаток, проходящих между внутренними основными поверхностями дисков, причем насосные лопатки располагаются на расстоянии друг от друга, и каждая насосная лопатка включает в себя противоположные основные боковые поверхности, одна из которых является насосной или нагнетающей боковой поверхностью, передний край в области центральной оси и задний край в области наружных периферийных краев дисков, причем между смежными насосными лопатками имеется проход, каждый проход имеет связанную с ним выходную направляющую лопатку или небольшую лопатку, размещенную, каждую, внутри соответствующего прохода, располо- 2 020629 женную рядом с одной или другой из насосных лопаток и выступающую от внутренней основной поверхности по меньшей мере одного диска или каждого диска.

В некоторых вариантах осуществления каждая выходная направляющая лопатка может располагаться рядом с насосной или нагнетающей боковой поверхностью ближайшей смежной насосной лопатки. Размещение выходной направляющей лопатки рядом с одной из смежных насосных лопаток может увеличить рабочие характеристики насоса, что является преимуществом. В стандартной ситуации, когда выходная направляющая лопатка отсутствует, спереди нагнетающей поверхности насосных лопаток имеется область завихрений, проходящая по меньшей мере на половину расстояния до середины прохода для выхода текучей среды. В результате этого завихрения увеличивают турбулентность потока материала, проходящего через проход рабочего колеса во время работы, и, в свою очередь, эта турбулентность распространяется в область спиральной камеры, окружающей рабочее колесо. Увеличенная турбулентность может вести к увеличению износа рабочего колеса и поверхностей спиральной камеры и увеличению потерь энергии, что в конечном итоге потребует от оператора подачи большего количества энергии в насос для достижения требуемых рабочих характеристик. Хотя изобретатели данного изобретения предполагают, что размещение выходной направляющей лопатки внутри в целом центральной области выходного прохода будет препятствовать образованию или ограничивать область турбулентности спереди нагнетающей поверхности насосных лопаток рабочего колеса, было обнаружено, что размещение выходных направляющих лопаток в середине ширины прохода будет иметь очень небольшое влияние на ограничение области турбулентности, и дополнительные эксперименты показали, что размещение выходных направляющих лопаток рядом с насосной лопаткой будет способно обеспечить значительное уменьшение области завихрений на расстоянии от нагнетающей поверхности насосной лопатки. В результате интенсивность (или сила) завихрений уменьшается, так как им не позволяют расти неограниченным образом.

Другим известным явлением, характерным для шламовых насосов, является рециркуляция на выходе, когда шламовые материалы, выходящие из выходных проходов во время вращения рабочего колеса при небольших потоках, возвращаются обратно в непосредственно примыкающий выходной проход рабочего колеса под действием общего рабочего давления в спиральной камере насоса. Когда это происходит, в стандартном случае рециркулирующий шлам смешивается с турбулентным потоком области завихрений, создавая даже еще большую или более проблематичную вихревую область. Наличие выходных направляющих лопаток в подходящей позиции для ограничения области турбулентности непосредственно спереди насосной лопатки (лопаток) означает, что будет обеспечиваться меньшее взаимодействие с рециркулирующим выходным потоком, тем самым уменьшается вероятность объединения двух вихревых областей, что в ином случае вело бы к дополнительному уменьшению эффективности насоса. За счет этого также уменьшается вероятность того, что твердые частицы подвергнут износу передний или задний диски, тем самым образуя полости, в которых могут возникнуть и дополнительно развиться потоки вихревого типа.

Кроме того, преимуществом размещения выходной направляющей лопатки рядом с одной из смежных насосных лопаток является возможность улучшения рабочих характеристик насоса таким образом, что выходная направляющая лопатка во время работы не препятствует свободному течению материала через проход, что может произойти в случае потока дисперсного шлама, когда выходные направляющие лопатки располагаются на половине расстояния в середину прохода для выхода потока.

В некоторых вариантах осуществления каждая выходная направляющая лопатка может иметь наружный конец рядом с периферийным краем одного из дисков, причем выходная направляющая лопатка идет внутрь и оканчивается внутренним концом, который располагается между центральной осью и периферийным краем диска, с которым она связана. За счет того, что выходная направляющая лопатка идет до периферийного края диска (дисков), она может направлять поток в выходном проходе (проходах) рабочего колеса и также может уменьшить смешивание разделенных областей потока непосредственно на выходе из рабочего колеса в уже вращающуюся схему потока в спиральной камере насоса.

В некоторых вариантах осуществления каждая выходная направляющая лопатка может иметь меньшую длину, чем смежная насосная лопатка, так что выходная направляющая лопатка при использовании не препятствует свободному течению материала через проход. В некоторых вариантах осуществления длина каждой выходной направляющей лопатки составляет одну треть или меньше от длины смежной насосной лопатки. Выходная направляющая лопатки (лопатки), в целом, имеет удлиненную форму, чтобы препятствовать образованию плотного потока текучей среды и твердых частиц, выходящего из рабочего колеса во время работы.

В некоторых вариантах осуществления каждая выходная направляющая лопатка может выступать от внутренней основной поверхности заднего диска. Причиной этого является то, что для стандартного случая потока шлама, входящего в рабочее колесо, область завихрений сосредоточена, скорее, рядом с задним диском, а не с передним диском.

В некоторых вариантах осуществления каждая указанная выходная направляющая лопатка может иметь высоту, составляющую от 5 до 50% от ширины насосной лопатки, при этом ширина насосной лопатки определяется как расстояние между передним и задним дисками рабочего колеса. Толщина выход- 3 020629 ной направляющей лопатки может выбираться в зависимости от требований к напору и скорости насоса и в зависимости от перекачиваемого материала, а также с учетом того, какой размер требуется для уменьшения турбулентности в основном потоке и дополнительно для уменьшения объема рециркуляции. В некоторых вариантах осуществления каждая указанная выходная направляющая лопатка может иметь высоту, составляющую от 20 до 40% от ширины насосной лопатки. В некоторых вариантах осуществления каждая указанная выходная направляющая лопатка может иметь высоту, составляющую от 30 до 35% от ширины насосной лопатки. Если высота выходной направляющей лопатки будет слишком маленькой, эффективность ограничения ею области турбулентности будет неоптимальной, и если высота выходной направляющей лопатки будет слишком большой, она может помешать прохождению основного потока и/или блокировать его, что также является неоптимальным.

В некоторых вариантах осуществления каждая указанная выходная направляющая лопатка может располагаться на расстоянии относительно соответствующей, ближайшей к ней, насосной лопатки таким образом, чтобы изменить поток материала через проход и тем самым уменьшить турбулентность и предотвратить смещение или отделение завихрений, образуемых потоком, от поверхности указанной насосной лопатки.

В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере на части их длины каждая направляющая лопатка может быть смещена относительно соответствующей, ближайшей к ней, насосной лопатки на расстояние, которое в его ближайшей точке примерно равно максимальной толщине выходной направляющей лопатки. Если расстояние между выходной направляющей лопаткой и нагнетающей поверхностью насосной лопатки будет слишком мало, скорость любого сквозного потока дисперсного шлама между ними может быть высокой, и это ведет к увеличению эрозионного износа смежных поверхностей, что является неоптимальным. В других вариантах осуществления расстояние между выходной направляющей лопаткой и смежной насосной лопаткой может изменяться по ее длине от, как минимум, 75% от максимальной толщины выходной направляющей лопатки до, как максимум, величины в 2 или 3 раза больше максимальной толщины выходной направляющей лопатки.

В некоторых вариантах осуществления рабочего колеса угол, образуемый между касательной к периферии диска и линией, касательной к передней нагнетающей поверхности насосной лопатки рабочего колеса, по существу, такой же, что и угол, образуемый между касательной к периферии диска и линией, касательной к передней поверхности смежной выходной направляющей лопатки. При такой конструкции выходная направляющая лопатка может направлять поток в выходном проходе (проходах) рабочего колеса и может также уменьшить смешивание разделенных областей потока непосредственно на выходе рабочего колеса в уже вращающуюся схему потока в спиральной камере насоса.

В некоторых вариантах осуществления каждая выходная направляющая лопатка может иметь, в целом, ту же форму и ширину поперечного сечения, что и основные насосные лопатки.

В некоторых вариантах осуществления каждая выходная направляющая лопатка может суживаться на конус по высоте в зависимости от требований к насосу. Это способствует выемке рабочего колеса из его литейной формы во время изготовления.

В некоторых вариантах осуществления каждая выходная направляющая лопатка может суживаться на конус по ширине в зависимости от требований к насосу. Суживающиеся концы выходных направляющих лопаток могут способствовать получению плавного выходного потока шламового материала из проходов.

В некоторых вариантах осуществления один или более проходов могут иметь связанные с ними одну или более входных направляющих лопаток, причем входная направляющая лопатка или каждая входная направляющая лопатка проходит вдоль боковой поверхности насосной лопатки и оканчивается противоположным концом, расположенным между передним и задним краями насосной лопатки, с которой она связана.

В некоторых вариантах осуществления входная направляющая лопатка или каждая входная направляющая лопатка может быть выполнена в форме выступа от основной поверхности насосной лопатки, с которой она связана, проходящего в соответствующий проход.

В некоторых вариантах осуществления входная направляющая лопатка или каждая входная направляющая лопатка может иметь удлиненную форму, чтобы препятствовать образованию плотного потока текучей среды и твердых частиц через рабочее колесо во время работы.

В некоторых вариантах осуществления рабочее колесо шламового насоса может дополнительно включать в себя вспомогательные или выталкивающие лопатки, расположенные на наружной поверхности одного или более из дисков.

В некоторых вариантах осуществления указанные вспомогательные лопатки могут иметь скошенные края.

В некоторых вариантах осуществления рабочее колесо может иметь не более пяти насосных лопаток. В одном варианте рабочее колесо может иметь четыре насосные лопатки. В одном варианте рабочее колесо может иметь три насосные лопатки.

В альтернативном варианте осуществления рабочее колесо может содержать три диска, причем каждый диск может иметь выходную направляющую лопатку, выступающую от него. В одном варианте

- 4 020629 осуществления выходные направляющие лопатки имеются только на внутренней основной поверхности заднего диска.

Согласно второму аспекту изобретения создано рабочее колесо шламового насоса, содержащее передний диск и задний диск, имеющий, каждый, внутреннюю основную поверхность с наружным периферийным краем и центральной осью, множество насосных лопаток, проходящих между внутренними основными поверхностями дисков, причем насосные лопатки располагаются на расстоянии друг от друга, и каждая насосная лопатка включает в себя противоположные основные боковые поверхности, одна из которых является насосной или нагнетающей боковой поверхностью, передний край в области центральной оси и задний край в области наружных периферийных краев дисков, причем между смежными насосными лопатками имеется проход, каждый проход имеет связанную с ним выходную направляющую лопатку, размещенную внутри соответствующего прохода, и расположенную рядом с одной или другой из насосных лопаток, и выступающую от внутренней основной поверхности заднего диска, причем длина каждой выходной направляющей лопатки составляет одну треть или меньше от длины смежной насосной лопатки, и указанная выходная направляющая лопатка имеет высоту, составляющую от 30 до 35% от ширины насосной лопатки.

Согласно третьему аспекту изобретения создан центробежный шламовый насос спирального типа, содержащий корпус насоса, имеющий входную область и выходную область, рабочее колесо согласно первому и второму аспектам, размещенное внутри корпуса насоса, и приводной вал, соединенный по оси с указанным рабочим колесом.

Согласно четвертому аспекту изобретения создан способ изготовления отливки рабочего колеса согласно первому и второму аспектам, который включает в себя следующие этапы:

заливка расплавленного материала в литейную форму для формирования отливки; отверждение расплавленного материала и снятие литейной формы, по меньшей мере, частично с полученной отвержденной отливки.

Согласно пятому аспекту создан способ замены выходной направляющей лопатки в рабочем колесе согласно первому или второму аспекту, которая располагается на основной поверхности диска, с которым она связана, и проходит в соответствующий выходной проход, включающий в себя следующие этапы:

снятие направляющей лопатки, когда она становится изношенной; и последующая установка неизношенной сменной направляющей лопатки на рабочее колесо.

Согласно шестому аспекту изобретения создан способ замены рабочего колеса в центробежном насосе, включающий в себя следующие этапы:

снятие установленного рабочего колеса, когда оно становится изношенным; и последующая установка в насос неизношенного сменного рабочего колеса типа согласно первому и второму аспектам.

Согласно седьмому аспекту изобретения создано рабочее колесо для существующего центробежного насоса, выполненное с возможностью установки в корпусе существующего насоса как сменной детали для замены существующего рабочего колеса, при этом рабочее колесо имеет конфигурацию согласно первому и второму аспектам.

Согласно восьмому аспекту изобретения создано рабочее колесо, которое включает в себя по меньшей мере один диск, имеющий основную поверхность с наружным периферийным краем и центральной осью, множество насосных лопаток, выступающих от основной поверхности диска, причем насосные лопатки располагаются на расстоянии друг от друга на основной поверхности, образуя выходной проход между смежными насосными лопатками, каждая насосная лопатка включает в себя передний край в области центральной оси и задний край в области периферийного края, каждая насосная лопатка содержит противоположные боковые стороны, проходящие между передней и задней краями лопатки, и одна или более насосных лопаток имеют одну или более входных направляющих лопаток, связанных с ними.

Преимуществом применения входных направляющих лопаток является уменьшение образования рециркулирующих схем потока текучей среды на входе рабочего колеса и любых вихревых схем потока внутри рабочего колеса, которые обычно приводят к ухудшению рабочих характеристик насоса, например, вследствие кавитации. Входные направляющие лопатки обеспечивают направленность потока внутри выходного прохода (проходов) рабочего колеса. Входные направляющие лопатки могут также обеспечить некоторые другие преимущества, описанные ранее для выходных направляющих лопаток.

В некоторых вариантах осуществления входная направляющая лопатка или каждая входная направляющая лопатка может быть выполнена в форме выступа от боковой поверхности насосной лопатки, с которой она связана, проходящего в соответствующий выходной проход. В другом варианте осуществления входная направляющая лопатка или каждая входная направляющая лопатка может быть выполнена в форме выемки, проходящей в боковую поверхность насосной лопатки, тем самым образуя канал или канавку, через которые может протекать текучая среда во время работы. В других дополнительных вариантах осуществления рабочее колесо может иметь любую комбинацию входных направляющих лопаток в форме выемок и выступов, расположенных на различных боковых поверхностях насосных лопаток.

В некоторых вариантах осуществления входная направляющая лопатка или каждая входная направ- 5 020629 ляющая лопатка может иметь удлиненную форму, чтобы препятствовать образованию плотного потока текучей среды и твердых частиц через рабочее колесо во время работы.

В одном варианте входная направляющая лопатка или каждая входная направляющая лопатка может иметь один конец, расположенный рядом с передним краем насосной лопатки, причем направляющая лопатка идет вдоль боковой поверхности насосной лопатки и оканчивается противоположным концом, расположенным между передним и задним краями насосной лопатки, с которой она связана.

В некоторых вариантах осуществления рабочее колесо может включать в себя два указанных диска, причем указанные насосные лопатки идут между ними от их соответствующих основных поверхностей. В одном варианте осуществления два диска расположены на расстоянии относительно друг друга, причем основные поверхности дисков располагаются, в целом, параллельно относительно друг друга. В других дополнительных вариантах осуществления рабочее колесо может иметь более двух дисков, например три диска.

В некоторых вариантах осуществления одна или более из насосных лопаток может иметь связанные с ней две входные направляющие лопатки, причем одна располагается на каждой из соответствующих боковых поверхностей насосной лопатки. В других дополнительных вариантах осуществления в зависимости от области применения насоса может использоваться несколько входных направляющих лопаток, расположенных на соответствующей боковой поверхности каждой насосной лопатки. Еще в одном дополнительном варианте осуществления каждая насосная лопатка может иметь связанную с ней одну или более входных направляющих лопаток на одной боковой поверхности и не иметь входных направляющих лопаток на противоположной боковой стороне насосной лопатки.

В некоторых вариантах осуществления каждая входная направляющая лопатка может располагаться на боковой поверхности насосной лопатки, с которой она связана, в целом, по центру, с точки зрения ее позиции относительно смежного диска.

В некоторых вариантах осуществления каждая входная направляющая лопатка может иметь длину, равную половине длины между передним и задним краями насосной лопатки, с которой она связана, хотя в других дополнительных вариантах осуществления входная направляющая лопатка может иметь меньшую или большую длину в зависимости от требований к насосу.

В некоторых вариантах осуществления каждая входная направляющая лопатка может иметь высоту от 50 до 100% от толщины насосной лопатки, и предпочтительно толщина выбирается из этого диапазона в зависимости от требований по напору и скорости насоса, а также перекачиваемого материала.

В некоторых вариантах осуществления каждая входная направляющая лопатка может иметь постоянную высоту вдоль ее длины, хотя предполагается, что в других вариантах осуществления высота лопатки может быть переменной в зависимости от требований к насосу.

В некоторых вариантах осуществления один или более выходных каналов могут иметь связанные с ними одну или более выходных направляющих лопаток, причем выходная направляющая лопатка или каждая выходная направляющая лопатка располагается на основной поверхности по меньшей мере одного диска или каждого диска и имеет наружный край в области периферийного края диска, и направляющая лопатка идет внутрь и оканчивается внутренним краем, который располагается между центральной осью и периферийным краем диска.

В некоторых вариантах осуществления выходная направляющая лопатка или каждая выходная направляющая лопатка может иметь удлиненную форму, чтобы препятствовать образованию плотного потока текучей среды и твердых частиц, выходящего из рабочего колеса во время работы.

В некоторых вариантах осуществления выходная направляющая лопатка может иметь, в целом, ту же форму и ширину, что и основные насосные лопатки, если смотреть в горизонтальном разрезе.

Согласно девятому аспекту изобретения создан способ замены входной направляющей лопатки в рабочем колесе согласно первому или второму аспекту, причем направляющая лопатка выполнена в форме выступа от боковой поверхности насосной лопатки, с которой она связана, проходящего в соответствующий выходной проход, при этом способ включает в себя следующие этапы:

снятие направляющей лопатки, когда она становится изношенной; и последующая установка неизношенной сменной направляющей лопатки на рабочее колесо.

Согласно десятому аспекту изобретения создано рабочее колесо, содержащее по меньшей мере один диск, имеющий основную поверхность с наружным периферийным краем и центральной осью, множество насосных лопаток, выступающих от основной поверхности диска, причем насосные лопатки располагаются на расстоянии относительно друг друга на основной поверхности, образуя выходной проход между смежными насосными лопатками, каждая насосная лопатка включает в себя передний край в области центральной оси и задний край в области периферийного края диска, с проходом между смежными насосными лопатками, каждая насосная лопатка содержит противоположные боковые поверхности, проходящие между передним и задним краями лопатки, одна или несколько насосных лопаток имеют одну или несколько входных направляющих лопаток, связанных с ними, и один или несколько проходов, имеющих одну или несколько выходных направляющих лопаток, связанных с ними, причем выходная направляющая лопатка или каждая выходная направляющая лопатка располагается на основной поверхности по меньшей мере одного диска или каждого диска.

- 6 020629

Краткое описание фигур

Ниже описаны в качестве примера конкретные варианты осуществления способа и устройства согласно настоящему изобретению с помощью прилагаемых чертежей, без учета любых других вариантов осуществления, которые могут входить в описанный выше объем настоящего изобретения.

Фиг. 1 изображает примерный схематический изометрический вид рабочего колеса насоса согласно одному варианту осуществления.

Фиг. 2 - дополнительный изометрический вид рабочего колеса на фиг. 1, показывающий более подробно его нижнюю сторону.

Фиг. 3 - вид сбоку рабочего колеса на фиг. 1 и 2.

Фиг. 4 - вид в разрезе рабочего колеса на фиг. 1-3, выполненном по телу рабочего колеса посередине между дисками.

Фиг. 5 - примерный схематический изометрический вид рабочего колеса согласно другому варианту осуществления.

Фиг. 6 - вид сбоку рабочего колеса на фиг. 5.

Фиг. 7 - вид в разрезе рабочего колеса на фиг. 5-6, выполненном по телу рабочего колеса посередине между дисками.

Фиг. 8 - примерный схематический изометрический вид рабочего колеса согласно другому варианту осуществления.

Фиг. 9 - примерный вид с частичным разрезом рабочего колеса согласно другому варианту осуществления, вместе с вариантом осуществления входного компонента насоса.

Фиг. 10 - дополнительный вид в разрезе рабочего колеса и входного компонента насоса на фиг. 9.

Фиг. 11 - вид в перспективе рабочего колеса на фиг. 9 и 10 со стороны входа.

Фиг. 12 - вид в перспективе рабочего колеса на фиг. 9-11 с задней стороны.

Фиг. 13 - вид спереди рабочего колеса на фиг. 9-12.

Фиг. 14 - вид сзади рабочего колеса на фиг. 9-13.

Фиг. 15 - вид сбоку рабочего колеса на фиг. 9-14.

Фиг. 16 - вид в разрезе рабочего колеса на фиг. 9-15, выполненном по телу рабочего колеса и пересекающем насосные лопатки и выходные направляющие лопатки.

Фиг. 17 - примерный схематический изометрический вид рабочего колеса согласно другому варианту осуществления.

Фиг. 18 - вид сбоку рабочего колеса на фиг. 17.

Фиг. 19а и 19Ь иллюстрируют некоторые результаты экспериментального компьютерного моделирования потока текучей среды для варианта осуществления рабочего колеса, показанного на этом чертеже.

Фиг. 20а и 20Ь иллюстрируют некоторые результаты экспериментального компьютерного моделирования потока текучей среды для варианта осуществления рабочего колеса, показанного на этом чертеже.

Фиг. 21а и 21Ь иллюстрируют некоторые результаты экспериментального компьютерного моделирования потока текучей среды для варианта осуществления рабочего колеса, показанного на этом чертеже.

Фиг. 22а и 22Ь иллюстрируют некоторые результаты экспериментального компьютерного моделирования потока текучей среды для варианта осуществления рабочего колеса, показанного на этом чертеже.

Фиг. 23а и 23Ь иллюстрируют некоторые результаты экспериментального компьютерного моделирования потока текучей среды для варианта осуществления рабочего колеса, показанного на этом чертеже.

Подробное описание конкретных вариантов осуществления

На фиг. 1-4 показан один вариант осуществления рабочего колеса 10, в котором рабочее колесо содержит передний диск 12 и задний диск 14, каждый выполнен в форме, в целом, плоского диска, причем каждый диск имеет соответствующую основную внутреннюю поверхность 13, 15, соответствующую наружную поверхность 21, 22 и соответствующий наружный периферийный край 16, 17. Ступица 11 проходит от наружной поверхности 22 заднего диска 14, причем ступица 11 выполнена с возможностью оперативного соединения с приводным валом (не показан) для приведения рабочего колеса во вращение вокруг его центральной оси Х-Х (фиг. 3).

В переднем диске 12 выполнен вход 18 рабочего колеса, который соосен центральной оси Х-Х, являющейся осью вращения рабочего колеса 10 во время работы. Четыре насосные лопатки 30 идут между противоположными основными внутренними поверхностями 13, 15 дисков 12, 14, и располагаются на равных расстояниях относительно друг друга по окружности основных поверхностей 13, 15 указанных дисков 12, 14. Как показано на фиг. 4, каждая насосная лопатка 30 имеет, в целом, дугообразную форму в поперечном сечении и включает в себя внутренний передний край 32, и наружный задний край 34, и противоположные боковые поверхности 35 и 36, причем боковая поверхность 35 является насосной или нагнетающей стороной. Указанные лопатки обычно называют изогнутыми назад лопатками, если смотреть в направлении вращения. Обеспечены выходные проходы 19 между смежными насосными лопатками 30, через которые материал проходит от входа 18 рабочего колеса. Каждый проход 19 имеет входную область 24 и выходную область 25, расположенную на наружном периферийном крае 16, 17 дисков 12, 14, из которой шлам поступает на выход насоса. Выходная область 25 имеет большую ширину, чем входная область 24, так что проход 19, в целом, имеет Υ-образную форму. Номера позиций, обозначаю- 7 020629 щие описанные выше различные признаки, указаны только для одной из лопаток 30 для упрощения.

Каждая насосная лопатка 30 имеет связанные с нею два полосовых выступа, выполняющие функцию входных направляющих лопаток 41, 42 для шлама. Каждая из входных направляющих лопаток 41, 42 выступает от соответствующей боковой поверхности 35, 36 насосной лопатки 30. Каждая входная направляющая лопатка 41 и 42 располагается по центру на соответствующих боковых поверхностях 35 и 36 насосной лопатки 30, с которой она связана, и выполнена в форме удлиненного выступа, который имеет внутренний конец 43, расположенный рядом с внутренним передним краем 32 насосной лопатки 30, и наружный конец 44, расположенный посередине вдоль соответствующей боковой поверхности 35, 36. В других вариантах осуществления направляющая лопатка (лопатки) может быть длиннее или короче, чем показано на рассматриваемых чертежах.

Каждая входная направляющая лопатка 41, 42 в поперечном сечении имеет высоту приблизительно 57% от толщины насосной лопатки 30, хотя в других вариантах осуществления высота направляющей лопатки может составлять от 50 до 100% от указанной толщины насосной лопатки. Каждая направляющая лопатка 41, 42 имеет, в целом, постоянную высоту по ее длине, хотя в других вариантах осуществления направляющая лопатка может иметь сужающуюся на конус форму. Показанные на фигурах направляющие лопатки 41, 42 имеют толщину, составляющую около 55% от средней толщины насосной лопатки 30, хотя в других вариантах осуществления она может быть другой.

Направляющие лопатки обеспечивают изменение рециркулирующего потока и характеристик насоса за счет того, что проходы в области лопаток являются небольшими, тем самым уменьшая вероятность смешивания потоков текучей среды и рециркуляции обратно на вход рабочего колеса.

В других вариантах осуществления входные направляющие лопатки могут быть выполнены в форме канавки или выемки, проходящей в материал насосной лопатки. Такие канавки могут также действовать в качестве проходов для направления текучей среды таким же образом, что и входные направляющие лопатки, которые выступают от боковой поверхности насосной лопатки.

В других вариантах осуществления может использоваться любая комбинация входных направляющих лопаток в форме канавок или выступов, расположенных на насосных лопатках на участке входной области выходных проходов.

В других вариантах осуществления входные направляющие лопатки не обязательно должны располагаться, в целом, по центру на поверхности насосной лопатки, но могут располагаться рядом с одним или другим из дисков в зависимости от ситуации.

В других вариантах осуществления входные направляющие лопатки не обязательно должны идти до середины вдоль соответствующей боковой поверхности насосной лопатки, но могут идти на меньшее или большее расстояние в зависимости от перекачиваемых текучей среды или шлама.

В других вариантах осуществления может быть обеспечено несколько направляющих входных лопаток на каждую боковую поверхность насосной лопатки или в некоторых случаях отсутствовать входная направляющая лопатка на одной из противоположных боковых поверхностей любых двух насосных лопаток, образующих выходной проход.

На фиг. 5-7 иллюстрируется вариант рабочего колеса 10А согласно другому варианту осуществления. Для упрощения используются одинаковые номера позиций для обозначения одинаковых частей, описанных для фиг. 1-4. В данном варианте рабочее колесо 10А не имеет входных направляющих лопаток, но имеет множество выходных направляющих лопаток (или небольших лопаток) 50, 51.

Выходные направляющие лопатки 50, 51 выполнены в форме удлиненных выступов с плоским верхом, которые имеют, в целом, форму сосиски в поперечном сечении. Выходные лопатки 50, 51 идут, соответственно, от основных поверхностей 13, 15 соответствующих дисков 12, 14, и располагаются между двумя смежными насосными лопатками 30. Выходные направляющие лопатки 50, 51 имеют соответствующий наружный конец 53, 54, расположенный рядом с наружным периферийным краем 16, 17 соответствующих дисков 12, 14. Выходные направляющие лопатки 50, 51 также имеют внутренний конец 55, 56, расположенный приблизительно посередине соответствующего прохода 19. Как показано на фиг. 7, внутренние концы 55, 56 выходных направляющих лопаток 50, 51 располагаются на некотором расстоянии от центральной оси Х-Х рабочего колеса 10А. Выходные направляющие лопатки 50, 51, связанные с каждым проходом 19, обращены друг к другу, в то время как их наружные поверхности разнесены относительно друг друга.

Каждая показанная выходная направляющая лопатка 50, 51 имеет высоту, составляющую 33% от ширины насосной лопатки 30, хотя в дополнительных вариантах осуществления высота направляющей лопатки может составлять от 5 до 50% от ширины насосной лопатки (расстояние между дисками 12, 14). Каждая направляющая лопатка 50, 51 имеет, в целом, постоянную высоту по ее длине, хотя в других вариантах осуществления направляющая лопатка 50, 51 может суживаться на конус по высоте и также суживаться на конус по ширине.

В других вариантах осуществления выходные направляющие лопатки не обязательно должны располагаться, в целом, по центру между соответствующими насосными лопатками на основной внутренней поверхности диска, но могут располагаться рядом с одной или другой из насосных лопаток 30 в зависимости от ситуации.

- 8 020629

В других вариантах осуществления выходные направляющие лопатки могут проходить на меньшее или большее расстояние в выходной проход, чем показано на фиг. 4-8, в зависимости от перекачиваемой текучей среды или шлама.

В других вариантах осуществления может быть более одной выходной направляющей лопатки на каждую внутреннюю основную поверхность диска или в некоторых случаях отсутствовать выходная направляющая лопатка на одной из противоположных внутренних основных поверхностей любых двух дисков, образующих выходной проход.

В других вариантах осуществления выходные направляющие лопатки могут иметь ширину в поперечном сечении, отличную от основных насосных лопаток, и даже могут не всегда быть обязательно удлиненными, при условии, что обеспечивается требуемое влияние на поток шлама на выходе рабочего колеса.

Предполагается, что выходные направляющие лопатки будут уменьшать вероятность образования обладающих высокой скоростью вихревых потоков при небольших потоках. Это уменьшает вероятность износа твердыми частицами переднего или заднего диска, ведущего к образованию полостей, в которых могут возникнуть и развиться вихревые потоки. Направляющие лопатки будут также уменьшать смешивание разделенных областей потока непосредственно на выходе из рабочего колеса в уже вращающуюся схему потока в спиральной камере. Предполагается, что выходные направляющие лопатки будут сглаживать и уменьшать турбулентность потока от рабочего колеса в корпус насоса или спиральную камеру.

На фиг. 8 показан примерный вариант осуществления рабочего колеса 10В, которое содержит комбинацию как входных направляющих лопаток 41 и 42, так и выходных направляющих лопаток 50 и 52.

На фиг. 9-16 показан другой примерный вариант осуществления рабочего колеса 10С, которое содержит передний диск 12 и задний диск 14, выполненный, каждый, в форме, в целом, плоского диска, причем каждый диск имеет соответствующую основную внутреннюю поверхность 13, 15, соответствующую наружную поверхность 21, 22 и соответствующий наружный периферийный край 16, 17. Ступица 11 идет от наружной поверхности заднего диска 14, причем ступица 11 выполнена с возможностью оперативного соединения с приводным валом (не показан) для приведения во вращение рабочего колеса вокруг центральной оси Х-Х. Фиг. 9 и 10 иллюстрируют положение рабочего колеса с деталью 60 входа насоса.

В переднем диске 12 выполнен вход 18 рабочего колеса, соосный центральной оси Х-Х, являющейся осью вращения рабочего колеса во время работы. Четыре насосные лопатки 30 проходят между противоположными основными внутренними поверхностями 13, 15 дисков 12, 14 и располагаются на одинаковых расстояниях между ними по окружности основных поверхностей указанных дисков 12, 14. Как показано на фиг. 16, каждая насосная лопатка 30 имеет, в целом, дугообразную форму в поперечном сечении и включает в себя внутренний передний край 32, и наружный задний край 34, и противоположные боковые поверхности 35 и 36. Обеспечены выходные проходы 19 между смежными насосными лопатками 30, через которые материал проходит от входа 18 рабочего колеса. Как и в описанных ранее вариантах осуществления, каждый проход 19 имеет входную область 24 и выходную область 25, расположенную на наружном периферийном крае 16, 17 дисков 12, 14, из которой шлам поступает на выход насоса. Выходная область 25 имеет большую ширину, чем входная область 24, так что проход 19, в целом, имеет У-образную форму. Номера позиций, обозначающие описанные выше различные признаки, указаны только для одной из лопаток 30 для упрощения.

В данном конкретном примерном варианте осуществления рабочее колесо 10С не имеет входных направляющих лопаток, но имеет множество выходных направляющих лопаток 51. Выходные направляющие лопатки 51 выполнены в форме удлиненных выступов с плоским верхом, которые имеют, в целом, форму сосиски в поперечном сечении и сужаются на конус с обоих концов. Выходные лопатки 51 проходят, соответственно, от основной поверхности 15 заднего диска 14 и располагаются между двумя смежными насосными лопатками 30. Выходные направляющие лопатки 51 имеют соответствующий наружный конец 54, расположенный рядом с наружным периферийным краем диска 14. Выходные направляющие лопатки 51 также имеют внутренний конец 56, расположенный приблизительно посередине соответствующего прохода 19. Внутренние концы 56 выходных направляющих лопаток 51 располагаются на некотором расстоянии от центральной оси Х-Х рабочего колеса 10С.

Каждая показанная выходная направляющая лопатка 51 имеет высоту, составляющую 33% от ширины насосной лопатки 30 рабочего колеса, хотя в дополнительных вариантах осуществления высота направляющей лопатки может составлять от 5 до 50% от указанной ширины насосной лопатки (расстояние между дисками). Каждая направляющая лопатка 51 имеет, в целом, постоянную высоту по ее длине, хотя в других вариантах осуществления направляющая лопатка 51 может суживаться на конус по высоте и также суживаться на конус по ширине. Как видно из чертежей, выходные направляющие лопатки 51 могут иметь скошенные периферийные края.

Как показано на фиг. 9, выходные направляющие лопатки размещаются внутри каждого соответствующего прохода таким образом, что они смещены в проход 19 относительно соответствующей поверхности 35 ближней к ним насосной лопатки на расстояние, равное одной толщине Ό1 выходной направляющей лопатки.

Толщина Ό1 выходной направляющей лопатки и расстояние Ό2 смещения от поверхности 35 насосной лопатки показаны на фиг. 9, 10 и 16, где Ό1 и Ό2 примерно равны по величине. В этом примере

- 9 020629 лопатки рабочего колеса идут на высоту, составляющую 33% от ширины насосной лопатки рабочего колеса. Рабочее колесо 10С соответствует варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг. 4.

Рабочее колесо 10С дополнительно включает в себя выталкивающие или вспомогательные лопатки 57, 58 на соответствующих наружных поверхностях 21, 22 дисков 12, 14. Некоторые из лопаток 58 на заднем диске имеют разную ширину. Как можно увидеть из чертежей, выталкивающие лопатки имеют скошенные края.

На фиг. 17 и 18 показан другой примерный вариант осуществления рабочего колеса 10Ό, которое содержит передний диск 12 и задний диск 14, выполненные каждый в форме, в целом, плоского диска, причем каждый диск имеет соответствующую внутреннюю основную поверхность 13, 15, соответствующую наружную поверхность 21, 22 и соответствующий наружный периферийный край 16, 17. Эти признаки проиллюстрированы на фиг. 17. Ступица 11 проходит от наружной поверхности заднего диска 14, причем ступица 11 выполнена с возможностью оперативного соединения с приводным валом (не показан) для приведения во вращение рабочего колеса вокруг центральной оси Х-Х. Во всех отношениях рабочее колесо 10Ό имеет такую же конструкцию, что и рабочее колесо 10С, показанное на фиг. 9-16, за исключением того, что выталкивающие лопатки 57 переднего диска имеют другую форму и по другому скошенные края, и здесь на заднем диске отсутствуют лопатки рабочего колеса.

Экспериментальное моделирование

Были проведены компьютерные эксперименты для моделирования потока в различных конструкциях рабочего колеса, описанных здесь, с использованием коммерческого программного обеспечения ΛΝδΥδ СРХ. Это программное обеспечение применяет методику вычислительной гидродинамики (СРЭ) для расчета поля скоростей для перекачиваемой текучей среды. Оно также способно рассчитывать многие другие представляющие интерес переменные, однако скорость является переменной, рассматриваемой на показанных здесь чертежах.

Результаты каждого СРЭ эксперимента обрабатываются с использованием соответствующего модуля СРХ. На чертежах показаны разрезы по четырем плоскостям А, В, С и Ό рабочего колеса рассматриваемой конструкции, взятые перпендикулярно его оси вращения на одинаковой глубине для каждого эксперимента. На этих четырех плоскостях графически нанесены векторы скорости для анализа движения текучей среды и частиц шлама через канал, образованный между насосными лопатками рабочего колеса. Размер этих векторов вместе с плотностью их распределения указывает значение параметра скорости, и изогнутые вектора, в целом, указывают на наличие завихрений.

Вектора скорости нанесены на эти плоскости для анализа движения частиц текучего вещества через канал, образованный между насосными лопатками рабочего колеса.

Эксперимент 1.

На фиг. 19а и 19Ь показано стандартное (базовое) рабочее колесо, которое имеет передний диск, и задний диск, и четыре насосные лопатки рабочего колеса, проходящие между внутренними основными поверхностями дисков. Это рабочее колесо не имеет выходных направляющих лопаток, расположенных внутри соответствующего прохода или выступающих от основной поверхности одного из дисков.

Вид сбоку рабочего колеса, представленный на фиг. 19а и 19Ь, показывает позицию четырех плоскостей А, В, С и Ό, которые режут конструкцию соответствующего рабочего колеса перпендикулярно его оси вращения.

Плоскость А располагается на высоте над задним диском, составляющей менее 35% от ширины насосной лопатки (где ширина насосной лопатки определяется как расстояние между передним и задним дисками рабочего колеса).

Плоскость В располагается на высоте над задним диском, составляющей менее 50% от ширины насосной лопатки.

Плоскость С располагается на высоте над задним диском, составляющей более 50%, но менее 65% от ширины насосной лопатки (и посередине между передним и задним дисками).

Плоскость Ό располагается на высоте над задним диском, составляющей более 65% от ширины насосной лопатки.

Результаты эксперимента 1 можно увидеть с помощью рисунков векторов скорости на фиг. 19а и 19Ь, названных плоскость А, плоскость В, плоскость С и плоскость Ό. Размер этих векторов вместе с плотностью их распределения указывает значение параметра скорости и наличие завихрений. Важной областью для рассмотрения является область, расположенная спереди от нагнетающей поверхности (или насосной поверхности) каждой из насосных лопаток и проходящая в проход для выхода текучей среды между насосными лопатками. Соответствующая область обозначена на каждом рисунке векторов скоростей с помощью небольшой стрелки.

Как можно увидеть на фиг. 19а и 19Ь, если мы представим ядро завихрения в виде конического тела, его диаметр заметно уменьшается, когда мы достигаем переднего диска (двигаясь от плоскости А к плоскости Ό). Это базовые условия работы.

Эксперимент 2.

На фиг. 20а и 20Ь показано рабочее колесо, которое имеет передний диск, и задний диск, и четыре насосные лопатки рабочего колеса, проходящие между внутренними основными поверхностями дисков.

- 10 020629

Основные насосные лопатки в экспериментах 2-5 все идентичны показанным в эксперименте 1. Это рабочее колесо имеет выходные направляющие лопатки, размещенные внутри каждого соответствующего прохода, выступая от внутренней основной поверхности как переднего диска, так и заднего диска, и расположенные посередине ширины прохода между двумя насосными лопатками. В этом случае лопатки рабочего колеса идут на высоту, составляющую 33% от ширины насосной лопатки рабочего колеса. Это рабочее колесо соответствует варианту осуществления, показанному на фиг. 5, 6 и 7.

Вид сбоку рабочего колеса на фиг. 20а и 20Ь показывает позицию четырех плоскостей А, В, С и Ό, которые разрезают конструкцию соответствующего рабочего колеса перпендикулярно его оси вращения в тех же позициях, что были показаны в эксперименте 1.

Результаты эксперимента 2 можно увидеть с помощью рисунков векторов скоростей на фиг. 20а и 20Ь, которые обозначены плоскость А, плоскость В, плоскость С и плоскость Ό. Размер этих векторов вместе с плотностью их распределения указывает значение параметра скорости и наличие завихрений. Важной областью для рассмотрения является область, расположенная спереди от нагнетающей поверхности (или насосной поверхности) каждой из насосных лопаток и идущая в проход для выхода текучей среды между насосными лопатками. Соответствующая область обозначена на каждом рисунке векторов скоростей с помощью небольшой стрелки.

Как можно увидеть на фиг. 20а и 20Ь, если представить ядро завихрения в виде конического тела, то выходные направляющие лопатки в показанных позициях воздействуют в некоторой степени на ядро завихрения, ограничивая его отделение от нагнетающей поверхности насосной лопатки, однако рисунок векторов скорости показывает, что воздействие данных двойных выходных направляющих лопаток является минимальным. Это можно увидеть путем сравнения результатов на фиг. 19а и 19Ь с результатами на фиг. 20а и 20Ь, соответственно.

Эксперимент 3.

На фиг. 21а и 21Ь показано рабочее колесо, которое имеет передний диск, и задний диск, и четыре насосные лопатки рабочего колеса, проходящие между внутренними основными поверхностями дисков. Это рабочее колесо имеет выходные направляющие лопатки, размещенные в каждом соответствующем проходе, выступая от внутренней основной поверхности как переднего диска, так и заднего диска, и смещенные в проход относительно соответствующей насосной лопатки, рядом с которой они расположены, на одну толщину выходной направляющей лопатки. В данном случае лопатки рабочего колеса идут на высоту, составляющую 33% от ширины насосной лопатки рабочего колеса.

Вид сбоку рабочего колеса на фиг. 21а и 21Ь показывает позицию четырех плоскостей А, В, С и Ό, которые разрезают конструкцию соответствующего рабочего колеса перпендикулярно его оси вращения в тех же позициях, что были показаны в эксперименте 1.

Результаты эксперимента 3 можно увидеть с помощью рисунков векторов скоростей на фиг. 21а и 21Ь, которые обозначены плоскость А, плоскость В, плоскость С и плоскость Ό. Размер этих векторов вместе с плотностью их распределения указывает значение параметра скорости и наличие завихрений. Важной областью для рассмотрения является область, расположенная спереди от нагнетающей поверхности (или насосной поверхности) каждой из насосных лопаток и идущая в проход для выхода текучей среды между насосными лопатками. Соответствующая область обозначена на каждом рисунке векторов скоростей с помощью небольшой стрелки.

Как можно увидеть на фиг. 21а и 21Ь, выходная направляющая лопатка (или небольшая лопатка), которая располагается рядом с насосной лопаткой, показывает улучшенное воздействие на ядро завихрения. В области заднего диска завихрения ограничиваются за счет наличия выходной направляющей лопатки. Однако, как можно увидеть путем сравнения с рисунком Плоскость Ό на фиг. 20Ь, имеется очень небольшая разница между состоянием завихрений спереди насосных лопаток в эксперименте 3 в сравнении с экспериментом 2. Это означает, что выходная направляющая лопатка, которая располагается на переднем диске рядом с насосной лопаткой, имеет только небольшую эффективность ограничения завихрений. Изобретатели полагают, что это происходит, вероятно, из-за небольшого диаметра ядра завихрения в этом месте переднего диска.

Эксперимент 4.

На фиг. 22а и 22Ь показано рабочее колесо, которое имеет передний диск, и задний диск, и четыре насосные лопатки рабочего колеса, проходящие между внутренними основными поверхностями дисков. Это рабочее колесо имеет выходные направляющие лопатки, размещенные в каждом соответствующем проходе, выступающие от внутренней основной поверхности заднего диска и смещенные в проход относительно соответствующей насосной лопатки, рядом с которой они расположены, на одну толщину выходной направляющей лопатки. В данном случае лопатки рабочего колеса идут на высоту, составляющую 33% от ширины насосной лопатки рабочего колеса. Это рабочее колесо соответствует варианту осуществления, показанному на фиг. 9-16.

Вид сбоку рабочего колеса на фиг. 22а и 22Ь показывает позицию четырех плоскостей А, В, С и Ό, которые разрезают конструкцию соответствующего рабочего колеса перпендикулярно его оси вращения в тех же позициях, что были показаны в эксперименте 1.

Результаты эксперимента 4 можно проиллюстрировать с помощью рисунков векторов скоростей на

- 11 020629 фиг. 22а и 22Ь, которые обозначены плоскость А, плоскость В, плоскость С и плоскость И. Размер этих векторов вместе с плотностью их распределения указывает значение параметра скорости и наличие завихрений. Важной областью для рассмотрения является область, расположенная спереди от нагнетающей поверхности (или насосной поверхности) каждой из насосных лопаток и идущая в проход для выхода текучей среды между насосными лопатками. Соответствующая область обозначена на каждом рисунке векторов скоростей с помощью небольшой стрелки.

Как можно увидеть на фиг. 22а и 22Ь, имеется очень небольшая разница между состоянием завихрений спереди насосных лопаток в эксперименте 4 в сравнении с экспериментом 3. Это означает, что выходные направляющие лопатки на переднем диске в эксперименте 3 имеют небольшую эффективность или вообще неэффективны для ограничения завихрений. Поэтому эксперимент 4, по-видимому, является оптимальным конструктивным решением, которое минимизирует сложность конструкции рабочего колеса, при этом все еще обеспечивая максимальную эффективность для ограничения завихрений.

Эксперимент 5.

На фиг. 23а и 23Ь показано рабочее колесо, которое имеет передний диск, задний диск и четыре насосные лопатки рабочего колеса, проходящие между внутренними основными поверхностями дисков. Это рабочее колесо имеет выходные направляющие лопатки, размещенные в каждом соответствующем проходе, выступая от внутренней основной поверхности только заднего диска, и смещенные в проход относительно соответствующей насосной лопатки, рядом с которой они расположены, на одну толщину выходной направляющей лопатки. В данном случае лопатки рабочего колеса идут на высоту, составляющую 50% от ширины насосной лопатки рабочего колеса.

Вид сбоку рабочего колеса на фиг. 23а и 23Ь показывает позицию четырех плоскостей А, В, С и И, которые разрезают конструкцию соответствующего рабочего колеса перпендикулярно его оси вращения в тех же позициях, что были показаны в эксперименте 1.

Результаты эксперимента 5 можно проиллюстрировать с помощью рисунков векторов скоростей на фиг. 23а и 23Ь, которые обозначены плоскость А, плоскость В, плоскость С и плоскость И. Размер этих векторов вместе с плотностью их распределения указывает значение параметра скорости и наличие завихрений. Важной областью для рассмотрения является область, расположенная спереди от нагнетающей поверхности (или насосной поверхности) каждой из насосных лопаток и идущая в проход для выхода текучей среды между насосными лопатками. Соответствующая область обозначена на каждом рисунке векторов скоростей с помощью небольшой стрелки.

Как можно увидеть на фиг. 23а и 23Ь, имеющие увеличенную высоту направляющие лопатки заднего диска воздействуют на завихрение, как показано на рисунках Плоскость А и Плоскость В, и, как ожидалось, ограничивают отделение завихрения от нагнетающей поверхности насосной лопатки. Однако рисунки векторов скорости показывают, что воздействие направляющих лопаток с увеличенном высотой на ядро завихрения является минимальным, если сравнивать с результатами, показанными в эквивалентной позиции в эксперименте 4. Это можно увидеть путем сравнения с фиг. 22а и 22Ь. При этом изобретателями было обнаружено, что наличие направляющей лопатки большего размера в действительности уменьшает эффективность работы комбинации рабочее колесо/насоса, а это означает, что эта конструкция является недостаточно оптимальной.

Изобретатели полагают, что как входные, так и выходные направляющие лопатки будут улучшать рабочие характеристики путем уменьшения турбулентности в основном потоке, а также способствовать уменьшению объема рециркуляции, особенно когда выходная направляющая лопатка располагается рядом с нагнетающей боковой поверхностью ближней смежной насосной лопатки.

Благодаря этому будут уменьшаться потери энергии внутри рабочего колеса насоса и тем самым улучшаться общие рабочие характеристики насоса с точки зрения напора и эффективности шламового насоса в широком диапазоне потоков от небольших до больших потоков. Улучшенные рабочие характеристики в широком диапазоне потоков будут также обеспечивать меньший общий износ внутри насоса, тем самым повышая технический ресурс шламового насоса.

Материалы, используемые для раскрытых в данном документе рабочих колес, могут быть выбраны из материалов, пригодных для получения описанных форм и обеспечения описанной установки, включая твердые металлы с высоким содержанием хрома или металлы, подвергнутые специальной обработке (например, отпуск) таким образом, чтобы содержать микроскопическую схему твердого металла. Рабочие колеса могут быть также изготовлены из других износостойких материалов, например керамических материалов, или даже изготовлены из эбонита.

Любые из вариантов осуществления рабочего колеса, раскрытые в данном документе, могут применяться в центробежном шламовом насосе спирального типа. Такие насосы обычно содержат корпус насоса, имеющий входную область и выходную область, и рабочее колесо, размещенное внутри корпуса насоса и приводимое во вращение через приводной вал, соединенный по оси с рабочим колесом, с помощью механизированного привода. Так как рабочее колесо обычно является изнашиваемой частью, корпус насоса периодически открывают, изношенное рабочее колесо снимают, и отбраковывают, и заменяют неизношенным рабочим колесом, которое может иметь конструкцию раскрытого здесь типа. Изношенное рабочее колесо может иметь конструкцию, отличающуюся от новой, неизношенное рабочее

- 12 020629 колесо имеет новую конструкцию, причем оно выполнено с возможностью размещения в пространстве внутри корпуса насоса и соединения по оси с приводным валом.

В некоторых вариантах осуществления рабочее колесо представляет собой отливку, изготовленную из отвержденного расплавленного металла. Процесс литья включает в себя заливку расплавленного металла в литейную форму, охлаждение металла и его отверждение для формирования требуемой формы рабочего колеса. Сложность процесса литья зависит в некоторой степени от формы и конфигурации литейной формы для рабочего колеса, в некоторых случаях требуя специальных технологий для введения расплавленного металла и для выемки готовой отливки из литейной формы.

В некоторых вариантах осуществления рабочего колеса возможно удаление и замена изношенной входной или выходной направляющей лопатки в ее позиции на соответствующей насосной лопатке или диске после окончания срока ее службы или, например, если одна из лопаток сломалась во время работы. В зависимости от материала, из которого оно изготовлено, ремонт рабочего колеса может выполняться с помощью сварки, клейки или некоторых других способов механического крепления сменной направляющей лопатки.

Ссылка в данном описании на любую предшествующую публикацию (или информацию, полученную из нее) или на любые известные сведения не принимается и не должна приниматься в качестве подтверждения, или признания, или любой формы предположения того, что предшествующая публикация (или информация, полученная из нее) или известные сведения являются частью общего известного уровня техники в области техники, к которой относится это описание.

В данном описании и прилагаемой формуле изобретения, если контекст не требует иного, слово содержит и его варианты, такие как содержащий, подразумевает включение заявленного единого целого или этапа или группы единых целых или этапов, но при этом не исключая любого другого единого целого или этапа или группы единых целых или этапов.

В приведенном выше описании предпочтительных вариантов осуществления для полной ясности была использована конкретная терминология. Однако изобретение не ограничено выбранными конкретными терминами, и необходимо понимать, что каждый конкретный термин включает в себя все технические эквиваленты, которые работают аналогичным образом для выполнения аналогичных технических задач. Такие термины, как передний, задний и т.п., используются в качестве удобных слов для обеспечения точек отсчета и не должны рассматриваться в качестве ограничивающих терминов.

Наконец, понятно, что различные изменения, модификации и/или дополнения могут быть сделаны в различных конструкциях и взаимных расположениях частей без выхода за пределы сущности и объема изобретения.

Claims (26)

1. Рабочее колесо центробежного шламового насоса, содержащее передний диск (12) и задний диск (14), каждый из которых имеет внутреннюю основную поверхность (13, 15) с наружным периферийным краем (16, 17) и осевой областью колеса, множество насосных лопаток (30), проходящих между внутренними основными поверхностями (13, 15) дисков (12, 14) и расположенных на расстоянии друг от друга, при этом каждая насосная лопатка (30) содержит противоположные основные боковые поверхности (35, 36), одна из которых является насосной или нагнетательной боковой поверхностью (35), передний край (32) в осевой области колеса, и задний край (34) в области наружных периферийных краев (16, 17) дисков (12, 14), и проход (19), образованный между смежными насосными лопатками (30), причем каждый проход (19) имеет связанную с ним выходную направляющую лопатку (50, 51), каждая из которых расположена в соответствующем проходе (19) вблизи одной из насосных лопаток (30) и выступает из внутренней основной поверхности (13, 15) одного и/или каждого из дисков (12, 14).

2. Рабочее колесо по п.1, в котором каждая выходная направляющая лопатка (50, 51) расположена рядом с насосной или нагнетательной боковой поверхностью (35) ближайшей смежной насосной лопатки (30).

3. Рабочее колесо по п.1 или 2, в котором каждая выходная направляющая лопатка (50, 51) имеет наружный конец (44) рядом с периферийным краем (16, 17) одного из дисков (12, 14) и проходит внутрь, и оканчивается внутренним концом (43), который расположен между осевой областью колеса и периферийным краем (16, 17) диска (12, 14), с которым она связана.

4. Рабочее колесо по п.3, в котором каждая выходная направляющая лопатка (50, 51) имеет меньшую длину, чем смежная насосная лопатка (30), так что выходная направляющая лопатка (50, 51) при использовании не препятствует свободному течению материала через проход.

5. Рабочее колесо по п.4, в котором длина каждой выходной направляющей лопатки (50, 51) составляет одну треть или менее длины смежной насосной лопатки (30).

6. Рабочее колесо по любому из пп.1-5, в котором каждая выходная направляющая лопатка (51) выступает из внутренней основной поверхности (15) заднего диска.

7. Рабочее колесо по любому из пп.1-6, в котором каждая выходная направляющая лопатка (50, 51) имеет высоту, составляющую от 5 до 50% от ширины насосной лопатки (30).

- 13 020629

8. Рабочее колесо по п.7, в котором каждая направляющая лопатка (50, 51) имеет высоту, составляющую от 20 до 40% от ширины насосной лопатки (30).

9. Рабочее колесо по п.7 или 8, в котором каждая направляющая лопатка (50, 51) имеет высоту, составляющую от 30 до 35% от ширины насосной лопатки (30).

10. Рабочее колесо по любому из пп.1-9, в котором каждая выходная направляющая лопатка (50, 51) смещена относительно соответствующей ближней к ней насосной лопатки (30) для изменения потока материала через проход (19), уменьшения турбулентности и предотвращения перемещения или отделения завихрений, образованных потоком, от поверхности насосной лопатки (30).

11. Рабочее колесо по любому из пп.1-10, в котором по меньшей мере на части своей длины каждая выходная направляющая лопатка (50, 51) смещена от соответствующей ближней насосной лопатки (30) на расстояние, которое примерно равно максимальной толщине выходной направляющей лопатки (50, 51).

12. Рабочее колесо по любому из пп.1-11, в котором каждая выходная направляющая лопатка (50, 51), в целом, имеет в поперечном сечении ту же форму и ширину, что и основные насосные лопатки (30).

13. Рабочее колесо по любому из пп.1-12, в котором каждая выходная направляющая лопатка (50, 51) сужается на конус по высоте.

14. Рабочее колесо по любому из пп.1-13, в котором каждая выходная направляющая лопатка (50, 51) сужается на конус по ширине.

15. Рабочее колесо по любому из пп.1-14, в котором один или более проходов (19) имеют связанные с ним одну или более входных направляющих лопаток (40, 41), причем входная направляющая лопатка или каждая входная направляющая лопатка (40, 41) проходит вдоль боковой поверхности (35, 36) насосной лопатки (30) и оканчивается противоположным концом, расположенным между передним и задним краями (32, 34) насосной лопатки (30), с которой она связана.

16. Рабочее колесо по п.15, в котором каждая входная направляющая лопатка (41, 42) выполнена в форме выступа, проходящего от основной поверхности (13, 15) насосной лопатки (30), с которой она связана, в соответствующий проход (19).

17. Рабочее колесо по п.15 или 16, в котором входная направляющая лопатка (41, 42) или каждая входная направляющая лопатка (41, 42) имеет удлиненную форму.

18. Рабочее колесо по любому из пп.1-17, дополнительно содержащее вспомогательные лопатки (57, 58) на наружной поверхности (21, 22) одного или более дисков (12, 14).

19. Рабочее колесо по п.18, в котором вспомогательные лопатки (57, 58) имеют скошенные края.

20. Рабочее колесо по любому из пп.1-19, которое содержит не более пяти насосных лопаток (30).

21. Рабочее колесо по любому из пп.1-20, которое содержит четыре насосные лопатки (30).

22. Рабочее колесо центробежного шламового насоса, содержащее передний диск (12) и задний диск (14), каждый из которых имеет внутреннюю основную поверхность (13, 15) с наружным периферийным краем (16, 17) и осевой областью колеса, множество насосных лопаток (30), проходящих между внутренними основными поверхностями (13, 15) дисков (12, 14) и расположенных на расстоянии друг от друга, при этом каждая насосная лопатка (30) включает в себя противоположные основные боковые поверхности (35, 36), одна из которых является насосной или нагнетающей боковой поверхностью (35), передний край (32) в области центральной оси и задний край (34) в области наружных периферийных краев (16, 17) дисков (12, 14) с проходом (19) между смежными насосными лопатками (30), причем каждый проход имеет связанную с ним выходную направляющую лопатку (51), расположенную внутри соответствующего прохода (19) вблизи одной из насосных лопаток (30), и выступает от внутренней основной поверхности (15) заднего диска (14), длина каждой выходной направляющей лопатки (51) составляет одну треть или менее длины смежной насосной лопатки, и направляющая лопатка (51) имеет высоту, составляющую от 30 до 35% от ширины насосной лопатки.

23. Центробежный шламовый насос спирального типа, содержащий корпус насоса, имеющий входную область и выходную область, рабочее колесо по любому из пп.1-22, расположенное внутри корпуса насоса, и приводной вал, соединенный по оси с рабочим колесом.

24. Способ изготовления отливки рабочего колеса по любому из пп.1-22, согласно которому заливают расплавленный материал в литейную форму для формирования отливки; отверждают расплавленный материал;

снимают литейную форму с, по меньшей мере, частично готовой отвержденной отливки.

25. Способ замены выходной направляющей лопатки в рабочем колесе по любому из пп.1-22, расположенной на основной поверхности диска, с которым она связана, и проходящей в соответствующий выходной проход, согласно которому снимают направляющую лопатку, когда она изнашивается; и затем устанавливают неизношенную сменную направляющую лопатку на рабочее колесо.

26. Способ замены рабочего колеса в центробежном насосе, согласно которому снимают установленное рабочее колесо, когда оно изнашивается; и затем устанавливают в насос неизношенного сменного рабочего колеса по любому из пп.1-22.