RU2522134C1

RU2522134C1 - Centrifugal impeller

Info

Publication number: RU2522134C1
Application number: RU2012153564/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Игоревич Белоусов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2014-07-10
Also published as: RU2012153564A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention can be used in production and operation of low-capacity pumps of space rockets. This impeller comprises solid hub, drive disc, cover disc and n vanes. N axial props are arranged around the periphery of impeller to connect said cover disc with drive disc and made integral therewith, each being arranged between two adjacent vanes. Pressure side of every vane and proximate axial prop surface facing said side are composed by every cut-out at one of the discs. Rear side of every vane and proximate axial prop surface facing said side are composed by every cut-out at the other disc.

EFFECT: expanded applications.

4 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроительной гидравлике и может быть использовано для производства рабочих колес малорасходных центробежных насосов систем терморегулирования космических летательных аппаратов.The invention relates to mechanical engineering hydraulics and can be used for the production of impellers of low-speed centrifugal pumps for spacecraft thermal control systems.

Известно центробежное рабочее колесо, содержащее выполненный заодно со ступицей ведущий диск, покрывной диск с центральным входным отверстием и размещенные между ведущим и покрывным диском лопатки (А.В. Бобков. Центробежные насосы систем терморегулирования космических аппаратов. - Владивосток: Дальнаука, 2003, с.129, рис.5.8, в).A centrifugal impeller is known, comprising a drive disk integral with the hub, a cover disk with a central inlet and blades placed between the drive and cover disk (A. Bobkov. Centrifugal pumps for spacecraft thermal control systems. - Vladivostok: Dalnauka, 2003, p. 129, Fig. 5.8, c).

Недостатком такого центробежного рабочего колеса являются значительные дисковые потери на трение по наружным поверхностям основного и покрывного дисков из-за их большой поверхности, а также нескомпенсированная осевая сила, возникающая при работе колеса из-за разности эпюр давления по наружным поверхностям ведущего и покрывного дисков.The disadvantage of such a centrifugal impeller is the significant friction losses on the outer surfaces of the main and cover disks due to their large surface, as well as the uncompensated axial force arising during the operation of the wheel due to the difference in pressure plots on the outer surfaces of the drive and cover disks.

Этого недостатка лишено выбранное в качестве прототипа (Патент РФ №2427726, МПК: F04D 29/22, 27.08.2011) центробежное рабочее колесо, содержащее выполненный заодно со ступицей ведущий диск, покрывной диск с центральным входным отверстием и размещенное между ведущим и покрывным диском четное число лопаток с напорной и тыльной сторонами. Ведущий и покрывной диски выполнены заодно с лопатками, на покрывном диске выполнены осесимметрично расположенные прорези, ограниченные напорной стороной каждой четной лопатки и ближайшей к этой стороне тыльной стороной соседней лопатки, наружным диаметром покрывного диска и диаметром входного отверстия, а на ведущем диске выполнены осесимметрично расположенные прорези, ограниченные напорной стороной каждой нечетной лопатки и ближайшей к этой стороне тыльной стороной соседней лопатки, наружным диаметром ведущего диска и внутренним контуром, отстоящим от оси рабочего колеса не далее радиуса пересечения входных кромок лопаток с внутренней поверхностью ведущего диска. Такое выполнение рабочего колеса позволяет существенно снизить дисковые потери и обеспечить полную разгрузку колеса от осевых сил.This drawback is deprived of the centrifugal impeller selected as a prototype (RF Patent No. 2427726, IPC: F04D 29/22, 08/27/2011), comprising a drive disk integral with the hub, a cover disk with a central inlet and evenly located between the lead and cover disk number of blades with pressure and back sides. The drive and cover discs are made integral with the blades, axially symmetric slots are made on the cover disc, bounded by the pressure side of each even blade and the back side of the adjacent blade closest to this side, the outer diameter of the cover disc and the diameter of the inlet, and axially symmetric slots are made on the drive disk limited by the pressure side of each odd blade and the back side of the adjacent blade nearest to this side, the outer diameter of the drive disk and the inner a circuit spaced from the axis of the impeller no further than the radius of intersection of the input edges of the blades with the inner surface of the drive disk. This embodiment of the impeller can significantly reduce disk loss and ensure complete unloading of the wheel from axial forces.

Недостатком такого центробежного рабочего колеса является невозможность его выполнения с нечетным числом лопаток, хотя вполне возможно, что по гидравлическому расчету требуется именно такое. А искусственное изменение числа лопаток до ближайшего четного не всегда возможно - уменьшение числа лопаток ведет к снижению расхода и напора, а увеличение - ведет к снижению проходного сечения колеса и опять же к снижению расхода и напора. А так как преимущественная область применения прототипа - малорасходные насосы космических систем, то их малые размеры (наружный диаметр около 50 мм) не дают возможности обработки малых межлопаточных каналов, которые станут еще меньше в случае искусственного увеличения числа лопаток.The disadvantage of such a centrifugal impeller is the impossibility of its implementation with an odd number of blades, although it is quite possible that exactly this is required by hydraulic calculation. And an artificial change in the number of blades to the nearest even is not always possible - a decrease in the number of blades leads to a decrease in flow and pressure, and an increase leads to a decrease in the bore of the wheel and again to a decrease in flow and pressure. And since the prototype's primary field of application is low-flow pumps of space systems, their small dimensions (outer diameter of about 50 mm) do not allow the processing of small interscapular channels, which will become even smaller if the number of blades is artificially increased.

Задачей, решаемой заявленным устройством, является расширение области использования центробежного рабочего колеса, т.е. возможность выполнять колесо с любым как четным, так и нечетным числом лопаток.The problem solved by the claimed device is to expand the scope of use of a centrifugal impeller, i.e. the ability to perform a wheel with any odd or even number of blades.

Этот результат достигается за счет того, что в известном центробежном рабочем колесе, содержащем монолитные ступицу, ведущий диск, покрывной диск с центральным входным отверстием и размещенные между ведущим и покрывным диском n лопаток с напорной и тыльной сторонами, образованных краями осесимметрично расположенных прорезей в виде криволинейных цилиндров с аксиальными образующими на ведущем и покрывном дисках, согласно изобретению по периметру центробежного рабочего колеса расположены n аксиальных стоек, соединяющих покрывной диск с ведущим и выполненных заодно с ними и размещенных каждая между двумя соседними лопатками, при этом напорная сторона каждой лопатки и обращенная к этой стороне поверхность ближайшей аксиальной стойки образована каждой прорезью на одном из дисков, а тыльная сторона каждой лопатки и обращенная к этой стороне поверхность ближайшей аксиальной стойки образована каждой прорезью на другом из дисков, причем соседние прорези на обоих дисках в зоне, ограниченной минимальным диаметром покрывного диска и диаметром вписанной между всеми аксиальными стойками окружности выполнены соприкасающимися друг с другом или перекрывающими друг друга по всей длине.This result is achieved due to the fact that in the known centrifugal impeller containing a monolithic hub, a drive disk, a cover disk with a central inlet and n blades located between the drive and cover disk of the n blades with pressure and rear sides formed by the edges of axisymmetrically arranged slots in the form of curved cylinders with axial generators on the drive and cover discs, according to the invention, n axial struts are arranged around the perimeter of the centrifugal impeller, connecting the cover disc with leading and made at the same time with them and placed between two adjacent vanes, with the pressure side of each blade and the surface of the nearest axial strut facing this side is formed by each slot on one of the disks, and the back of each blade and the surface of the closest axial strut the struts are formed by each slot on the other of the disks, with adjacent slots on both disks in the area limited by the minimum diameter of the cover disk and the diameter inscribed between all axial and the struts of the circle are made in contact with each other or overlapping each other along the entire length.

На фиг. 1 приведен пример конкретного выполнения рабочего колеса дискового насоса, продольный разрез, на фиг.2 - то же, вид со стороны покрывного диска, на фиг.3 - то же, вид со стороны ведущего диска, на фиг.4 - то же, разрез по А-А.In FIG. Figure 1 shows an example of a specific embodiment of the impeller of a disk pump, a longitudinal section, in FIG. 2 is the same, view from the side of the cover disk, in FIG. 3 is the same, the view from the side of the drive disk, in FIG. 4 is the same, section by AA.

Центробежное рабочее колесо содержит монолитные ступицу 1, ведущий диск 2, покрывной диск 3 с центральным входным отверстием 4 с минимальным диаметром d и размещенные между ведущим и покрывным диском n лопаток 5 (в данном примере конкретного исполнения - три лопатки). Каждая лопатка имеет напорную 6 и тыльную 7 стороны. Напорные 6 стороны каждой лопатки 5 образованы краями осесимметрично расположенных прорезей 8 (затемненная область на иллюстрациях) в виде криволинейных цилиндров с аксиальными образующими на покрывном диске 3. Тыльные 7 стороны каждой лопатки 5 образованы краями осесимметрично расположенных прорезей 9 в виде криволинейных цилиндров с аксиальными образующими на ведущем диске 2 (затемненная область на иллюстрациях, на фиг.2 эта область расположена под участком покрывного диска и видна только внутри входного отверстия). По периметру центробежного рабочего колеса расположены n (в данном примере 3) аксиальных стоек 10, соединяющих покрывной диск 3 с ведущим 2 и выполненных заодно с ними. Каждая аксиальная стойка 10 размещена между двумя соседними лопатками 5, при этом напорная сторона 6 каждой лопатки 5 и обращенная к этой стороне поверхность 11 ближайшей аксиальной стойки 10 образована каждой прорезью на одном из дисков (в данном примере - прорезью 8 на покрывном диске 3), а тыльная сторона 7 каждой лопатки и 5 обращенная к этой стороне поверхность 12 ближайшей аксиальной стойки 10 образована каждой прорезью на другом из дисков (в данном примере - прорезью 9 на ведущем диске 2). Соседние прорези 8 и 9 на обоих дисках в зоне, ограниченной минимальным диаметром d покрывного диска и диаметром D вписанной между всеми аксиальными стойками окружности, выполнены соприкасающимися друг с другом или перекрывающими друг друга по всей длине. В данном примере конкретного исполнения приведен случай, когда прорези перекрывают друг друга с образованием зон перекрытия 13 (выделены более темным цветом, чем прорези 8 и 9).The centrifugal impeller contains a monolithic hub 1, a drive disk 2, a cover disk 3 with a central inlet 4 with a minimum diameter d and placed between the drive and cover disk n of the blades 5 (in this particular embodiment, three blades). Each blade has a pressure head 6 and a back 7 sides. The pressure side 6 of each blade 5 is formed by the edges of axisymmetrically arranged slots 8 (darkened area in the illustrations) in the form of curved cylinders with axial generators on the cover disk 3. The rear 7 sides of each blade 5 are formed by the edges of axisymmetrically arranged slots 9 in the form of curved cylinders with axial generators on the leading disk 2 (the darkened area in the illustrations, in Fig.2 this region is located under the section of the covering disk and is visible only inside the inlet). Along the perimeter of the centrifugal impeller there are n (in this example 3) axial struts 10 connecting the cover disk 3 to the drive 2 and made integral with them. Each axial strut 10 is placed between two adjacent vanes 5, while the pressure side 6 of each vanes 5 and the surface 11 of the nearest axial strut 10 facing this side is formed by each slot on one of the disks (in this example, a slot 8 on the cover disk 3) and the back side 7 of each blade and 5 facing the side surface 12 of the nearest axial strut 10 is formed by each slot on the other of the disks (in this example, a slot 9 on the drive disk 2). Adjacent slots 8 and 9 on both disks in an area limited by the minimum diameter d of the cover disk and the diameter D inscribed between all axial struts of the circle are made in contact with each other or overlapping each other along the entire length. In this particular embodiment example, the case is shown when the slots overlap each other with the formation of overlap zones 13 (highlighted in a darker color than the slots 8 and 9).

Центробежное рабочее колесо дискового насоса работает следующим образом: при приведении колеса во вращение (за счет установки ступицы на приводном валу) в среде жидкости жидкость в зазоре между дисками 2 и 3 под воздействием напорных сторон 6 лопаток 5 также приводится в движение, следствием которого является вытеснение жидкости к наружному диаметру рабочего колеса под действием центробежных сил инерции и создание рабочим колесом напора. Жидкость подается на каждую из трех лопаток 5 через входное отверстие 4. При этом момент трения наружных поверхностей дисков 2 и 3 о жидкость такого же порядка, что и в прототипе, т.к. прорези 8 и 9 снижают площадь трущейся поверхности дисков. Аксиальные же стойки 10 находятся на периметре рабочего колеса, где межлопаточные каналы достаточно велики, поэтому аксиальные стойки не оказывают существенного влияния на гидравлические характеристики колеса, но придают всей конструкции рабочего колеса жесткость. К тому же их профиль может быть выполнен обтекаемым, что еще более снижает влияние этих стоек на гидравлические характеристики. В данном примере конкретного исполнении напорные стороны каждой лопатки образованы краями осесимметрично расположенных прорезей на покрывном диске, однако также возможно и их образование прорезями на ведущем диске, поэтому в формуле изобретения приведен обобщающий признак «на одном из дисков». Выполнение соседних прорезей на обоих дисках в зоне, ограниченной минимальным диаметром входного отверстия и диаметром вписанной между всеми аксиальными стойками окружности, выполнены их соприкасающимися друг с другом или перекрывающими друг друга по всей длине необходимо, так как только в этом случае гарантируется отсутствие каких-либо препятствий для жидкости в межлопаточном канале. В идеале необходимо касание прорезей на обоих дисках, но это практически недостижимо из-за допусков на размеры. Степень перекрытия прорезей рекомендуется брать минимальной, поскольку увеличение прорезей в обоих дисках ведет к увеличению перетекания жидкости с напорной стороны лопатки на тыльную. Однако это следует из обычного проектирования, не требующего изобретательской деятельности. В результате использования изобретения расширяется область использования центробежного рабочего колеса, т.к. обеспечивается возможность выполнять колесо с любым как четным, так и нечетным числом лопаток. Так же, как и в прототипе, повышена технологичность центробежного рабочего колеса за счет отсутствия в его конструкции замкнутых полостей. При этом заявленная конструкция, так же, как и конструкция прототипа, не является разновидностью т. наз. «полуоткрытого колеса» (М.В. Краев и др. Малорасходные насосы авиационных и космических систем. - М.: Машиностроение, 1985, с.28-29, рис.2.4, б), т.к. для полуоткрытого колеса характерен резкий перепад давления между напорной и тыльной сторонами одной и той же лопатки, ограниченный только торцевым зазором между торцем лопатки и корпусом, что приводит к довольно существенным перетечкам через открытый торец лопатки и существенному вихреобразованию, снижающему к.п.д. колеса. В заявленной конструкции, являющейся разновидностью «полузакрытого колеса», перетекание между напорной и тыльной стороной одной и той же лопатки принципиально невозможно, т.к. они разделены участком либо ведущего, либо покрывного дисков. Следует отметить, что применение заявленной конструкции целесообразно и для четного числа лопаток, например при n=2 конструкция заявленного рабочего колеса более жесткая, чем конструкция прототипа, за счет вдвое большего числа аксиальных связей между ведущим и покрывным дисками (дополнительно к 2 лопаткам добавляются 2 аксиальные стойки).The centrifugal impeller of the disk pump operates as follows: when the wheel is rotated (by installing the hub on the drive shaft) in a liquid medium, the liquid in the gap between the disks 2 and 3 under the influence of the pressure sides 6 of the blades 5 is also driven, the result of which is the crowding out fluid to the outer diameter of the impeller under the action of centrifugal inertia forces and the impeller creates a pressure. Liquid is supplied to each of the three blades 5 through the inlet 4. At the same time, the friction moment of the outer surfaces of the disks 2 and 3 on the liquid is of the same order as in the prototype, because the slots 8 and 9 reduce the area of the friction surface of the disks. Axial racks 10 are located on the perimeter of the impeller, where the interscapular channels are large enough, so the axial racks do not significantly affect the hydraulic characteristics of the wheel, but give the entire impeller design rigidity. In addition, their profile can be streamlined, which further reduces the effect of these racks on the hydraulic characteristics. In this particular embodiment, the pressure sides of each blade are formed by the edges of the axisymmetrically arranged slots on the cover disk, however, their formation by slots on the drive disk is also possible, therefore, the generalizing feature “on one of the disks” is given in the claims. The execution of adjacent slots on both disks in the area limited by the minimum diameter of the inlet and the diameter of the circle inscribed between all axial struts is made in contact with each other or overlapping each other along the entire length, since only in this case the absence of any obstacles is guaranteed for fluid in the interscapular canal. Ideally, you need to touch the slots on both disks, but this is almost unattainable due to dimensional tolerances. The degree of overlapping of the slots is recommended to be minimized, since an increase in the slots in both disks leads to an increase in the flow of liquid from the pressure side of the blade to the back. However, this follows from the usual design, which does not require inventive activity. As a result of the use of the invention, the scope of use of the centrifugal impeller is expanding, because it is possible to perform a wheel with any odd or even number of blades. As in the prototype, the manufacturability of the centrifugal impeller is increased due to the absence of closed cavities in its design. Moreover, the claimed design, as well as the design of the prototype, is not a variation of the so-called. “Half-open wheel” (MV Kraev et al. Low-flow pumps of aviation and space systems. - M.: Mashinostroenie, 1985, p. 28-29, fig. 2.4, b), because a half-open wheel is characterized by a sharp pressure drop between the pressure and back sides of the same blade, limited only by the end gap between the blade end and the casing, which leads to rather substantial overflows through the open end of the blade and significant vortex formation, which reduces the efficiency wheels. In the claimed design, which is a kind of "half-closed wheel", the flow between the pressure and the back side of the same blade is fundamentally impossible, because they are separated by a section of either the leading or the covering disk. It should be noted that the use of the claimed design is also advisable for an even number of blades, for example, for n = 2, the design of the declared impeller is more rigid than the design of the prototype due to the twice as many axial connections between the drive and cover discs (in addition to 2 blades, 2 axial racks).

В иллюстрациях для упрощения описания приведено рабочее колесо с лопатками, напорные и тыльные стороны которых выполнены плоскими, однако это непринципиально - конструкция обеспечивает любой профиль лопатки одинарной кривизны (кстати, такие лопатки встречаются практически на всех центробежных малорасходных насосах, ибо применение лопаток двойной кривизны при малых диаметрах рабочих колес нецелесообразно).To simplify the description, the illustrations show an impeller with vanes, the pressure and back sides of which are made flat, but this is unprincipled - the design provides any profile of a single curvature vane (by the way, such blades are found on almost all centrifugal low-flow pumps, because the use of double curvature blades for small impeller diameters inappropriate).

Указанные преимущества позволяют рекомендовать заявленную группу изобретений к использованию при изготовлении и эксплуатации в изделиях ракетно-космической техники.These advantages allow us to recommend the claimed group of inventions for use in the manufacture and operation of rocket and space technology products.

Claims

A centrifugal impeller comprising a monolithic hub, a drive disk, a cover disk with a central inlet and located between the drive and cover disk n blades with pressure and back sides formed by the edges of axisymmetrically arranged slots in the form of curved cylinders with axial generators on the drive and cover discs, characterized in that n are located along the perimeter of the centrifugal impeller axial racks connecting the cover disk with the leading one and made integral with them and placed each between two adjacent vanes, while the pressure side of each blade and the surface of the nearest axial column facing this side are formed by each slot on one of the disks, and the back side of each blade and the surface of the closest axial strut facing this side is formed by each slot on the other of the disks, with adjacent slots on both disks in the area limited by the minimum diameter of the input hole ment and the diameter of the inscribed between all axial circumferential struts are formed contiguous with each other or overlapping each other over the entire length.