RU2533605C2

RU2533605C2 - Centrifugal impeller

Info

Publication number: RU2533605C2
Application number: RU2013111086/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Игоревич Белоусов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2014-11-20
Also published as: RU2013111086A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: impeller comprises a driving disc made solid with a hub, a covering disc with a central inlet hole, and blades axisymmetrically set between the driving and the covering discs. Every blade is composed of two parts, the first part of every blade is made solid with the covering disc and located inside the first surface of revolution coaxial to the covering disc. The second part of every blade is made solid with the driving disc and located outside the second surface of revolution embracing the first surface of revolution. Each of the surfaces consists of two stages, the stages of greater diameter of both surfaces adjoin the driving disc by their edges, and the stages of smaller diameter adjoin the covering disc by their edges. The stages of smaller diameter of both surfaces have the same nominal diameters, and the axial dimensions of the stages of smaller and greater diameters in the first surface of revolution are equal to the nominal axial dimensions of the stages of smaller and greater diameters in the second surface of revolution respectively. Both discs are installed with their mutual angular position being fixed.

EFFECT: improved manufacturability and corrosion resistance.

4 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроительной гидравлике и может быть использовано в малорасходных центробежных насосах систем терморегулирования космических летательных аппаратов, а также в химической промышленности.The invention relates to mechanical engineering hydraulics and can be used in low-speed centrifugal pumps for thermal control systems of spacecraft, as well as in the chemical industry.

Известно центробежное рабочее колесо содержащее ведущий диск, покрывной диск и выполненные заодно с ними лопатки (В.В. Малюшенко, А.К. Михайлов. “Энергетические насосы: Справочное пособие”, М., “Энергоиздат”, 1981, стр.21, рис.1.15, а). Рабочее колесо литое.Known centrifugal impeller containing a driving disk, a cover disk and blades made at the same time (V. V. Malyushenko, A. K. Mikhailov. “Energy pumps: Reference manual”, M., “Energoizdat”, 1981, p.21, Figure 1.15, a). The impeller is cast.

Недостатком такого центробежного рабочего колеса является ограниченная область применения, т.к. отливать можно колеса относительно больших размеров. В малорасходных колесах космической техники такая конструкция неприменима, т.к. наружные диаметры колес этих насосов обычно находятся в диапазоне значений от 40 до 60 мм, а толщина лопаток составляет около 1 мм.The disadvantage of such a centrifugal impeller is the limited scope, because relatively large wheels can be cast. In low-speed wheels of space technology, this design is not applicable, because the outer diameters of the wheels of these pumps are usually in the range of 40 to 60 mm, and the thickness of the blades is about 1 mm.

Этого недостатка лишено центробежное рабочее колесо, содержащее единый со ступицей ведущий диск, покрывной диск с центральным входным отверстием и размещенные между ведущим и покрывным диском не менее трех осесимметрично расположенных лопаток, выбранное в качестве прототипа (А.В. Бобков. «Центробежные насосы систем терморегулирования космических аппаратов», Владивосток, «Дальнаука», 2003, стр.186, последний абзац). Покрывной диск припаивается по торцевой поверхности лопаток.This drawback is deprived of a centrifugal impeller containing a single drive disk with a hub, a cover disk with a central inlet and at least three axisymmetrically arranged vanes located between the drive and cover disk, selected as a prototype (A. Bobkov. “Centrifugal pumps of thermal control systems spacecraft ”, Vladivostok,“ Dalnauka ”, 2003, p. 186, last paragraph). The cover disc is soldered along the end surface of the blades.

Недостатком такого центробежного рабочего колеса является его низкая технологичность: необходимо предварительно изготовить 2 детали - ведущий диск с лопатками и покрывной диск, оставив припуск на окончательную обработку, затем произвести пайку - достаточно сложный процесс, используется вакуумная пайка в электропечи - и после этого окончательная механическая обработка рабочего колеса, т.к. при пайке возможны поводки спаиваемых деталей из-за воздействия высокой температуры. При этом вследствие такой технологии возникает необходимость межцеховых перевозок деталей, что, наряду с необходимостью повторной механической обработки, удлиняет цикл изготовления и удорожает производство. Другим недостатком такого колеса является низкая коррозионная стойкость в связи с наличием паяного соединения лопаток с покрывным диском - при пайке на торцовые стенки алюминиевых лопаток наносится медное покрытие. Поэтому такие рабочие колеса не могут работать в коррозионно-активных средах.The disadvantage of this centrifugal impeller is its low manufacturability: it is necessary to pre-fabricate 2 parts - a leading disk with blades and a cover disk, leaving an allowance for final processing, then soldering - a rather complicated process, vacuum brazing in an electric furnace is used - and then final machining impeller since when soldering, leads of soldered parts are possible due to exposure to high temperature. Moreover, due to this technology, there is a need for inter-workshop transportation of parts, which, along with the need for repeated machining, lengthens the manufacturing cycle and increases the cost of production. Another disadvantage of such a wheel is its low corrosion resistance due to the soldered connection of the blades with the cover disk - a copper coating is applied to the end walls of aluminum blades when soldered. Therefore, such impellers cannot work in corrosive environments.

Техническим результатом, достигаемым заявленным устройством, является повышение технологичности его изготовления и коррозионной стойкости.The technical result achieved by the claimed device is to increase the manufacturability of its manufacture and corrosion resistance.

Этот результат достигается за счет того, что в известном центробежном рабочем колесе, содержащем единый со ступицей ведущий диск, покрывной диск с центральным входным отверстием и размещенные между ведущим и покрывным диском не менее трех осесимметрично расположенных лопаток, согласно изобретению, каждая лопатка выполнена составной из двух частей, при этом первая часть каждой лопатки выполнена заодно с покрывным диском и размещена внутри сосной покрывному диску первой поверхности вращения, а вторая часть каждой лопатки выполнена заодно с ведущим диском и размещена снаружи второй поверхности вращения, охватывающей первую поверхность вращения, каждая из указанных поверхностей выполнена двухступенчатой, при этом ступени с большим диаметром обеих поверхностей прилегают своими краями к ведущему диску, а ступени меньшего диаметра прилегают своими краями к покрывному диску, ступени меньшего диаметра обеих поверхностей имеют одинаковые номинальные диаметры, и осевые размеры ступеней меньшего и большего диаметров первой поверхности вращения равны номинальным осевым размерам ступеней меньшего и большего диаметров второй поверхности вращения соответственно, при этом оба диска установлены с фиксацией их взаимного углового положения.This result is achieved due to the fact that in the known centrifugal impeller containing a single drive disk with a hub, a cover disk with a central inlet and at least three axisymmetrically arranged vanes located between the drive and cover disk, according to the invention, each blade is made up of two parts, while the first part of each blade is made integral with the covering disk and placed inside the pine covering disk of the first rotation surface, and the second part of each blade is made o with a drive disk and placed outside the second surface of rotation, covering the first surface of rotation, each of these surfaces is made of two stages, with steps with a large diameter of both surfaces adjacent their edges to the drive disk, and steps of a smaller diameter adjacent their edges to the casing disk, steps the smaller diameters of both surfaces have the same nominal diameters, and the axial dimensions of the steps of the smaller and larger diameters of the first surface of revolution are equal to the nominal axial times measures of steps of smaller and larger diameters of the second surface of rotation, respectively, while both disks are installed with fixing their mutual angular position.

На фиг 1. приведен пример конкретного выполнения центробежного рабочего колеса дискового насоса, вид со стороны покрывного диска, на фиг.2 - то же, продольный разрез, на фиг.3 - то же, увеличенное изображение местного элемента I, на фиг.4 - то же, общий вид колеса.In Fig 1. an example of a specific implementation of the centrifugal impeller of a disk pump, a view from the side of the cover disk, in Fig.2 is the same, longitudinal section, in Fig.3 is the same, an enlarged image of the local element I, in Fig.4 - same, general view of the wheel.

Центробежное рабочее колесо содержит единый со ступицей 1 ведущий диск 2, покрывной диск 3 с центральным входным отверстием 4 и размещенные между ведущим 2 и покрывным 3 диском не менее трех (в данном примере конкретного исполнения четыре) осесимметрично расположенных лопаток 5. Каждая лопатка 5 выполнена составной из двух частей, при этом первая часть 6 каждой лопатки выполнена заодно с покрывным диском 3, а вторая часть 7 каждой лопатки выполнена заодно с ведущим диском 2. Первая часть 6 каждой лопатки и размещена внутри сосной покрывному диску 3 первой поверхности вращения 8 (на фиг.3 сечение этой поверхности показано ломаной между точками A, B, C и D), а вторая часть 7 каждой лопатки размещена снаружи второй поверхности вращения 9 (на фиг.3 сечение этой поверхности показано ломаной между точками A, B, E и F), охватывающей первую поверхность вращения 8. Каждая из поверхностей вращения 8 и 9 выполнена двухступенчатой, при этом ступени 10 и 11 с большим диаметром поверхностей 8 и 9 соответственно прилегают своими краями (точки D и F) к ведущему диску 2, а ступени 12 и 13 меньшего диаметра поверхностей 8 и 9 соответственно прилегают своими краями (точка A) к покрывному диску 3. Ступени меньшего диаметра 12 и 13 обеих поверхностей имеют одинаковые номинальные диаметры D, и осевые размеры L и M ступеней 10 и 12 меньшего и большего диаметров первой поверхности вращения 8 равны номинальным осевым размерам L и M ступеней 11 и 12 второй поверхности вращения 9 соответственно. Оба диска 2 и 3 установлены с фиксацией их взаимного углового положения - а именно соединены точками 14 лазерной сварки в местах стыка торцов частей 7, выполненных на ведущем диске, с покрывным диском 3 по его наружному диаметру.The centrifugal impeller contains a single drive disk 2 with a hub 1, a cover disk 3 with a central inlet 4 and at least three axially symmetrically arranged vanes 5 located between the drive 2 and the cover 3 disk (four in this particular embodiment). Each blade 5 is made integral of two parts, while the first part 6 of each blade is made integral with the covering disk 3, and the second part 7 of each blade is made integral with the leading disk 2. The first part 6 of each blade and placed inside the pine covering disk 3 of the first rotation surface 8 (in Fig. 3, a section of this surface is shown as a broken line between points A, B, C and D), and the second part 7 of each blade is placed outside the second surface of rotation 9 (in Fig. 3, a cross-section of this surface is shown in a broken line between points A, B, E and F), covering the first surface of rotation 8. Each of the surfaces of rotation 8 and 9 is made two-stage, while steps 10 and 11 with a large diameter of surfaces 8 and 9 respectively lie with their edges (points D and F) to the lead disk 2, and steps 12 and 13 of a smaller diameter of surfaces 8 and 9 respectively abut their edges (point A) to the cover disk 3. Steps of smaller diameter 12 and 13 of both surfaces have the same nominal diameters D, and the axial dimensions L and M of steps 10 and 12 of the smaller and larger diameters of the first rotation surface 8 are equal to the nominal axial dimensions L and M steps 11 and 12 of the second surface of rotation 9, respectively. Both disks 2 and 3 are installed with fixation of their mutual angular position - namely, they are connected by laser welding points 14 at the joints of the ends of the parts 7 made on the drive disk, with the cover disk 3 by its outer diameter.

Центробежное рабочее колесо работает следующим образом: при приведении колеса во вращение в среде жидкости жидкость в зазоре между дисками 2 и 3 под воздействием лопаток 5 также приводится во вращение, следствием которого является вытеснение жидкости к наружному диаметру колеса под действием центробежных сил инерции и создание рабочим колесом напора. При этом передача вращающего момента покрывному диску 3 от ведущего диска 2 осуществляется расплавленным при лазерной сварке металлом точек 14. Осевая же фиксация покрывного диска 3 к ведущему 2, препятствующая разъединению этих дисков, осуществляется, помимо точек 14, упором торца ступени 10 в торец ступени 13. Отсутствие люфта в этом соединении обеспечивается тем, что осевые размеры L и M ступеней 10 и 12 меньшего и большего диаметров первой поверхности вращения 8 равны номинальным осевым размерам L и M ступеней 11 и 12 второй поверхности вращения 9 соответственно. Отсутствие же радиального люфта между дисками обеспечивается тем, что ступени меньшего диаметра 12 и 13 обеих поверхностей имеют одинаковые номинальные диаметры D, т.е. одна из этих поверхностей является центрирующей для другой. Диаметр же ступени 11 выполнен большим диаметра ступени 10, ибо в противном случае имело бы место центрирование составляющих рабочее колесо деталей по двум поверхностям, чего обычно в практике проектирования рекомендуют избегать. Поэтому в формуле приведен признак, формулирующий, что вторая поверхность вращения охватывает первую поверхность вращения. Величина зазора между поверхностями 10 и 11 выбирается методами обычного проектирования, она должна быть достаточно мала, чтобы избежать больших перетечек с напорной стороны лопатки на тыльную по зазору между частями 6 и 7 лопаток. Вследствие незначительной разницы давлений на напорной и тыльной сторонах лопаток в точках, размещенных на одном и том же диаметре, перетечки по этому зазору (при легко технологически достижимом зазоре порядка 0,05 мм - 0,1 мм) практически не оказывают влияния на энергетические характеристики колеса. Также методами обычного проектирования выбирается разница между диаметрами ступеней поверхности вращения 8, так как она определяет напряжения сжатия в лопатках из-за воздействия давления в межлопаточном пространстве между дисками 2 и 3. Посадка ступени 13 на ступень 13 может быть выполнена как скользящей, так и с натягом. В последнем случае эта посадка сама по себе обеспечивает передачу момента от диска 2 через части 7 - на части 6 и диск 3. В случае такого исполнения можно обойтись без использования лазерной сварки, поэтому в формуле приведен обобщающий признак «оба диска установлены с фиксацией их взаимного углового положения». В формуле изобретения также однозначно указано, что части лопаток, выполненные на покрывном диске, расположены внутри, а на ведущем - снаружи. Это обусловлено тем, что при фрезеровании лопаток на ведущем диске обработке их в местах, наиболее приближенных к оси колеса, мешает ступица колеса, что ограничивает максимальный диаметр фрезы для обработки лопаток, а фрезы маленького диаметра весьма дефицитны, непрочны и малопроизводительны. Обработка же лопаток, размещенных на этом же диаметре, но на покрывном диске - где отсутствует ступица - свободна от этих недостатков. Поэтому взаимное расположение частей лопаток и дисков упомянуто в формуле. Также в ограничительной части формулы подчеркнуто, что количество лопаток не менее 3 - что важно как и в прототипе - для обеспечения точной радиальной фиксации при сборке - так и в заявленном техническом решении - так как в случае наличия, например, только 2 лопаток, надежное базирование достигается только в одном направлении, а при 3 и более - во всех.The centrifugal impeller operates as follows: when the wheel is rotated in a liquid medium, the liquid in the gap between the disks 2 and 3 under the influence of the blades 5 is also rotated, the result of which is the displacement of the liquid to the outer diameter of the wheel under the action of centrifugal inertia forces and the creation of the impeller pressure. In this case, the transmission of torque to the cover disk 3 from the leading disk 2 is carried out by the metal of the points 14 melted during laser welding. The axial fixation of the covering disk 3 to the leading 2, which prevents the separation of these disks, is carried out, in addition to points 14, by stopping the end face of stage 10 to the end of stage 13 The lack of play in this connection is ensured by the fact that the axial dimensions L and M of the steps 10 and 12 of the smaller and larger diameters of the first rotation surface 8 are equal to the nominal axial dimensions L and M of the steps 11 and 12 of the second rotation surface 9 s Responsibly. The absence of radial play between the disks is ensured by the fact that the steps of a smaller diameter 12 and 13 of both surfaces have the same nominal diameters D, i.e. one of these surfaces is centering for the other. The diameter of the step 11 is made larger than the diameter of the step 10, because otherwise there would be a centering of the components of the impeller of the parts on two surfaces, which is usually recommended in design practice to be avoided. Therefore, the formula shows a sign stating that the second surface of rotation covers the first surface of rotation. The gap between surfaces 10 and 11 is selected by conventional design methods, it should be small enough to avoid large overflows from the pressure side of the blade to the back along the gap between parts 6 and 7 of the blades. Due to the insignificant difference in pressure on the pressure and back sides of the blades at points located on the same diameter, overflows along this gap (with an easily technologically achievable clearance of the order of 0.05 mm - 0.1 mm) practically do not affect the energy characteristics of the wheel . Also, using the methods of conventional design, the difference between the diameters of the steps of the surface of revolution 8 is selected, since it determines the compressive stresses in the blades due to the pressure in the interscapular space between the disks 2 and 3. The landing of the stage 13 on the stage 13 can be performed both sliding and tight fit. In the latter case, this landing by itself ensures the transmission of moment from disk 2 through parts 7 to parts 6 and disk 3. In this case, laser welding can be dispensed with, therefore, the generalization symptom “both disks are installed with fixing their mutual angular position. " The claims also clearly indicate that the parts of the blades made on the cover disk are located inside and on the lead outside. This is due to the fact that when milling the blades on the drive disk, the wheel hub interferes with the processing of the blades in the places closest to the wheel axis, which limits the maximum diameter of the milling cutter for processing the blades, and milling cutters of a small diameter are very scarce, fragile and inefficient. Processing of blades placed on the same diameter, but on the cover disk - where there is no hub - is free from these shortcomings. Therefore, the relative position of the parts of the blades and discs is mentioned in the formula. Also in the restrictive part of the formula, it is emphasized that the number of blades is not less than 3 - which is important as in the prototype - to ensure accurate radial fixation during assembly - and in the claimed technical solution - since in the case of, for example, only 2 blades, reliable base achieved in only one direction, and with 3 or more - in all.

В результате использования изобретения существенно повышается технологичность центробежного рабочего колеса, так как устраняется как сам процесс пайки, так и двойная механическая обработка (предварительная и окончательная) деталей. Также повышается коррозионная стойкость колеса, так как обе его части могут быть изготовлены из одного и того же материала, а запрессовка одной детали в другой или использование лазерной сварки не привносит в сборку никаких других материалов. Указанные преимущества позволяют рекомендовать заявленное изобретение к использованию в составе систем терморегулирования изделий ракетно-космической техники и в химической промышленности.As a result of the use of the invention, the manufacturability of the centrifugal impeller is significantly increased, since both the soldering process and the double machining (preliminary and final) of the parts are eliminated. The corrosion resistance of the wheel is also increased, since both its parts can be made of the same material, and pressing one part into another or using laser welding does not introduce any other materials into the assembly. These advantages allow us to recommend the claimed invention for use in the composition of thermal control systems of rocket and space technology products and in the chemical industry.

Литература:Literature:

1. В.В. Малюшенко, А.К. Михайлов, “Энергетические насосы: Справочное пособие”, М., “Энергоиздат”, 1981, стр.21, рис.1.15, а.1. V.V. Malyushenko, A.K. Mikhailov, “Energy Pumps: A Reference Guide”, M., “Energy Publishing House”, 1981, p. 21, fig. 1.15, a.

2. А.В. Бобков, «Центробежные насосы систем терморегулирования космических аппаратов», Владивосток, «Дальнаука», 2003, стр.186, последний абзац.2. A.V. Bobkov, “Centrifugal Pumps for Thermal Management Systems for Spacecraft”, Vladivostok, “Dalnauka”, 2003, p. 186, last paragraph.

Claims

A centrifugal impeller containing a single drive disk with a hub, a cover disk with a central inlet and at least three axisymmetrically arranged vanes located between the drive and the cover disk, characterized in that each blade is made up of two parts, the first part of each blade being made integral with the cover disk and placed inside the coaxial cover disk of the first rotation surface, and the second part of each blade is integral with the drive disk and placed outside of the second surface These rotations, covering the first surface of rotation, each of these surfaces is made two-stage, with steps with a large diameter of both surfaces adjacent their edges to the drive disk, and steps of smaller diameter adjacent their edges to the covering disk, steps of smaller diameter of both surfaces have the same nominal diameters , and the axial dimensions of the steps of smaller and larger diameters of the first surface of rotation are equal to the nominal axial dimensions of the steps of smaller and larger diameters of the second surface The rotation surfaces, respectively, while both disks are mounted with fixation of their mutual angular position.