RU2618372C2

RU2618372C2 - Centrifugal impeller

Info

Publication number: RU2618372C2
Application number: RU2015139310A
Authority: RU
Inventors: Николай Игоревич Белоусов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2017-05-03
Also published as: RU2015139310A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: centrifugal impeller comprises the drive disc (2) single with the hub (1), the covering disc (3) having an inlet opening (4) and axisymmetrically disposed blades (5) placed between the discs (2,3). Each blade (5) is made of two parts (6, 7). The outer surface of the disc (2) is made cylindrical in one piece with the outer surface of the second parts (7) of the blades (5). The disc (3) is provided with a cylindrical wall (9), the inner diameter thereof is equal to the disc (2) outer diameter. Axisymmetric closed slots (10), by the number of the blades (5), are made in the wall (9) . The first parts (6) of the blades (5) are formed by bridges (11) in the wall (9) between the slots (10). The wall (9) between its butt (12) and the slots (10) is connected to the disc (2) by pins (13).

EFFECT: increasing impeller safety and providing the monitoring reliability in its production.

3 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 единый со ступицей ведущий диск, покрывной диск с центральным входным отверстием и размещенные между ведущим и покрывным диском не менее трех осесимметрично расположенных лопаток (А.В. Бобков. Центробежные насосы систем терморегулирования космических аппаратов, Владивосток: Дальнаука, 2003, стр. 186, последний абзац.). Покрывной диск припаивается по торцевой поверхности лопаток.A centrifugal impeller is known that contains a drive disk that is common with the hub, a cover disk with a central inlet, and at least three axisymmetrically arranged vanes located between the drive and cover disk (A. Bobkov. Centrifugal pumps for spacecraft thermal control systems, 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 such a centrifugal impeller is its low manufacturability: it is necessary to prefabricate 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 after that - the final mechanical impeller treatment 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 - when soldering, copper faces are applied to the end walls of aluminum blades, so such impellers cannot work in corrosive environments.

Этих недостатков лишено центробежное рабочее колесо, содержащее единый со ступицей ведущий диск, зафиксированный относительно него покрывной диск с центральным входным отверстием и размещенные между ведущим и покрывным диском не менее трех осесимметрично расположенных составных из двух частей лопаток, первые части которых расположены на покрывном диске, а вторые части расположены на ведущем диске, при этом первые части лопаток контактируют со вторыми частями лопаток по соосной дискам двухступенчатой поверхности вращения, выбранное в качестве прототипа (Патент РФ №2533605, МПК: F04D 29/22, 2014 г.).These drawbacks are deprived of a centrifugal impeller containing a single drive disk with a hub, a cover disk fixed to it with a central inlet, and at least three axisymmetrically arranged two-part blades arranged between the drive and cover disk, the first parts of which are located on the cover disk, and the second parts are located on the drive disk, while the first parts of the blades are in contact with the second parts of the blades along the coaxial disks of the two-stage surface of revolution, selected As a prototype (RF Patent №2533605, IPC: F04D 29/22, 2014).

Недостатком такого центробежного рабочего колеса является его низкая надежность, связанная с тем, что центрирование двух частей колеса осуществляется по участкам цилиндрических поверхностей частей лопаток, имеющих малую ширину, что вызывает значительные напряжения сжатия на этих поверхностях и возможность их пластической деформации. Также малую площадь имеют торцовые поверхности частей лопаток, обеспечивающие осевую фиксацию двух частей центробежного рабочего колеса. В процессе вибрационных и ударных нагрузок, характерных для изделий ракетно-космической техники на участке выведения на орбиту, возможно пластическое деформирование контактирующих участков лопаток, ослабление фиксации частей рабочего колеса (в случае, если фиксация осуществляется прессовой посадкой) и его разрушение.The disadvantage of such a centrifugal impeller is its low reliability, due to the fact that the centering of the two parts of the wheel is carried out on sections of the cylindrical surfaces of the parts of the blades having a small width, which causes significant compression stresses on these surfaces and the possibility of their plastic deformation. Also small are the end surfaces of the parts of the blades, which provide axial fixation of the two parts of the centrifugal impeller. In the process of vibration and shock loads characteristic of rocket and space technology products in the orbital site, plastic deformation of the contacting parts of the blades is possible, the fixation of parts of the impeller is weakened (if fixation is carried out by press landing) and its destruction.

Лазерная сварка, которой могут быть соединены части рабочего колеса, также весьма ненадежна, как правило, она используется в качестве стопорения, а не самостоятельной передачи усилий и моментов. Качество лазерной сварки на конкретном рабочем колесе невозможно проверить методами неразрушающего контроля, и при незамеченном, например, нарушении режима сварки установленное в изделие рабочее колесо может разрушиться в процессе эксплуатации.Laser welding, which can be connected to the parts of the impeller, is also very unreliable, as a rule, it is used as a stop, and not an independent transmission of forces and moments. The quality of laser welding on a specific impeller cannot be verified by non-destructive testing methods, and if the welding mode is not noticed, for example, the impeller installed in the product can be destroyed during operation.

Низкая надежность колеса-прототипа также объясняется трудностью контроля геометрических размеров частей колеса, а именно диаметров и ширин двухступенчатой поверхности вращения вследствие малости измеряемых участков поверхностей. Действительно, если порядок обработки дисков с частями лопаток будет первоначально токарная обработка, после которой можно измерить диаметры и ширины ступеней, то при последующей фрезерной обработке лопаток возможно коробление деталей от сил резания и искажение верных токарных размеров. В случае же первоначального фрезерования лопаток и последующей токарной обработки, будут отсутствовать целые поверхности вращения, которые могут быть надежно проконтролированы калибрами или другими средствами. Измерение же диаметров и ширин по краям лопаток крайне недостоверны. Все вышеописанные факторы приводят к низкой надежности такого центробежного рабочего колеса.The low reliability of the prototype wheel is also explained by the difficulty of controlling the geometric dimensions of the parts of the wheel, namely the diameters and widths of the two-stage surface of rotation due to the smallness of the measured surface sections. Indeed, if the processing order of the disks with parts of the blades will be initially turning, after which the diameters and widths of the steps can be measured, then with subsequent milling of the blades, warping of parts from cutting forces and distortion of the correct turning dimensions are possible. In the case of the initial milling of the blades and subsequent turning, there will be no entire surface of revolution, which can be reliably controlled by calibers or other means. The measurement of diameters and widths along the edges of the blades is extremely unreliable. All of the above factors lead to low reliability of such a centrifugal impeller.

Задачей, решаемой заявленным устройством, является повышение надежности центробежного рабочего колеса и обеспечение достоверности его контроля в производстве.The problem solved by the claimed device is to increase the reliability of a centrifugal impeller and ensure the reliability of its control in production.

Технический результат достигается за счет того, что в известном центробежном рабочем колесе, содержащем единый со ступицей ведущий диск, зафиксированный относительно него покрывной диск с центральным входным отверстием и размещенные между ведущим и покрывным диском не менее трех осесимметрично расположенных составных из двух частей лопаток, первые части которых расположены на покрывном диске, а вторые части расположены на ведущем диске и контактируют с внутренней поверхностью покрывного диска, при этом первые части лопаток контактируют со вторыми частями лопаток по соосной дискам поверхности вращения, согласно изобретению наружная поверхность ведущего диска выполнена цилиндрической за одно целое с наружной поверхностью вторых частей лопаток, покрывной диск со стороны, обращенной к ведущему диску, снабжен цилиндрической стенкой, внутренний диаметр которой равен наружному диаметру ведущего диска, и на цилиндрической стенке выполнены осесимметричные замкнутые прорези по числу лопаток, при этом первые части лопаток образованы перемычками в стенке между прорезями и цилиндрическая стенка покрывного диска на участке между своим торцем и прорезями соединена со стенкой ведущего диска штифтами.The technical result is achieved due to the fact that in the known centrifugal impeller containing a single drive disk with a hub, a cover disk fixed to it with a central inlet and placed between the drive and cover disk of at least three axially symmetrically arranged two-piece blades, the first parts which are located on the cover disk, and the second parts are located on the drive disk and are in contact with the inner surface of the cover disk, while the first parts of the blades are contacted comfort with the second parts of the blades along the coaxial disks of the surface of rotation, according to the invention, the outer surface of the leading disk is made cylindrical in one piece with the outer surface of the second parts of the blades, the covering disk from the side facing the leading disk is provided with a cylindrical wall whose inner diameter is equal to the outer diameter of the leading disk, and axisymmetric closed slots are made on the cylindrical wall according to the number of blades, while the first parts of the blades are formed by jumpers in the wall between the slots cylindrical wall disc coating in the section between its end face and a slotted disk coupled with the lead pins wall.

На фиг. 1 приведен пример конкретного выполнения центробежного рабочего колеса, вид со стороны покрывного диска, на фиг. 2 - то же, продольный разрез, на фиг. 3 - то же, общий вид центробежного рабочего колеса.In FIG. 1 shows an example of a specific embodiment of a centrifugal impeller, a view from the side of the cover disk, in FIG. 2 is the same, longitudinal section, in FIG. 3 is the same general view of a centrifugal impeller.

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 и контактирует с внутренней поверхностью покрывного диска. Первые части 6 лопаток 5 контактируют со вторыми частями 7 лопаток 5 по соосной дискам 2 и 3 поверхности вращения 8, а именно - по наружной поверхности ведущего диска 2, которая выполнена цилиндрической за одно целое с наружной поверхностью вторых частей 7 лопаток 5. Покрывной диск 3 со стороны, обращенной к ведущему диску 2, снабжен цилиндрической стенкой 9, внутренний диаметр которой равен наружному диаметру ведущего диска 2. На цилиндрической стенке 9 выполнены осесимметричные замкнутые прорези 10 по числу лопаток 5. Первые части 6 лопаток 5 образованы перемычками 11 в цилиндрической стенке 9 между прорезями 10, т.е. прорези 10 выполнены так, что сечение перемычек 11 выполнено по расчетному профилю лопаток 5 - это легко достижимо при электроэрозионной обработке прорезей 10 электродом соответствующего профиля.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 cover disk 3, and the second part 7 of each blade is made integral with the drive disk 2 and is in contact with the inner surface of the cover disk. The first parts 6 of the blades 5 are in contact with the second parts 7 of the blades 5 along the coaxial disks 2 and 3 of the surface of rotation 8, namely, on the outer surface of the drive disk 2, which is cylindrical in one piece with the outer surface of the second parts 7 of the blades 5. Covering disk 3 from the side facing the drive disk 2, it is provided with a cylindrical wall 9, the inner diameter of which is equal to the outer diameter of the drive disk 2. Axially symmetric closed slots 10 are made on the cylindrical wall 9 according to the number of blades 5. The first parts 6 of the blades 5 are formed vans with bridges 11 in the cylindrical wall 9 between the slots 10, i.e. the slots 10 are made so that the cross-section of the jumpers 11 is made according to the calculated profile of the blades 5 - this is easily achievable with the EDM processing of the slots 10 with an electrode of the corresponding profile.

Цилиндрическая стенка 9 покрывного диска 3 на участке между своим торцем 12 и прорезями 11 соединена со стенкой ведущего диска 2 штифтами 13. В данном случае штифты 13 установлены радиально, однако можно их устанавливать и в любом другом направлении, главное, чтобы их оси были перпендикулярны оси центробежного рабочего колеса или пересекались с ней, поскольку при описанной ориентации штифты обеспечивают фиксацию дисков как в осевом, так и угловом направлении, а в случае установки штифтов аксиально (при этом оси штифтов параллельны оси колеса) фиксация дисков в осевом направлении не обеспечивается. Изложенное ограничение вытекает из обычных методов конструирования.The cylindrical wall 9 of the cover disk 3 in the area between its end face 12 and the slots 11 is connected to the wall of the drive disk 2 by pins 13. In this case, the pins 13 are mounted radially, but they can be installed in any other direction, the main thing is that their axes are perpendicular to the axis centrifugal impeller or intersected with it, because with the described orientation, the pins fix the discs in both axial and angular directions, and in the case of installing the pins axially (the axis of the pins are parallel to the axis of the wheel) ksatsiya disk is not provided in the axial direction. The above limitation follows from conventional construction methods.

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 через прорези 10, которые являются продолжением межлопаточного пространства, начинающегося между дисками и вторыми частями 7 лопаток 5, под действием центробежных сил инерции и создание рабочим колесом напора. Высота прорезей 10 выбирается равной высоте вторых частей 7 лопаток 5, измеренной на их наружном диаметре, чтобы избежать внезапного изменения сечения потока перекачиваемой жидкости и, соответственно, гидравлических потерь. Но это вытекает из методов обычного проектирования центробежных рабочих колес. При этом передача вращающего момента покрывному диску 3 от ведущего диска 2 осуществляется штифтами 13. Ими же осуществляется и осевая фиксация покрывного диска 3 к ведущему 2, препятствующая разъединению этих дисков.The centrifugal impeller works 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 through the slots 10, which are an extension of the interscapular space starting between the disks and the second parts 7 of the blades 5, under the action of centrifugal inertia forces and the creation of a pressure impeller. The height of the slots 10 is chosen equal to the height of the second parts 7 of the blades 5, measured on their outer diameter, in order to avoid a sudden change in the cross section of the flow of the pumped liquid and, accordingly, hydraulic losses. But this stems from the conventional centrifugal impeller design methods. In this case, the transmission of torque to the cover disk 3 from the drive disk 2 is carried out by pins 13. They also carry out the axial fixation of the cover disk 3 to the drive 2, which prevents the separation of these disks.

Контакт вторых частей 7 лопаток 5 с внутренней поверхностью покрывного диска 3 обеспечивается выполнением отверстий под штифты 13 в положении, когда вторые части 7 поджаты к внутренней поверхности покрывного диска 3 технологическим приспособлением (не показано). Отсутствие же радиального люфта между дисками обеспечивается тем, что внутренний диаметр цилиндрической стенки 9 равен наружному диаметру ведущего диска 2.The contact of the second parts 7 of the blades 5 with the inner surface of the cover disk 3 is provided by making holes for the pins 13 in the position when the second parts 7 are pressed against the inner surface of the cover disk 3 by a technological device (not shown). The absence of radial play between the disks is ensured by the fact that the inner diameter of the cylindrical wall 9 is equal to the outer diameter of the drive disk 2.

В предлагаемом изобретении важно, что количество лопаток не менее 3 - что важно и для прототипа - 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. Число штифтов может быть любым, большим или равным 2, за счет того, что базирующими поверхностями являются цилиндрические поверхности, при установке двух оппозитных штифтов полностью обеспечивается отсутствие возможных смещений покрывного диска в угловом направлении относительно оси этих штифтов - смещению покрывного диска препятствует упор его внутренней поверхности во вторые части лопаток, которых не менее 3. Поэтому заявляются штифты, т.е. 2 или более.In the present invention, it is important that the number of blades is at least 3 - which is important for 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 basing is achieved only in one direction, and with 3 or more - in all. The number of pins can be any greater or equal to 2, due to the fact that the base surfaces are cylindrical surfaces, when two opposite pins are installed, the absence of possible displacements of the cover disc in the angular direction relative to the axis of these pins is completely ensured - the stop of the cover disc is prevented by the stop of its inner surface in the second parts of the blades, which are at least 3. Therefore, pins are declared, i.e. 2 or more.

В результате использования изобретения существенно повышается надежность центробежного рабочего колеса, так как базирование покрывного диска на ведущем обеспечивается по полной цилиндрической поверхности цилиндрической стенки, что повышает точность базирования - в прототипе базирование было по узкой площади участков по числу лопаток - и существенно снижает контактные напряжения на этой поверхности. Установка штифтов позволяет также разгрузить детали от контактных напряжений, поскольку число и диаметр штифтов не ограничены узкой поверхностью, они размещены на полной цилиндрической поверхности цилиндрической стенки на участке между ее торцем 12 и прорезями 10, и прочность штифтового соединения несравненно выше прочности точек лазерной сварки. Также достигается обеспечение достоверности контроля центробежного рабочего колеса в производстве, т. к. базирующие поверхности частей колеса являются полными цилиндрами, что обеспечивает достоверное их измерение и контроль.As a result of the use of the invention, the reliability of the centrifugal impeller is significantly increased, since the base of the cover disk on the drive is provided along the full cylindrical surface of the cylindrical wall, which increases the accuracy of basing - in the prototype, the basing was based on the narrow area of the sections according to the number of blades - and significantly reduces contact stresses on this surface. The installation of the pins also allows you to unload the parts from contact stresses, since the number and diameter of the pins are not limited to a narrow surface, they are placed on the full cylindrical surface of the cylindrical wall in the area between its end 12 and the slots 10, and the strength of the pin joint is incomparably higher than the strength of the laser welding points. Also achieved is the reliability of control of the centrifugal impeller in production, because the base surfaces of the parts of the wheels are full cylinders, which ensures their reliable measurement and control.

Указанные преимущества позволяют рекомендовать заявленное изобретение к использованию в составе систем терморегулирования изделий ракетно-космической техники и в химической промышленности.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.

Claims

A centrifugal impeller containing a drive disk that is integral with the hub, a cover disk fixed to it with a central inlet and placed between the drive and cover disk of at least three axisymmetrically arranged two-part blades, the first parts of which are located on the cover disk, and the second parts are located on the drive disk and in contact with the inner surface of the cover disk, while the first parts of the blades are in contact with the second parts of the blades along the coaxial disks of the surface scheniya, characterized in that the outer drive plate surface is cylindrical is integrally formed with the outer surface of second portions of the blades, coating the disk with the side facing the drive disk is provided with a cylindrical wall having an inside diameter equal to the outer diameter of the drive disk, and a cylindrical wall formed axisymmetric closed slots according to the number of blades, while the first parts of the blades are formed by jumpers in the wall between the slots, and the cylindrical wall of the covering disk in the area between its end and slots connected to the wall of the drive disk by pins.