RU2205982C2

RU2205982C2 - Working member of centrifugal pump

Info

Publication number: RU2205982C2
Application number: RU2001112743A
Authority: RU
Inventors: А.С. Байбиков
Original assignee: Байбиков Александр Сергеевич
Priority date: 2001-05-14
Filing date: 2001-05-14
Publication date: 2003-06-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering: pumps. SUBSTANCE: proposed working member of centrifugal pump includes blades and limiting surfaces forming pump passage. Generating lines of blade limiting surfaces are made in form of conjugated section of logarithmic spirals. EFFECT: increased economy at increased pressure head and reduced overall dimensions of pump. 2 dwg

Description

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в конструкциях центробежных насосах. The invention relates to hydraulic engineering and can be used in the construction of centrifugal pumps.

Известны рабочие органы центробежных насосов, в частности рабочие колеса и направляющие аппараты с пространственно изогнутыми лопастями и граничными поверхностями, что обеспечивает снижение гидродинамических потерь (Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. - М.: Машиностроение, 1966, 98-100). Однако экономичность насосов с такими рабочими органами недостаточна из-за повышенных потерь на гидродинамическое трение и отрыв пограничного слоя на поверхностях проточной части. Потери в пограничных слоях существенно возрастают при резком или немонотонном изменении кривизны обтекаемых поверхностей (Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Наука, 1974, 565-567. Ellis L. B. Joubert P.N. Turbulent shear now in a curved duct. Journal Fluid Mechanic, 1974, v.62, 65-84) Вместе с тем, в рассмотренных рабочих органах изменение кривизны поверхностей не контролируется. Known working bodies of centrifugal pumps, in particular impellers and guiding apparatus with spatially curved blades and boundary surfaces, which reduces hydrodynamic losses (Lomakin A.A. Centrifugal and axial pumps. - M .: Mashinostroenie, 1966, 98-100). However, the efficiency of pumps with such working bodies is insufficient due to increased losses on hydrodynamic friction and separation of the boundary layer on the surfaces of the flow part. Losses in the boundary layers increase significantly with a sharp or non-monotonic change in the curvature of the streamlined surfaces (Schlichting G. Theory of the boundary layer. - M .: Nauka, 1974, 565-567. Ellis LB Joubert PN Turbulent shear now in a curved duct. Journal Fluid Mechanic, 1974, v.62, 65-84) However, in the considered working bodies, the change in the curvature of the surfaces is not controlled.

Известны также колеса с рабочими лопастями, образующие поверхностей (профили) которых представляют собой единую логарифмическую спираль (Руднев С. С. Основы теории лопастных решеток. - М.: МВТУ им. Баумана, 1961, 62-65). Логарифмическая спираль обладает рядом удивительно уникальных свойств (Савелов А.А. Плоские кривые. - М.: Физматгиз, 1969, 209-211). В частности, радиус кривизны в любой точке спирали монотонно изменяется пропорционально длине дуги кривой, отсчитываемой от полюса. Центробежные насосы с такими рабочими колесами показали высокую экономичность. Wheels with working blades are also known, the surfaces forming (profiles) of which represent a single logarithmic spiral (S. Rudnev. Fundamentals of the theory of blade grids. - M.: Bauman Moscow State Technical University, 1961, 62-65). The logarithmic spiral has a number of surprisingly unique properties (Savelov A.A. Flat curves. - M .: Fizmatgiz, 1969, 209-211). In particular, the radius of curvature at any point in the spiral monotonically changes in proportion to the length of the arc of the curve, measured from the pole. Centrifugal pumps with such impellers have shown high efficiency.

Данная форма обтекаемых поверхностей с такими образующими является наиболее близкой к решаемой задаче и достигаемому техническому результату. Однако во всех точках единой логарифмической спирали угол между касательной и окружным направлением постоянен и не может быть (применительно к лопастям) достаточно большим вследствие необходимости соблюдения безударного натекания потока на входе лопасти. Вследствие этого малого угла на выходе лопасти получаются длинными, с большой площадью обтекаемых поверхностей, а колесо является низконапорным или большого диаметра. Указанное несовершенство приводит к низкой напорности всего насоса, увеличенным габаритам и массе. Поэтому в современных насосах такие лопасти практически не применяются. This form of streamlined surfaces with such generators is the closest to the problem being solved and the technical result achieved. However, at all points of a single logarithmic spiral, the angle between the tangent and the circumferential direction is constant and cannot be (with respect to the blades) sufficiently large due to the need to comply with the shock-free flow flow at the inlet of the blade. Due to this small angle at the exit, the blades are long, with a large area of streamlined surfaces, and the wheel is low-pressure or large in diameter. The specified imperfection leads to low pressure of the entire pump, increased dimensions and weight. Therefore, in modern pumps such blades are practically not used.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемая конструкция, является повышение экономичности при увеличении напорности и уменьшении габаритов насоса. The task to which the proposed design is aimed is to increase efficiency while increasing pressure and reducing the dimensions of the pump.

Этот технический результат достигается тем, что образующие ограничивающих поверхностей и лопастей полностью или частично выполняются в форме сопряженных отрезков логарифмических спиралей. При этом минимизируются потери в пограничных слоях и вихревых зонах вследствие монотонности изменения кривизны логарифмических спиралей и вместе с тем, угол выхода лопастей может быть достаточно большим, так как исключаются жесткое ограничение на углы между касательными к лопастям и окружным направлением. Кроме того, ввиду уменьшения вихревых зон, возникающих при отрыве потока, снижается количество повторных взаимодействий твердых частиц в жидкости с поверхностями проточной части, уменьшается износ их и увеличивается ресурс насосного агрегата. This technical result is achieved in that the generators of the limiting surfaces and blades are fully or partially performed in the form of conjugate segments of logarithmic spirals. At the same time, losses in the boundary layers and vortex zones are minimized due to the monotonicity of the change in the curvature of the logarithmic spirals and, at the same time, the angle of exit of the blades can be quite large, since a strict restriction on the angles between the tangents to the blades and the circumferential direction is eliminated. In addition, due to the reduction of the vortex zones that occur when the flow is separated, the number of repeated interactions of solid particles in the liquid with the surfaces of the flow part decreases, their wear decreases, and the life of the pump unit increases.

Данное решение иллюстрируется двумя чертежами. На фиг.1 показан меридиональный разрез насоса, на фиг.2 - поперечный разрез по лопастям рабочих органов колеса и направляющего аппарата. This solution is illustrated by two drawings. Figure 1 shows the meridional section of the pump, figure 2 is a cross section along the blades of the working bodies of the wheel and the guide apparatus.

Насос включает центробежное колесо, состоящее из ведущего 1 и покрывного 2 дисков и рабочих лопастей 3 между ними, и статорные части, включающие направляющие лопасти 4. Образующие граничных поверхностей проточной части рабочих органов состоят из сопряженных отрезков логарифмических спиралей. Так, образующие поверхностей рабочих лопастей состоят из отрезков спиралей 5 и 6 с точкой сопряжения 7, а образующая осесимметричной поверхности покрывного диска состоит из сопряженных отрезков логарифмических спиралей 8 и 9 с точкой сопряжения 10. Проточная часть поверхностей корпусных деталей насоса направляющих лопастей также ограничена поверхностями с образующими в форме сопряженных отрезков логарифмических спиралей 11 и 12 с точкой сопряжения 13. The pump includes a centrifugal wheel, consisting of a drive 1 and a cover 2 disks and working blades 3 between them, and stator parts, including guide vanes 4. The generators of the boundary surfaces of the flowing part of the working bodies consist of mating segments of logarithmic spirals. Thus, the generatrices of the surfaces of the working blades consist of segments of spirals 5 and 6 with the mating point 7, and the generatrix of the axisymmetric surface of the cover disk consists of the mating segments of logarithmic spirals 8 and 9 with the mating point 10. The flow part of the surfaces of the casing parts of the pump of the guide vanes is also limited by surfaces with generators in the form of conjugated segments of logarithmic spirals 11 and 12 with a conjugation point 13.

При вращении колеса центробежного насоса жидкость обтекает рабочие лопасти 3. Монотонное изменение кривизны поверхностей рабочих лопастей с образующими в форме сопряженных отрезков логарифмических спиралей обеспечивают обтекание с минимально возможными отрывными зонами и минимумом потерь. Минимальные потери в проточной части рабочего колеса также обеспечиваются осесимметричными граничными поверхностями с образующими из сопряженных отрезков логарифмических спиралей. В неподвижных каналах проточной части, ограниченных поверхностями с образующими из сопряженных отрезков логарифмических спиралей направляющих лопастей 4 и боковыми стенками, поток разворачивается и тормозится с минимальными потерями по тем же причинам, что и в рабочем колесе. When the centrifugal pump wheel rotates, the fluid flows around the working blades 3. A monotonic change in the curvature of the surfaces of the working blades with the logarithmic spirals forming in the form of conjugate segments ensures a flow around with the smallest possible separation zones and minimum losses. Minimum losses in the flowing part of the impeller are also provided by axisymmetric boundary surfaces with the formation of logarithmic spirals from mating segments. In the fixed channels of the flowing part, limited by surfaces with generators of the guide blades 4 forming from the conjugate segments of the logarithmic spirals and the side walls, the flow unfolds and brakes with minimal losses for the same reasons as in the impeller.

Для построения поверхностей с образующими из сопряженных отрезков логарифмических спиралей разработана специальная компьютерная программа. Программа успешно использовалась при конструировании тел с минимальным гидравлическим сопротивлением. A special computer program has been developed to build surfaces with generators of conjugate segments of logarithmic spirals. The program was successfully used in the design of bodies with minimal hydraulic resistance.

Благодаря уменьшению потерь и вместе с тем возможности выполнения лопастей на входе с необходимыми для безударного входа потока малыми углами, а на выходе лопастей с большими углами, обеспечивающими повышение напора насоса, достигается повышение экономичности насосного агрегата при снижении габаритов и массы его. Одновременно снижается потребление энергии. Кроме того, ввиду уменьшения вихревых зон, возникающих при отрыве потока, снижается количество повторных взаимодействий твердых частиц в жидкости с поверхностями проточной части, а следовательно, уменьшается износ их и увеличивается ресурс насосного агрегата, в особенности при перекачивании загрязненных жидкостей и пульп. Due to the reduction of losses and, at the same time, the possibility of making vanes at the inlet with small angles necessary for an unstressed flow inlet, and at the outlet of the vanes with large angles that increase the pressure of the pump, an increase in the efficiency of the pump unit is achieved with a decrease in size and weight. At the same time, energy consumption is reduced. In addition, due to the reduction of the vortex zones arising from the separation of the flow, the number of repeated interactions of solid particles in the liquid with the surfaces of the flow part is reduced, and therefore, their wear is reduced and the life of the pumping unit increases, especially when pumping contaminated liquids and pulps.

Наиболее эффективно использование предложенного решения в погружных и скважинных насосах, где габариты в сочетании с требованиями минимальной затрачиваемой насосом мощности имеют решающее значение для потребителя. The most effective use of the proposed solution in submersible and borehole pumps, where the dimensions in combination with the requirements of the minimum power spent by the pump are crucial for the consumer.

Claims

The working body of the centrifugal pump, including the blades and the bounding surface forming the flow part, characterized in that the generatrix of the limiting surfaces of the blades are made in the form of mated segments of logarithmic spirals.