Устройство и принцип работы центробежных насосов. Колесо рабочее центробежного насоса и ее роль в конструкции

Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью, заключается в возможности получения цельнолитого, прочного рабочего колеса с межлопаточным пространством полностью соответствующим теоретической геометрии и с точностью до 50 мкм.

Область техники

Полезная модель относится к области насосостроения, конкретно к отрасли производства центробежных насосов, а именно к конструкциям их рабочих колес из различных термопластичных материалов.

Уровень техники

В России наиболее активно разработкой конструктивных элементов и узлов центробежных насосов, в частности рабочих колес, занимаются следующие организации: ОАО «Научно-исследовательский и конструкторский институт центробежных и роторных компрессоров», Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральное конструкторское бюро машиностроения», ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н.М.Федоровского», ОАО «Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов», ЗАО Уралэлектро-К», ОАО «Ливенский завод погружных насосов», ОАО «Бугульминский электронасосный завод», ООО «Научно-производственная фирма «АЛВИС», ООО «Завод полимеров КЧХК», ООО «Борец», ООО «Курс» и др.

Среди ведущих стран мира наиболее широкие исследования и разработки конструктивных элементов и узлов центробежных насосов, в частности рабочих колес, проводятся в Японии, ФРГ, США.

Известны отечественные и зарубежные изобретения и полезные модели, относящиеся к разработкам и производству рабочих колес центробежных насосов и являющиеся аналогами предлагаемой полезной модели.

Предложено центробежное реактивное рабочее колесо по патенту РФ на изобретение 2132973 С1, МПК F04D 29/22, F03В 3/12, 1999 г. /1/, которое может быть использовано в устройствах необъемного вытеснения, в частности в центробежных насосах для перекачивания жидкости и в турбинных установках. Колесо содержит два диска, между которыми жестко закреплен кольцевой поясок с выполненными в нем закрытыми отводными каналами. Колесо установлено на валу и имеет в центральной части отверстие для входа рабочего тела. Внутренней поверхностью пояска образована полость. Отводные каналы расположены по осевой составляющей, перпендикулярной радиусу колеса, и ориентированы выходами в направлении, противоположном направлению вращения колеса. Наиболее удаленная от центра колеса образующая канала расположена по касательной к внутренней окружности кольцевого пояска, имеющего высоту, равную диаметру отводного канала, и ширину - двум диаметрам отводного канала, а радиус свободной полости колеса выполнен равным не менее двух диаметров входного отверстия для рабочего тела. Использование данного изобретения позволяет снизить механические потери на трение и повысить КПД колеса.

Известно рабочее колесо центробежного насоса по патенту РФ на изобретение 21422068 С1, МПК F04D 29/22, 29/28, 1999 г. /2/, содержащее ведущий, ведомый и лопаточный диски, образующие многорядные радиальные каналы. В каналах размещены лопатки, смещенные в окружном направлении. Стенки боковых каналов ближе к периферии выполнены конусными. Стенки, обращенные в противоположные стороны от плоскости симметрии колеса, выполнены пересекающимися между собой в его плоскости симметрии по окружности. Длина указанной окружности равна длине дуги всех каналов плюс толщина стенок между смежными каналами. На периферийном участке колеса выполнены периферийные радиальные каналы, размещенные в один ряд и сообщенные с радиальными каналами всех рядов через кольцевое пространство. Указанное пространство может быть разделено на секторы. Использование рабочего колеса данной конструкции повышает КПД и снижает пусковой момент за счет снижения вихревых потоков в колесе.

Предложено рабочее колесо центробежного насоса по патенту РФ на изобретение 2154197 С2, МПК F04D 29/22, 2000 г. /3/, содержащее диски и пространственные рабочие лопасти, жестко соединенные между собой с помощью хвостовиков лопастей, входящих в тело дисков. Поверхности пространственных рабочих лопастей и хвостовиков выполнены в виде линейчатых поверхностей, образованных скрещивающимися и пересекающимися вне лопастей прямыми, а хвостовики выполнены в форме ласточкина хвоста. Эти хвостовики заливаются горячим расплавом, образующим диски при отливке рабочих колес, образуя соединение, обеспечивающее неразборность даже при местных повреждениях колеса. Предпочтительно, чтобы температура плавления материала лопастей была выше температуры плавления материала дисков рабочего колеса. Использование изобретения позволяет повысить надежность и экономичность насоса за счет снижения гидродинамических потерь.

Известно радиальное рабочее колесо центробежного насоса по европейскому патенту ЕР 978658 А1, МПК F04D 29/22, 2000 г. /4/ с проточным каналом между осевой зоной входа потока и радиальной зоной его выхода. Проточный канал ограничен внутренней и наружной поверхностями лопатки и кольцевыми первой и второй поверхностями канала, проходящими поперечно к оси радиального рабочего колеса, направленными одна к другой и выполненными за одно целое с радиальным рабочим колесом. Для упрощения изготовления радиального рабочего колеса поверхности канала имеют различный диаметр. При этом минимальный диаметр первой поверхности канала соответствует максимальному диаметру второй поверхности канала. Первая поверхность канала расположена на стороне входной зоны радиального рабочего колеса.

Предложено рабочее колесо погружного центробежного насоса по патенту РФ на изобретение 2164626 С1, МПК F04D 29/22, 2001 г. /5/, состоящее из ведущего и покрывного дисков с расположенными между ними лопатками, образующими с дисками проточные каналы переменного сечения. Проточные каналы выполнены сужающимися от центра к периферии колеса и уменьшающимися по высоте. При этом профиль лопаток выполнен по эвольвенте, концы которых распрямлены под углом 35-42° к касательной окружности наружного диаметра колеса, сопряжение с плоскостями ведущего и покрывного дисков выполнено по радиусу с возрастающей величиной от центра к периферии лопаток от 1/20 до 1/2 высоты канала на участке, равном 0,3-0,4 длины лопаток, и равной 1/2 высоты канала на периферийном участке. Причем угол наклона внутреннего конца лопаток к плоскости ведущего диска равен 107-115°, а ведущий и покрывной диски снабжены импеллерами, установленными на наружных плоскостях ведущего и покрывного дисков. Импеллеры на наружной поверхности ведущего диска выполнены в виде прямых лопаток, а импеллеры на наружной поверхности покрывного диска выполнены в виде эвольвентных лопаток. Диаметр ведущего диска меньше диаметра покрывного на величину, равную 1,2-1,6 ширины проточных каналов на периферии дисков. Изобретение позволяет повысить КПД и напор насоса.

Известно рабочее колесо центробежного насоса по патенту ФРГ на изобретение DE 10006983 А1, МПК F04D 29/22, 2001 г. /6/, в частности применяемого в посудомоечных и стиральных машинах циркуляционного насоса. Рабочее колесо вращается с упором в корпусе, снабженном всасывающим и напорным патрубками, и выполненное с несколькими рабочими лопатками, а также с упорным кольцом контактного кольцевого уплотнения. Рабочие лопатки проходят радиально от ступицы колеса к его периферии и расположены на передней стороне перекрытия лопаток со стороны набегания потока и/или на задней стороне перекрытия лопаток со стороны корпуса. Рабочее колесо с перекрытиями рабочих лопаток выполнено полуоткрытым. При этом перекрытие лишь частично перекрывает лопатки с передней или задней стороны. Преимущественно рабочее колесо изготовлено в виде детали модельного литья за одно целое с керамическим кольцом замыкающей опоры.

Предложен узел рабочего колеса насоса по международному патенту WO 190582 А1, МПК F04D 29/22, 2001 г. /7/, содержащий рабочее колесо, имеющее пару дисков, отдельно соединяемых с ведущим валом для вращения относительно оси. Между дисками расположены вращающиеся совместно с ними лопатки рабочего колеса. Кроме того, узел имеет устройство, прилагающее к рабочему колесу осевое усилие, скрепляющее между собой диски и расположенные между ними лопатки.

Известно открытое рабочее колесо для центробежных насосов по европейскому патенту ЕР 1173678 А1, МПК F04D 29/22, 2002 г. /8/ с деталью ступицы, в которой выполнено центральное отверстие ступицы, и с первым лопаточным элементом, который со стороны ступицы соединен с деталью ступицы. Рабочее колесо имеет среднюю поперечную пластину, на которую опираются с обеих сторон первые лопаточные элементы.

Предложено рабочее колесо центробежного насоса с регулируемой шириной по патенту США на изобретение US 6419450 ВА, МПК F04D 29/22, 2002 г. /9/, обеспечивающее возможность выбора заданной ширины рабочего колеса из ряда располагаемых значений. Рабочее колесо содержит первый кожух, имеющий ряд рабочих лопаток, и второй кожух, в котором сформировано равное количество плоских поверхностей, и группы канавок. Каждая группа имеет равное количество углубленных канавок, в которые вставляются лопатки первого кожуха. При сборке колеса имеется возможность выбора между формированием проточных каналов, образованных наружными кромками лопаток, упирающихся в плоские поверхности, или ряда проточных каналов различной ширины, образованных введением лопаток в соответствующую группу канавок. После окончательной сборки, рабочее колесо имеет фиксированную ширину. Предложенная конструкция уменьшает количество прессформ, необходимых для изготовления рабочих колес различной ширины, а также уменьшает количество различных сборочных деталей рабочих колес.

Известно центробежное колесо по патенту РФ на изобретение 2213271 С2, МПК F04D 29/22, 13/10, 2003 г. /10/, состоящее из пластмассовых переднего и ведущего дисков. Поверхность уплотнения, наиболее подверженная износу, выполнена в виде штампованного кольца из нержавеющей стали, залитого в пластмассу переднего диска, и работает в паре с резиновой втулкой диафрагмы. Осевая разгрузка колеса выполнена в виде радиальных лопаток, расположенных на оборотной стороне ведущего диска. Изобретение направлено на повышение износостойкости и долговечности пластмассовых колес.

Предложено сварное рабочее колесо двустороннего всасывания центробежного насоса по патенту РФ на изобретение 2229628 С1, МПК F04D 29/22, 2004 г. /11/, содержащее ведущий и два покрывных диска и расположенные между ними лопатки. По наружным краям лопаток выполнены прямоугольные шипы, имеющие длину в 3-5 раз большую толщины лопаток, и расположенные на расстояниях, кратных 1-1,3 длины шипов. В покрывных дисках по линиям сопряжения с лопатками выполнены сквозные отверстия, в которых установлены шипы лопаток с образованием зазоров по ширине и длине. С наружной стороны покрывных дисков по контуру отверстий сняты фаски для сварных швов. Шипы лопаток выполнены с высотой, на 1-2 мм большей толщины стенок покрывных дисков, и установлены с образованием зазоров 0,1-0,15 мм. Фаски, снятые по контуру отверстий, равны 0,3-0,5 толщины лопаток. Изобретение направлено на создание недорогого и эффективного сварного колеса с надежной фиксацией дисков и лопаток между собой за счет повышения качества сварных швов.

Известно рабочее колесо погружного центробежного насоса по патенту РФ на изобретение 2234001 С1, МПК F04D 29/22, 13/10, 2004 г. /12/, содержащее основной и покрывной диски, между которыми размещен профильный диск, выполненный с чередующимися передними и задними выступающими поверхностями. Передние выступающие поверхности жестко соединены с покрывным диском, задние выступающие поверхности жестко соединены с основным диском, лопасти рабочего колеса образованы боковыми поверхностями профильного диска, а проточная часть образована выступающими поверхностями профильного диска и чередующимися секторами внутренних поверхностей основного и покрывного дисков. Профильный диск может быть выполнен методом штамповки, а жесткое соединение выступающих поверхностей профильного диска с основным и покрывным дисками может быть выполнено посредством сварки, пайки или склейки. Изобретение направлено на создание рабочего колеса погружного центробежного насоса, конструкция которого позволяет снизить трудоемкость за счет упрощения технологии изготовления, снизить металлоемкость и повысить КПД

Предложено сварное рабочее колесо центробежного насоса по патенту РФ на изобретение 2244169 С2, МПК F04D 29/22, 2005 г. /13/, содержащее ведущий и покрывной диски с расположенными между ними лопатками, по наружным краям которых выполнены шипы длиной в 3-5 раз большей толщины лопаток, расположенные на расстояниях между ними кратных 1-1,3 длины шипов. В покрывном и ведущем дисках выполнены сквозные отверстия, в которых установлены шипы лопаток с образованием зазоров по ширине и длине. С наружной стороны дисков по контуру отверстий сняты фаски для сварных швов. Шипы лопаток выполнены прямоугольными с высотой, на 1-2 мм большей толщины стенок дисков и установлены в отверстиях с образованием зазоров по ширине и длине 0,1-0,15 мм. Фаски, снятые по контуру отверстий дисков, равны 0,3-0,5 толщины лопаток. Шипы лопаток вместе с дисками в сборе обварены электродуговой сваркой, а входной участок лопаток выполнен со скосом по радиусам образующей конуса. Изобретение направлено на создание недорогого и эффективного колеса насоса и снятие ограничения по его максимальному диаметру.

Известно рабочее колесо центробежного насоса по патенту РФ на изобретение 2258158 С1, МПК F04D 29/22, 7/06, 2005 г. /14/, содержащее металлическую ступицу, защитное полимерное покрытие, из которого сформированы части рабочего колеса, соприкасающиеся с перекачиваемой жидкостью. Ступица снабжена соосным с ней металлическим кольцом, которое соединено со ступицей неразъемным соединением и имеет овальные отверстия, длинные оси которых расположены радиально и симметрично оси ступицы. Причем отношение площади кольца к суммарной площади овальных отверстий от 3 до 5, отношение ширины овальных отверстий к толщине защитного покрытия от 1 до 3, отношение длины овальных отверстий к их ширине от 1 до 5, отношение наружного диаметра колеса к наружному диаметру кольца от 1,02 до 1,10. Полимерное покрытие выполнено из фторопласта. Изобретение направлено на повышение долговечности.

Предложено двухдисковое рабочее колесо лопастной гидравлической машины по патенту РФ на изобретение 2266434 С2, МПК F04D 29/22, 7/04, 2005 г. /15/, содержащее металлический каркас, состоящий из соединенных между собой ведущего диска, его ступицы, ведомого диска и соединительных элементов, установленных между торцевыми поверхностями дисков и формирующих профили нескольких лопастей, а также износостойкое покрытие каркаса. Диски выполнены в виде концентричных колец, соединенных между собой перемычками. Соединительные элементы, формирующие профиль каждой лопасти, соединены с упомянутыми кольцами дисков. Кольца, перемычки и соединительные элементы выполнены из арматурной стали одинакового сортамента и соединены между собой с помощью сварки. Для формирования единого каркаса внутреннее кольцо ведущего диска соединено перемычками со ступицей также посредством сварки. Изобретение направлено на снижение металлоемкости и массы рабочего колеса машины.

Известно рабочее колесо водяного насоса по патенту Японии на изобретение JP 3668465 В2, МПК F04D 29/22, 2005 г. /16/, имеющее основное тело, сформированное из синтетического полимерного материала, и лопатки, расположенные вокруг центрального вращающегося участка. Имеется также металлическая втулка, в которую с передней стороны вращающегося центрального участка установлен цилиндрический элемент, имеющий на осевом конце плавно сужающийся участок. С задней стороны вращающегося центрального участка установлен околоосевой опорный элемент. Между цилиндрическим элементом и околоосевым опорным элементом сформирована опорная поверхность. Металлическая втулка вставлена в центральный вращающийся элемент.

Проведенный анализ отечественной и зарубежной патентной информации по конструкциям рабочих колес центробежных насосов показал, что рабочие колеса выполнены из различных конструктивных элементов с использованием различных сварочных, штамповочных, прессовых, литейных и других форм. При этом рабочие колеса по точность конструктивных элементов и прочность их соединения, в частности основного (лопастного) и покрывного дисков, можно разделить на два типа в зависимости от технологии их производства.

Первый тип: отливают два диска - основной и покрывной, а затем эти два диска либо сваривают, либо спаивают, либо склеивают. Однако, очень сложно при сварке, пайке или склеивании сохранить геометрию проточных каналов, да и прочность соединения дисков значительно ниже прочности материалов дисков. Кроме того, при этом невозможно получить лопатки рабочего колеса с пространственной геометрией.

Второй тип: рабочее колесо отливают целиком, а пространство между лопаток формируют путем обработки или за счет специальных вставок. Недостатки второго типа: или невозможность получить форму канала, точно соответствующую теоретической геометрии, или, так как вставки состоят из множества разъемных деталей, сложность процесса изготовления рабочих колес и, соответственно, его нетехнологичность.

Таким образом, известные в настоящее время конструкции рабочих колес центробежных насосов и технологии их производства имеют существенные недостатки: невозможность точного копирования в прессовой или литейной форме теоретической геометрии проточных каналов и/или низкая надежность соединения покрывного и лопастного дисков, а также недостаточная технологичность производственного процесса.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение вышеперечисленных недостатков.

Предлагается рабочее колесо центробежного насоса, представляющее единую цельнолитую конструкцию из термопластичного материала, получаемую литьем по выплавляемым стержням, позволяющим с высокой точностью (до 50 мкм) повторить теоретическую геометрию проточных каналов и получить прочное рабочее колесо, без сваривания, пайки или склеивания его конструктивных элементов, а именно с прочностью эквивалентной прочности используемого термопластичного материала.

Из вышеприведенных конструкций рабочих колес центробежных насосов, являющихся аналогами заявляемой полезной модели, в качестве прототипа принято рабочее колесо по патенту РФ на изобретение 2213271 С2, МПК F04D 29/22, опубл. 27.09.2003 /10/, которому присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков предлагаемой полезной модели.

Раскрытие полезной модели

Предлагаемая полезная модель представляет собой единую цельнолитую конструкцию высокоточного и прочного рабочего колеса центробежного насоса из термопластичного материала.

Такая единая цельнолитая конструкция рабочего колеса выполнена путем применения литья по выплавляемым стержням, включающего три этапа.

На первом этапе: из легкоплавкого, но теплоемкого металла или сплава отливают стержни, по своей наружной геометрии полностью соответствующие внутреннему межлопаточному пространству рабочего колеса. Количество стержней определяется геометрией рабочего колеса. Температура плавления легкоплавкого материала должна быть немного ниже рабочей температуры термопластичного материала, а его теплоемкость должна быть такой, чтобы выдержать без потери формы и повреждения поверхностного слоя кратковременный нагрев до температуры переработки термопластичного материала.

На втором этапе: отлитые из легкоплавкого материала стержни, а также металлическую втулку для привода, вставляют в прессовую форму в качестве закладных элементов и рабочее колесо отливают на термопластавтомате или ином оборудовании по переработке термопластичных материалов.

На третьем этапе: отлитое рабочее колесо вместе со стержнями и втулкой нагревают до температуры плавления легкоплавкого материала, выплавляют стержни и получают цельнолитое рабочее колесо с внутренним межлопаточным пространством высокой точности, до 50 мкм, соответствующей точности изготовления литейных форм получения стержней.

Выплавленный легкоплавкий материал стержней можно в дальнейшем многократно использовать.

В предлагаемом рабочем колесе практически отсутствует дисбаланс, что является следствием его конструктивного решения и высокой точности изготовления. Кроме того, производство таких колес является высоко технологичным и экономичным, так как материал выплавляемых стержней используется многократно.

Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью - создание единой конструкции цельнолитого высокоточного и прочного рабочего колеса центробежного насоса из различных термопластичных материалов.

Краткое описание графических материалов, поясняющих сущность полезной модели

На фиг.1. представлено графическое изображение 1-го этапа получения рабочего колеса: отливка стержней из легкоплавкого материала.

На фиг.2. - графическое изображение 2-го этапа получения рабочего колеса: сборка стержней и металлической втулки в пресс-форму и получение отливки.

На фиг.3. - графическое изображение 3-го этапа получения рабочего колеса: выплавка стержней.

На фиг.4. изображена единая цельнолитая конструкция рабочего колеса центробежного насоса - предлагаемая полезная модель.

Графические материалы представлены на отдельных листах с отдельной нумерацией.

Осуществление полезной модели

Получение конструкции единого цельнолитого высокоточного и прочного рабочего колеса центробежного насоса из термопластичного материала осуществляют литьем по выплавляемым стержням, в частности следующим образом.

Из сплава олова с висмутом, известного как сплав Вуда, отливают стержни, по своей наружной геометрии полностью соответствующие внутреннему межлопаточному пространству рабочего колеса (фиг.1). Количество стержней определяется геометрией рабочего колеса. Температура плавления указанного сплава - 155°С. Однако, стержни, отлитые из него, можно кратковременно, в течение 10 секунд, нагреть до температуры 320°С без потери формы и повреждения поверхностного слоя.

Отлитые из этого сплава стержни, а также металлическую втулку для привода, вставляют в прессовую форму в качестве закладных элементов (фиг.2). Рабочее колесо отливают в прессовой форме на термопластавтомате обычным способом переработки термопластичных материалов.

Отлитое на термопластавтомате, рабочее колесо вынимают из прессовой формы. Стержни из сплава олово-висмут находятся внутри рабочего колеса, образуя межлопаточное пространство. Затем колесо вместе со стержнями и втулкой помещают в специальную ванну с высокотемпературным маслом. Масло нагревают до температуры 180°С, выплавляют стержни и получают цельнолитое рабочее колесо (фиг.3) с внутренним межлопаточным пространством высокой точности, до 50 мкм, соответствующей точности изготовления литейных форм. Выплавленный сплав олово-висмут можно в дальнейшем многократно использовать.

Технический результат заключается в возможности получения цельнолитой конструкции прочного рабочего колеса из термопластичного материала с межлопаточным пространством полностью соответствующим теоретической геометрии и с точностью до 50 мкм (фиг.4).

Пример реализации полезной модели

Практическим примером реализации предлагаемой полезной модели является изготовленное рабочее колесо из термопластичного материала «Полифениленсульфид» марки «Фортрон 1140L4», представленное на фиг.4.

Где: 1 - покрывной диск;

2 - пространственные лопатки;

3 - металлическая закладная втулка;

4 - основной (лопастной) диск.

Промышленная применимость

Предлагаемая полезная модель может найти широкое применение в насосостроении в качестве цельнолитых, высокоточных и прочных рабочих колес центробежных насосов из различных термопластичных материалов.

1. Рабочее колесо центробежного насоса, содержащее основной и покрывной диски из термопластичного материала и металлическую втулку для привода, отличающееся тем, что выполнено как единая цельнолитая конструкция с высокоточной геометрической формой конструктивных элементов и прочной связью между ними путем литья по выплавляемым стержням в три этапа:

на первом этапе: из легкоплавкого, но теплоемкого металла или сплава отливают стержни, по своей наружной геометрии полностью соответствующие внутреннему межлопаточному пространству рабочего колеса и количество которых определяется геометрией рабочего колеса; температура плавления легкоплавкого материала должна быть немного ниже рабочей температуры термопластичного материала, а его теплоемкость должна быть такой, чтобы выдержать без потери формы и повреждения поверхностного слоя кратковременный нагрев до температуры переработки термопластичного материала;

на втором этапе: отлитые из легкоплавкого материала стержни, а также металлическую втулку, вставляют в прессовую форму в качестве закладных элементов и рабочее колесо отливают на термопластавтомате или ином оборудовании по переработке термопластичных материалов;

на третьем этапе: отлитое рабочее колесо вместе со стержнями и втулкой нагревают до температуры плавления легкоплавкого материала, выплавляют стержни и получают цельнолитое рабочее колесо с внутренним межлопаточным пространством высокой точности, до 50 мкм, соответствующей точности изготовления литейных форм получения стержней.

Сливной насос монтируется в стиральную машину и применяется для слива и закачки воды в процессе осуществления цикла стирки. Является наиболее слабым звеном стиральной машины, поэтому периодически требует ремонта. Возможна покупка и монтаж нового насоса по невысокой цене.

Виды рабочих колёс центробежных насосов

Существует много задач по перекачиванию различных жидкостей, например: чистая вода, дренажные сточные воды, фекальные воды, воды с большим содержанием примесей небольшого размера (1-3 мм), шламовые воды с большим содержанием крупных частиц (до 20-30 мм), воды с содержанием длинноволокнистых включений, жидкости с большим содержанием абразива, различные нефтепродукты, химически активные жидкости.И для решения каждой задачи существует своё оптимальное решение, а именно рабочее колесо определенного вида, позволяющее работать насосу с максимальным КПД. По форм-фактору центробежные рабочие колёса делятся на 2 группы: рабочие колёса открытого типа и рабочие колёса закрытого типа. И каждые, в свою очередь, могут иметь различное количество лопастей. Рабочие колёса закрытого типа в погружных насосах
В погружных дренажных и фекальных насосах колёса закрытого типа отличаются от аналогичных колес в центробежных горизонтальных поверхностных насосах для чистых жидкостей.В погружных насосах используются колёса закрытого типа с большим свободным проходом, чтобы колесо не забивалось крупными частицами (например, фекальными массами и т.п.). В консольных наружных насосах для чистых жидкостей используются закрытые колёса с небольшим свободным проходом, т.к. они обладают максимально возможным КПД и напором, что важно например для водоснабжения.

Рабочее колесо центробежного насоса является основной деталью устройства. Это элемент, который преобразует энергию вращения, в давление в корпусе, где перекачивается жидкость.
Какая роль рабочего колеса в центробежном насосе, как правильно его рассчитать и заменить в устройстве своими руками предлагает познакомиться эта статья.

Как работает центробежный насос

Внутри корпуса насоса, имеющего форму спирали, на валу жестко крепится рабочее колесо, состоящее из двух дисков:

Заднего.
Переднего.
Лопастей, между дисками.

От радиального направления лопасти отогнуты в противоположную от вращения колеса сторону. Корпус насоса, с помощью патрубков, соединяется с напорным и всасывающим трубопроводами.
При полном наполнении жидкостью корпуса насоса из всасывающего трубопровода, при вращении рабочего колеса от электродвигателя, жидкость, находящаяся между лопастями, в каналах рабочего колеса, от центра, под действием на нее центробежной силы, отбрасывается к периферии. В этом случае создается разрежение в центральной части колеса, а на периферии давление повышается.
При повышении давления жидкость начнет из насоса поступать в напорный трубопровод. Это вызовет образование разрежения внутри корпуса.
Под его действием жидкость начнет одновременно поступать из всасывающего трубопровода в насос. Так жидкость непрерывно подается в напорный трубопровод из всасывающего.
Центробежные насосы бывают:

Одноступенчатые, у который одно рабочее колесо.
Многоступенчатые, имеют несколько рабочих колес.

При этом принцип работы во всех случаях одинаков. Жидкость, под действием на нее центробежной силы, развивающейся за счет вращающегося рабочего колеса, начинает движение.

Как классифицируются центробежные насосы

Инструкция по классификации центробежных насосов включает:

Количество ступеней или рабочих колес:

одноступенчатые насосы;
многоступенчатые, с несколькими колесами.

Расположение оси колес в пространстве:

горизонтальное;
вертикальное.

Давление:

низкое давление, до 0,2 МПа;
среднее, от 0,2 до 0,6 МПа;
высокое, более 0,6 МПа.

Способ подвода жидкости к рабочему элементу:

с односторонним входом;
двухсторонним входом или двойным всасыванием;
закрытые;
полузакрытые.

Способ разъема корпуса:

горизонтальный;
вертикальный разъем.

Способ отвода жидкости из рабочей зоны в канал корпуса:

спиральный. Здесь жидкость сразу отводится в спиральный канал;
лопаточный. В этом случае жидкость проходит сначала через специальное устройство, которое называется направляющим аппаратом и представляет собой неподвижное колесо с лопатками.

Коэффициент быстроходности:

тихоходные насосы;
нормальные;
быстроходные.

Функциональное назначение:

для водопроводов;
канализации;
щелочные;
нефтяные;
терморегулирующие и многие другие.

Способ соединения с двигателем:

приводные, в системе имеются редуктор или шкив;
соединение с электродвигателем при помощи муфты.

КПД насоса.
Способ расположения насоса по отношению к поверхности воды:

поверхностные;
глубинные;
погружные.

Особенности рабочего колеса устройства

Совет: Своевременная замена изношенного рабочего колеса, увеличит срок эксплуатации центробежного насоса.

Рабочее колесо преобразует энергию вращения вала в давление, которое создается внутри корпуса устройства, где перекачивается жидкость. Гидродинамический расчет рабочего колеса центробежного насоса по заданным требованиям производится для определения размера проточной или внутренней и внешней части колеса, формы и количество лопаток.
Подробно как выполняется расчет элемента можно узнать на видео в этой статье.

Форма колеса и его конструктивные размеры обеспечивают элементу необходимую механическую прочность и технологичность изготовления:

Возможность получить качественную отливку.
Обеспечить дальнейшее соблюдение техпроцесса механической обработки.

При выборе материала к нему должны предъявляться такие требования:

Стойкость к действию коррозии.
Химическая стойкость к воздействию элементов прокачиваемой жидкости.
Стойкость к требуемому режиму работы устройства.
Длительный срок эксплуатации, согласно паспортным характеристикам.

Чаще всего для изготовления рабочего колеса берется чугун марок СЧ20 – СЧ40.
При работе с вредными химическими веществами и коррозионно-агрессивными средами, рабочее колесо и корпус центробежного насоса изготавливаются из нержавеющей стали. Для работы устройства в напряженных режимах, которые включают: длительный срок включения; жидкость для перекачивания содержит механические примеси; высокий напор, для изготовления колес берется хромистый чугун ИЧХ, как показано на фото.

Рис. 1. Схемы доработки рабочего колеса устройства
а) центробежного
б) осевого
При подрезке рабочих элементов центробежных насосов перемену параметров насоса приближенно можно рассчитать по уравнениям подобия:

где Q — номинальные подача;
H – напор;
N – мощность;
D 2 — наружный диаметр (до обрезки колеса);
Q’, H’, N’, D’ 2 те же обозначения, после обрезки.

На рис. 2 указаны рабочие размеры колеса после окончания его обточки. Как видно, после этого процесса существенно расширяется подача и напор для насосов этого типа.

На КПД практически не сказывается уменьшение диаметра от первоначального на 10…15 % для устройств с n s = 60…120. При более повышении n s снижение КПД будет существенным, что видно по рис. 3.

Как изменяются параметры при подрезке элемента для осевых насосов можно рассчитать по формулам:

где Q — номинальные подача;
H – напор;
D 2 — наружный диаметр элемента;
d — диаметр втулки (до обрезки колеса);
Q’, H’, D’ 2 — те же обозначения, после обрезки.

Подачу осевого насоса уменьшить можно и заменой рабочего колеса другим, с теми же лопатками и большим диаметром втулки. В этом случае напорная характеристика насоса пересчитывается по формулам: где d’ — больший диаметр втулки.
У центробежных насосов(см.) обрезку элемента можно выполнять по ширине (рис. 4).

Здесь напор сохраняется постоянной величиной, а подача пропорционально снижается с уменьшением ширины лопатки.
Предлагается еще вид доработки рабочего элемента насоса лишь по лопаткам. В этом случае выходная кромка детали стачивается по длине, что увеличивает выходную площадь каналов рабочего элемента по периферии (рис. 5).

Совет: При выполнении таких операций цена центробежного насоса будет значительно снижена, чем при покупке нового устройства.

Использование центробежных насосов в исправном состоянии увеличивает их срок эксплуатации, что значительно снижает затраты при перекачке жидкости.

Оборудование, с помощью которого накачивают воду, называется насосным, оно делится на несколько групп: объемные и динамические. В этой статье мы поговорим о динамических насосах, к которым относится центробежный агрегат, и что такое рабочее колесо центробежного насоса.

Центробежный насос: общее представление

Итак, что же такое ? Как уже говорилось раньше, это оборудование, с помощью которого накачивается вода.
Как работает конструкция:

Это происходит с помощью центробежной силы. Проще говоря, внутри насоса находится вода, которая с помощью лопастей и центробежной силы отбрасывается к стенкам корпуса.
После чего вода под действием давления начинает поступать к напорному и всасывающему трубопроводу.

Таким образом, вода непрерывно начинает качаться. Чтобы лучше понять, каким образом это происходит, необходимо разобраться из чего состоит насос.

Для чего используется насос

Каким образом происходит накачивание воды через насос в теории уже понятно, а вот какие его части помогают в этом деле - нет.
Поговорим о том, из каких частей он состоит:

Рабочее колесо центробежного насоса.
Насосный вал, также важная его часть.
Сальники.
Подшипники.
Корпус.
Насосный аппарат.
Уплотняющие кольца.

Примечание. Центробежные насосы используются не только для добычи воды, так же ими добывают химические жидкости, поэтому, составные насосов могут различаться в зависимости от способа их применения.

Рабочее колесо

Одна из важнейших деталей насоса это рабочее колесо, так как именно оно создает центробежную силу, вода под действием давления, начинает накачивать.
Итак, давайте подробнее разберем, из чего оно состоит, и как происходит его работа, оно состоит из:

Переднего диска.
Заднего диска.
Лопасти, которые находятся между ними.
Когда колесо начинает вращаться, вода, находящаяся внутри лопастей, тоже начинает свое вращение, из-за чего возникает центробежная сила, появляется давление, вода примыкает к периферии и ищет выход наружу.

Так как насосы качают не только воду, но и химические жидкости, поэтому рабочие колеса и корпус центробежного насоса изготавливаются из разнообразных материалов:

Так, например, для работы с водой используется бронза или чугун.
Для улучшения износостойкость при работе с водой, в которой содержатся механические примеси, можно использовать рабочее колесо сделанного из хромистого чугуна.

А если насос предназначен для работы с химикатами, необходимо использовать стальное рабочее колесо.

Характеристики рабочего колеса

Ниже будет представлена таблица классификаций рабочих колес:

Классификация рабочего колеса центробежного насоса
Кол-во рабочих колес	Одноступенчатый насос
Ось	Вертикально Горизонтально
Давление	Низко, < 0,2 МПа Средне, 0,2 - 0,6 МПа Высоко, > 0,6 МПа
Подвод жидкости	односторонний двусторонний открытый закрытый
Способ разъема корпуса	горизонтально вертикально
Способ отвода жидкости	спиральный лопаточный
Быстроходность	тихоходный нормальный быстроходный
Назначение	водопровод канализация щелочь нефть другие
Соединение с двигателем	приводной муфта
Расположен по отношению к воде	поверхностный глубинный погруженный

Причины поломок рабочего колеса

Зачастую основной причиной поломки рабочего колеса является кавитация, то есть - парообразование и образование пузырьков пара в жидкости, которое влечет за собой эрозию металла, так как в пузырьках жидкости имеется химическая агрессивность газа.
Основными причинами возникновения кавитации является:

Высокая, более 60 градусов температура
Не плотные соединения на всасывающем напоре.
Большая протяженность и малый диаметр всасывающего напора.
Засорение всасывающего напора.

Совет. Все эти факторы влекут за собой поломку рабочего колеса насоса, поэтому, нужно внимательно следить за соблюдением условий работы вашего насоса. Ведь не зря для каждого насоса существуют свои условия эксплуатации, которые созданы для большей износостойкости.

Признаки поломки рабочего колеса

Поломка рабочего колеса центробежного насоса может быть заметна не сразу, однако, есть общие признаки, которые указывают на то, что с вашим насосом что-то не так:

Потрескивания при всасывании.
Шумы.
Вибрация.

Совет. Если вы заметили в работе своего насоса вышесказанные признаки, необходимо прекратить его работу. Так как кавитация уменьшает КПД насоса, его напор и соответственно производительность.

Более того, она влияет не только на работу колеса, но и на другие его детали. При длительном воздействии кавитации, детали становятся шероховатыми, и единственное что им поможет - это ремонт или покупка нового насоса.

Ремонт рабочего колеса

Если рабочее колесо все же сломалось, или сломался насос, его можно отремонтировать своими руками.

Совет. Но, лучше обратиться в специализированный ремонт, так как для этого необходимы специальные инструменты.

Все же, вот небольшая инструкция, каким образом производится ремонт рабочих колес центробежного насоса самостоятельно.
Разборка:

С помощью съемщика полумуфту.
До упора разгрузочного диска подают ротор в ту сторону, где производится всасывание.
Помечают положение стрелки сдвига оси.
Разбирают подшипники.
Вынимают вкладыши.
С помощью специального съемщика вытаскивают разгрузочный диск.
С помощью отжимный винтов поочередно, не допуская задания, снимают рабочее колесо с вала.

Ремонт рабочего колеса:

Для того, чтобы произвести ремонт делается расчет рабочего колеса центробежного насоса.
Сталь:

Если колесо стерлось, то сначала его направляют, после чего вытачивают на токарном станке.
Если колесо сильно изношено, то его удаляют, а затем приваривают новое.

Чугун:

Чугунные колеса, как правило, просто меняют, если можно обойтись заточкой, то необходимые места заливают медью, а потом протачивают.

После того как колесо отремонтировано или заменено, насос собирают обратно:

Протирают делать центробежного насоса.
Проверяют наличие заусенцев и забоин, если он есть, их устраняют.
Рабочее колесо собирают на валу.
Возвращают разгрузочный диск.
Устанавливают мягкую набивку сальников.
Заворачивают гайки.
Обкатывают сальник.
До упора разгрузочного диска в пятку подают ротор.

Для большего понимания процесса ремонта вы можете посмотреть видео в этой статье.

Цены

Цена на рабочее колесо в разных магазинах своя, все зависит от материала самого насоса. Начальная стоимость 1800 рублей, конечная - 49 т.р. Все зависит от того, какой у вас центробежный косо, для чего вы его используете, и какого он размера, а также, сколько в нем колес.
Поэтому, для того чтобы избежать расходов за ремонт, необходимо внимательно следить за его работой. А также, при возникновении каких-либо признаков, указывающих на его неисправность, не нужно использовать его до того момента, пока он не прекратит работу, его следует отнести специалисту, который заменит или отремонтирует вам те детали, которые подверглись поломке.

При работе насоса на лопастное колесо действует осевое гидравлическое давление, стремящееся сдвинуть вал с насаженным на него колесом в сторону, обратную направлению движения жидкости, входящей в колесо.

Давление со стороны всасывания в кольцевом пространстве всегда меньше давления на противоположной стороне диска рабочего колеса (2.13). Если с правой стороны колеса сила давления Р2 действует на кольцевую поверхность диска с радиусом г2 и гд, то с левой стороны его действие ограничивается кольцевой поверхностью с радиусом г3 и Rt. Отсюда следует, что силы полного Давления на рабочее колесо с односторонним входом жидкости справа и слева неодинаковы.

Из формулы () следует, что осевое давление направлено справа налево (Р2 > Рх), В результате этого создается усилие вдоль оси вала, стремящееся

сдвинуть рабочее колесо в сторону всасывания. Величина осевой силы тем больше, чем больше диаметр входа и чем больше разность давлений (р2 рг)~ Формула (2.81) является приближенной, так как она не учитывает реактивное давление жидкости при движении в рабочем колесе, которое возникает вследствие изменения направления потока жидкости от осевого к радиальному.

Осевое давление в насосе даже на одно колесо может быть значительным, а в многоступенчатых насосах снятие осевого усилия требует специальных устройств. Осевое давление смещает рабочее колесо, жестко насаженное на вал насоса, что приводит к нагреву подшипников, а при значительном смещении ротора насоса рабочее колесо может прийти в соприкосновение с неподвижными стенками корпуса. Это может вызвать истирание стенок рабочего колеса и увеличение расхода мощности, а в отдельных случаях поломку насоса.

Осевое усилие может быть снято или значительно уменьшено следующим образом:

применением рабочего колеса с двусторонним всасыванием; перепуском жидкости из полости зазора заднего диска во всасывающий патрубок. В этом случае площадь сечения перепускной разгрузочной трубы должна быть не менее чем в 4 раза больше площади зазора между уплотнением колеса и корпусом насоса. Сальник на напорной стороне будет находиться под давлением всасывания;

устройством отверстий во втулке рабочего колеса. Этот способ снижает к. п. д. насоса на 4-6%, поэтому разгрузку предпочтительнее выполнять С помощью перепускной трубы;

установкой радиальных ребер на заднем диске колеса (способ широко применяется в конструкции колес для кислот);

Во многоступенчатых насосах осевые силы уравновешивают следующими способами: противонаправленной установкой колес и соответствующей системой перевода жидкости от колеса к колесу; применением разгрузочного диска (гидравлической пяты) (2.14).

Равновесие ротора в этом случае достигается действием давления рх в направлении, противоположном осевой нагрузке. С этой целью полость перед разгрузочным диском соединяется системой зазоров, через которые незначительная часть подачи насоса Qy2 отводится во всасывающую линию. Это позволяет обеспечить минимальный разбег ротора в осевом направлении и разгрузить сальники со стороны нагнетания от действия высокого давления.