центробежное колесо
Классы МПК: | F04D29/22 для центробежных насосов |
Автор(ы): | Чернявский Лев Константинович (RU) |
Патентообладатель(и): | Закрытое акционерное общество "Научно-производственная фирма "Невинтермаш" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2004-05-19 публикация патента:
20.01.2006 |
Изобретение может использоваться в центробежных турбомашинах, имеющих центробежные колеса с одним или двумя дисками, каждый из которых имеет наружный и внутренний торцы, а также расположенные по периферии зубья, образованные межлопаточными вырезами. Тангенциальные сечения каждого зуба утонены к передней его кромке или к обеим кромкам. Изобретение направлено на повышение КПД колеса за счет уменьшения барботажа рабочей среды зубьями. 4 з. п. ф-лы, 13 ил.
Формула изобретения
1. Центробежное колесо, содержащее лопатки и один или два диска, каждый из которых имеет наружный и внутренний торцы и зубья, образованные периферийными межлопаточными вырезами в диске и имеющие передние и задние кромки, отличающееся тем, что тангенциальные сечения каждого зуба утонены к передней его кромке или к обеим кромкам.
2. Колесо по п.1, отличающееся тем, что утонения тангенциальных сечений зубьев имеют форму половин эллипсов, малые оси которых равны , а большие - /sin , где - толщина зуба, а - местный угол между кромкой зуба и тангенциальным направлением.
3. Колесо по п.1, отличающееся тем, что утонения тангенциальных сечений зубьев выполнены в виде заострений.
4. Колесо по п.3, отличающееся тем, что наружные поверхности заострений тангенциальных сечений зубьев плавно сопряжены с торцами зубьев.
5. Колесо по п.3 или 4, отличающееся тем, что заострения тангенциальных сечений зубьев выполнены односторонними за счет только наружных или только внутренних торцов зубьев.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к энергетическим турбомашинам и может использоваться в центробежных турбомашинах: компрессорах, нагнетателях, вентиляторах, насосах.
Известны центробежные колеса, имеющие на дисках периферийные межлопаточные вырезы, которые образуют зубья дисков (рис.426 в книге Б.Экка "Проектирование и эксплуатация центробежных и осевых вентиляторов" - М. : Изд-во по горному делу, 1959). Достоинство таких колес состоит в повышенной динамической надежности дисков, а недостаток - в уменьшении КПД. Основная причина уменьшения КПД - интенсивный барботаж рабочей среды передними кромками зубьев вследствие того, что эти кромки перпендикулярны тангенциальному направлению.
Отмеченный недостаток частично устранен в колесах, передние кромки зубьев дисков которых образуют с тангенциальным направлением угол, меньший 90°. Известное центробежное колесо такого типа (рис. 3.21 в книге В.Б.Шнеппа "Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин". - М. : Машиностроение, 1995) содержит лопатки и один или два диска, каждый из которых имеет наружный и внутренний торцы и зубья, образованные периферийными межлопаточными вырезами в диске и имеющие передние и задние кромки. Передние кромки образуют с тангенциальным направлением угол, намного меньший 90°. Благодаря этому барботаж рабочей среды зубьями меньше, а КПД колеса выше.
Недостатком известного центробежного колеса является то, что КПД его все же недостаточно высок. Причина заключается лишь в частичном устранении барботажа рабочей среды зубьями дисков, поскольку кромки зубьев в тангенциальных сечениях попрежнему толстые и тупые.
Целью настоящего изобретения является повышение КПД колеса за счет дальнейшего уменьшения барботажа рабочей среды зубьями дисков.
Указанная цель достигается тем, что в известном центробежном колесе, содержащем лопатки и один или два диска, каждый из которых имеет наружный и внутренний торцы и зубья, образованные периферийными межлопаточными вырезами в диске и имеющие передние и задние кромки, тангенциальные сечения каждого зуба утонены к передней его кромке или к обеим кромкам.
С целью упрощения технологии выполнения утонений тангенциальных сечений зубьев, утонения имеют форму половин эллипсов, малые оси которых равны , а большие - /sin , где - толщина зуба, а - местный угол между кромкой зуба и тангенциальным направлением.
С целью большего повышения КПД, утонения тангенциальных сечений зубьев выполнены в виде заострений.
С целью еще большего повышения КПД, наружные поверхности заострений тангенциальных сечений зубьев плавно сопряжены с торцами зубьев.
С целью упрощения технологии изготовления, заострения тангенциальных сечений зубьев выполнены односторонними, - за счет только наружных или только внутренних торцев зубьев.
Данное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия", так как оно уменьшает барботаж рабочей среды и тем самым повышает КПД колеса благодаря профилированию зубьев в тангенциальной плоскости, а не в радиальной, как это имеет место в известном техническом решении.
На фиг.1 изображено центробежное колесо с одним (основным) диском, меридиональный разрез; на фиг.2 - такой же разрез колеса с двумя дисками, один из которых - основной, а другой - покрывной; на фиг.3 - такой же разрез колеса с двумя покрывными дисками; на фиг.4 - радиальный разрез А-А на фиг.2; на фиг.5 и 6 - тангенциальный разрез Б-Б на фиг.4 при утонении тангенциальных сечений каждого зуба дисков соответственно к передней его кромке и к обеим кромкам; на фиг.7 - тангенциальный разрез Б-Б на фиг.4 при выполнении утонений тангенциальных сечений зубьев к обеим кромкам в виде половин эллипсов; на фиг.8 и 9 - разрезы соответственно В-В и Г-Г на фиг.4, случай, когда утонения тангенциальных сечений зубьев имеют форму половин эллипсов; на фиг.10 - разрез Б-Б на фиг.4 при утонении тангенциальных сечений зубьев в виде двухсторонних заострений; на фиг.11 - то же при плавном сопряжении наружных поверхностей заострений с торцами зубьев; на фиг.12 и 13 - разрез Б-Б на фиг.4 при выполнении заострений односторонними, - за счет соответственно только наружных и только внутренних торцов зубьев.
Колесо содержит лопатки 1 и один основной диск 2 (фиг.1) или два диска: основной 2 и покрывной 3 (фиг.2) либо два покрывных 4, 5 (фиг.3). Основной диск 2 имеет наружный 6 и внутренний 7 торцы. Каждый из покрывных дисков 3, 4 и 5 также имеет наружный 8 и внутренний 9 торцы. Каждый из дисков 2, 3, 4 и 5 имеет зубья 10 (фиг.4), образованные периферийными вырезами 11 в дисках 2, 3, 4 и 5. Каждый зуб 10 имеет переднюю 12 и заднюю 13 кромки.
Тангенциальные сечения 14 каждого зуба 10 утонены к передней кромке 12 зуба 10 (фиг.5) или к обеим кромкам 12, 13 (фиг.6).
С технологической точки зрения утонения 15 и 16 тангенциальных сечений 14 зубьев 10 целесообразно выполнять полуэллиптической формы (фиг.7). При этом малые оси ab эллипсов 17 и 18 равны толщине зубьев 10. Большие оси cd эллипсов 17 утонений 15 к передним кромкам 12 равны /sin пер, где пер - местный угол между передней кромкой 12 зуба 10 и тангенциальным направлением (см. фиг.4). Большие оси ef эллипсов 18 утонений 16 к задним кромкам 13 равны /sin зад, где зад - местный угол между задней кромкой 13 зуба 10 и тангенциальным направлением (см. фиг.4),
Для наибольшего повышения КПД колеса утонения тангенциальных сечений 14 зубьев 10 целесообразно выполнять в виде заострений 19 и 20 (фиг.10), а наружные поверхности 21 и 22 заострений 19 и 20 рационально плавно сопрягать с наружными торцами 6 и 8 зубьев 10 (фиг.11).
Оптимальное сочетание высокого КПД с технологической простотой обеспечивается выполнением утонений тангенциальных сечений 14 зубьев 10 в виде односторонних заострений 23, 24 (фиг.12) или 25, 26 (фиг.13) за счет соответственно только наружных торцов 6, 8 зубьев 10 или только внутренних торцов 7, 9 зубьев 10.
Колесо работает следующим образом.
При вращении колеса лопатки 1 перемещают рабочую среду от входа в колесо к его выходу, увеличивая ее давление и абсолютную скорость. Помимо лопаток 1, на рабочую среду воздействуют передние кромки 12 зубьев 10 дисков 2, 3, 4, 5, вызывая барботаж среды и уменьшение КПД колеса. Дополнительное снижение КПД имеет место вследствие вихревых следов за задними кромками 13 зубьев 10, а также вследствие трения наружных торцов 6 и 8 дисков 2, 3, 4, 5 о рабочую среду, находящуюся снаружи колеса.
Утонение тангенциальных сечений 14 зубьев 10 к передним кромкам 12 зубьев 10 (см. фиг.5 и 6) уменьшает барботаж рабочей среды, поскольку толщина пер передних кромок 12 становится меньше толщины зубьев 10. Благодаря уменьшению барботажа повышается КПД колеса.
Утонение тангенциальных сечений 14 зубьев 10 к задним кромкам 13 зубьев 10 (см. фиг.6) уменьшает интенсивность вихревых следов за задними кромками 13, так как толщина зад задних кромок 13 становится меньше толщины зубьев 10. Соответственно уменьшению интенсивности вихревых следов несколько повышается КПД колеса.
Выполнение утонений 15 и 16 тангенциальных сечений 14 зубьев 10 в виде половин эллипсов 17 и 18 (см. фиг.7), малые оси ab которых равны толщине зубьев 10, а большие оси cd и ef равны /sin , где - местный угол между кромкой 12 или 13 зуба 10 и тангенциальным направлением, упрощает технологию изготовления благодаря тому, что вырезы 11 в дисках 2, 3, 4, 5 и утонения 15, 16 могут быть получены одновременно удалением материала дисков 2, 3, 4, 5 путем фрезерования стандартной полукруглой вогнутой фрезой 27 (см. фиг.8 и 9), радиус R вогнутой режущей части которой равен половине толщины зубьев 10.
Выполнение утонений 15 и 16 тангенциальных сечений 14 зубьев 10 в виде заострений 19 и 20 (см. фиг.10) минимизирует барботаж рабочей среды передними кромками 12 зубьев 10 и интенсивность вихревых следов за задними кромками 13 зубьев 10, поскольку толщины sпер и sзад кромок 12 и 13 становятся бесконечно малыми. Соответственно минимизации барботажа и интенсивности следов повышается КПД колеса.
Плавное сопряжение наружных поверхностей 21 и 22 (см. фиг.11) заострений 19 и 20 тангенциальных сечений 14 зубьев 10 с торцами 6, 8 зубьев 10 уменьшает трение торцов 6, 8 зубьев 10 о рабочую среду, находящуюся снаружи колеса. Благодаря этому КПД колеса повышается.
Выполнение заострений 19 и 20 тангенциальных сечений 14 зубьев 10 односторонними (см. фиг.12 и 13), за счет только наружных 6, 8 или только внутренних 7, 9 торцов зубьев 10 упрощает технологию, так как заострить зубья 10 с одной стороны вдвое проще, чем с обеих сторон.
Класс F04D29/22 для центробежных насосов