Усовершенствованное рабочее колесо насоса

007331 Область изобретения Настоящее изобретение относится к рабочим колесам, а точнее к рабочим колесам, пригодным для использования в центробежных насосах. Центробежные насосы обычно используют для транспортирования жидких смесей с измельченной твердой фазой в отраслях промышленности, занимающихся обработкой минералов и землечерпательными работами. Эти насосы подвергаются сильному эрозионному износу суспензией посредством воздействия частиц, находящихся в потоке, что оказывает значительное влияние на экономические показатели при выполнении таких операций. Изготовителями и пользователями предприняты значительные усилия,чтобы решить эту проблему. Такие центробежные насосы содержат корпус с расположенной в нем нагнетательной камерой и рабочее колесо, расположенное в нагнетательной камере, для вращения вокруг оси. Рабочее колесо с одной стороны функционально соединено с приводным валом, а с другой его стороны находится вход. Рабочее колесо имеет ступицу, к которой подсоединен приводной вал, и по меньшей мере один бандаж. С одной стороны бандажа расположено множество нагнетательных лопаток. Часто устанавливают два бандажа с расположенными между ними нагнетательными лопатками. Бандаж, прилегающий ко входу,обычно называют передним бандажем, а другой бандаж называют задним бандажем. В центробежных насосах, особенно тех, которые используют для транспортирования суспензий,обычно применяют так называемые "вытесняющие" лопатки или вспомогательные лопатки, находящиеся на заднем и переднем бандажах рабочего колеса насоса, чтобы содействовать вращению текучей среды в пространстве между бандажем и боковой рубашкой. Такие вспомогательные лопатки могут иметь разные конфигурации в зависимости от того, чему отдает предпочтение конкретный разработчик. При быстром вращении текучей среды в пространстве между рабочим колесом и боковой рубашкой статическое давление у входа рабочего колеса уменьшается вследствие создаваемого центробежного потока (вихревой эффект), так что текучая среда между вспомогательными лопатками будет течь к периферии рабочего колеса. Текучая среда возвращается вниз к поверхности боковой рубашки вследствие общей разности приводного давления между давлением на выходе и у входа рабочего колеса. Частицы в потоке также могут быть выведены из зазора, если центробежная сила больше, чем сила, тянущая текучую среду, которая стремится перенести частицы в зазор. Основное назначение вспомогательных лопаток на переднем бандаже рабочего колеса заключается в уменьшении давления приведения в движение, вынуждающего поток из улитки перемещаться назад к рабочему колесу (рециркуляционный поток). Посредством снижения скорости рециркуляционного потока износ на рабочем колесе и на сопрягающейся с ним рубашке с подводящей стороны будет значительно уменьшен. По ходу всего описания и пунктов формулы изобретения, которые следуют далее, если согласно контексту не требуется что-либо иное, слово "содержат" и его варианты, такие как "содержит" или "содержащий", следует понимать как предполагающие включение указанного целого числа или стадии, либо группы целых чисел или стадий, не исключая при этом какого-либо другого целого числа или стадии,либо группы чисел или стадий. Ссылка в этом описании на какой-либо известный уровень техники не является признанием, и ее не следует считать признанием или какой-то формой подтверждения того, что известный уровень техники составляет часть общеизвестных сведений в Австралии. Предпосылки для создания изобретения Имеется ряд различных конфигураций вспомогательных лопаток, которые разработаны и используют в этой отрасли. В одном из примеров, показанном в патенте США 4664592, содержание которого введено сюда посредством ссылки на него, применено определенное количество радиальных вспомогательных лопаток. Такие вспомогательные лопатки расположены на поверхности переднего или заднего бандажа и имеют кольцевой выступ вокруг наружных концов вспомогательных лопаток, и канал, проходящий через кольцевой выступ между смежными вспомогательными лопатками. Проблема, касающаяся вспомогательных лопаток, с кольцевыми выступами у периферии или без них, заключается в том, что форма вихрей на концах (подобно вихрям на концах крыльев), когда захвачены частицы, может вызвать сильный локальный износ в виде выемок на периферии рабочего колеса и на смежных боковых рубашках. При износе деталей вихрь, который образуется позади каждой выступающей лопатки, становится больше и сильнее, что приводит даже к большей скорости износа в смежной боковой рубашке. Известны водяные насосы, которые включают вспомогательные лопатки с меньшим диаметром,чем диаметр бандажа и основных лопаток (которые обычно идентичны). Причина такого выполнения заключается не в том, чтобы уменьшить износ, а в уменьшении осевого гидравлического давления, действующего на рабочее колесо. Диаметру вспомогательных лопаток задают такую величину, чтобы уравновесить гидравлическое осевое давление.-1 007331 Содержание изобретения Согласно одному из аспектов настоящего изобретения создано рабочее колесо, пригодное для использования в центробежном насосе, содержащее бандаж, имеющий противоположные поверхности,периферийную наружную краевую часть и ось вращения, множество нагнетательных лопаток на одной из поверхностей бандажа, проходящих в сторону от оси вращения каждой нагнетательной лопатки,имеющей периферийную наружную краевую часть, и множество вспомогательных лопаток на другой поверхности бандажа, при этом каждая из вспомогательных лопаток имеет наружную краевую часть, а размер Da от оси вращения до периферийной наружной краевой части бандажа превышает размер Db от оси вращения до наружной краевой части вспомогательных лопаток. В одном из предпочтительных вариантов рабочее колесо включает два бандажа (передний бандаж и задний бандаж) с находящимися между ними нагнетательными лопатками, и вспомогательные лопатки расположены на одном бандаже или на обоих бандажах. В одном из вариантов осуществления конструкции передний бандаж проходит за диаметр вспомогательных и основных нагнетательных лопаток. В другом варианте конструкции за диаметр вспомогательных и основных нагнетательных лопаток проходит задний бандаж. В случае еще одной компоновки как передний, так и задний бандаж проходят за диаметр вспомогательных и нагнетательных лопаток. Предпочтительно, чтобы диаметр нагнетательных лопаток и вспомогательных лопаток имел примерно одну и ту же величину, так чтобы их отличие друг от друга находилось в пределах примерно 5%. Предпочтительно для уменьшения износа нагнетательные и вспомогательные лопатки имели подобный диаметр для обеспечения требуемого снижения давления и для уменьшения рециркуляционного потока, когда бандаж рабочего колеса проходит за нагнетательные и вспомогательные лопатки. Преимущество в случае компоновки с рабочим колесом, имеющим протяженный бандаж, состоит в том, что завихрение на конце каждой вспомогательной лопатки теряется у поверхности протяженного бандажа и будет захвачено внутри зазора или пространства между бандажем и смежной боковой рубашкой. Посредством этой конструкции износ на рабочем колесе и на рубашке будет значительно уменьшен. Преимущество заключается в невозможности полного формирования концевых вихрей при использовании настоящего изобретения. Далее, в одном из вариантов осуществления конструкции согласно настоящему изобретению создано рабочее колесо с бандажем, диаметр которого составляет Da, и с множеством преобладающих радиальных вспомогательных лопаток на поверхности переднего бандажа с диаметром Db, при этом самый удаленный наружу в радиальном направлении конец лопатки сужается назад к стенке под углом Z. Как установлено, износ бандажа, боковой рубашки и вспомогательной лопатки будет уменьшен в наибольшей степени, когда диаметр Db составляет менее 0,95 Da, более предпочтительно составляет от 0,65 до 0,95 Da, а еще более предпочтительно менее 0,9 Da. Это, вероятно, происходит потому, что имеется достаточное пространство между концом вспомогательной лопатки и периферией бандажа для захвата сбегающих вихрей. Предпочтительно, чтобы диаметр Db был приблизительно таким же, что и диаметр основной нагнетательной лопатки. Такое соотношение гарантирует, что способность снижения давления вспомогательными лопатками будет ослаблена незначительно по сравнению с давлением, создаваемым основными нагнетательными лопатками. Краткое описание фигур Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения далее будут описаны посредством примера со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых изображено следующее: фиг. 1 представляет вид в перспективе известного рабочего колеса, показанного на фиг. 1 патента США 4664592; фиг. 2 - частичный вид в сечении обычного рабочего колеса и вытеснителя или вспомогательной лопатки центробежного насоса; фиг. 3 - увеличенный вид обведенной кругом части на фиг. 2, показывающий пути прохождения суспензии между вспомогательной лопаткой и кожухом; фиг. 4 - ряд фотографий профилей износа на типичных вытесняющих лопатках; фиг. 5 - частичный вид в сечении, подобный виду на фиг. 2, но показывающий вариант осуществления конструкции рабочего колеса согласно настоящему изобретению; фиг. 6 - фотографию, показывающую профиль износа вспомогательных лопаток известного рабочего колеса; фиг. 7 - фотографию, показывающую профиль износа вспомогательных лопаток на рабочем колесе согласно варианту осуществления настоящего изобретения; фиг. 8 - осевой или торцевой вид дополнительного варианта осуществления рабочего колеса согласно настоящему изобретению; фиг. 9 - осевой или торцевой вид еще одного варианта осуществления рабочего колеса согласно настоящему изобретению. Наилучшие способы осуществления конструкции Известное рабочее колесо 1, показанное на фиг. 1, полностью раскрыто в патенте США 4664592.-2 007331 Показанное на фиг. 2 рабочее колесо 20 размещено в кожухе 21. Суспензия перемещается через рабочее колесо 20 от входа 22 к выходу 23 каждой нагнетательной камеры 24, когда происходит вращение рабочего колеса внутри кожуха 21. Рециркуляционный поток суспензии от входа 23 к входу 22 происходит естественным образом и вызывает абразивный износ рубашки 25 со стороны подвода. Вытеснительная или вспомогательная лопатка 26 действует таким образом, чтобы переместить рециркулирующую суспензию 27 назад к выходу рабочего колеса, как показано посредством частиц 28. Путь течения суспензии между рабочим колесом 20 и рубашкой 25 показан более подробно на фиг. 3. Профили износа вспомогательных лопаток, видимые на фотографиях согласно фиг. 4, демонстрируют проблему, стоящую перед промышленностью и решаемую посредством применения вариантов осуществления настоящего изобретения. На фиг. 5 показано рабочее колесо 20, подходящее для использования в центробежном насосе для транспортировки жидких смесей, содержащих измельченную твердую фазу и содержащее бандаж 32,имеющий противоположные поверхности 34 и 35, периферийную наружную краевую часть 33, ось вращения Х-Х, множество нагнетательных лопаток 36, расположенных на поверхности 35 бандажа 32, проходящих от оси вращения Х-Х и имеющих, каждая, наружную периферийную краевую часть 37, и множество вспомогательных прямых лопаток 26, расположенных на поверхности 34 бандажа 32 и имеющих,каждая, наружную краевую часть 29. Размер Da от оси вращения до периферийной наружной краевой части бандажа превышает размер Db от оси вращения до периферийной краевой части вспомогательных лопаток и размер Dc от оси вращения до наружной периферийной краевой части нагнетательных лопаток. В этом варианте осуществления настоящего изобретения Db=0,85 Da, размер Db приблизительно равен размеру Dc и угол Z = 45. Испытания этого варианта осуществления конструкции согласно настоящему изобретению и их сравнение с результатами, касающимися известного варианта такого типа, который показан на фиг. 4,говорят о значительном уменьшении износа у концевых частей лопаток и на смежной боковой рубашке приблизительно за то же самое рабочее время. Как можно видеть на фотографии согласно фиг. 6, износ на вспомогательных лопатках известного рабочего колеса является весьма обширным. Напротив, вспомогательные лопатки рабочего колеса согласно фиг. 7 находятся в значительно лучшем состоянии, чем лопатки, показанные на фиг. 6, хотя они находились в работе в подобных условиях и в течение подобного периода времени. Вариант рабочего колеса 30 согласно фиг. 8 выполнен со вспомогательными лопатками 31, имеющими криволинейные передний и задний края вместо их выполнения прямыми в вариантах согласно фиг. 5 и 7. Соответствующая известная компоновка показана на фиг. 6. Вновь этот вариант осуществления настоящего изобретения демонстрирует значительно меньший износ у концов лопаток по сравнению с известным эквивалентом за подобный период рабочего времени. Вариант осуществления конструкции согласно фиг. 9 демонстрирует еще одну разновидность профиля вспомогательной лопатки 41 рабочего колеса 40. Наконец, следует иметь в виду, что в различные конструкции и компоновки деталей без отклонения от существа и объема изобретения могут быть введены различные изменения, модификации и/или дополнения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Рабочее колесо, пригодное для использования в центробежном насосе с целью транспортирования жидких смесей, включающих измельченную твердую фазу, содержащее бандаж, имеющий противоположные поверхности, наружную периферийную краевую часть, ось вращения, множество нагнетательных лопаток, расположенных на одной из поверхностей бандажа, проходящих от оси вращения и имеющих, каждая, наружную периферийную краевую часть, и множество вспомогательных лопаток,расположенных на другой поверхности бандажа и имеющих, каждая, наружную краевую часть, при этом размер Dа от оси вращения до наружной периферийной краевой части бандажа превышает размер Db от оси вращения до наружной краевой части вспомогательных лопаток и размер Dc от оси вращения до наружной периферийной краевой части нагнетательных лопаток. 2. Рабочее колесо по п.1, в котором бандаж представляет собой задний бандаж. 3. Рабочее колесо по п.2, дополнительно содержащее передний бандаж, и нагнетательные лопатки расположены между передним и задним бандажами, а вспомогательные лопатки находятся на другой поверхности одного из бандажей. 4. Рабочее колесо по п.2, дополнительно содержащее передний бандаж, и нагнетательные лопатки расположены между передним и задним бандажами, и вспомогательные лопатки расположены на другой поверхности каждого бандажа. 5. Рабочее колесо по п.3, в котором размер Da переднего бандажа превышает размеры Db и Dc. 6. Рабочее колесо по п.3, в котором размер Da заднего бандажа превышает размеры Db и Dc.-3 007331 7. Рабочее колесо по п.3, в котором размер Da переднего и заднего бандажей превышает размерыDb и Dc. 8. Рабочее колесо по п.4, в котором размер Da переднего бандажа превышает размеры Da и Dc. 9. Рабочее колесо по п.4, в котором размер Da заднего бандажа превышает размеры Db и Dc. 10. Рабочее колесо по п.4, в котором размер Da переднего и заднего бандажей превышает размерыDb и Dc. 11. Рабочее колесо по п.5, в котором Db и Dc по существу одинаковы. 12. Рабочее колесо по п.11, в котором Db и Dc отличаются друг от друга в пределах 5%. 13. Рабочее колесо по п.12, в котором Db составляет менее 0,95Da. 14. Рабочее колесо по п.13, в котором Db/Da составляет от 0,65 до 0,95. 15. Рабочее колесо по п.13, в котором Db/Da составляет от 0,65 до 0,9.