Рабочее колесо или импеллер [ 1] — это приводной ротор, используемый для увеличения давления и расхода жидкости. Это противоположность турбине , которая извлекает энергию из текущей жидкости и снижает ее давление.
Строго говоря, пропеллеры представляют собой подкласс рабочих колес, в которых поток входит и выходит в осевом направлении, но во многих контекстах термин «крыльчатка» зарезервирован для непропеллерных роторов, где поток входит в осевом направлении и выходит радиально, особенно при создании всасывания в насос или компрессор . _
Рабочее колесо — это вращающийся компонент центробежного насоса , который ускоряет жидкость наружу от центра вращения, передавая таким образом энергию от двигателя , приводящего насос в движение, перекачиваемой жидкости . [2] [3] Скорость, достигаемая рабочим колесом, преобразуется в давление, когда движение жидкости наружу ограничивается корпусом насоса. Рабочее колесо обычно представляет собой короткий цилиндр с открытым впускным отверстием (называемым проушиной) для приема поступающей жидкости, лопастями для перемещения жидкости в радиальном направлении и шлицевым , шпоночным или резьбовым отверстием для приема приводного вала.
Дешевле отлить рабочее колесо и его шпиндель как одну деталь, а не по отдельности. Эту комбинацию иногда называют просто «ротором».
Открытое рабочее колесо имеет ступицу с прикрепленными к нему лопатками и установлено на валу. Лопасти не имеют стенки, поэтому открытые рабочие колеса немного слабее, чем закрытые или полузакрытые. Однако, поскольку боковая пластина не прикреплена к входной стороне лопатки, напряжения на лопатках значительно ниже. [4] В насосах жидкость попадает в проушину рабочего колеса, где лопасти добавляют энергию и направляют ее к выпускному отверстию сопла. Небольшой зазор между лопатками и спиральной камерой или задней пластиной насоса предотвращает обратный ток большей части жидкости. Износ чаши и края лопасти можно компенсировать путем регулировки зазора для поддержания эффективности с течением времени. [5] Поскольку внутренние части видны, открытые рабочие колеса легче проверять на наличие повреждений и обслуживать, чем закрытые. Их также можно легче модифицировать для изменения свойств потока. Открытые рабочие колеса работают в узком диапазоне удельной скорости . Открытые рабочие колеса обычно быстрее и проще в обслуживании. Для небольших насосов и насосов, перекачивающих взвешенные твердые частицы, обычно используются открытые рабочие колеса. [6] Запирание песка происходит не так легко, как в случае закрытого типа.
Полузакрытое рабочее колесо имеет дополнительную заднюю стенку, придающую ему большую прочность. Эти рабочие колеса могут пропускать смешанные твердожидкостные смеси за счет снижения эффективности.
Конструкция закрытых рабочих колес включает в себя дополнительные заднюю и переднюю стенки с обеих сторон лопаток, что повышает их прочность. Это также снижает осевую нагрузку на вал, увеличивая срок службы и надежность подшипников, а также снижая стоимость вала. Однако эта более сложная конструкция, включая использование дополнительных щелевых колец, делает закрытые рабочие колеса более сложными в изготовлении и более дорогими, чем открытые рабочие колеса. Эффективность закрытой крыльчатки снижается по мере увеличения зазора компенсационного кольца по мере использования. Однако регулировка зазора стакана рабочего колеса не влияет на износ лопаток так критично, как открытое рабочее колесо. [4] Закрытые рабочие колеса могут использоваться в более широком диапазоне удельной скорости, чем открытые рабочие колеса. [5] Они обычно используются в больших насосах и системах очистки воды. Эти рабочие колеса не могут эффективно работать с твердыми частицами, и их становится трудно чистить, если они засорены. [6]
Конструкция винтового рабочего колеса больше соответствует осевому прогрессивному каналу, который позволяет свободно перемещать твердые частицы при вращении. [7] [8]
Основной частью центробежного компрессора является рабочее колесо. Открытая крыльчатка не имеет крышки, поэтому может работать на более высоких оборотах. Компрессор с закрытой крыльчаткой может иметь больше ступеней, чем компрессор с открытой крыльчаткой.
Некоторые крыльчатки похожи на маленькие гребные винты , но без больших лопастей. Помимо прочего, они используются в водометах для привода в движение высокоскоростных лодок.
Поскольку крыльчатки не имеют больших лопастей, которые можно вращать, они могут вращаться с гораздо более высокими скоростями, чем гребные винты. Вода, проходящая через крыльчатку, направляется по корпусу, создавая водную струю, которая продвигает судно вперед. Корпус обычно имеет коническую форму в сопло для увеличения скорости воды, что также создает эффект Вентури , при котором низкое давление за крыльчаткой притягивает больше воды к лопастям, стремясь увеличить скорость.
Для эффективной работы необходимо плотное прилегание рабочего колеса к корпусу. Корпус обычно оснащен сменным щелевым кольцом , которое имеет тенденцию изнашиваться, поскольку песок или другие частицы выбрасываются на сторону корпуса крыльчаткой.
Суда, использующие крыльчатки, обычно управляются путем изменения направления струи воды.
Сравните с пропеллерными и реактивными авиационными двигателями .
Крыльчатки в резервуарах с мешалкой используются для перемешивания жидкостей или суспензий в резервуаре. Это можно использовать для объединения материалов в виде твердых тел, жидкостей и газа. Смешивание жидкостей в резервуаре очень важно, если существуют градиенты таких условий, как температура или концентрация.
В зависимости от создаваемого режима течения (см. рисунок) различают два типа рабочих колес:
Крыльчатки с радиальным потоком создают, по существу, напряжение сдвига для жидкости и используются, например, для смешивания несмешивающихся жидкостей или вообще, когда существует деформируемая граница раздела, которую необходимо разрушить. Еще одним применением рабочих колес с радиальным потоком является смешивание очень вязких жидкостей.
Крыльчатки с осевым потоком создают по существу объемное движение и используются в процессах гомогенизации, в которых важен увеличенный объемный расход жидкости.
Рабочие колеса можно разделить главным образом на три подтипа:
Гребные винты представляют собой элементы, передающие осевую тягу. Эти элементы создают очень высокую степень закрутки в сосуде. Картина течения, возникающая в жидкости, напоминает спираль.
В некоторых конструкциях стиральных машин с вертикальной загрузкой используются крыльчатки для перемешивания белья во время стирки.
Пожарные службы Великобритании и многих стран Содружества используют стилизованное изображение крыльчатки в качестве знака звания. Офицеры носят один или несколько знаков на своих погонах или воротнике пожарной униформы как эквивалент «значков», которые носят армия и полиция .
В воздушных насосах, таких как воздуходувка Рутса , используются сетчатые рабочие колеса для перемещения воздуха через систему. Область применения включает доменные печи, системы вентиляции и нагнетатели двигателей внутреннего сгорания.
Импеллеры являются неотъемлемой частью насосов с осевым потоком , используемых в желудочковых вспомогательных устройствах для усиления или полной замены сердечной функции. [9] [10]
