Крыльчатка турболейки

Обратная разработка крыльчатки турболейки с натурного образца для литья под высоким давлением.

Год реализации: 2023

Продолжительность: 18 дней

Стоимость: 61 500 ₽

1. Объект разработки

Одним из первых объектов обратной разработки была крыльчатка турболейки. Турболейка для душа представляет собой более экономичный вариант классической лейки. В классических лейках диаметр отверстий составляет 0.8-1.2 мм. Уменьшение диаметра отверстий до 0.5 мм позволяет сократить расход воды в 1.6-2.4 раза (см. уравнение неразрывности).

Помимо экономии воды, турболейки обладают другим немаловажным эффектом для жителей верхних этажей многоквартирных домов без систем повышения давления — повышение дальнобойности струй.

Немного теории

Следует помнить, что дальнобойность в рассматриваемом случае зависит только от квадрата скорости струи, которая в свою очередь определяется исключительно давлением в системе водоснабжения (см. формулу Э. Торричелли). Эмпирическая формула Г.И. Люгера показывает, что дальнобойность струи прямо пропорциональна ее толщине, т.к. толстой струе проще преодолеть сопротивление воздуха и гравитацию (за счет большего импульса). Учитывая, что давление в системах водоснабжения жилых домов должно быть 2-4.5 ат [СП 30.13330.2020], струи турболейки даже не достанут до потолка, в отличие от классических. Но при недостаточном давлении она действительно спасает — проверено!

2. Разоблачение

Крыльчатка турболейки во время водоразбора энергично вращается (100-180 об/мин), привлекая к себе внимание. Вращение происходит за счет небольшой пластинки, направляющей входящий в головку лейки поток под углом 42°. Все говорит о том, что именно она создает изящное плетение струй.

Увы, крыльчатка всего лишь декоративный элемент, а направление струям задают отверстия в рассеивателе. Рассеиватель представляет собой сборную конструкцию из двух металлических дисков диаметром 72 мм и толщиной 0.1 мм. Во внешнем диске просверлены два концентрических пояса по 60 и 30 отверстий диаметром 0.5 мм. Во внутреннем диске отверстия уже имеют диаметр 0.9 мм и немного смещены (до 0.2 мм) относительно внешнего диска по и против часовой стрелки. В результате, струи образуют два конуса, закрученных в противоположные стороны.

Несложно убедиться в декоративности крыльчатки, удалив ее из головки лейки. Кстати, струи не будут закручиваться, если перевернуть рассеиватель стороной с большими отверстиями наружу.

3. Моделирование

Конструкторская модель крыльчатки была выполнена на платформе Onshape. К сожалению, компания PTC, как и многие другие достойные бизнесы ушли из России из-за военных действий на Украине. Сервисом стало пользоваться намного сложнее, но я его глубоко уважаю и не отпускаю до последнего.

Сначала было построена втулка. Это незамысловатая часть детали и никаких особенностей в ее измерении и построении не было.

Происхождение профиля лопаток было не известно, хотя наверняка есть аналог в модельном ряду вентиляторов ЦАГИ, подробно описанном И.В. Брусиловским еще в 1972 году. Но в данном случае придется строить вручную.

Построение лопатки было начато с края, примыкающего к втулке. Крайние точки линии примыкания легко позиционируется на поверхности втулки. Сама же линия была представлена трехточечной кривой Безье в горизонтальной плоскости с последующим проецированием на цилиндрическую поверхность втулки.

Внешний край лопатки измерить значительно сложнее, поэтому он был построен по очертаниям с фото натурного образца. Полученные центральные линии профилей (оранжевые линии) были соединены поверхностью, кривизна которой, также была определена по фото (красные линии).

Для формирования контура лопатки был построен "фартук", также воспроизведенный по фото.

После формирования контура лопатки, аналогично была построена центральная линия профиля ребра. Ребро имеет равную высоту по всей длине, поэтому его базовая поверхность была сформирована протягиванием линии примыкания к втулке (красная линия). В результате образовался требуемый вылет (красная область).

После придания толщины ребру и восстановления контактов с лопаткой и втулкой были выполнены скругления для придания законченного вида.

Завершающий шаг — круговой массив в режиме объединения.

4. Сканирование

Параметрическая конструкторская модель превосходит по гибкости облако точек, которое получается в результате сканирования объекта. Однако, построение "на глаз" всегда сопряжено с опасностью промаха. В данном случае крыльчатка выполняет исключительно декоративную функцию и точность ее воспроизведения не так важна. Тем не менее, стандартная процедура проверки модели проводится всегда — таковы правила хорошего тона в обратной разработке.

Крыльчатка была просканирована на Creality CR-Scan 01 с разрешением 0.5±0.1 мм.

Дифференциальный анализ показал расхождение объема +1.5% и площади +1.0%. Значительных отклонений топологии выявлено не было. Прирост объема (желтые участки) главным образом был получен за счет скругления граней.

5. Доработка

Когда пользователь турболейки завороженно смотрит на вращающуюся в душевой головке крыльчатку, он должен смотреть на ее косметическую сторону. Правильно? Возможно, но только не в нашем образце. Угадайте, какая сторона косметическая, а какая функциональная?

По задумке дизайнера скорее та, что справа. А вот технолог видимо решил, что косметика будет слева (см. следы от выталкивателей на фото справа). Конечно же, внутренности втулки рядовому пользователю показывать не к чему — пусть уж лучше видит ребра. Увы, посадочное место для втулки предусмотрено только с одной стороны и зафиксировать крыльчатку в перевернутом положении нельзя.

Еще одна мелочь, которая не выходит из головы. Почему крыльчатка нагнетает давление в сторону задней стенки душевой головки, а не в сторону рассеивателя?

Делать нечего — исправляем. Переворачиваем крыльчатку косметической стороной к наблюдателю. Теперь вращение направляет поток к рассеивателю. Далее нужно перенести ребра под лопатки и изогнуть их в другую сторону, чтобы те лучше захватывали направленный под 42° поток. Заодно перенесем посадочное место втулки наверх.

Теперь проверим форму детали на пригодность для литья пластиком под давлением. Удовлетворительно, но за ступени (желтые поверхности) на производстве спасибо не скажут — убираем! Практически все ступени можно конусовать под 3° без ущерба работоспособности крыльчатки. Но сплошная конусность втулки создает "подрезы" под лопатками (красные области).

Добавляем на поверхность втулки линию деления, проходящую через линии примыкания лопаток к втулке. Теперь конусность будет симметричной относительно этой линии, и втулка будет похожа на искусно разрезанную дыню. Теперь крыльчатка будет легче выходить из отливочной формы.

Осталось добавить скругления радиусом 0.5 мм для еще более легкой выбивки отливки из формы.

Результат моделирования до и после доработки.