Центробежный насос

 

Изобретение относится к центробежным насосам, производительность которых может изменяться путем изменения геометрических параметров насоса. Центробежный насос содержит корпус с кольцевой рабочей камерой, в которой на приводном валу установлено рабочее колесо. Рабочее колесо содержит приводной диск, лопатки, соединенные с приводным диском и имеющие два последовательно размещенные вдоль приводного вала участка с различным диаметром, покрывной диск, закрепленный на рабочем колесе симметрично приводному диску по отношению к лопаткам, и промежуточный диск, снабженный приводом для перемещения его между приводным и покрывным дисками и имеющий сквозные пазы, совпадающие по форме и размерам с лопатками большого диаметра. Насос имеет патрубок для подвода жидкости и патрубок для отвода жидкости, соединенный со спиральным сборником, размещенным напротив выходных концов лопаток. В спиральном сборнике установлена кольцевая поперечная перегородка, расположенная в плоскости поперечного сечения, разделяющей участки лопаток большого и малого диаметра. Перегородка образует два параллельных спиральных отвода, размещенных напротив участков лопаток различного диаметра и имеющих отдельные патрубки для отвода жидкости, в которых установлены обратные запорные клапаны. Изобретение направлено на обеспечение более высоких КПД насоса при крайних значениях диапазона расхода жидкости. 3 з.п.ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к центробежным насосам, преимущественно к центробежным насосам, производительность которых изменяют путем изменения геометрических параметров насоса.

Известны центробежные насосы, в которых изменение производительности обеспечивается за счет изменения геометрических параметров лопаток рабочего колеса (см., например, патенты США 4282454, 4070130, 3482523 и др.). В этих насосах изменение производительности в основном обеспечивается за счет изменения размеров каналов. Однако для обеспечения эффективного транспорта жидкости от входа насоса к выходу необходимо иметь достаточно широкие каналы для прохода жидкости между лопатками. Сужение этих каналов приводит к уменьшению эффективности работы насоса за счет увеличения сопротивления потоку жидкости.

Наиболее близким к предлагаемому насосу по совокупности признаков и достигаемому результату является центробежный насос переменной производительности по патенту США 6074167 (МПК⁷ F 01 D 17/14, НКИ 415-131, 2000). Этот насос содержит корпус, кольцевую рабочую камеру, выполненную в корпусе, рабочее колесо, установленное в рабочей камере на приводном валу и включающее приводной диск, соединенный с приводным валом, лопатки, соединенные с приводным диском и имеющие два участка с различным диаметром, последовательно размещенные вдоль приводного вала, покрывной диск, закрепленный на рабочем колесе симметрично приводному диску по отношению к лопаткам, промежуточный диск, установленный с возможностью перемещения между приводным и покрывным дисками и имеющий сквозные пазы, совпадающие по форме и размерам с лопатками большого диаметра, привод для перемещения промежуточного диска, осевой патрубок для подвода жидкости к рабочему колесу и патрубок для отвода жидкости, соединенный со спиральным сборником, размещенным напротив выходных концов лопаток рабочего колеса.

Хотя известный насос, принятый за прототип, обеспечивает возможность изменения производительности при неизменной скорости вращения рабочего колеса, однако в нем не обеспечивается возможность оптимизации энергетических характеристик (КПД) при крайних значениях диапазона расхода жидкости. Кроме того, в известном насосе при наличии двух участков лопаток различного диаметра и, как следствие, увеличенной в сравнении с обычными центробежными насосами шириной рабочего колеса имеют место повышенные радиальные гидравлические нагрузки на колесо, которые приводят к повышенным нагрузкам на подшипники приводного вала, что снижает ресурс работы насоса и повышает температуру жидкости на выходе насоса.

Задача изобретения состоит в обеспечении более высоких значений КПД насоса при крайних значениях диапазона расхода жидкости и снижении радиальных гидравлических нагрузок на рабочее колесо.

Указанная задача решается тем, что предложен центробежный насос, содержащий корпус с кольцевой рабочей камерой, рабочее колесо, установленное в рабочей камере на приводном валу и включающее приводной диск, соединенный с приводным валом, лопатки, соединенные с приводным диском и имеющие два последовательно размещенные вдоль приводного вала участка с различным диаметром, покрывной диск, закрепленный на рабочем колесе симметрично приводному диску по отношению к лопаткам, промежуточный диск, установленный с возможностью перемещения между приводным и покрывным дисками и имеющий сквозные пазы, совпадающие по форме и размерам с лопатками большого диаметра, привод для перемещения промежуточного диска, осевой патрубок для подвода жидкости к рабочему колесу и патрубок для отвода жидкости, соединенный со спиральным сборником, размещенным напротив выходных концов лопаток рабочего колеса, в котором согласно изобретению в спиральном сборнике установлена кольцевая поперечная перегородка, расположенная в плоскости поперечного сечения, разделяющей участки лопаток большего и меньшего диаметра, которая образует два параллельных спиральных отвода, размещенных напротив участков лопаток различного диаметра и имеющих отдельные патрубки для отвода жидкости из насоса.

Другим отличием предлагаемого насоса является то, что он снабжен обратными запорными клапанами, установленными в патрубках для отвода жидкости и работающими так, что когда открыт клапан в одном патрубке, то закрыт клапан в другом патрубке и наоборот.

Еще одним отличием предлагаемого насоса является то, что привод для перемещения промежуточного диска содержит цилиндрическую направляющую втулку, соединенную с промежуточным диском и установленную на скользящей посадке на цилиндрической направляющей втулке приводного диска, жестко соединенной с приводным валом, причем один конец направляющей втулки промежуточного диска снабжен возвратной пружиной, которая посредством втулки прижимает промежуточный диск к приводному диску, а второй конец этой направляющей втулки снабжен кольцевым поршнем, установленным в кольцевой камере гидравлического привода, снабженной каналом для подачи жидкости под давлением.

В числе отличий насоса следует отметить то, что в зазоре между направляющими втулками приводного и промежуточного дисков установлены линейные подшипники, образованные цилиндрическими каналами, расположенными параллельно приводному валу по окружности, совпадающей с кольцевым зазором между направляющими втулками, на равном расстоянии друг от друга, и стальными шариками, заполняющими эти каналы.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображено продольное сечение центрального участка центробежного насоса, в котором размещены рабочая камера с рабочим колесом.

На фиг. 2 изображен приводной диск рабочего колеса насоса с лопатками различного диаметра.

На фиг.3 изображен промежуточный диск со сквозными пазами.

На фиг.4 и 5 изображены патрубки для отвода жидкости из насоса с установленными в них обратными клапанами, имеющими различные рабочие положения.

На фиг.6 изображен вид насоса в разрезе по А-А фиг.1.

На фиг.7 изображен вид насоса в разрезе по В-В фиг.1.

На фиг.8 изображено рабочее колесо насоса в сборе с приводом для перемещения промежуточного диска.

На фиг.9 изображен вид на поперечное сечение узла насоса в плоскости А-А фиг.8.

На фиг. 10 изображен вид на поперечное сечение узла насоса в плоскости Б-Б фиг.8.

На фиг.11 представлены графики зависимости КПД насоса от расхода при различных режимах его работы.

На фиг.12 представлены экспериментально полученные характеристики напора насоса при разных режимах его работы.

На фиг.13 представлены экспериментально полученные кривые, характеризующие зависимость подогрева жидкости в насосе от расхода при разных режимах его работы.

Предлагаемый центробежный насос (см. фиг.1) содержит корпус 1, в котором выполнена кольцевая рабочая камера 2. В камере 2 установлено рабочее колесо 3, закрепленное на приводном валу 4, соединенном с приводом (на фиг. не показан). Рабочее колесо 3 включает приводной диск 5, соединенный с приводным валом 4, лопатки 6 (фиг.2), соединенные с приводным диском 5 (выполненные заодно с ним) и имеющие два последовательно размещенные вдоль приводного вала 4 участка 7 и 8 с различным диаметром, покрывной диск 9 (см. фиг.1), закрепленный на рабочем колесе 3 симметрично приводному диску 5 по отношению к лопаткам 6, и промежуточный диск 10, установленный с возможностью перемещения между приводным диском 5 и покрывным диском 9. Промежуточный диск 10 (фиг. 3) имеет сквозные пазы 11, совпадающие по форме и размерам с лопатками 6 участка 7 большого диаметра (фиг.2). В промежуточном диске 10 выполнены также отверстия 12 для выравнивания давления жидкости по обе стороны диска.

Кольцевая рабочая камера 2 (см. фиг.1) соединена с отводами 13, которые в свою очередь разделены поперечной перегородкой 14, расположенной в плоскости поперечного сечения, отделяющей участки 7 и 8 лопаток 6 (см. фиг.2) большего и меньшего диаметров. Кольцевая поперечная перегородка 14 (см. фиг. 1) делит отводы 13 на два отдельных отвода 15 и 16, расположенных напротив участков 7 и 8 лопаток 6 (см. фиг.2) большего и меньшего диаметров, соответственно. Отводы 15 и 16 (см. фиг.1) имеют отдельные выходные патрубки 17 и 18 (см. фиг.4 и 5), в которых установлены обратные клапаны 19 и 20 соответственно. Перед отводом 15 установлен трубчатый направляющий аппарат 21 (см. фиг. 6). Направляющий аппарат 21 представляет собой кольцевой диск, в котором выполнены трубчатые диффузорные каналы 22, которые расположены под углом, примерно совпадающим с углом, под которым перекачиваемая жидкость в абсолютном движении отбрасывается лопатками 7 (см. фиг.2) в направлении направляющего аппарата 21. Перед отводом 16, размещенным напротив участка 8 (см. фиг.7) меньшего диаметра лопаток 6 рабочего колеса 3 (см. фиг.1) также установлен трубчатый направляющий аппарат 23. Применение трубчатых направляющих аппаратов в центробежном насосе переменной производительности позволяет практически устранить радиальные гидравлические нагрузки на рабочее колесо 3.

Промежуточный диск 10 снабжен приводом для его перемещения между приводным диском 5 и покрывным диском 9. Этот привод включает цилиндрическую направляющую втулку 24 (см. фиг.1 и 8), соединенную с промежуточным диском 10 и установленную на скользящей посадке на цилиндрической направляющей втулке 25 приводного диска 5, соединенной с приводным валом 4. Направляющая втулка 24 имеет на одном конце поперечный кольцевой выступ 26, в который упирается возвратная пружина 27, охватывающая поверхность направляющей втулки 24 и заключенная в кольцевую обойму 28. На другом конце направляющей втулки 24 закреплен кольцевой поршень 29, установленный в кольцевой камере 30 гидравлического привода, выполненной в корпусе рабочего колеса 3. Поршень 29 снабжен кольцевым уплотнением 31 из эластичного материала. Кольцевая камера 30 посредством радиальных каналов 32 и продольных каналов 33, выполненных в цилиндрической направляющей втулке 25 (см. фиг.9 и 10), и радиальных каналов 34 соединена с управляющим переключающим клапаном 35, к которому подведены каналы 36 и 37, соединенные с высоким давлением (Р_выс) и низким давлением (Р_низ) насоса соответственно. Зона высокого давления (Р_выс) может быть связана с каналом 13 для вывода жидкости из насоса, а зона низкого давления (Р_низ) может быть связана с патрубком 38 для подвода жидкости в насос (см. фиг. 1). В зазоре 39 между направляющими втулками 24 и 25 промежуточного и приводного дисков 10 и 5 установлены линейные подшипники 40, образованные цилиндрическими каналами 41, расположенными параллельно приводному валу 4 по окружности, совпадающей с кольцевым зазором 39 между направляющими втулками 24 и 25, на равном расстоянии друг от друга (см. фиг.8 и 9). В каналах 41 размещены стальные шарики 42, заключенные в сепараторы (на фиг. не показаны).

Предлагаемый насос работает следующим образом.

Жидкость со входа в насос через входной патрубок 38 поступает на участок лопаток 6 рабочего колеса 3, который не перекрыт промежуточным диском 10, проходит по каналам рабочего колеса 3, образованным лопатками 6, в направлении к отводу 13, затем через диффузорные каналы 22 или 23 (в зависимости от того какой участок 7 или 8 лопаток 6 в этот момент работает) трубчатого направляющего аппарата далее поступает в спиральный отвод 15 или 16, откуда она отводится из насоса по патрубку 17 или 18. В рабочем положении насоса, изображенном на фиг.1, в перемещении жидкости участвуют участки 7 большого диаметра лопаток 6 (см. фиг.2). Участок 8 лопаток 6 в этом положении перекрыт промежуточным диском 10, который прижат к покрывному диску 9 под действием давления жидкости, подаваемой в кольцевую камеру 30 (см. фиг.2) гидравлического привода от управляемого переключающего клапана 35, который в данный момент соединяет зону высокого давления (Р_выс) через каналы 34, 33 и 32 с кольцевой камерой гидравлического привода.

При этом положении промежуточного диска 10 насос работает в режиме максимального напора, развиваемого участком 7 рабочих лопаток 6 большого диаметра, и жидкость по каналам рабочего колеса 3, образованным лопатками 6, по каналам 22 трубчатого направляющего аппарата 21, по каналам спирального сборника 15 выходит из насоса по патрубку 17. При этом под действием напора жидкости в патрубке 17 обратный клапан 19 открыт (см. фиг.4), а обратный клапан 20, установленный в патрубке 18, закрыт.

Для перевода насоса в рабочее положение, соответствующее режиму малых расходов жидкости и умеренных давлений, по команде от блока управления (на фиг. 8 не показан) переключающий клапан 35 переводится во второе рабочее положение, при котором кольцевая камера 30 гидравлического привода соединяется посредством каналов 32, 33 и 34 с низким давлением (Р_низ). При этом давление жидкости в кольцевой камере 30 уменьшается за счет стравливания жидкости через зазор 39 между направляющими втулками 24 и 25 и направляющая втулка 24 вместе с промежуточным диском 10 под действием возвратной пружины 27 переводится во второе рабочее положение, при котором промежуточный диск 10 прижимается к приводному диску 5. При этом положении промежуточный диск 10 перекрывает участок 7 большего диаметра лопаток 6 и открывает участок 8 меньшего диаметра лопаток 6, который при вращении рабочего колеса 3 воздействует на поступающую по патрубку 38 перекачиваемую жидкость. В этом рабочем положении насоса перемещение жидкости от входа ее в насос до выхода жидкости через отвод 16 и далее в патрубок 18 осуществляется под действием сил, развиваемых участком 8 малого диаметра лопаток 6 рабочего колеса 3, и сил трения в щелевом зазоре между поверхностями покрывного диска 9 и промежуточного диска 10, работающем как дисковый насос трения. Развиваемый при этом в насосе напор жидкости по своему значению уступает напору жидкости, развиваемому в первом рабочем положении насоса, когда на жидкость воздействует участок 7 большего диаметра лопаток 6 (положение насоса, изображенное на фиг.1).

Таким образом, предлагаемый насос обеспечивает возможность работы при двух режимах, один из которых обеспечивает относительно небольшой напор перекачиваемой жидкости и соответствует рабочему положению насоса, при котором работает участок 8 с малым диаметром лопаток, а другой обеспечивает повышенный напор перекачиваемой жидкости и соответствует рабочему положению насоса, при котором работает участок 7 с большим диаметром лопаток. Это обеспечивает возможность выбора наиболее оптимального режима работы насоса с точки зрения температуры нагрева жидкости в насосе. Как известно, температура нагрева жидкости в насосе прямо пропорциональна развиваемому напору жидкости и приблизительно обратно пропорциональна значению КПД в насосе. В предлагаемом насосе для снижения нагрева жидкости величина напора жидкости регулируется с помощью клапана 35, а высокое значение КПД насоса достигается за счет применения двух раздельных отводов 15 и 16. При этом, несмотря на относительно большую ширину рабочего колеса 3, обусловленную наличием двух участков лопаток 6 с различными диаметрами, в предлагаемом насосе радиальная гидравлическая нагрузка на рабочее колесо при любых его режимах работы является минимальной. Это обусловлено тем, что отвод 13 рабочей камеры 2 поделен с помощью кольцевой перегородки 14 на две отдельные полости, в каждой из которых установлен отвод с трубчатым направляющим аппаратом, предназначенным, в том числе, для устранения или существенного снижения радиальных нагрузок. При этом каждый из отводов имеет свой выходной патрубок.

Представленные на фиг.11 кривые отображают зависимость КПД предлагаемого насоса от показателя объемного расхода (Q) жидкости, деленного на число оборотов (n) рабочего колеса при разных режимах работы насоса. Кривая 1 отображает эту зависимость при работе колеса с участком 7 большого диаметра лопаток, а кривая 2 - при работе колеса с участком 8 малого диаметра лопаток. Как видно из представленных зависимостей, использование двух участков лопаток 6 с разными диаметрами лопаток позволяет повысить КПД насоса при работе в режиме использования участка 8 малого диаметра лопаток. При этом точка 3 пересечения кривых 1 и 2 соответствует оптимальному моменту переключения насоса из режима работы насоса с участком 8 малого диаметра лопаток на режим работы насоса с участком 7 большого диаметра лопаток и наоборот. Отмеченные на фиг.11 диапазоны изменения максимального КПД соответствуют насосам с различными значениями коэффициента быстроходности и абсолютных линейных размеров насоса.

На фиг.12 изображены кривые зависимостей напора насоса от массового расхода жидкости (G), отнесенного к числу оборотов (n) рабочего колеса при различных режимах работы колеса. Кривая 1 соответствует работе колеса с участком 7 большого диаметра лопаток, а кривая 2 - при работе колеса с участком 8 малого диаметра лопаток. Как видно из сравнения экспериментально полученных кривых 1 и 2 зависимостей, напор насоса при работе колеса с участком 7 большого диаметра лопаток (кривая 1) превышает напор насоса с участком 8 малого диаметра лопаток (кривая 2) примерно на 40%. Это обеспечивает возможность уменьшения нагрева жидкости в предлагаемом насосе за счет перехода от режима работы колеса с участком 7 большого диаметра лопаток на режим работы колеса с участком 8 малого диаметра лопаток. Для иллюстрации этого положения на фиг.13 представлены экспериментально полученные кривые зависимости величины подогрева ΔT жидкости в предлагаемом насосе, отнесенной к числу оборотов (n) колеса, от массового расхода (G) жидкости, отнесенного к числу оборотов (n) колеса. При этом кривая 1 соответствует режиму работы колеса с участком 7 большого диаметра лопаток, а кривая 2 - режиму работы колеса с участком 8 малого диаметра лопаток. Как видно из сравнения представленных кривых 1 и 2, подогрев жидкости в режиме работы колеса с участком 8 малого диаметра лопаток существенно ниже. Особенно это заметно при малых расходах жидкости.

Формула изобретения

1. Центробежный насос, содержащий корпус с кольцевой рабочей камерой, рабочее колесо, установленное в рабочей камере на приводном валу и включающее приводной диск, соединенный с приводным валом, лопатки, соединенные с приводным диском и имеющие два участка с различным диаметром, последовательно размещенные вдоль приводного вала, покрывной диск, закрепленный на рабочем колесе симметрично проводному диску по отношению к лопаткам, промежуточный диск, установленный с возможностью перемещения между приводным и покрывным дисками и имеющий сквозные пазы, совпадающие по форме и размерам с лопатками большого диаметра, привод для перемещения промежуточного диска, осевой патрубок для подвода жидкости к рабочему колесу и патрубок для отвода жидкости, соединенный со спиральным сборником, размещенным напротив выходных концов лопаток рабочего колеса, отличающийся тем, что в спиральном сборнике установлена кольцевая поперечная перегородка, расположенная в плоскости поперечного сечения, разделяющей участки лопаток большого и малого диаметров, которая образует два параллельных спиральных отвода, размещенных напротив участков лопаток различного диаметра и имеющих отдельные патрубки для отвода жидкости из насоса.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что он снабжен обратными запорными клапанами, установленными в патрубках для отвода жидкости и работающими так, что, когда открыт клапан в одном патрубке, то закрыт клапан в другом патрубке и наоборот.

3. Насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что привод для перемещения промежуточного диска содержит цилиндрическую направляющую втулку, соединенную с промежуточным диском и установленную на скользящей посадке на цилиндрической направляющей втулке приводного диска, жестко соединенной с приводным валом, причем один конец направляющей втулки промежуточного диска снабжен возвратной пружиной, которая посредством втулки прижимает промежуточный диск к приводному диску, а второй конец этой направляющей втулки снабжен кольцевым поршнем, установленным в кольцевой камере гидравлического привода, снабженной каналом для подачи жидкости под давлением.

4. Насос по п. 3, отличающийся тем, что в зазоре между направляющими втулками приводного и промежуточного дисков установлены линейные подшипники, образованные цилиндрическими каналами, расположенными параллельно приводному валу по окружности, совпадающей с кольцевым зазором между направляющими втулками на равном расстоянии друг от друга, и стальными шариками, заполняющими эти каналы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13