Насос и импеллер с низкой кавитацией

Группа изобретений относится к центробежным насосам, имеющим комбинацию осевого и радиального импеллеров. Импеллер центробежного насоса содержит по меньшей мере две основные лопасти (ОЛ) и две вторичные лопасти (ВЛ). Каждая ОЛ проходит непрерывным гребнем по винтовой или спиральной траектории вокруг впускного конца от передней к задней кромке и имеет переходную зону между впускным и выпускным концами. Передняя кромка является смежной с впускным отверстием, а задняя – определяет первый радиус выпускного отверстия. Между смежными ОЛ образованы непрерывные впускные каналы. Каждая ВЛ является непрерывным гребнем и расположена между двумя смежными переходными зонами каждой из двух смежных ОЛ. Задняя кромка каждой ВЛ определяет второй радиус выпускного конца, равный первому радиусу последнего. Каждая ВЛ определяет два выпускных канала, каждый из которых ограничен первой и второй стенками и дном. Дно соединяет первую и вторую стенки. Первая стенка является поверхностью ВЛ, вторая – поверхностью смежной ОЛ, а дно каждого выпускного канала является поверхностью импеллера. В дне каждого выпускного канала выполнено разгрузочное отверстие. Изобретения направлены на уменьшение кавитации и последующих повреждений во время работы. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к импеллеру для центробежного насоса, в частности, к комбинации осевого и радиального импеллера, которая уменьшает кавитацию и последующее повреждение во время работы.

Уровень техники

[0002] Центробежные насосы, которые используют лопасти импеллера, известны в данной области техники. Примеры центробежных насосов и лопастей импеллера можно найти в патенте США №8,998,582 и заявке на Европейский патент №89308869.0.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] В одном варианте воплощения изобретения импеллер центробежного насоса включает: ось вращения; впускной конец, расположенный противоположно выпускному концу вдоль оси вращения; по меньшей мере две основные лопасти; по меньшей мере две вторичные лопасти; при этом впускной конец включает впускное отверстие; при этом каждая основная лопасть является непрерывным гребнем, проходящим от передней кромки основной лопасти до задней кромки основной лопасти; при этом передняя кромка каждой основной лопасти является смежной со впускным отверстием, и задняя кромка каждой основной лопасти определяет первый радиус выпускного конца; при этом каждая основная лопасть проходит по винтовой или спиральной траектории вокруг впускного конца от передней кромки основной лопасти к задней кромке основной лопасти и, при этом каждая основная лопасть определяет непрерывный впускной канал между собой и смежной основной лопастью; при этом каждая основная лопасть содержит переходную зону между впускным концом и выпускным концом; при этом каждая основная лопасть имеет длину на выпускном конце, которая проходит в радиальном направлении перпендикулярно от оси вращения, и высоту, которая проходит параллельно оси вращения; при этом каждая вторичная лопасть является непрерывным гребнем, проходящим от передней кромки вторичной лопасти до задней кромки вторичной лопасти; при этом передняя кромка каждой вторичной лопасти расположена между двумя смежными переходными зонами каждой из двух смежных основных лопастей; при этом каждая задняя кромка вторичной лопасти определяет второй радиус выпускного конца, который равен первому радиусу выпускного конца; и при этом каждая вторичная лопасть определяет два выпускных канала, причем каждый выпускной канал определен первой стенкой, второй стенкой и дном, которое соединяет первую стенку со второй стенкой, причем первая стенка каждого выпускного канала является одной поверхностью вторичной лопасти, а вторая стенка каждого выпускного канала является поверхностью смежной основной лопасти, обращенной к поверхности вторичной лопасти, определяющей первую стенку, причем дно каждого выпускного канала является поверхностью импеллера, соединяющей первую стенку со второй стенкой.

[0004] В другом варианте воплощения изобретения согласно любому другому варианту или комбинации вариантов воплощения изобретения, каждый выпускной канал включает разгрузочное отверстие в своем дне. В другом варианте воплощения изобретения согласно любому другому варианту или комбинации вариантов воплощения изобретения импеллер центробежного насоса включает четыре основные лопасти и четыре вторичные лопасти. В другом варианте воплощения изобретения согласно любому другому варианту или комбинации вариантов воплощения изобретения центробежный насос дополнительно включает радиальный вырез между задней кромкой каждой основной лопасти и задней кромкой каждой вторичной лопасти, при этом радиальный вырез включает секцию импеллера, имеющую третий радиус, который меньше, чем первый радиус и второй радиус.

[0005] В другом варианте воплощения изобретения согласно любому другому варианту или комбинации вариантов воплощения изобретения, каждая вторичная лопасть равноудалена от каждой смежной основной лопасти от передней кромки вторичной лопасти до задней кромки вторичной лопасти.

[0006] В другом варианте воплощения изобретения согласно любому другому варианту или комбинации вариантов воплощения изобретения, каждая вторичная лопасть геометрически аналогична смежной зоне основной лопасти.

[0007] В другом варианте воплощения изобретения согласно любому другому варианту или комбинации вариантов воплощения изобретения, переходная зона определяет непрерывный путь потока между каждым впускным каналом и выпускным концом.

[0008] В другом варианте воплощения изобретения согласно любому другому варианту или комбинации вариантов воплощения изобретения, каждая вторичная лопасть имеет длину, проходящую в радиальном направлении перпендикулярно от оси вращения, и высоту, которая проходит параллельно оси вращения.

[0009] В другом варианте воплощения изобретения согласно любому другому варианту или комбинации вариантов воплощения изобретения высота каждой вторичной лопасти равна высоте каждой основной лопасти.

[0010] В другом варианте воплощения изобретения центробежный насос включает импеллер, воплощающий любой признак или комбинацию признаков, описанных здесь.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0011] Изобретение можно понять с помощью нижеследующего описания вместе с сопроводительными чертежами, на которых одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые элементы, и на которых:

[0012] Фигура 1 является видом в перспективе одного варианта воплощения импеллера, выполненного с возможностью использования в центробежном насосе;

[0013] Фигура 2 является другим видом в перспективе того же варианта воплощения импеллера настоящего изобретения;

[0014] Фигура 3 является видом центробежного насоса в сечении, включающим один вариант импеллера настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0015] Один вариант воплощения настоящего изобретения является импеллером, выполненным с возможностью использования с центробежным насосом, и другой вариант воплощения настоящего изобретения является центробежным насосом, включающим импеллер. Импеллер, согласно изобретению, может быть описан как комбинация осевого импеллера и радиального импеллера (или как двухступенчатый импеллер), поскольку он включает впускную секцию (или первую ступень), которая сообщает осевое течение перекачиваемой текучей среде, и выпускную секцию (или вторую ступень), которая сообщает текучей среде радиальное течение.

[0016] На Фигуре 1 показан вид в перспективе одного из вариантов воплощения импеллера настоящего изобретения. Импеллер 100 включает впускной конец 102 и выпускной конец 104. Когда импеллер вращается вокруг своей оси вращения, текучая среда входит в насосную камеру центробежного насоса возле впускного конца импеллера в отверстие 106, ускоряется лопастями импеллера и выходит из насосной камеры в спиральный корпус насоса, окружающий импеллер.

[0017] Импеллер согласно настоящему изобретению включает основные лопасти 108 (иногда называемые лопатками), которые являются сплошными гребнями, проходящими от передней кромки впускного конца 118 до задней кромки выпускного конца 120. На впускном конце 102 основные лопасти 108 проходят по винтовой траектория или спиральной траектории от передней кромки 118 вокруг оси вращения в направлении выпускного конца 104. В секции между впускным концом 102 и выпускным концом 104 находится переходная зона 114, в которой основные лопасти 108 переходят от винтовой или спиральной траектории к осевой/радиальной траектории.

[0018] В результате каждая основная лопасть включает длину 116, которая проходит в радиальном направлении перпендикулярно оси вращения импеллера с высотой лопасти 132, параллельной оси вращения, переходную секцию 114 и секцию, которая является винтовой 102. Секция 116, перпендикулярная оси вращения, проходит от задней кромки 120 до передней кромки 118 и заканчивается на одном конце переходной секции 114. Переходная секция 114 соединяет винтовую или спиральную впускную секцию 102 с секцией 116, перпендикулярной оси вращения.

[0019] Конструкции импеллеров предшествующего уровня техники, такие как представленные в патенте США 8,998,582, имеют зазор или разрыв в лопасти между впускной секцией и выпускной секцией. Единственное отличие между настоящим изобретением и предшествующим уровнем техники состоит в том, что каждая основная лопасть 108 согласно настоящему изобретению является непрерывным гребнем от передней кромки 118 до задней кромки 120. Следовательно, имеется непрерывный впускной канал или путь потока 126 (который разделен на два канала или пути потока вторичными лопастями 110, более подробно описано ниже) от передней кромки впускного конца до переходной секции и далее до выпуска. Эта структура обеспечивает перекачивание жидкости с плавным переходом от осевого течения (потока в осевом направлении) во впускной секции к радиальному течению (потоку в радиальном направлении) в выпускной секции.

[0020] Импеллер 100 настоящего изобретения также включает по меньшей мере одну вторичную лопасть 110. Каждая вторичная лопасть 110 включает заднюю кромку 124, которая подобна задней кромке 120 основных лопастей 108. Вторичная лопасть 110 включает гребень, который проходит от задней кромки 124 до передней кромки 122. Передняя кромка 122 каждой вторичной лопасти 110 расположена между переходной зоной 114 каждой из смежных основных лопастей 108. Каждая вторичная лопасть имеет длину, которая проходит в радиальном направлении от оси вращения импеллера, и высоту, которая проходит параллельно оси вращения. В предпочтительном варианте воплощения изобретения эта часть вторичной лопасти геометрически аналогична каждой смежной зоне каждой смежной основной лопасти 108. Дополнительно, в одном из вариантов воплощения изобретения каждая вторичная лопасть расположена на импеллере на одинаковом расстоянии от каждой смежной основной лопасти.

[0021] Каждая вторичная лопасть разделяет непрерывный впускной канал 126, определенный основными лопастями, которые расположены с обеих сторон вторичной лопасти, на два непрерывных выпускных канала 128 и 130. Каждый выпускной канал определен как пространство между вторичной лопастью и смежной основной лопастью, и каждый выпускной канал простирается от области между передней кромкой 122 вторичной лопасти и по окружности смежного местоположения на смежной основной лопасти до зоны между задней кромкой вторичной лопасти и задней кромкой этой же основной лопасти. Каждый выпускной канал определен первой стенкой, второй стенкой и дном, которое объединяет первую стенку со второй стенкой. Первая стенка содержит одну поверхность основной лопасти, а вторая стенка содержит поверхность смежной вторичной лопасти, которая обращена к поверхности основной лопасти, содержащей первую стенку. Дно является поверхностью импеллера, которая соединяет первую стенку со второй стенкой. Один или оба выпускных канала 128 или 130 могут включать разгрузочное отверстие, как описано ниже.

[0022] В предпочтительном варианте воплощения изобретения каждый выпускной канал содержит радиальный вырез 134 в дне выпускного канала. Радиальным вырезом является зона, где внешняя кромка на выпускном конце импеллера имеет радиус, который меньше, чем радиус импеллера в месте задней кромки основной лопасти или задней кромки вторичной лопасти. Радиальные вырезы способствуют снижению осевой нагрузки на заднюю сторону импеллера, но не могут простираться слишком далеко в направлении оси вращения, поскольку они будут влиять на структурную целостность лопастей импеллера.

[0023] В предпочтительном варианте воплощения изобретения импеллер включает по меньшей мере одно разгрузочное отверстие 112. Разгрузочные отверстия способствуют выравниванию давления на перед и зад диска импеллера. Отсутствие разгрузочных отверстий может привести к чрезмерному давлению, образующемуся за импеллером, что увеличивает осевые нагрузки и повышает риск выхода подшипника из строя.

[0024] На Фигуре 2 показан другой вид в перспективе импеллера, показанного на Фигуре 1, с видимым монтажным узлом 140. Монтажный узел 140 используется для прикрепления импеллера к приводному механизму, такому как коленчатый вал, приводимый в действие коробкой передач, как подробно описано ниже. Монтажный узел может установить импеллер с помощью шпоночного соединения, шлицевого соединения, резьбового соединения, соединения болта и гайки или любого другого монтажного узла, известного в данной области техники.

[0025] На Фигуре 3 показан вид в сечении одного варианта двухступенчатого центробежного насоса 200, включающего один вариант воплощения импеллера согласно настоящему изобретению. Двухступенчатый насос включает первую ступень 206 и первый вход 216, который соответствует местоположению отверстия 106 импеллера. Текучая среда проходит через вход 216, через впускную секцию 102 и выпускную секцию 104, а затем входит в спиральный корпус 210. Импеллер вращается вокруг своей оси вращения посредством коленчатого вала 212, присоединенного к импеллеру. Коленчатый вал 212 вращается коробкой передач 204.

[0026] Спиральный корпус 210 находится в сообщении по текучей среде с выпускным каналом текучей среды (не показан, идет в направлении к зрителю на разрезе Фигуры 3), который питает вход 218 второй ступени 208 двухступенчатого центробежного насоса 200. Текучая среда перетекает от входа через во второй импеллер и выходит через выпуск 220 спирального корпуса. Второй импеллер вращается вокруг своей оси вращения посредством коленчатого вала 222, который вращается коробкой передач 204. Второй импеллер предпочтительно не является импеллером изобретения, описанным здесь, поскольку давление на входе 218 второй ступени столь велико что, традиционный импеллер может использоваться без кавитации или ухудшения производительности.

[0027] Хотя вариантом воплощения изобретения, показанным на Фигуре 3, является двухступенчатый центробежный насос, импеллер согласно настоящему изобретению может использоваться в соединении с практически любым центробежным насосом, таким как вертикальный одноступенчатый насос.

[0028] Основным преимуществом импеллера настоящего изобретения, описанного здесь, обеспечиваемым пользователю, является уменьшение кавитации во время работы насоса. Кавитация вызвана локализованным разделением потока и обратным потоком, что должно приводить к неравномерному ускорению текучей среды и, как следствие, образованию паровой каверны в месте падения давления. Когда давление внутри насоса нормализуется, паровая каверна вновь подвергнется действию давления и схлопнется, вызывая повреждение поверхности импеллера вблизи схлопывания. Обнаружено, что это происходит на входном отверстии импеллера и, для импеллера, описанного в патенте США 8,998,582, на передней кромке радиальных лопастей, включающих заднюю секцию, в зазоре между впускными лопастями и выпускными лопастями.

[0029] Кавитация является основной проблемой в центробежных насосах и может возникать даже тогда, когда насос сконструирован с правильно спроектированным импеллером и достаточным напором на всасывании. Кавитацию трудно предотвратить или исключить из конструкции после обнаружения ее существования. Известные пути борьбы с кавитацией включают изменение геометрии корпуса входа, исполнения спирали, конструкции предвключенного устройства, скругление углов лопастей, либо снижение скорости импеллера. Эти обычные методы обычно не устраняют кавитацию во входном отверстии импеллера.

[0030] Показано, что настоящее изобретение существенно уменьшает или устраняет кавитацию во входном отверстии импеллера, вдоль всей траектории потока лопастей импеллера и вдоль всей рабочей зоны насоса, не допуская рециркуляции, разделения потока, или обратного потока. В одном из вариантов воплощения изобретения предложенный импеллер может иметь такие размеры, чтобы модернизировать существующие конструкций насосов и может быть легко взаимозаменяем с импеллером, обеспеченным с конструкцией оригинального оборудования. Импеллер согласно изобретению может быть модернизирован на существующих насосах и обеспечить до 120% от номинального потока или точки максимального КПД (ВЕР) без повреждения от кавитации.

[0031] Конкретные варианты воплощения изобретения показаны в качестве примера на чертежах и подробно описаны здесь, хотя изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы. Однако, следует понимать, что описание конкретных вариантов воплощения изобретения не предполагает ограничение изобретения конкретными раскрытыми формами.

1. Импеллер центробежного насоса, включающий:

ось вращения;

впускной конец, расположенный противоположно выпускному концу вдоль оси вращения;

по меньшей мере две основные лопасти;

по меньшей мере две вторичные лопасти;

при этом:

впускной конец включает впускное отверстие;

каждая основная лопасть является непрерывным гребнем, проходящим от передней кромки основной лопасти к задней кромке основной лопасти;

передняя кромка каждой основной лопасти является смежной со впускным отверстием, а задняя кромка каждой основной лопасти определяет первый радиус выпускного конца;

каждая основная лопасть проходит по винтовой или спиральной траектории вокруг впускного конца от передней кромки основной лопасти к задней кромке основной лопасти, и при этом каждая основная лопасть определяет непрерывный впускной канал между собой и смежной основной лопастью;

каждая основная лопасть включает переходную зону между впускным концом и выпускным концом;

каждая основная лопасть имеет длину на выпускном конце, которая проходит в радиальном направлении перпендикулярно от оси вращения, и высоту, которая проходит параллельно оси вращения;

каждая вторичная лопасть является непрерывным гребнем, проходящим от передней кромки вторичной лопасти к задней кромке вторичной лопасти;

передняя кромка каждой вторичной лопасти расположена между двумя смежными переходными зонами каждой из двух смежных основных лопастей;

задняя кромка каждой вторичной лопасти определяет второй радиус выпускного конца, который равен первому радиусу выпускного конца;

каждая вторичная лопасть определяет два выпускных канала, причем каждый выпускной канал определен первой стенкой, второй стенкой и дном, которое соединяет первую стенку со второй стенкой, причем первая стенка каждого выпускного канала является одной поверхностью вторичной лопасти, а вторая стенка каждого выпускного канала является поверхностью смежной основной лопасти, обращенной к поверхности вторичной лопасти, определяющей первую стенку, при этом дно каждого выпускного канала является поверхностью импеллера, соединяющей первую стенку со второй стенкой, при этом каждый выпускной канал включает разгрузочное отверстие в своем дне.

2. Импеллер центробежного насоса по п. 1, включающий четыре основные лопасти и четыре вторичные лопасти.

3. Импеллер центробежного насоса по п. 1, дополнительно включающий радиальный вырез между задней кромкой каждой основной лопасти и задней кромкой каждой вторичной лопасти, причем радиальный вырез включает секцию импеллера, имеющую третий радиус, который меньше, чем первый радиус и второй радиус.

4. Импеллер центробежного насоса по п. 1, отличающийся тем, что каждая вторичная лопасть равноудалена от каждой смежной основной лопасти от передней кромки вторичной лопасти до задней кромки вторичной лопасти.

5. Импеллер центробежного насоса по п. 1, отличающийся тем, что каждая вторичная лопасть геометрически аналогична смежной зоне основной лопасти.

6. Импеллер центробежного насоса по п. 1, отличающийся тем, что переходная зона определяет непрерывный путь потока между каждым впускным каналом и выпускным концом.

7. Импеллер центробежного насоса по п. 1, отличающийся тем, что каждая вторичная лопасть включает длину, которая проходит в радиальном направлении перпендикулярно от оси вращения, и высоту, которая проходит параллельно оси вращения.

8. Импеллер центробежного насоса по п. 1, отличающийся тем, что высота каждой вторичной лопасти равна высоте каждой основной лопасти.

9. Центробежный насос, включающий импеллер по п. 1.

10. Импеллер центробежного насоса, включающий:

ось вращения;

впускной конец, расположенный противоположно выпускному концу вдоль оси вращения;

по меньшей мере две основные лопасти;

по меньшей мере две вторичные лопасти;

при этом:

впускной конец включает впускное отверстие;

каждая основная лопасть является непрерывным гребнем, проходящим от передней кромки основной лопасти к задней кромке основной лопасти;

передняя кромка каждой основной лопасти является смежной со впускным отверстием, а задняя кромка каждой основной лопасти определяет первый радиус выпускного конца;

каждая основная лопасть проходит по винтовой или спиральной траектории вокруг впускного конца от передней кромки основной лопасти к задней кромке основной лопасти, и при этом каждая основная лопасть определяет непрерывный впускной канал между собой и смежной основной лопастью;

каждая основная лопасть включает переходную зону между впускным концом и выпускным концом;

каждая основная лопасть имеет длину на выпускном конце, которая проходит в радиальном направлении перпендикулярно от оси вращения, и

высоту, которая проходит параллельно оси вращения;

каждая вторичная лопасть является непрерывным гребнем, проходящим от передней кромки вторичной лопасти к задней кромке вторичной лопасти;

передняя кромка каждой вторичной лопасти расположена между двумя смежными переходными зонами каждой из двух смежных основных лопастей;

задняя кромка каждой вторичной лопасти определяет второй радиус выпускного конца, который равен первому радиусу выпускного конца;

каждая вторичная лопасть определяет два выпускных канала, причем каждый выпускной канал определен первой стенкой, второй стенкой и дном, которое соединяет первую стенку со второй стенкой, причем первая стенка каждого выпускного канала является одной поверхностью вторичной лопасти, а вторая стенка каждого выпускного канала является поверхностью смежной основной лопасти, обращенной к поверхности вторичной лопасти, определяющей первую стенку, при этом дно каждого выпускного канала является поверхностью импеллера, соединяющей первую стенку со второй стенкой; и

радиальный вырез между задней кромкой каждой основной лопасти и задней кромкой каждой вторичной лопасти, причем радиальный вырез включает секцию импеллера, имеющую третий радиус, который меньше, чем первый радиус и второй радиус.

11. Импеллер центробежного насоса по п. 10, включающий четыре основные лопасти и четыре вторичные лопасти.

12. Импеллер центробежного насоса по п. 10, отличающийся тем, что каждая вторичная лопасть равноудалена от каждой смежной основной лопасти от передней кромки вторичной лопасти до задней кромки вторичной лопасти.

13. Импеллер центробежного насоса по п. 10, отличающийся тем, что каждая вторичная лопасть геометрически аналогична смежной зоне основной лопасти.

14. Импеллер центробежного насоса по п. 10, отличающийся тем, что переходная зона определяет непрерывный путь потока между каждым впускным каналом и выпускным концом.

15. Импеллер центробежного насоса по п. 10, отличающийся тем, что каждая вторичная лопасть включает длину, которая проходит в радиальном направлении перпендикулярно от оси вращения, и высоту, которая проходит параллельно оси вращения.

16. Импеллер центробежного насоса по п. 10, отличающийся тем, что высота каждой вторичной лопасти равна высоте каждой основной лопасти.

17. Центробежный насос, включающий импеллер по п. 10.