СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ОДНОВИНТОВОГО НАСОСА И УСТРОЙСТВО СТАТОРА ТАКОГО НАСОСА
METHOD FOR CONTROL OF HELICAL ROTOR PUMP OPERATION AND DESIGN OF SUCH PUMP STATOR

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для управления работой одновинтового насоса (также называемого эксцентриковым шнековым насосом), внутренние размеры статора которого адаптируют к условиям, возникающим во время работы насоса.
Из DE 1303705 известен одновинтовой насос с увеличенным сроком службы. Для этого в конструкции насоса используются корпус статора, имеющий коническую форму с внутренней стороны, и обойма статора, имеющая коническую форму с наружной стороны. С износом обоймы, влекущим за собой увеличение внутреннего поперечного сечения последней, обе конические детали, а именно корпус и обойму статора, перемещают относительно друг друга в продольном направлении. За счет этого относительного смещения обойма сжимается в радиальном направлении без изменения длины обоймы статора.
Обойма регулируется по положению путем перестановки компенсационных шайб из положения перед фланцем в положение за фланцем.
Из DD 279043 А1 известен статор одновинтового насоса, который, аналогично известному из DE 1303705, состоит из конических деталей, которые в указанной публикации обозначены как втулка и статор. Для уменьшения внутреннего диаметра статора указанные детали перемещают относительно друг друга. Перемещение обеспечивается зажимной гайкой, посредством нажимного элемента смещающей статор внутрь втулки.
Из DE 1553126 известна показанная на фиг.4 указанной публикации конструкция ротора, имеющего внутренний и наружный многоугольные кожухи и также многоугольную обойму.
Из DE 19821065 известен ротор, наружная поверхность которого выполнена в виде червяка. Кожух и обойма статора сопряжены без использования связующих.
Из DE 10042335 известен показанный на фиг.4 указанной публикации выполненный разделенным в продольном направлении кожух статора. Соединение между обеими частями кожуха обеспечивается изображенными на указанном чертеже двумя рычагами, с геометрическим замыканием соединяющими первую часть кожуха статора со второй его частью.
Из DE 1204072 А1 известно несколько вариантов выполнения статора одновинтового насоса со смежными элементами резервуара и выпускной трубы. Составной цилиндрический корпус статора соединен с этим резервуаром и с выпускной трубой резьбовыми соединениями. Для изменения расстояния между резервуаром и выпускной трубой могут применяться различные конструктивные мероприятия. Это расстояние может изменяться либо непосредственно на участке резервуара и выпускной трубы, либо на центральном участке между обеими частями кожуха статора. Изменяя расстояние между резервуаром и выпускной трубой в осевом направлении с одной или с обеих сторон статора кольцевой крышкой, можно изменять длину обоймы статора в осевом направлении. Во всех известных из указанной публикации вариантах после сжатия обоймы статора посередине ее продольной протяженности между отдельными элементами статора материал этой обоймы на участке ее внутреннего поперечного сечения распределяется неравномерно. Помимо этого во всех таких вариантах любое изменение длины обоймы статора сопровождается изменением общей длины насоса.
Из авторского свидетельства SU 1555532 А1 (ближайший аналог изобретения) известно решение одновинтового насоса, предусматривающее радиальное силовое воздействие на обойму с целью снижения контактных напряжений в паре "обойма-ротор" при изменениях температуры. Корпус известного насоса выполнен с осевым разрезом вверху, радиальное сжатие корпуса осуществляется цилиндрами, в которых расположены подпружиненные поршни, регулируемые по положению посредством соответствующих гаек и регулировочных винтов.
В основу настоящего изобретения положена задача обеспечить возможность адаптации насоса к самым различным рабочим условиям без изменения длины насоса и с минимальными затратами на сборку и монтаж.
Указанная задача решается тем, что в способе управления работой одновинтового насоса, заключающемся в том, что внутренние размеры статора адаптируют к условиям, возникающим во время работы насоса, воздействуя на обойму статора, состоящую из эластичного материала, которая по всей своей длине прилегает к кожуху статора, согласно изобретению изменяют осевую длину обоймы статора, которая прилегает к кожуху с возможностью ее свободного перемещения, растягивающим или сжимающим усилием, прикладываемым только с одного торца статора, причем для равномерного распределения растягивающего или сжимающего усилия обойму статора удлиняют или укорачивают вдоль контактных поверхностей, проходящих параллельно продольной оси насоса.
Осевую деформацию обоймы статора создают регулировочным кольцом, расположенным в корпусе насоса или в его концевой части и подвижным относительно продольной оси насоса.
Длину, на которую обойму статора удлиняют или укорачивают в осевом направлении, регулируют в зависимости от потребляемого приводом тока и/или от измеряемого давления на выходе насоса и/или от измеряемой температуры в зоне статора.
Во время изменения внутренних размеров статора между кожухом и обоймой статора происходит взаимное перемещение.
Укорачиванием обоймы статора в осевом направлении при неизменном объеме ее массы достигают уменьшения общего внутреннего диаметра статора.
Кроме того, указанная задача решается в конструкции одновинтового насоса для осуществления охарактеризованного выше способа. Одновинтовой насос для осуществления способа имеет кожух статора и расположенную внутри него обойму статора, причем обойма и кожух статора выполнены в виде отдельных частей, внутренняя поверхность кожуха статора и наружная поверхность обоймы статора по всей длине статора имеют контактные поверхности, проходящие параллельно продольной оси насоса, а в концевой части насоса или в его корпусе предусмотрено регулировочное кольцо, установленное с возможностью его перемещения относительно продольной оси насоса независимо от выполняемых на прижимном фланце или корпусе насоса монтажных работ.
Подвижное регулировочное кольцо соединено с гидравлическим или пневматическим устройством.
Регулировочное кольцо выполнено с резким переходом между участками разного диаметра.
На участке как большего, так и меньшего диаметра регулировочного кольца предусмотрены уплотнения, ограничивающие кольцевую камеру.
Кожух статора, по меньшей мере, частично состоит из отдельных кольцевых элементов.
Конец(ы) кожуха статора прилегает(ют) к внутренней поверхности корпуса насоса и/или концевой части, причем при соответствующем упоре имеется зазор.
Кожух статора сопряжен с обоймой статора с геометрическим замыканием.
Обойма статора имеет снаружи многоугольную форму.
Кожух статора выполнен цельным или составным.
Кожух статора имеет продольную прорезь, параллельную его оси.
Кожух статора имеет запорную планку.
Запорная планка соединена с параллельными продольными кромками кожуха статора с геометрическим замыканием.
Запорная планка перекрывает продольные кромки с их наружной стороны.
Запорная планка замыкает прилегающие участки внутренней стороны кожуха статора в одной плоскости.
Кожух статора без запорной планки имеет больший диаметр.
Кожух статора образует вместе с концевой частью насоса или корпусом насоса конструктивный узел.
При эксплуатации одновинтового насоса необходимо учитывать самые разные фазы работы, оказывающие влияние на режим работы или на конструкцию узлов насоса, активно участвующих в нагнетании. Так, например, при перекачивании сред с вязкостью от низкой до средней, содержащих или не содержащих абразивных частиц, возможны различные реакции со стороны насоса как на стадии пуска, так и в процессе нормальной работы.
В соответствии с изобретением в качестве ответных мер на разного рода реакции со стороны насоса, например на падение напора, переход насоса в режим сухого хода, повышение температуры или блокировку насоса, можно изменять поперечное сечение внутренней полости статора, для чего может укорачиваться или удлиняться обойма последнего. С этой целью на эластомерную обойму статора воздействуют растяжением или сжатием в осевом направлении. В частности, длину, на которую обойму статора удлиняют или укорачивают в осевом направлении, можно регулировать в зависимости от потребляемого приводом тока, и/или от измеряемого давления на выходе насоса, и/или от измеряемой температуры в зоне статора.
Отклонения насоса от нормального режима работы чаще всего проявляются в падении напора или в увеличении тока, потребляемого приводным двигателем. В зависимости от требуемой оперативности принятия ответных мер, адаптация внутренних размеров обоймы статора может осуществляться механическими, электрическими либо электронными средствами. Было установлено, что управлять взаимодействием ротора и статора, соответственно вносить поправки в характер этого взаимодействия можно не только путем радиальной деформации обоймы статора, но и путем укорачивания (сжатия) или удлинения (растяжения) последней в осевом направлении, что и предлагается в изобретении. Укорачивание статора, под которым может пониматься уменьшение длины как его обоймы, так и кожуха, может быть обеспечено различными путями. Укорачивание эластичной обоймы статора может быть обеспечено за счет сокращения расстояния между ограничивающими эту обойму с торцов опорными поверхностями, предусмотренными на корпусе насоса и на прижимном фланце.
Выполнение статора и, соответственно, его обоймы с возможностью приобретать лишь в смонтированном состоянии требуемые для работы насоса внутренние размеры, получаемые в результате соответствующего сжатия в осевом направлении, позволяет упростить сборку насоса. Упрощение обусловлено тем, что такой статор, имеющий в несжатом состоянии покоя большие внутренние размеры, проще надеть на предварительно установленный ротор.
При соответствующей конструкции статора и его обоймы может быть обеспечена возможность настройки пусковых характеристик насоса на полностью собранном насосе. Для этой цели может быть предусмотрена возможность растяжения обоймы статора. При таком растяжении эластичный материал обоймы уменьшает оказываемое им на ротор давление и тем самым облегчает пуск насоса за счет уменьшения пускового крутящего момента.
В базовом варианте выполнения насоса уменьшение длины обоймы статора в осевом направлении обеспечивается за счет сокращения заданного при сборке расстояния между корпусом насоса или определенным элементом этого корпуса и концевой частью (деталью) насоса. В соответствии с изобретением для этого предусматривается наличие одной или нескольких вставок, выполненных в виде колец. Необходимым условием всех вариантов осуществления изобретения является то, что кожух и обойма статора должны представлять собой две отдельные части. Для достижения равномерного распределения сжимающего или растягивающего усилия, прикладываемого на конце статора, по всей длине статора, кожуха статора и обоймы статора имеются контактные поверхности, проходящие параллельно продольной оси насоса. Только при этом условии может быть обеспечено однородное уменьшение или увеличение площади поперечного сечения и исключена опасность блокировки ротора.
Для упрощения регулировки величины передающегося на ротор усилия предварительного сжатия обоймы статора вместо вышеуказанной кольцевой вставки может применяться управляемое снаружи насоса регулировочное кольцо, расположенное в корпусе насоса или в его концевой части и подвижное относительно продольной оси насоса.
В таком варианте осуществления изобретения регулировочное кольцо может быть установлено как в концевом патрубке, так и в корпусе насоса. Регулировочное кольцо подвижно в осевом направлении и в случае использования жидких или газообразных сред снабжено уплотнениями. При использовании электрического регулятора для уплотнения достаточно естественного или специально созданного усилия предварительного сжатия между регулировочным кольцом и обоймой статора. При использовании подвижного регулировочного кольца давление, воздействующее на обойму статора, может увеличиваться или уменьшаться непосредственно в процессе работы насоса за счет подачи или отвода рабочего тела. Таким образом, регулировочное кольцо, которое в силу формы поперечного сечения двухходового статора также называют "нажимной втулкой", может выполнять функцию исполнительного органа системы управления, призванной соответствующим образом реагировать на изменения различных рабочих параметров насоса, например напора или температуры. При регистрации системой управления увеличения температуры насоса, сопровождающегося растяжением эластомера, воздействующее на регулировочное кольцо давление, а с ним и воздействующее на ротор усилие предварительного сжатия уменьшаются.
Поскольку обойма и кожух статора представляют собой отдельные части, а ротор передает на обойму статора усилия, обойма склонна к проворачиванию. Однако для обеспечения нормальной работы насоса проворачивания следует избегать. В соответствии с изобретением это обеспечивается за счет выполнения контактных поверхностей обоймы и кожуха статора не круглыми, а имеющими многоугольную форму. Очевидно, что установка с фиксацией от проворачивания может быть обеспечена и путем выполнения указанных поверхностей, имеющих и иные формы, например волнообразную, либо имеющих пазы или клинья.
Выполнение кожуха и обоймы статора в виде двух отдельных частей позволяет при необходимости оперативно заменять обойму. В соответствии с изобретением кожух статора с этой целью выполняется из профиля с продольной прорезью. Боковины профиля стягиваются и устойчиво удерживаются специальной запорной планкой. В отсутствие последней обе продольных боковины профиля упруго расходятся, существенно облегчая демонтаж и установку обоймы статора. Запорная планка входит в этот профиль, соединяя замыкаемые участки внутренней стороны кожуха статора в одной плоскости. С наружной стороны эта планка входит в соединение с продольными боковинами кожуха статора с геометрическим замыканием.
Очевидно, что для повышения степени защиты статора от проворачивания обоймы запорная планка также может выступать внутрь, причем в этом случае обойма статора должна иметь соответствующий паз.
Для упрощения технологии выполнения кожуха статора этот кожух состоит из цельного или составного экструдированного профиля в продольной или поперечной форме. За счет соответствующего подбора материалов, используемых для выполнения статора, можно обеспечивать требуемое в зависимости от напора повышение жесткости статора. В качестве материалов для выполнения кожуха статора могут использоваться различные синтетические полимеры, а также металлы.
Ниже варианты осуществления изобретения описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - частично показанный в разрезе одновинтовой насос,
на фиг.2 - частично показанный в разрезе одновинтовой насос,
на фиг.3 - частично показанный в разрезе одновинтовой насос,
на фиг.4 - частично показанные в разрезе статор и одновинтовой насос,
на фиг.5 - кожух статора,
на фиг.6 - обойма статора.
На фиг.1 изображено типичное расположение статора 10 в одновинтовом насосе. Этот статор 10 зажат между прижимным фланцем 12 и корпусом 14 насоса. В качестве зажимных элементов могут быть предусмотрены стяжные болты. Расстояние между корпусом 14 насоса и прижимным фланцем 12 определяется длиной кожуха 16 статора. До окончательной установки кожуха и обоймы 18 статора между корпусом 14 насоса и прижимным фланцем 12 обе указанные детали можно перемещать относительно друг друга в осевом направлении. Установленная же обойма статора, напротив, ограничена с обоих торцов упорами 20, 22. Такой упор представляет собой кольцевую торцевую поверхность прижимного фланца или корпуса насоса. Длина показанной на фиг.1 обоймы статора не соответствует ее длине в свободном состоянии: установленная обойма несколько обжата с торцов и, соответственно, укорочена в осевом направлении. Длина показанной на фиг.1 обоймы статора соответствует тому состоянию нового насоса, в котором этот насос поставляется заказчикам. Находящаяся в таком состоянии обойма статора лишь предварительно обжата с обоих торцов настолько, насколько это необходимо для уплотнения камеры 24 нагнетания относительно окружающей атмосферы.
На фиг.2 представлено изменение длины статора, в частности длины обоймы статора, обусловленное условиями работы насоса. В показанном на указанном чертеже примере обойма статора укорочена в осевом направлении со своего правого конца. Указанное уменьшение длины обоймы обеспечено за счет установки на участке прижимного фланца, между упором 20 и обращенным к нему торцом этой обоймы, распорного кольца 26. Вытесненный этим кольцом эластичный материал обоймы статора распределяется по всей внутренней поверхности этой обоймы. Таким путем внутренней поверхности обоймы статора придается дополнительная выпуклость, приводящая к возрастанию давления на не показанный на чертеже ротор. Указанная мера предпринимается в случае убывания напора на участке прижимного фланца 12, которое можно отнести на счет износа внутренней поверхности обоймы статора, ниже также называемой просто обоймой.
Другая возможность изменения геометрической формы внутренней поверхности обоймы статора поясняется ниже со ссылкой на фиг.3 и 4. Существенное отличие соответствующей конструкции насоса заключается в применении подвижного регулировочного кольца 28. Управление этим кольцом 28 может осуществляться снаружи, без проведения монтажных (сборочных) работ на прижимном фланце или корпусе насоса. Для этого регулировочное кольцо имеет один или несколько регулировочных винтов, доступных снаружи насоса. Помимо описанной выше механической системы с регулировочным кольцом для изменения длины обоймы статора в осевом направлении может использоваться и гидравлический привод. Такой привод может быть выполнен в виде кольцевой камеры 32, в которую по каналу 30 подается рабочее тело (гидравлическая жидкость). Эта кольцевая камера ограничена уплотнениями 34, 36 как со стороны обоймы 18, так и со стороны тракта перекачиваемой продукции.
Давлением рабочего тела в кольцевой камере можно управлять либо вручную, посредством поршня с винтовой подачей, либо автоматически, посредством гидравлической системы. Посредством гидравлической системы или электрического привода можно управлять регулировочным кольцом 28 в зависимости от давления и температуры насоса. Как показано на фиг.3, кольцевая камера 32 ограничена регулировочным кольцом 28 и торцевой поверхностью 38 прижимного фланца.
При прилегании регулировочного кольца 28 к торцевой поверхности 38 на обойму статора воздействует лишь малое усилие предварительного сжатия. Чем больше давление нагнетания гидравлической жидкости в кольцевую камеру, тем сильнее сжимается обойма статора и тем меньше становятся его внутренние размеры. В случае недостаточности величины, на которую удается сжать, иными словами укоротить обоймы имеющих большую длину насосов, эту недостаточность можно компенсировать путем укорачивания кожуха статора за счет удаления отдельных элементов этого кожуха, например кольцевых элементов.
На фиг.5 и 6 показаны выполненные в виде двух отдельных конструктивных элементов обойма 18 и кожух 16 статора, которые в том числе и при работе насоса не имеют сплошного соединения друг с другом. Не допускающая проворачивания установка обоймы в кожухе статора обеспечивается только за счет геометрического замыкания этих элементов, имеющих многоугольную внутреннюю и внешнюю формы. Для упрощения демонтажа обоймы кожух статора имеет продольную прорезь. Обе продольные кромки 42, 44 кожуха статора соединены с запорной планкой 46 с геометрическим замыканием. Запорная планка 46 замыкает прилегающие участки внутренней стороны кожуха статора в одной плоскости (заподлицо). Хотя показанный на фиг.5 кожух статора является цельным, этот кожух может быть выполнен состоящим из нескольких продольных или поперечных частей. Существенным является то, что со снятой запорной планкой диаметр или ширина продольной прорези в кожухе статора должны быть увеличенными для облегчения установки или демонтажа обоймы статора.