ЦЕНТРОБЕЖНО-ВИХРЕВОЙ НАСОС
CENTRIFUGAL VORTEX PUMP

Изобретение относится к насосостроению, а именно - к конструкциям комбинированных центробежно-вихревых насосов, и может быть использовано в различных областях техники для подачи жидких, газообразных и газожидкостных сред.
Известен центробежный насос, содержащий корпус с установленным в нем основным диском рабочего колеса, образующим с корпусом насоса цилиндрическое уплотнение и разгрузочную камеру [патент на изобретение РФ №2037667, кл. F04D 7/00, F04D 29/04, опубл. 19.06.1995]. Недостатками известного насоса являются ограниченные функциональные возможности (может перекачивать только жидкость), и склонность к кавитации.
Известна центробежная гидропневматическая машина, содержащая герметичный корпус с выпускным отверстием, впускным трубопроводом и двумя отсекателями, причем корпус частично заполнен жидкостью и в него вмонтировано с возможностью вращения лопастное колесо, выполненное в виде ротора с радиальными криволинейными каналами, входные отверстия каналов выполнены со стороны оси колеса, а выходные отверстия выполнены по периферии ротора, установленного с калиброванным зазором к двум отсекателям, выполненным в теле корпуса, отличающаяся тем, что машина снабжена распределителем, установленным в корпусе со стороны центральной части лопастного колеса с возможностью периодического перекрытия при вращении входных и выходных отверстий каналов ротора, выполненные один против другого отсекатели и распределитель разделяют корпус на верхнюю и нижнюю полости, последняя из которых выполнена в виде улитки и в расширенной части сообщена посредством трубопровода и распределителя с входными отверстиями каналов ротора, находящимися в верхней полости корпуса, при этом выпускное отверстие выполнено в верхней части верхней полости, а впускной трубопровод посредством распределителя сообщен с входными отверстиями ротора в нижней полости корпуса [патент на изобретение РФ №2289039, кл. F04D 7/00, F04D 11/00, опубл. 27.02.2003]. Недостатком известного насоса являются ограниченные функциональные возможности (может перекачивать только газ).
Известен также гидравлический и воздушный насос-компрессор, содержащий корпус с всасывающим патрубком и диффузором, размещенное в корпусе на валу рабочее колесо, имеющее ведущий диск с лопатками и аксиально подвижный покрывной диск с входной горловиной и пазами для размещения лопаток [патент на изобретение РФ №2352826, кл. F04D 31/00, F04D 27/02, опубл. 10.10.2008]. Недостатком известного насос-компрессора является сложность конструкции и низкая надежность в работе.
Известен центробежно-вихревой насос, содержащий центробежный насос с рабочей камерой, имеющей центральный всасывающий подвод и периферийный нагнетательный отвод, и вспомогательный вихревой насос, имеющий импеллер, связанный общим приводным валом с рабочим центробежным колесом, при этом всасывающий канал рабочей камеры вихревого насоса сообщен с центральным всасывающим подводом рабочей камеры центробежного насоса, а нагнетательный канал рабочей камеры вихревого насоса сообщен с периферийным нагнетательным отводом рабочей камеры центробежного насоса [патент на полезную модель РФ №28742, кл. F04D 9/00, F04D 27/02, опубл. 10.10.2008]. Данный тип насоса позволяет повысить скорость на входе в вихревое колесо, а следовательно, получать более высокое давление и КПД. Недостатками известного насоса являются сложность конструкции и повышенные массово-габаритные характеристики.
Наиболее близким к заявляемому насосу является конструкция, выбранная в качестве прототипа и содержащая герметичный корпус с впускным и выпускным отверстиями, причем корпус частично либо полностью заполнен жидкостью и в нем вмонтировано с возможностью вращения лопастное колесо, выполненное в виде ротора с радиальными, например, криволинейными каналами, входные отверстия каналов выполнены со стороны оси колеса, а выходные отверстия выполнены по периферии ротора, при этом машина снабжена отсекателями, примыкающими с калиброванным зазором к лопастному колесу по периферии, и распределителем, установленным в корпусе со стороны центральной части лопастного колеса, причем распределитель и отсекатели установлены с возможностью периодического одновременного перекрытия входного и выходного отверстий как минимум одного из каналов лопастного колеса при его вращении, причем распределитель и отсекатели разделяют корпус на ряд нагнетательных полостей в количестве двух, трех и более, соединенных между собой посредством соединительных трубопроводов, окон по периферии корпуса и окон в распределителе, а также с впускным и выпускным трубопроводами, причем по крайней мере один соединительный трубопровод содержит сепаратор газа и жидкости, например, в виде герметичной емкости, частично заполненной жидкостью, в верхней части которой выполнен выпускной газопровод, например в конструкции из трех нагнетательных полостей первая из полостей по ходу вращения ротора посредством распределителя и каналов ротора подключена к впускному трубопроводу, а через окно по периферии корпуса сообщена посредством соединительного трубопровода и распределителя с входными отверстиями каналов ротора, находящимися в предыдущей по ходу вращения полости корпуса, которая содержит выпускное окно, соединенное соединительным трубопроводом, в котором выполнен сепаратор газа и жидкости с последующей после первой по ходу вращения лопастного колеса полостью корпуса, которая выходит в выпускной трубопровод, также, например, подключенный к сепаратору [заявка на изобретение WO №2008054254, кл. F04D 11/00 от 02.10.2007, опубл. 10.04.2009]. Известная конструкция реализует комбинированный принцип перекачивания среды. Недостатком ее является сложность и громоздкость конструктивного исполнения из-за наличия целой системы сообщающих полости корпуса и рабочего колеса трубопроводов, снабженных сепараторами. При этом для обеспечения работоспособности известной конструкции требуется ее предварительная заливка жидкостью, что снижает возможную область применения. Другими ее недостатками являются низкие значения КПД и создаваемого на выходе давления.
Задачей, на решение которой направлено конструктивное исполнение предлагаемого центробежно-вихревого насоса является устранение указанных недостатков и создание простого по конструкции, надежного в работе насоса с достаточно высоким КПД и значительным напором, обладающего способностью самовсасывания, перекачивания жидких, газообразных и газожидкостных сред благодаря синергетическому эффекту от совместного использования воздействия на перекачиваемую среду различных физических эффектов.
Поставленная цель достигается тем, что в насосе, содержащем корпус с осевым всасывающим и нагнетательным патрубками, внутри которого установлено лопастное колесо с криволинейными каналами, при этом насос снабжен отсекателем, примыкающим к лопастному колесу по его периферии, и распределителем, установленным в корпусе со стороны центральной части лопастного колеса, причем распределитель и отсекатель установлены с возможностью периодического одновременного изолирования как минимум одного из каналов лопастного колеса при его вращении, согласно изобретению на периферии лопастного колеса между криволинейными каналами дополнительно выполнены радиальные проточки с возможностью вихреобразования перекачиваемой среды между лопастным колесом и корпусом насоса при его работе, а в центре лопастного колеса установлен распределитель, выполненный в виде закрепленной в осевом патрубке втулки с одним или более окном, а отсекатель выполнен в виде кольца с одной или боле наклонной боковой прорезью с возможностью периодического сообщения криволинейных каналов и радиальных проточек с всасывающим и нагнетательным патрубками при вращении лопастного колеса.
При работе насоса в одном конструктивном исполнении практически реализуется комбинация трех физических эффектов:
а) перемещение перекачиваемой рабочей среды в каналах лопастного колеса от центра к периферии под действием центробежной силы при вращении рабочего колеса;
б) «порционное» перемещение перекачиваемой рабочей среды, поступающей в каналы лопастного колеса, от входа до выхода насоса при вращении лопастного колеса с попеременным сообщением полостей всасывающего и нагнетательного патрубков из-за углового смещения проходных сечений отсекателя и распределителя;
в) перемещение перекачиваемой рабочей среды в тангенциальном направлении дополнительными радиальными проточками, выполненными на наружном диаметре лопастного колеса между профилированными криволинейными каналами. При этом, в отличие от центробежного насоса традиционного исполнения, перекачиваемой рабочей среде, которая находится постоянно между радиальными проточками из-за наличия зазоров между рабочим колесом и корпусом, сообщается дополнительная энергия при вращении рабочего колеса аналогично вихревому насосу, что увеличивает напор насоса в целом.
Заявляемый насос обладает:
1) способностью самовсасывания по сравнению с насосом центробежного вида традиционного исполнения за счет:
- применения радиальных лопаток на наружном диаметре лопастного колеса аналогично вихревому насосу (экспериментально установлено, что вихревой насос обладает способностью самовсасывания по сравнению с центробежным);
- «порционного» перемещения при вращении лопастного колеса центробежными силами перекачиваемой рабочей среды, поступающей в каналы рабочего колеса, от всасывающего патрубка до нагнетательного с попеременным сообщением полостей входа и выхода из-за углового смещения проходных сечений отсекателя и распределителя;
2) повышенным КПД по сравнению с насосом центробежного вида традиционного исполнения за счет отсутствия потерь на вихреобразование при течении перекачиваемой рабочей среды в проточной части рабочего колеса вследствие использования каналов постоянного проходного сечения.
Сопоставительный анализ заявляемого насоса с прототипом и с другими техническими решениями в данной области техники показывает, что изложенная в патентной формуле совокупность признаков неизвестна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о его соответствии критерию изобретения "новизна".
При этом изложенная совокупность признаков не следует явным образом для специалиста из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения критерию изобретения "изобретательский уровень".
Соответствие предлагаемого решения критерию изобретения "промышленная применимость" видно из нижеприведенного примера конкретного выполнения центробежно-вихревого насоса.
Изобретение иллюстрировано чертежами: Фиг.1 - общий вид центробежно-вихревого насоса в разрезе; Фиг.2 - общий вид насоса в аксонометрии (резьбовые крепежные элементы не показаны); Фиг.3 - общий вид улиточной части разъемного корпуса насоса в аксонометрии; Фиг.4 - поперечный разрез лопаточного колеса; Фиг.5 - общий вид распределителя в аксонометрии; Фиг.6 - общий вид отсекателя в аксонометрии; Фиг.7 - аксонометрия сборочного узла, состоящего из лопаточного колеса, распределителя и отсекателя.
Перечень позиций на чертежах:
1 - корпус;
2 - всасывающий патрубок;
3 - нагнетательный патрубок;
4 - лопастное колесо;
5 - отсекатель;
6 - распределитель;
7 - центральное отверстие лопастного колеса;
8 - криволинейный канал;
9 - радиальная проточка;
10 - наклонная боковая прорезь;
11 - окно распределителя;
12 - фланец распределителя.
Центробежно-вихревой насос содержит разборный корпус 1 с осевым всасывающим патрубком 2 и нагнетательным патрубком 3.
Внутри корпуса 1 установлены лопастное колесо 4, отсекатель 5 и распределитель 6. Лопастное колесо 4 (см. Фиг.4) представляет собой несущий диск с центральным глухим отверстием 7 и профилированными криволинейными каналами 8, между которыми на периферии лопастного колеса 4 выполнены радиальные проточки 9.
Отсекатель 5 (см. Фиг.6) выполнен в виде кольца с двумя наклонными боковыми прорезями 10 и примыкает к периферийному участку лопастного колеса 4.
Распределитель 6 (см. Фиг.5) представляет собой втулку с двумя окнами 11 и фланцем 12 для крепления в корпусе 1 и установлен в последнем со стороны центральной части лопастного колеса 4, располагаясь внутри его отверстия 7. Распределитель 6 и отсекатель 5 установлены с угловым смещением проходных сечений.
Работа насоса происходит следующим образом.
При вращении лопастного колеса 4 за счет центробежных сил происходит перемещение перекачиваемой среды из всасывающего патрубка 2 в нагнетательный патрубок 3. При этом создается разрежение во всасывающем патрубке 2, вследствие чего перекачиваемая среда (например, жидкость, газ, газожидкостная смесь) поступает через всасывающий патрубок 2 в распределитель 6, проходит через его окна 11 и заполняет каналы 8 лопастного колеса 4. При вращении последнего происходит периодическое изолирование заполненных каналов 8 с перемещением перекачиваемой среды под действием центробежных сил в сторону нагнетательного патрубка 3. После прохождения колесом 4 запирающих поверхностей распределителя 6 и отсекателя 5 происходит периодическое сообщение каналов 8 с каналами наклонных боковых прорезей 10 отсекателя 5 и окнами 11 распределителя 6, благодаря чему под действием центробежных сил происходит периодический выброс перекачиваемой среды из каналов 8 через прорези 10 в нагнетательный патрубок 3 с одновременным заполнением каналов 8 перекачиваемой средой через окна 11 распределителя 6. При этом часть перекачиваемой среды постоянно находится в полостях между проточками 9.
Использование заявляемого изобретения позволяет создать простой по конструкции, надежный в работе насос с повышенными КПД и напором.