ХИМИЧЕСКИЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ НАСОС С РАБОЧИМ КОЛЕСОМ ЗАКРЫТОГО ТИПА
CHEMICAL VERTICAL PUMP WITH CLOSED IMPELLER

Изобретение относится к насосостроению, а именно, к конструкциям химических вертикальных насосов с рабочим колесом закрытого типа, предназначенных для перекачивания химически агрессивных жидкостей.
Известен погружной центробежный насос, который содержит спиральный отвод, криволинейный диффузор и поворотное колено. В отводе на валу установлено рабочее колесо. Ось криволинейного диффузора изогнута к оси вращения рабочего колеса и переходит без изломов в среднюю линию поворотного колена, которая в проекциях продольного сечения поворотного колена на горизонтальную и вертикальную плоскости представляет собой клофоиды (RU 2175732 С2, опубл. 10.11.2001).
Известен центробежный насос с погруженной в перекачиваемую среду проточной частью, содержащий двигатель, водопровод, образованный одной или несколькими подвесками, проточную часть, образованную крыльчаткой, расположенной в корпусе насоса и отводом. Верхняя часть верхней подвески расположена выше уровня плиты (RU 71711 U1, опубл. 20.03.2008).
Известен погружной центробежный насос для перекачивания агрессивных жидкостей, содержащий установленное в корпусе рабочее колесо, закрепленное на приводном валу электродвигателя винтовым соединением с защитным колпачком. Проточная часть насоса, включая рабочее колесо, выполнена из материала, стойкого в агрессивных средах. Рабочее колесо выполнено в виде диска с радиальными отверстиями и пазами импеллеров на нижней и верхней поверхности диска (RU 98498 U1, опубл. 20.10.2010).
Недостатками известных технических решений являются негарантированная надежность защиты от протечек химически агрессивной перекачиваемой жидкости при длительной работе насоса в процессе эксплуатации, пониженный ресурс насоса и недостаточно высокая эффективность перекачивания рабочих сред с повышенной концентрацией агрессивных компонентов, что, в конечном счете, снижает отраслевую конкурентноспособность насоса.
Задача настоящего изобретения заключается в разработке химического вертикального насоса, наделенного повышенной защитой от протечек химически агрессивной перекачиваемой жидкости и загрязнения атмосферного воздуха ядовитыми испарениями, а также наделенного повышенными ресурсом, надежностью работы и эффективностью перекачивания химически агрессивных жидких сред.
Поставленная задача решается тем, что химический вертикальный насос с рабочим колесом закрытого типа, согласно изобретению, содержит корпус, в котором установлен ротор с рабочим колесом в виде многозаходной крыльчатки закрытого типа и валом ротора, а также опорную плиту, при этом насос выполнен центробежным, полупогружным, предпочтительно, однокорпусным и, по меньшей мере, одноступенчатым с осевым подводом и тангенциальным или радиальным отводом перекачиваемой жидкости, для чего снабжен входным подводящим и выходным напорным патрубками, кроме того корпус насоса выполнен сборным и включает размещенный над опорной плитой корпус ходовой части, по меньшей мере, с двумя подшипниковыми опорами, а также содержит прикрепленный к опорной плите снизу корпус подвески, сблокированный с корпусом проточной части, при этом рабочее колесо содержит снабженную ступицей многозаходную крыльчатку закрытого типа, включающую основной и покрывной диски с закрепленной на каждом из них системой криволинейных лопаток, вариантно устанавливаемых в рабочем колесе в количестве (3÷24), предпочтительно, (5÷7) лопаток, равномерно разделенных межлопаточными каналами, оси которых во фронтальной проекции выполнены постоянной или переменной кривизны и закручены в сторону, противоположную вектору вращения рабочего колеса со средним градиентом угла установки оси лопатки и идентичным градиентом угловой конфигурации медиальной оси межлопаточного канала, вариантно составляющем на длине лопатки (0÷7,0) рад/м с возможностью расширения диапазона в зону отрицательных значений градиента, причем основной и покрывной диски рабочего колеса защищены с внешней стороны в совокупности двумя гидрозатворами, каждый в виде импеллера, образованного системой лучевидных лопаток, при этом корпус проточной части снабжен кольцевой съемной уступообразной в поперечном сечении тыльной стенкой, меньший из внешних радиусов которой выполнен не менее проходного радиуса рабочего колеса, а радиус лопаток импеллера выполнен достаточным для создания защитного гидродинамического рабочего противодавления перекачиваемой среде, кроме того рабочее колесо выполнено с уширенной ступицей, внешний радиус которой принимают из условия обеспечения конгруэнтности с внутренним радиусом центрального проема в кольцевой уступообразной тыльной стенке с образованием при этом щелевого уплотнения и с возможностью выполнения открытого сверху кольцевого канала в теле ступицы.
-5
3
При этом активный объем динамического заполнения совокупности межлопаточных каналов рабочего колеса может быть выполнен обеспечивающим вариантную возможность выброса на проток за один оборот рабочего колеса (5,0÷1500)×10 м/об перекачиваемой среды.
Упомянутые радиусы кривизны осей лопаток и медиальных осей межлопаточных каналов во фронтальной проекции рабочего колеса могут быть выполнены исходящими из центров, рассредоточенных по условной окружности, радиус которой принят, предпочтительно, менее наибольшего радиуса дисков рабочего колеса, а покрывной диск наделен входной горловиной, внутренний заходный радиус которой выполнен не менее радиуса входного проема корпуса проточной части, предпочтительно, заподлицо с ним, кроме того упомянутая съемная тыльная стенка корпуса проточной части, вмонтирована в проем указанного корпуса, имеющий проходной радиус, обеспечивающий возможность ввода и вывода рабочего колеса при монтаже и демонтаже насоса.
Импеллеры на основном и покрывном дисках рабочего колеса могут содержать от 5 до 15, предпочтительно, 12 лучевидных лопаток.
Вал ротора насоса может быть оперт на корпус ходовой части через упомянутые подшипниковые опоры, одна из которых, предпочтительно, нижняя содержит радиальный подшипник, выполненный роликовым, а другая, предпочтительно, верхняя содержит радиально-упорный подшипник, причем полости подшипников защищены манжетами и лабиринтными уплотнениями, а подшипниковые узлы снабжены системой смазки подшипников, для чего в корпусе ходовой части выполнены пресс-масленки.
Вал ротора насоса может быть выполнен состоящим из участков с различными диаметрами, при этом участок с наибольшим диаметром расположен в высотном диапазоне между упомянутыми подшипниковыми опорами, а остальные участки вала выполнены с диаметрами, ступенчато последовательно убывающими в направлении к оконечностям вала.
Корпус проточной части насоса совместно с упомянутой тыльной уступообразной стенкой может образовать проточную полость с объемом, достаточным для размещения рабочего колеса, при этом боковая стенка проточной полости образует спиральный сборник, который за пределами контура рабочего колеса имеет форму двояковыпуклой оболочки, закрученной по спирали перемещаемым в условной средней плоскости последовательно нарастающим радиусом и выпукло изогнутой в условной плоскости, нормальной к упомянутой средней плоскости сборника и проведенной через ось вала ротора насоса, при этом спиральный сборник выполнен с соблюдением минимальной дифференциации скоростей на входе и выходе из сборника и сообщен с напорным патрубком, преимущественно, тангенциально, при этом упомянутый напорный патрубок корпуса проточной части выполнен диффузорным с разностью площадей входного и выходного поперечных сечений, обеспечивающей снижение скорости нагнетаемого потока на выходе из патрубка в 1,1÷4,2 раза.
Для устранения утечки перекачиваемой среды по валу может быть установлено сальниковое уплотнение, а для устранения утечки через разъемы упомянутых корпусов установлены резиновые уплотнительные кольца, причем узел сальникового уплотнения включает, по меньшей мере, корпус уплотнения с сальниковой набивкой, при этом корпус уплотнения установлен в ответный проем в кольцевой уступообразной тыльной стенке корпуса проточной части со стороны корпуса подвески.
Напорный патрубок насоса может быть выполнен с фланцем для соединения с напорной магистралью, по меньшей мере, участок которой между напорным патрубком и предназначенным для пропуска указанной магистрали проемом в опорной плите насоса выполнен содержащим не менее одного колена, сопряженные части которого расположены, предпочтительно, под углом α=~π/2, при этом колено снабжено фланцами для присоединения одним из них к фланцу напорного патрубка, а другим для последующего соединения с другими звеньями указанной магистрали, при этом в месте выхода магистрали в опорную плиту магистраль снабжена съемным фланцем с кольцевым уплотнением, предотвращающим попадание воздуха в напорную магистраль.
Корпус проточной части насоса вариантно может быть снабжен трубой входа для направленного подвода потока перекачиваемой среды к осевому входу рабочего колеса.
Корпус подвески может быть снабжен системой отверстий для сообщения с переменным объемом перекачиваемой среды.
Опорная плита может быть выполнена не менее чем с двумя проемами, размещенными, предпочтительно, несимметрично с эксцентриситетом относительно центра и/или осей симметрии плиты, при этом диаметр одного из проемов выполнен, предпочтительно, равным внутреннему диаметру корпуса подвески, а диаметр другого вариантно выполнен превышающем внешний диаметр напорной магистрали, по меньшей мере, на технологически необходимую величину внешнего диаметра промежуточного съемного фланца указанной магистрали.
3
-6
2
Химический вертикальный насос с крыльчаткой закрытого типа может быть предназначен для перекачивания химически агрессивных жидкостных сред типа кислот, щелочей, электролитов и других с температурой от 0÷98°C, с водородным показателем 0÷14 pH, плотностью до 1870 кг/м, кинематической вязкостью до 30×10 м/с и твердыми включениями до 1 мм с объемной концентрацией последних, не превышающей 5%, либо для перекачивания горячих и кристаллизующихся жидкостей с температурой от 0 до 250°C.
Насос может быть выполнен с возможностью силового соединения с электродвигателем, преимущественно, асинхронным для использования последнего в качестве привода вала ротора насоса с обеспечением частоты вращения вала, передаваемой рабочему колесу, предпочтительно, до 1500 об/мин и вариантной мощностью от 5 до 150 кВт, с возможностью использования электродвигателей с числом оборотов вала до 2950 об/мин и вариантной мощностью от 5 до 350 кВт.
Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, состоит в разработке химического вертикального насоса, наделенного повышенной защитой от протечек химически агрессивной перекачиваемой жидкости, а также наделенного повышенными ресурсом, надежностью работы и эффективностью перекачивания химически агрессивных жидких сред.
Это достигается совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и технологических параметров основных узлов и элементов насоса, в первую очередь конструктивного решения системы рабочего колеса закрытого типа, конфигурации лопаток и межлопаточных каналов, спирального сборника и напорного патрубка, обеспечивающих в совокупности эффективное перекачивание указанных экологически опасных сред. Кроме того, технический результат достигается за счет разработанной в изобретении усиленной гидродинамической защиты от протечек химически агрессивной среды и ядовитых испарений в процессе работы насоса, оптимально дополняемой гидростатической защитой в виде разработанной в изобретении системы сальниковых, щелевых и лабиринтных уплотнений, а также химически стойких кольцевых манжет и прокладок, что исключает негативное воздействие на подшипниковые опоры и окружающую среду во всех эксплуатационных ситуациях.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображен химический вертикальный насос с рабочим колесом закрытого типа, продольный разрез;
на фиг.2 - проточная часть химического вертикального насоса с рабочим колесом закрытого типа, продольный разрез;
на фиг.3 - опорная плита, вид сверху.
Химический вертикальный насос с рабочим колесом закрытого типа содержит корпус, в котором установлен ротор с рабочим колесом 1 в виде многозаходной крыльчатки закрытого типа и валом 2. Насос выполнен центробежным, полупогружным, предпочтительно, однокорпусным и, по меньшей мере, одноступенчатым с осевым подводом и тангенциальным или радиальным отводом перекачиваемой жидкости, для чего снабжен входным подводящим и выходным напорным патрубками 3 и 4 соответственно. Насос снабжен также опорной плитой 5. Корпус насоса выполнен сборным и включает размещенный над опорной плитой 5 корпус 6 ходовой части, по меньшей мере, с двумя подшипниковыми опорами 7, а также содержит прикрепленный к опорной плите 5 снизу корпус 8 подвески, сблокированный с корпусом 9 проточной части.
Рабочее колесо 1 содержит снабженную ступицей 10 многозаходную крыльчатку закрытого типа. Рабочее колесо 1 включает основной и покрывной диски 11 и 12 соответственно с закрепленной на каждом из них системой криволинейных лопаток 13, вариантно устанавливаемых в рабочем колесе 1 в количестве (3÷24), предпочтительно, (5÷7) лопаток. Лопатки 13 равномерно разделены межлопаточными каналами, оси которых во фронтальной проекции выполнены постоянной или переменной кривизны и закручены в сторону, противоположную вектору вращения рабочего колеса 1 со средним градиентом угла установки оси лопатки 13 и идентичным градиентом угловой конфигурации медиальной оси межлопаточного канала, вариантно составляющем на длине лопатки (0÷7,0) рад/м с возможностью расширения диапазона в зону отрицательных значений градиента. Основной и покрывной диски 11 и 12 рабочего колеса 1 защищены с внешней стороны в совокупности двумя гидрозатворами, каждый в виде импеллера 14 и 15 соответственно, образованного системой лучевидных лопаток.
Корпус 9 проточной части снабжен кольцевой съемной уступообразной в поперечном сечении тыльной стенкой 16, меньший из внешних радиусов которой выполнен не менее проходного радиуса рабочего колеса 1. Радиус лопаток импеллера 14 выполнен достаточным для создания защитного гидродинамического рабочего противодавления перекачиваемой среде.
Рабочее колесо 1 выполнено с уширенной ступицей 10, внешний радиус которой принимают из условия обеспечения конгруэнтности с внутренним радиусом центрального проема в кольцевой уступообразной тыльной стенке 16 с образованием при этом щелевого уплотнения 17 и с возможностью выполнения открытого сверху кольцевого канала 18 в теле ступицы 10.
-5
3
Активный объем динамического заполнения совокупности межлопаточных каналов рабочего колеса 1 выполнен обеспечивающим вариантную возможность выброса на проток за один оборот рабочего колеса (5,0÷1500)×10 м/об перекачиваемой среды.
Упомянутые радиусы кривизны осей лопаток 13 и медиальных осей межлопаточных каналов во фронтальной проекции рабочего колеса 1 выполнены исходящими из центров, рассредоточенных по условной окружности, радиус которой принят, предпочтительно, менее наибольшего радиуса дисков 11 и 12 рабочего колеса 1. Покрывной диск 12 наделен входной горловиной 19, внутренний заходный радиус которой выполнен не менее радиуса входного проема корпуса 9 проточной части, предпочтительно, заподлицо с ним.
Съемная тыльная стенка 16 корпуса 9 проточной части вмонтирована в проем указанного корпуса, имеющий проходной радиус, обеспечивающий возможность ввода и вывода рабочего колеса 1 при монтаже и демонтаже насоса.
Импеллеры 14 и 15 соответственно на основном и покрывном дисках 11 и 12 рабочего колеса 1 содержат от 5 до 15, предпочтительно, 12 лучевидных лопаток.
Вал 2 ротора насоса оперт на корпус 6 ходовой части через подшипниковые опоры 7, одна из которых, предпочтительно, нижняя содержит радиальный подшипник 20, выполненный роликовым, а другая, предпочтительно, верхняя содержит радиально-упорный подшипник 21. Полости подшипников 20, 21 защищены манжетами и лабиринтными уплотнениями 22. Подшипниковые узлы снабжены системой смазки подшипников, для чего в корпусе 6 ходовой части выполнены пресс-масленки 23.
Вал 2 ротора насоса выполнен состоящим из участков с различными диаметрами. Участок 24 с наибольшим диаметром расположен в высотном диапазоне между подшипниковыми опорами 7, а остальные участки вала 2 выполнены с диаметрами, ступенчато последовательно убывающими в направлении к оконечностям вала.
Корпус 9 проточной части насоса совместно с тыльной уступообразной стенкой 16 образуют проточную полость 25 с объемом, достаточным для размещения рабочего колеса 1. Боковая стенка 26 проточной полости 25 образует спиральный сборник, который за пределами контура рабочего колеса 1 имеет форму двояковыпуклой оболочки, закрученной по спирали перемещаемым в условной средней плоскости последовательно нарастающим радиусом и выпукло изогнутой в условной плоскости, нормальной к упомянутой средней плоскости сборника и проведенной через ось вала 2 ротора насоса. Спиральный сборник выполнен с соблюдением минимальной дифференциации скоростей на входе и выходе из сборника и сообщен с напорным патрубком 4, преимущественно, тангенциально. Напорный патрубок 4 корпуса 9 проточной части выполнен диффузорным с разностью площадей входного и выходного поперечных сечений, обеспечивающей снижение скорости нагнетаемого потока на выходе из патрубка в 1,1÷4,2 раза.
Для устранения утечки перекачиваемой среды по валу 2 установлено сальниковое уплотнение 27. Для устранения утечки через разъемы упомянутых корпусов 6, 8, 9 установлены резиновые уплотнительные кольца 28. Узел сальникового уплотнения 27 включает, по меньшей мере, корпус 29 уплотнения с сальниковой набивкой 30. Корпус 29 уплотнения устанавлен в ответный проем в кольцевой уступообразной тыльной стенке 16 корпуса 9 проточной части со стороны корпуса 8 подвески.
Напорный патрубок 4 насоса выполнен с фланцем 31 для соединения с напорной магистралью 32. По меньшей мере, участок напорной магистрали 32 между напорным патрубком 4 и предназначенным для пропуска магистрали 32 проемом 33 в опорной плите 5 насоса выполнен содержащим не менее одного колена 34, сопряженные части которого расположены, предпочтительно, под углом α=~π/2. Колено снабжено фланцами для присоединения одним из фланцев 35 к фланцу 31 напорного патрубка 4, а другим фланцем 36 для последующего соединения с другими звеньями указанной магистрали 32. В месте выхода магистрали 32 в опорную плиту 5 магистраль 32 снабжена съемным фланцем 37 с кольцевым уплотнением 38, предотвращающим попадание воздуха в напорную магистраль 32.
Корпус 9 проточной части насоса вариантно снабжен трубой 39 входа для направленного подвода потока перекачиваемой среды к осевому входу рабочего колеса 1.
Корпус 8 подвески снабжен системой отверстий 40 для сообщения с переменным объемом перекачиваемой среды.
Опорная плита 5 выполнена не менее чем с двумя проемами 33 и 41, размещенными, предпочтительно, несимметрично с эксцентриситетом относительно центра и/или осей симметрии плиты 5. Диаметр проема 41 выполнен, предпочтительно, равным внутреннему диаметру корпуса 8 подвески. Диаметр проема 33 вариантно выполнен превышающем внешний диаметр напорной магистрали 32, по меньшей мере, на технологически необходимую величину внешнего диаметра фланца 37 магистрали 32.
3
-6
2
Химический вертикальный насос предназначен для перекачивания химически агрессивных жидкостных сред типа кислот, щелочей, электролитов и других с температурой от 0÷98°C, с водородным показателем 0÷14 pH, плотностью до 1870 кг/м, кинематической вязкостью до 30×10 м/с и твердыми включениями до 1 мм с объемной концентрацией последних, не превышающей 5%, либо для перекачивания горячих и кристаллизующихся жидкостей с температурой от 0 до 250°C.
Насос выполнен с возможностью силового соединения с электродвигателем, преимущественно, асинхронным для использования последнего в качестве привода вала ротора насоса с обеспечением частоты вращения вала, передаваемой рабочему колесу, предпочтительно, до 1500 об/мин и вариантной мощностью от 5 до 150 кВт, с возможностью использования электродвигателей с числом оборотов вала до 2950 об/мин и вариантной мощностью от 5 до 350 кВт.
Работа химического вертикального насоса осуществляются следующим образом.
Перекачиваемая химически агрессивная жидкая среда через входной подводящий патрубок 3, попадая на вход во вращающееся центробежное рабочее колесо 1, перемещается от центра к периферии под действием центробежных сил и диффузного расширения в межлопаточных каналах рабочего колеса 1, приобретая при этом кинетическую энергию и получая закрутку в направлении вращения рабочего колеса 1.
После выхода из рабочего колеса 1 поток переходит в диффузорный спиральный сборник, расширяющийся к напорному патрубку 4 в режиме, приближенном к соблюдению равенства скоростей потока на протяжении сборника. Из сборника перекачиваемая среда попадает в напорный патрубок 4, выполненный диффузорным со снижением скорости при прохождении в патрубке в два раза с одновременным переходом части кинетической энергии потока в потенциальную и поступает в напорную магистраль 32.
При этом в процессе работы насоса от утечки перекачиваемой среды по валу 2 защищает сальниковое уплотнение 27. От утечки перекачиваемой среды в ходовую часть насоса и через нее в атмосферу защищают резиновые уплотнительные кольца 28.
Таким образом, за счет разработанных в изобретении конструктивных решений и технологических параметров основных узлов и элементов насоса, достигают повышение защиты от протечек химически агрессивной перекачиваемой жидкости и, как следствие, снижение загрязнения атмосферного воздуха ядовитыми испарениями, а также повышение долговечности, надежности работы насоса и эффективности перекачивания рабочих сред.