Способ нагнетания жидкой среды, центробежный насос и его рабочее колесо
METHOD OF PUMPING LIQUID MEDIUM, CENTRIFUGAL PUMP AND ITS WORKING WHEEL

(1) Настоящее изобретение относится к способу нагнетания жидкой среды посредством центробежного насоса, центробежному насосу и его рабочему колесу. Настоящее изобретение относится, в частности, к модифицированию рабочего колеса центробежного насоса таким образом, что упомянутый насос может быть использован без риска повреждения уплотнения вала или подобного, при нагнетании, как чистых жидкостей, так и жидкостей, содержащих твердые частицы и подобного, например, волокнистых суспензий.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
(2) Известным является также, что при нагнетании жидкости или суспензии посредством центробежного насоса, жидкость увлекается в пространство за рабочим колесом центробежного насоса, когда рабочие лопатки рабочего колеса увеличивают давление жидкости во время нагнетания таковой от передней части рабочего колеса к улитке радиально наружу рабочего колеса. При увеличении давления текучей среды в улитке, вращающееся рабочее колесо создает всасывание во впускной воронке рабочего колеса, стремясь переместить рабочее колесо в направлении впускного отверстия насоса. Кроме того, в то же самое время жидкость, которая должна быть перекачана для выпуска к напорному выпускному отверстию насоса, также имеет тенденцию к заполнению пространства за рабочим колесом. Хотя жидкость между рабочим колесом и задней стенкой насоса вращается, в среднем, на половину скорости рабочего колеса (при условии, что отсутствуют так называемые задние лопатки или подобные ребра на задней поверхности ступицы рабочего колеса или диска; относительно тонкой, в основном радиально ориентированной дискообразной части, продолжающейся от ступицы, называемой диском) и, таким образом, при генерировании центробежной силы, снижает до некоторой степени давление, преобладающее в уплотняющем пространстве за рабочим колесом в области вала насоса, значительное давление, тем не менее, естественно, действует в пространстве за рабочим колесом. Таким образом, как отрицательное давление, или всасывание, создаваемое рабочими лопатками, так и давление текучей среды за диском рабочего колеса, подвергают подшипники вала насоса усилию, направленному к впускному отверстию насоса. Частично, поэтому, так называемые задние лопатки располагаются на задней стороне диска рабочего колеса, при этом задние лопатки перекачивают жидкость, входящую в пространство, наружу, посредством чего давление в пространстве за рабочим колесом существенно снижается. Другими словами, задние лопатки используются для уменьшения осевого усилия рабочего колеса, подвергающего вал насоса притягиванию в направлении впускного отверстия насоса. Таким образом, задние лопатки необходимы в полуоткрытом рабочем колесе, чтобы иметь распределение давления на обеих сторонах, то есть передней стороне и задней стороне диска настолько одинаковым, насколько это возможно.
(3) Задние лопатки могут, однако, иметь такие размеры, при которых они оптимально работают только в определенном диапазоне производительности насоса, в результате чего отклонение в ту или иную сторону от упомянутого диапазона производительности приводит к тому, что давление, преобладающее в пределах области задних лопаток, и кроме того в пространстве уплотнения вала, изменяется. Если выпускное отверстие насоса увеличено, задние лопатки генерируют, в худшем варианте развития события, отрицательное давление, которое может, в худшем его случае, также превратить жидкость в пространстве уплотнения вала в кипящую, особенно при нагнетании жидкостей при высокой температуре. Соответственно, при понижении производительности, например, путем пережимания таковой клапаном, давление за рабочим колесом увеличивается, и увеличиваются напряжения. В то же время, естественно, также и напряжение на подшипниках увеличивается.
(4) Еще одна проблема, встречающаяся в центробежных насосах, представляет собой тепло, выделяющееся в уплотнении вала насоса. Уплотнение вала, на практике, независимо от его типа, генерирует тепло, которое должно быть передано во вне из уплотнения. Как правило, жидкость, которая должна быть перекачана, используется для промывки уплотнения и передачи избыточного тепла прочь. Если уплотнение начинает работать горячим, уплотнительные элементы могут повреждаться или непосредственно самим теплом, или жидкостью, присутствующей в полости уплотнения кипящей, т.е. испаряющейся, где позднее уплотнение начинает работать всухую.
(5) Для воздействия на выше обсуждаемые проблемы, предлагается использование уравновешивающих отверстий. Уравновешивающие отверстия выполнены с возможностью прохождения через ступицу или диск. Отверстия являются традиционно цилиндрическими, т.е. они имеют прямолинейную ось и постоянный диаметр. Кроме того, отверстия располагаются так, что их прямолинейные оси являются параллельными оси насоса, близкими к ступице рабочего колеса. Таким образом, жидкость или суспензия может протекать со стороны рабочего колеса, в которой давление выше, в область низкого давления. Другими словами, поток в уравновешивающих отверстиях может быть в любом направлении в зависимости от условий давления.
(6) В патентном документе JP-58192995 описан конкретный тип центробежного насоса, то есть насоса, в котором рабочее колесо является закрытым рабочим колесом, и уплотненным на обеих его осевых сторонах, то есть на передней стороне переднего диска и задней стороне заднего диска, посредством скользящих уплотнений рабочего колеса, расположенных радиально приблизительно на половине диаметра внешней окружности этого рабочего колеса. Имеются отверстия, расположенные через задний диск рабочего колеса, при этом отверстия входят в заднюю сторону заднего диска между уплотнениями рабочего колеса и валом рабочего колеса. Этот вид насоса функционирует всегда таким образом, что жидкость, которая должна быть перекачана, течет по задней стороне рабочего колеса в радиальном направлении внутрь к валу через узкий зазор в скользящем уплотнении рабочего колеса. Цель отверстий на заднем диске состоит в том, чтобы позволить текучей среде вытекать из задней стороны рабочего колеса обратно к впускной воронке рабочего колеса перед рабочими лопатками. Такой поток является обычно вспомогательным посредством расположения впуска для отверстия на задней стороне диска на меньшем радиусе, чем выпуск для отверстия на передней стороне диска, посредством чего, на практике, отверстие действует как небольшой центробежный насос. Конструкция поддерживает давление за рабочим колесом низким, снижая, таким образом, осевую нагрузку на подшипники. Тем не менее, конструкция имеет несколько недостатков. Во-первых, способность передавать тепло от уплотнения вала, которое должно присутствовать между валом и корпусом вне зависимости от внешнего уплотнения рабочего колеса, зависит от количества потоков, позволяющих сочиться через узкий зазор в уплотнении рабочего колеса. Во-вторых, рециркуляция жидкости, которая должна быть перекачана через полость на задней стороне диска рабочего колеса, означает потерю энергии, так как часть, хотя и небольшая, жидкости, которая должна быть перекачана, перекачивается дважды через рабочее колесо. И в-третьих, описанная конструкция работает только с чистой жидкостью, так как, если перекачиваются жидкости, содержащие твердые частицы, твердые частицы блокируют уплотнение рабочего колеса, останавливают циркуляцию жидкости, и в результате уплотнение вала работает всухую, так как отверстие через диск перекачивает жидкость, присутствующую с задней стороны диска прочь к передней стороне диска.
В SU-A1-1751429 рассмотрен центробежный насос, имеющий изогнутый канал, предусмотренный через ступицу/диск. По существу насос по Российской заявке имеет сходство во многом с обсуждаемым выше патентным документом JP 58192995, в котором направление потока текучей среды, протекающей в канале, осуществляется с задней стороны диска к его передней стороне.
(7) Кроме того, хотя используются оба способа уравновешивания, т.е. задние лопатки и отверстие через диск, было замечено, как это описано в патенте США US-B2-7,326,029, что при движении вдоль так называемой кривой насоса по диаграмме H, Q (напор, производительность), то есть вправо в направлении более высокой производительности, уравновешивание в соответствии с уровнем техники, не всегда способно в достаточной степени предотвращать давление в уплотняющем пространстве от падения ниже давления, преобладающего в передней части рабочего колеса насоса. Это является проблемой, так как отрицательное давление в уплотняющем пространстве приводит к тому, что смазочное действие жидкости, которая должна быть перекачана, или другой жидкости на уплотнения уменьшается, когда жидкость выходит из уплотнений. В зависимости от типа уплотнения, выходящая из уплотнения жидкость может привести уплотнение к работе всухую, что приводит некоторые типы уплотнений к очень быстрому повреждению уплотнения.
(8) Вышеупомянутый патент США предлагает рабочее колесо, в котором уравновешивающие отверстия расположены в диске рабочего колеса таким образом, чтобы отверстие каждого отверстия в передней поверхности (поверхности, на которой расположены рабочие лопатки рабочего колеса) диска, находились оба в направлении вращения рабочего колеса впереди отверстия, расположенного в задней поверхности (поверхности, на которой расположены задние лопатки) диска и ближе к оси насоса, чем отверстие в задней поверхности диска рабочего колеса. Отверстия до сих пор имели прямолинейную ось и постоянный диаметр.
(9) Однако, несмотря на тот факт, что наклонное уравновешивающее отверстие или канал по патенту США является большим шагом вперед, по сравнению с предыдущими традиционными уравновешивающими отверстиями, ориентированными параллельно оси рабочего колеса, что в настоящее время, известно, уравновешивающее отверстие из патента США еще может быть улучшено по меньшей мере по двум причинам.
(10) Во-первых, отверстие в передней поверхности диска традиционно расположено между рабочими лопатками, а в насосе по описанному выше патенту США отверстие по меньшей мере частично, находится между рабочими лопатками. Это означает, на практике, что давление уравновешивающего отверстия или канала "встречает" давление между рабочими лопатками, а не давление на впуске (давление во впускной воронке рабочего колеса, в передней части рабочего колеса). Другими словами, рабочая лопатка, по причине своей функции, подвергает среду, которая должна быть перекачана, составляющей центробежной силы, которая изменяет условия давления, за счет снижения давления между рабочими лопатками. Например, когда насос работает выше своего оптимального рабочего режима, давление в лопастном проходе, то есть в полости между двумя последовательными рабочими лопатками, является ниже атмосферного давления. Это означает, что уплотнение насоса за рабочим колесом подвержено пониженному давлению, что может вызвать работу уплотнения всухую и привести к разуплотнению, рано или поздно.
(11) Вообще говоря, центробежный насос не всегда работает при оптимальных условиях, он разрабатывается для работы более или менее, за пределами его оптимального рабочего режима. В зависимости от того в какую сторону и как далеко от оптимального рабочего режима насос работает, рабочие лопатки, более или менее эффективно работают в условиях кавитации и генерируют пар в лопастном проходе между рабочими лопатками. Генерирование пара означает, на практике, пониженное давление и всасывание в уплотняющей полости.
(12) Для того, чтобы избежать обсуждаемых выше недостатков в конструкции рабочего колеса, настоящее изобретение предлагает позиционирование уравновешивающих отверстий таким образом, чтобы их входы на передней поверхности диска рабочего колеса всегда находились внутри окружности передних краев рабочих лопаток, делая уравновешивающие отверстия нечувствительными к функционированию рабочих лопаток. Давление впускных отверстий для уравновешивающих каналов "встречает" давление на впуске насоса, а не давление, зависящее от рабочих лопаток.
(13) Во-вторых, во избежание циркуляции текучей среды от задней стороны диска рабочего колеса обратно во впускную воронку рабочего колеса, и для обеспечения надлежащего промывания уплотнения вала, уравновешивающие каналы расположены в диске рабочего колеса таким образом, что впускное отверстие на передней поверхности диска рабочего колеса находится на меньшем радиусе, чем выпускное отверстие на задней поверхности диска рабочего колеса. Таким образом, уравновешивающие каналы функционируют подобно малым центробежным насосам, нагнетающим текучую среду от передней части рабочего колеса к его задней стороне.
(14) Два упомянутые выше признака обеспечивают, что в любых условиях эксплуатации насоса поток в уравновешивающих каналах существует по направлению к задней стороне диска рабочего колеса, где образованы задние лопатки, дополнительно принимающие текучую среду с теплотой, передаваемой к текучей среде от уплотнения вала, к улитке насоса.
(15) В-третьих, при поиске повышения эффективности с точки зрения гидравлики, рабочие лопатки рабочего колеса должны быть максимально приближены к оси рабочего колеса, насколько это возможно. Это требует перемещения передних отверстий (на передней поверхности рабочего колеса) в уравновешивающих отверстиях или каналах ближе к оси рабочего колеса, чтобы иметь возможность сделать отверстия/каналы нечувствительными к функционированию рабочих лопаток. Перемещение рабочих лопаток, чтобы иметь их начало ближе к оси рабочего колеса, означает на практике, что материал от передней поверхности ступицы удаляется, т.е. ступица изготавливается небольшой. Тем не менее, теперь, когда диск, то есть главным образом радиальная протяженность ступицы, выполнен тоньше, а передние отверстия расположены ближе к оси, чем внутренний конец передних краев рабочих лопаток, это является, иногда, невозможным для продолжения прямолинейного уравновешивающего канала от переднего отверстия к заднему отверстию без срезания передней поверхности ступицы или открытия диска. Кроме того, вышеприведенное вместе с перемещением передних отверстий ближе к оси рабочего колеса, может, в некоторых случаях, потребовать конструирования крепления вала рабочего колеса другим способом, поскольку не остается пространства для продолжающегося конца вала непосредственно через ступицу рабочего колеса.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
(16) Таким образом, задачей настоящего изобретения является разработка нового рабочего колеса для центробежного насоса, так, чтобы уравновешивание условий давления на передней и задней сторонах рабочего колеса могло быть более надежным и менее чувствительным к рабочему режиму центробежного насоса.
(17) Другой задачей настоящего изобретения является разработка нового рабочего колеса для центробежного насоса, с помощью которого гидравлический коэффициент полезного действия рабочего колеса мог быть улучшен.
(18) Еще одной задачей настоящего изобретения является разработка нового рабочего колеса для центробежного насоса так, чтобы рабочие лопатки могли быть приближены к оси рабочего колеса для улучшения гидравлического коэффициента полезного действия рабочего колеса.
(19) Дополнительной задачей настоящего изобретения является разработка нового рабочего колеса так, чтобы тепло, генерируемое в уплотнении вала, надежно передавалось во вне из области уплотнения при всех режимах работы насоса.
(20) Еще одной дополнительной задачей настоящего изобретения является разработка нового рабочего колеса так, чтобы поток в уравновешивающем канале существовал всегда от впускной воронки рабочего колеса, то есть области перед передними краями рабочих лопаток, к задней стороне диска рабочего колеса.
(21) Еще другой задачей настоящего изобретения является разработка нового рабочего колеса для центробежного насоса, так, чтобы уравновешивающие каналы, или, на самом деле, передние их отверстия, могли быть возведены на передней поверхности рабочего колеса так близко к оси рабочего колеса, как это технически возможно, посредством чего уплотнительная полость за рабочим колесом расположено в сообщении с давлением на впуске насоса, а не изменяющимся давлением, преобладающим в лопастных проходах.
(22) Еще одной задачей настоящего изобретения является разработка такого нового рабочего колеса центробежного насоса, которое может быть использовано для нагнетания, как чистых жидкостей, так и жидкостей, содержащих твердые частицы, такие как волоконные суспензии целлюлозно-бумажной промышленности, надежно и с высокой эффективностью.
(23) По меньшей мере, некоторые из указанных выше задач по настоящему изобретению удовлетворяют конструкции нового рабочего колеса для центробежного насоса, содержащего по меньшей мере ступицу, имеющую ось, диск, продолжающийся снаружи от ступицы, и разделяющий рабочее колесо на переднюю сторону и заднюю сторону по меньшей мере одну рабочую лопатку, расположенную на первой поверхности ступицы и диска на передней стороне рабочего колеса по меньшей мере одну заднюю лопатку, расположенную на второй поверхности диска, на задней стороне рабочего колеса, и по меньшей мере один уравновешивающий канал, продолжающийся через упомянутую ступицу от первого отверстия на первой поверхности ко второму отверстию на задней стороне рабочего колеса, при этом первое отверстие по меньшей мере одного уравновешивающего канала в первой поверхности ступицы расположено ближе к оси рабочего колеса, чем второе отверстие на задней стороне рабочего колеса, причем первое отверстие по меньшей мере одного уравновешивающего канала в первой поверхности ступицы расположено в пределах окружности С, образованной посредством радиально самой внутренней части по меньшей мере одной рабочей лопатки, в то время, когда рабочее колесо вращается вокруг оси, при этом второе отверстие по меньшей мере одного уравновешивающего канала на задней стороне рабочего колеса расположено на минимальном диаметре диска.
(24) Другие признаки, характерные для настоящего изобретения, станут очевидными из прилагаемой формулы изобретения.
(25) Рабочее колесо по настоящему изобретению дает по меньшей мере некоторые из следующих преимуществ по сравнению с рабочими колесами по уровню техники:
- условия давления в лопастном проходе между рабочими лопатками не влияет на работу уравновешивающих каналов;
- флуктуации давления в уплотняющей камере минимизированы;
- риск работы уплотнения вала всухую минимизирован;
- надежная передача тепла от уплотнения вала к текучей среде, которая должна быть перекачана;
- энергосберегающий насос, так как рециркуляция текучей среды, которая должна быть перекачана, устранена; и
- оптимальное уравновешивающее устройство для насосов, использующих гидродинамическое уплотнение.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
(26) Способ нагнетания жидкой среды, центробежный насос и рабочее колесо по настоящему изобретению, описаны ниже в виде примеров со ссылкой к прилагаемым чертежам, на которых:
Фиг.1 представляет собой схематичную иллюстрацию осевого сечения центробежного насоса по уровню техники;
Фиг.2 представляет собой схематичную иллюстрацию осевого сечения центробежного насоса по уровню техники согласно патенту США US-B2-7,326,029;
Фиг.3 представляет собой схематичную иллюстрацию осевого сечения центробежного насоса в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4 представляет собой схематичную иллюстрацию принципа работы центробежного насоса в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.5 представляет собой схематичную иллюстрацию осевого сечения центробежного насоса в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.6 представляет собой схематичную иллюстрацию радиального сечения центробежного насоса по фиг.3; и
Фиг.7 представляет собой схематичную иллюстрацию радиального сечения центробежного насоса по фиг.5.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
(27) Фиг.1 схематично иллюстрирует обычную конструкцию рабочего колеса 10 центробежного насоса в соответствии с уровнем техники. Фигура также иллюстрирует компоненты насоса, такие, как улитку 2 насоса, заднюю стенку 4 упомянутого насоса и вал 6 насоса с осью 8. Рабочее колесо 10 содержит ступицу 12 и диск 14, который имеет дискообразную форму, более или менее, с радиальной протяженностью от ступицы 12. Ступица и диск снабжены рабочими лопатками 16, расположенными на передней или первой поверхности ступицы и диска, и уравновешивающие отверстия 18, продолжающиеся через ступицу 12 от ее передней или первой поверхности к ее задней или второй поверхности. Задняя поверхность ступицы или диска дополнительно снабжена задними лопатками 20. Характерным признаком уравновешивающих отверстий в соответствии с уровнем техники является то, что их осевая линия является параллельной оси 8 насоса, а также в том, что диаметр отверстий является по существу постоянным по всей их длине. Кроме того, уравновешивающие отверстия 18 расположены относительно близко к оси 8 насоса и располагаются в лопастном проходе рабочего колеса. Цель описанного выше расположения уравновешивающих отверстий состоит в том, чтобы часть потока жидкости проходила через отверстие от передней стороны рабочего колеса к задней стороне рабочего колеса 10 для увеличения давления в уплотнительном пространстве 22.
(28) Фиг.2 иллюстрирует другую конструкцию по уровню техники, а именно, ту, что обсуждается в патенте США US-B2-7,326,029. Насос по патенту США содержит улитку 2, заднюю стенку 4 и рабочее колесо 30 со ступицей 32 рабочего колеса и диском 34, рабочими лопатками 36, задними лопатками 40 и осью 8 как насоса, так и ступицы и рабочего колеса. Конструкция рабочего колеса по фиг.2, отличается от той, что на фиг.1 тем, что уравновешивающие отверстия или каналы 38 имеют осевую линию CL в направлении, которое отклоняется от оси 8 насоса или рабочего колеса 30. В варианте осуществления, представленном на фиг.2, вид разреза, взят вдоль осевой линии CL отверстий или каналов 38. Таким образом, очевидно, что хотя фиг.2, может создать впечатление, что отверстия или каналы расположены в осевой плоскости, отверстия или каналы 38 могут быть (но не обязательно) в действительности, наклоненными, другими словами, они могут отклоняться от осевой плоскости в радиальном направлении, а также по окружности. Характерной особенностью уравновешивающих отверстий или каналов 38 по патенту США является то, что отверстие 44 на стороне ступицы 32, обращенной к всасывающему каналу насоса (слева на чертеже), то есть так называемое впускное отверстие на первой поверхности ступицы, находится ближе к оси 8 насоса (т.е. на меньшем диаметре), чем отверстие 46 позади ступицы 32 рабочего колеса или диска 34, то есть так называемое выпускное отверстие на противоположном конце уравновешивающего отверстия или канала 38 на второй поверхности ступицы или диска. Посредством вышеприведенного обсуждения позиционирования уравновешивающих каналов, каждый уравновешивающий канал действует как небольшой центробежный насос. Другим характерным признаком отверстий или каналов 38 по патенту США является то, что они частично направленны по окружности так, что их направление находится вдоль лопастного прохода рабочего колеса, т.е. вдоль полости между рабочими лопатками 36, в направлении потока жидкости. Другими словами, отверстия 46 уравновешивающих отверстий или каналов в задней или второй поверхности ступицы 32 рабочего колеса или диска 34 расположены в направлении вращения рабочего колеса за отверстием 44 на противоположном конце уравновешивающего отверстия или канала 38, то есть в передней или первой поверхности ступицы 32 рабочего колеса или диска 34, а также в радиальном направлении снаружи его.
(29) Фиг.2 также представляет уплотнение 48 вала, которое расположено в его собственной камере между валом и задней стенкой/корпусом насоса. Так как уплотнение 48 вала находится относительно далеко от второго или выпускного отверстия 46 уравновешивающего канала 44 (как в осевом направлении, так и особенно в радиальном направлении намного ближе к оси рабочего колеса, чем выпускное отверстие 46), передача тепла к перемещаемой жидкости является ограниченным, и риск работы уплотнения всухую существует, особенно при нагнетании жидкостей, имеющих высокую температуру, так что она легко выпаривается.
(30) Кроме того, из проведенных экспериментов известно, что, хотя расположение переднего/впускного и заднего/выпускного отверстий на различных диаметрах слегка помогает в уравновешивании, флуктуации давления в уплотняющей полости 40 являются слишком высокими, и там имеется риск работы уплотнений всухую. Проведенные эксперименты показали, что решением проблемы, связанной с флуктуациями давления, является правильное расположение переднего/впускного отверстия в уравновешивающем канале. Расположение должно быть таким, чтобы первое или переднее или впускное отверстие находилось полностью внутри окружности С (представленной на фигурах 5 и 6), образованной из точек начала рабочих лопаток на передней поверхности рабочего колеса, то есть точек, где передние края рабочих лопаток встречают переднюю или первую поверхность ступицы.
(31) Фиг.3 иллюстрирует сечение центробежного насоса, выполненного в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Центробежный насос содержит корпус с улиткой 2 и задней стенкой 4. Центробежный насос дополнительно содержит, внутри его корпуса, рабочее колесо 50, вал 6 для вращения рабочего колеса 50, уплотнение 48 вала и ось 8. Рабочее колесо имеет ступицу 52 и диск 54, продолжающийся радиально наружу от ступицы 52 и разделяющий рабочее колесо на переднюю сторону и заднюю сторону по меньшей мере одну рабочую лопатку 56, расположенную на первой или передней поверхности рабочего колеса на передней стороне рабочего колеса, то есть на той, что ступица 52 и диск 54 по меньшей мере один уравновешивающий канал 58, проходящий через ступицу 52 и диск 54 от передней стороны рабочего колеса к его задней стороне, а также по меньшей мере одну заднюю лопатку 60 на задней или второй поверхностью ступицы 52/диска 54 на задней стороне рабочего колеса 50. Задние лопатки 60 могут продолжаться на полную радиальную протяженность диска 54, но они могут также быть расположены только на части радиальной протяженности диска 54. Ступица 52, предпочтительно, имеет по существу цилиндрическое осевое продолжение от диска 54 в направлении, противоположном по меньшей мере одной рабочей лопатке 56, так как продолжающиеся по меньшей мере одна рабочая лопатка 56 и по меньшей мере один уравновешивающий канал 58 ближе к оси рабочего колеса 50, неизбежно уменьшают размер ступицы 52 в передней части рабочего колеса 50, в соответствии с чем, с целью надлежащего крепления на валу 6, ступица 52 является иногда удлиненной с задней части рабочего колеса 50. Тем не менее, в некоторых случаях, возможно, что ступица может не продолжаться от уровня диска. По меньшей мере, один уравновешивающий канал 58 имеет переднее или первое отверстие 64 на передней или первой поверхности ступицы 52 на передней стороне рабочего колеса, и заднее или второе отверстие 66 на задней поверхности ступицы 52 и/или задней поверхности 54' диска 54 на задней стороне рабочего колеса. В основном, рабочее колесо является аналогичным рабочему колесу насоса по фиг.2 за исключением тех фактов, что в настоящее время по меньшей мере одна рабочая лопатка 56 продолжается ближе к оси 8 рабочего колеса 50, и что переднее отверстие 64 по меньшей мере одного уравновешивающего канала 58 было перемещено еще ближе к оси 8 в радиальном направлении внутрь самой внутренней части 56е по меньшей мере одной рабочей лопатки 56, т.е. радиально внутрь точки, в которой передний край по меньшей мере одной рабочей лопатки 56 встречает переднюю или первую поверхность ступицы 52 рабочего колеса 50. Кроме того, заднее или выпускное отверстие 66 каждого уравновешивающего канала 58 открывается, предпочтительно, в выступающей области на соединении диска 54 и ступицы 52, так, что отверстие расположено или полностью на задней поверхности 54' диска 54, или как на задней поверхности 54' диска 54, так и внешней, более или менее, цилиндрической поверхности 52' ступицы 52, или полностью во внешней, более или менее, цилиндрической поверхности 52' ступицы 52. В случае если ступица не имеет осевого продолжения, как обсуждалось ранее выше, предпочтительно, чтобы диаметр вала продолжался к заднему или выпускному отверстию 66 каждого уравновешивающего канала 58, таким образом, чтобы оно открывалось, предпочтительно, в выступающей области на соединении диска 54 и вала так, чтобы отверстие располагалось или полностью в задней поверхности 54' диска 54, или и в задней поверхности 54' диска 54 и внешней, более или менее, цилиндрической поверхности вала, или полностью во внешней, более или менее, цилиндрической поверхности вала. В некоторых случаях, вал может быть снабжен на его конце втулкой вала, имеющей внешнюю поверхность, образующую поверхность выпускного отверстия 66, находящуюся с ней во взаимодействии. Та же самая поверхность, независимо от этого, будучи поверхностью продолжения ступицы, вала, или втулки вала, предпочтительно, взаимодействует с уплотнением 48, как это представлено на фиг.3, также. В двух последних случаях, возможно, что уравновешивающий канал входит в вал или втулку вала от ступицы рабочего колеса так, что выпускное отверстие открывается в валу или поверхности втулки.
(32) Тем не менее, эти модификации требуют перенастройки по меньшей мере одного уравновешивающего канала 58, чтобы иметь, в этом варианте осуществления настоящего изобретения, изогнутую, т.е. нелинейную конфигурацию. Изогнутая конфигурация является необходимой, поскольку, если по меньшей мере один канал 58 будет принят по линейному пути от переднего или первого или впускного отверстия 64 к заднему или второму отверстию 66, канал может не проходить внутри материала ступицы/диска, но откроет длинную канавку в передней или первой поверхности ступицы/диска. Однако, преимущество от наличия уравновешивающего канала, открытого внутри самых внутренних частей по меньшей мере одной рабочей лопатки, будет утеряно. Таким образом, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления по фиг.3 по меньшей мере один уравновешивающий канал 58 образован из трех частей; первой линейной части 581, продолжающейся от переднего или первого отверстия 64 в ступицу 52 в направлении по существу параллельном оси 8 рабочего колеса 50, второй части, то есть изгиба 582, поворачивающего канал 58 по направлению радиально наружу, то есть в направлении, наклонном в отношении к направлению оси 8, и третьей линейной части 583 между изгибом 582 и задним или вторым или выпускным отверстием 66. Здесь, сечение, представленное на фиг.3, выполнено, чтобы проходить вдоль осевой линии CL по меньшей мере одного уравновешивающего канала 58, что означает только то, что по меньшей мере один уравновешивающий канал 58 не обязательно, но может, однако, быть, расположен в плоскости вдоль оси 8 рабочего колеса 50. Таким образом по меньшей мере один уравновешивающий канал 58 может проходить в плоскости, проходящей ось 8 на расстоянии. В качестве еще одного варианта по меньшей мере один уравновешивающий канал может не быть проходящим в какой-либо одной плоскости, но быть трехмерно изогнутым, то есть может быть, например, следующим направлению по меньшей мере одной рабочей лопатки, или, вернее, направлению лопастного прохода.
(33) Тем не менее, на этом этапе уже стоит понимать, что уравновешивающий канал также может быть изготовлен путем сверления по меньшей мере двух отверстий, так, что не существует никакого фактического изогнутого изгиба, но нечто вроде резкого изгиба между линейными частями канала.
(34) Что касается оптимального расположения второго или выпускного отверстия 66 уравновешивающего канала 58, оно находится на внешней окружности 52' ступицы 52 рабочего колеса 50 таким образом, что никакой выступ не остается между выпускным отверстием 66 и поверхностью 52' ступицы (или поверхностью вала, или поверхность втулки вала). Этот вид конструкции гарантирует, что тепло, генерируемое в уплотнения 48 вала, легко передается из области уплотнения. Промывка уплотнения 48 вала фактически функционирует так, что текучая среда, поступающая к задней стороне диска 54, имеет относительно высокую скорость, основанную на давлении на впуске насоса, а уравновешивающий канал 58 действует как насос, посредством чего текучая среда из пространства перед уплотнением 48 вала втягивается в полость между задней стенкой 4 насоса и диском 54. Текучая среда, которая была откачана из выпускного отверстия 66, заменяется новой текучей средой от соседних кольцевых областей, то есть областей за пределами эффективного диапазона выпускного отверстия 66, при этом радиально направленный наружу поток является слабее, в результате чего незначительное количество циркулирующей жидкости обеспечивается в передней части уплотнения 48 вала. Другими словами, предпочтительно, но не полностью необходимо, чтобы уплотнение 48 вала располагалось на той же поверхности 52' ступицы (или вала или втулки вала), к которой выпускное отверстие 66 уравновешивающего канала 58 открывается. Тем не менее, поскольку существуют различные типы уплотнений вала, которые могут быть использованы в таком положении, как, например, уплотнения типа сальников или механические уплотнения, установка которых на валу сильно отличается друг от друга, точное определение размеров выпускного отверстия 66 относительно уплотнения 48 трудно определить. Только два способа для представления, что любая полость внутри диаметра поверхности 52' ступицы (или вала или втулки вала) в передней части уплотнения вала не требуется, другими словами, диаметр уплотнения вала является по существу тем же самым или больше, чем у поверхности 52' ступицы или вала или втулки вала, или, что уплотнение 48 вала расположено на том же или большем расстоянии от оси 8, чем выпускное отверстие 66 уравновешивающего канала 58 в ступице или валу или втулке вала.
(35) Фиг.4 схематично иллюстрирует принцип работы рабочего колеса согласно настоящему изобретению с использованием ссылочных позиций по фиг.3. Текучая среда, которая должна быть перекачана, поступает в рабочее колесо 50 с левой стороны вдоль впуска насоса и разделяется во впускной воронке рабочего колеса (как раз перед рабочими лопатками рабочего колеса) на два потока, первый или основной поток, проходящий или входящий в эффективную область рабочих лопаток 56, которые образуют первый центробежный насос, продвигающий текучую среду к улитке 2 насоса. Второй поток идет или проходит к уравновешивающим каналам 58, которые образуют второй центробежно действующий элемент, т.е. центробежный насос, параллельно с рабочими лопатками 56 продвигающий текучую среду к улитке 2 насоса. После прохождения уравновешивающих каналов 58, т.е. уравновешивающих каналов, перекачивающих второй поток, второй поток взаимодействует с уплотнением 48 вала до прохождения к эффективной области задних лопаток 60, действующих в качестве второго центробежно действующего элемента параллельно с рабочими лопатками 56, и перекачивается задними лопатками 60, образующими третий центробежный насос, к улитке 2 насоса, где первый и второй поток объединяются перед выпуском из улитки к выпуску насоса. Другими словами, центробежный насос по настоящему изобретению, на практике, образован из рабочих лопаток 56 и двух центробежно действующих устройств 58 и 60, соединенных параллельно с рабочими лопатками 56.
(36) Фиг.5 иллюстрирует сечение центробежного насоса в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Центробежный насос по фиг.5 содержит корпус с улиткой 2 и задней стенкой 4. Центробежный насос дополнительно содержит, внутри его корпуса, рабочее колесо 150, вал 6 для вращения рабочего колеса 150, уплотнение 48 вала и ось 8. Рабочее колесо имеет ступицу 152, диск 154, продолжающийся в радиальном направлении наружу от ступицы 152 по меньшей мере одну рабочую лопатку 156, расположенную на передней или первой поверхности рабочего колеса 150, т.е. на поверхности ступицы 152 и диска 154 по меньшей мере один уравновешивающий канал 158, проходящий через ступицу 152 и диск 154, и по меньшей мере одну заднюю лопатку 160 на задней или второй поверхности 154' диска 154. Ступица 152, предпочтительно, имеет по существу цилиндрическое осевое продолжение от диска 154 в направлении, противоположном по меньшей мере одной рабочей лопатке 156, так как продолжающиеся по меньшей мере одна рабочая лопатка 156 и по меньшей мере один уравновешивающий канал 158 ближе к оси рабочего колеса 150, неизбежно уменьшают размер ступицы 152 перед рабочим колесом 150, в соответствии с чем, с целью надлежащего крепления на валу 6, ступица 152 удлинена с задней стороны рабочего колеса 150. Тем не менее, также возможно, что элемент на задней стороне диска рабочего колеса является валом, или втулкой вала, расположенной на валу в порядке, обсуждаемом более подробно в связи с фиг.3. По меньшей мере, один уравновешивающий канал 158 имеет переднее или первое отверстие 164 в осевом центре передней или первой поверхности ступицы 152, и заднее, или второе отверстие 166 на задней поверхности 154' диска 154 на внешней окружности ступицы 152. В случае, если существует несколько уравновешивающих каналов 158, первое или переднее отверстие 164 является общим для всех каналов. То, что было раскрыто относительно расположения второго или выпускного отверстия 66, в связи с вариантом осуществления по фиг.3, относится к данному варианту осуществления также. Другими словами, выпускное отверстие 166 может находиться на задней поверхности 154' диска 154 в по существу цилиндрической внешней поверхности 152' ступицы 152 (или вала или втулки вала) или в обоих. Кроме того, расположение уплотнения 48 вала по отношению к расположению выпускного отверстия 166 может быть заимствовано из идеи по фиг.3.
(37) В принципе, рабочее колесо 150 по фиг.5 является аналогичным рабочему колесу насоса по фиг.3, за исключением тех фактов, что теперь по меньшей мере одна рабочая лопатка 156 продолжается еще ближе к оси 8 рабочего колеса 150, и того, что переднее, или первое, или впускное отверстие 164 по меньшей мере одного уравновешивающего канала 158 расположено на оси 8 рабочего колеса 150, а в случае нескольких уравновешивающих каналов 158, объединяется в одно отверстие 164, которое находится, естественно, радиально внутри радиально самой внутренней части 156e по меньшей мере одной рабочей лопатки 156, т.е. радиально внутри места, где передний край рабочей лопатки 156 встречает переднюю или первую внешнюю поверхность ступицы 152 рабочего колеса 150. Таким образом, уравновешивающие каналы 158 (если их более одного) имеют общую первую часть 1581, а также отдельные вторые части, то есть изгибы 1582, и третьи части 1583. Остальные варианты конфигурации и направления по меньшей мере одного уравновешивающего канала 158 являются аналогичными варианту осуществления по фиг.3.
(38) Фигуры 6 и 7 иллюстрируют виды спереди рабочих колес по фигурам 3 и 5, соответственно, так, что рабочие лопатки 56, 156 (пять в этом рабочем колесе) даны в разрезе. Чертежи иллюстрируют пунктирными линиями расположение уравновешивающих каналов 58, 158 в ступице 52, 152 рабочего колеса и диске 54, 154. Чертежи этих двух вариантов осуществления представляют, что уравновешивающие каналы 58, 158 проходят по окружности наклонными и изогнутыми, т.е. каждый канал повернут, следуя общему направлению рабочих лопаток. Таким образом, каждый уравновешивающий канал наклонен, и изогнут как в периферийном, так и в радиально наружном направлениях от переднего или первого отверстия 64, 164 в передней или первой поверхности ступицы 52, 152 рабочего колеса. Другими словами, вторые отверстия 66, 166 уравновешивающих каналов 58, 158 в задней или второй поверхности диска 54, 154 рабочего колеса расположены в направлении вращения рабочего колеса за отверстием 64, 164 на противоположном конце уравновешивающего канала 58, 158, т.е. в передней, или первой поверхности ступицы 52, 152, а также радиально снаружи ее. Цель уравновешивающего канала 58, 158, продолжающегося в ступице рабочего колеса и диска по меньшей мере по существу, в направлении лопатки рабочего колеса, состоит с одной стороны в том, что скорость жидкости, протекающей через канал 58, 158 к области задней лопатки, находится в правильном направлении, так что меньше работы требуется от задних лопаток для нагнетания протекающей жидкости из пространства позади рабочего колеса 50, 150. С другой стороны, цель состоит в том, чтобы увеличить поток жидкости через уравновешивающие каналы 58, 158 в области задней лопатки таким образом, чтобы давление в уплотняющем пространстве (обсуждаемом в связи с фигурами 1 и 2, обозначенном ссылочными позициями 22 и 42) оставалось положительным во всем диапазоне мощности насоса.
(39) Особенность, которую следует понимать, состоит в том, что рабочее колесо, снабженное уравновешивающим каналом/каналами по настоящему изобретению, может быть не только полуоткрытым рабочим колесом, но также и закрытым рабочим колесом, то есть рабочим колесом, имеющим другой диск, так называемый передний диск, расположенный по краю/краям рабочей лопатки/лопаток, обращенных к улитке 2. Такой передний диск может, если это желательно, иметь так называемую переднюю лопатку/лопатки на его поверхности, противоположной поверхности, где рабочая лопатка/лопатки расположены. Тем не менее, как ясно из приведенного выше описания, что независимо от типа рабочего колеса, рабочее колесо согласно настоящему изобретению не имеет уплотнения/уплотнений рабочего колеса, обсуждавшихся во вводной части описания со ссылкой на патент Японии JP-58192995, так как они приводят к такой работе центробежного насоса, которая явно отличается от рассмотренной в связи с фиг.4, например.
(40) В приведенном выше описании обсуждаются в самом общем виде уравновешивающие каналы и их направление. Следует отметить относительно каналов, что они могут меняться значительно, например, как по направлению, так и по форме. Другими словами, вполне возможно, что уравновешивающие каналы не наклонены в направлении вдоль окружности (на виде спереди, соответствующему фигурам 6 и 7), но являются или радиальными, или слегка изогнутыми, но, главным образом, ориентированными в радиальном направлении на виде спереди. Кроме того, уравновешивающие каналы могут быть линейными на виде спереди, т.е. или в радиальном или в наклонном направлении. Что касается направления уравновешивающих каналов на виде сбоку (например, тех, которые на фигурах 3 и 5), направление третьей части 583 канала или 1583 зависит от формы ступицы рабочего колеса, а также, общего размера рабочего колеса. Тем самым, точный размер может быть задан. Глубже в ступице первая по существу осевая часть продолжается круче, являясь наклонной относительно осевого направления, и наоборот. Кроме того, чем дальше заднее отверстие на задней поверхности диска расположено от оси, тем круче наклон.
(41) Кроме того, дополнительно следует понимать, что уравновешивающие каналы могут быть изогнуты по всей их длине, и что направление, и радиус кривизны может изменяться по длине изгиба. Тем не менее, уравновешивающие каналы могут также быть образованы из двух линейных сверлений, встречающихся внутри корпуса ступицы рабочего колеса. Что касается формы уравновешивающих каналов, все круглые, овальные и угловатые формы сечения могут оказаться под вопросом. Площадь сечения каналов может или быть постоянной по всей длине канала, или же она может изменяться по меньшей мере на участке длины канала. Дополнительно следует отметить, что как в вышеприведенном описании, так и в прилагаемой формуле изобретения, направление канала больше относится к направлению осевой линии или оси канала, чем к направлению какой-либо конкретной его стенки. Объединенная площадь потока уравновешивающих каналов должно быть, предпочтительно, в диапазоне между 5% и 20% от площади впускного отверстия насоса, площади, соответствующей площади, ограниченной внешними концами принимаемого потока, или впускными или ведущими краями рабочих лопаток при вращении. Посредством таких размеров обеспечивается, что уравновешивающие каналы позволят свободно и без потерь течению среды вдоль каналов. Посредством этого гарантируется, что флуктуации давления в уплотнительной полости минимизированы. Другая особенность размера уравновешивающего канала/каналов, заключается в том, что радиально внешняя точка переднего или первого его отверстия, находится в пределах окружности С, образованной радиально самой внутренней частью рабочих лопаток, в то время когда рабочее колесо вращается вокруг оси. Предпочтительно, радиально внешние точки передних или первых отверстий образуют круг, имеющий диаметр 0,9 раза, более предпочтительно, 0,8 раза, наиболее предпочтительно, 0,7 раза диаметра окружности С, образованной радиально самой внутренней частью рабочих лопаток.
(42) Следует понимать, что на чертежах не уделено внимание тому, как рабочее колесо крепится на валу. Одним из возможных вариантов является расположение рабочего колеса на валу с возможностью вращения с валом посредством шпонки или аналогичного соединения, а для обеспечения неподвижности соединения в осевом направлении посредством болта, выполненного с возможностью проходить в осевом направлении через переднюю поверхность ступицы к резьбовому глухому отверстию в конце вала. Естественно, вариант заключается в расположении в конце вала расширения, имеющего меньший диаметр, для продолжения через ступицу так, чтобы гайка могла быть использована для закрепления рабочего колеса в осевом направлении неподвижно на валу. И третий вариант заключается в использовании не имеющего головки болта, ввинченного в несквозное резьбовое отверстие на конце вала, и использовании гайки для закрепления рабочего колеса в осевом направлении неподвижно на валу. В случае варианта осуществления, представленного на фигурах 5 и 7, болт, или удлинение вала могут быть расположены внутри отверстия 164 для уравновешивающего канала 158, однако принимая во внимание, что болт, или конец вала, могут не иметь какого-либо отрицательного влияния на поток через уравновешивающие каналы.
(43) Как видно из приведенного выше описания, было разработано новое рабочее колесо, устраняющее по меньшей мере некоторые недостатки уровня техники рабочих колес. Рабочее колесо в соответствии с настоящим изобретением позволяет использовать насос также при мощностях выше, чем оптимальный рабочий режим, без риска повреждения уплотнений. В то время как изобретение было описано здесь в виде примеров, в связи с чем являющимися в настоящее время продуманными предпочтительными вариантами осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления, а предназначено для охвата различных комбинаций и/или модификаций его свойств и других применений в пределах объема изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.