ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС
RADIAL-FLOW PUMP

Предлагаемое изобретение относится к насосам необъемного вытеснения с вращательным движением рабочих органов, более конкретно - к конструктивным узлам центробежных лопастных насосов. Изобретение может быть преимущественно использовано при изготовлении насосов, в частности центробежных насосов, применяемых в ядерных энергетических установках на атомных электростанциях.
В конструкциях центробежных насосов традиционно роторный элемент насоса выставляется в радиальном направлении с помощью разнообразных приспособлений относительно статорного, регулируя таким образом величину зазора в щелевых уплотнениях рабочих колес (патент RU, №2357105, F04D 29/046, опубл. 27.05.2009).
Недостатками таких конструкций являются увеличенные габариты насоса в связи с необходимостью размещения системы выставки, сложность его сборки и сложность получения высокого КПД насоса в связи со сравнительно большими величинами выставляемых зазоров. Кроме того, данная выставка в многоступенчатых конструкциях насосов не гарантирует отсутствие задиров в щелевых уплотнениях рабочих колес при работе насоса.
Известны также конструкции насосов, где в качестве щелевых уплотнений рабочих колес применяются плавающие кольца, которые обеспечивают равномерный минимальный зазор в щелевых уплотнениях и, вообще говоря, позволяют не выставлять ротор насоса относительно статора (патент RU, №2020282, F04D 29/08, опубл. 30.09.2004), а кроме того, такая конструкция в сочетании с правильным выбором материала плавающих колец позволяет гарантировать отсутствие задиров в щелевых уплотнениях рабочих колес при пусках насоса.
Недостатками такой конструкции являются низкие надежность и ресурс работы из-за износа плавающих колец по торцовым контактным поверхностям, где возникают значительные силы трения, а кроме того, неизбежное снижение жесткости вала (и, соответственно, критической частоты его вращения) в связи с потерей жесткости его опор в щелевых уплотнениях рабочих колес.
Задача, решаемая изобретением, состоит в облегчении процесса сборки центробежного насоса и повышении его КПД при сохранении показателей надежности и ресурса работы насоса и жесткости вала.
При осуществлении предлагаемого изобретения могут быть получены следующие технические результаты:
- получение гарантированного минимального зазора в щелевом уплотнении центробежного насоса;
- исключение задевания ротора и статора;
- предотвращение износа плавающего кольца;
- повышение КПД проточной части;
- исключение необходимости выставки ротора относительно статора при сборке центробежного насоса;
- исключение повреждения торцовых поверхностей плавающего кольца;
- исключение возникновения задиров при пуске насоса. Как решение поставленной задачи, позволяющее достигнуть эффекта с указанными характеристиками, предлагается конструкция центробежного насоса без системы выставки ротора относительно статора с узлом щелевого уплотнения вала, содержащим плавающее кольцо, установленное с зазором в корпусе насоса и минимальным гарантированным зазором относительно рабочего колеса и имеющее торцовый контакт с корпусом насоса, отличающаяся от прототипа следующим.
Плавающее кольцо закреплено в корпусе насоса с помощью крышки, прижимающей плавающее кольцо к корпусу насоса с усилием, достаточным для обжатия уплотнительных колец, установленных в проточках на торцовых поверхностях плавающего кольца, и создающим на торцовых поверхностях плавающего кольца силу трения, не превышающую гидродинамическую силу в щелевом уплотнении, возникающую при работе насоса, при этом в крышке выполнены отверстия, создающие демпфирующий эффект при резких смещениях плавающего кольца.
В частном случае плавающее кольцо может быть выполнено с заплечиком, продолжающим внутреннюю поверхность кольца и выступающим в осевом направлении за его торцовую поверхность, с проточкой под уплотнительное кольцо.
В корпусе насоса (статорной части насоса) со стороны его внутренней поверхности выполнены две кольцевые проточки, представляющие собой монотонно сужающиеся ступени. Причем проточка с меньшим диаметром образует с внутренней поверхностью корпуса бурт, в который упирается в осевом направлении устанавливаемое в данную проточку плавающее кольцо, а со второй проточкой с большим диаметром - бурт, в который упирается устанавливаемая в данную проточку крышка.
На торцовых поверхностях плавающего кольца выполнены проточки, предназначенные для установки уплотнительных колец, например резиновых. Одна из торцовых поверхностей предназначена для сопряжения в осевом направлении через уплотнительное кольцо с буртом меньшей проточки в корпусе насоса, а другая - для сопряжения в осевом направлении через уплотнительные кольца с торцовой поверхностью крышки, осуществляя давление в осевом направлении на плавающее кольцо с помощью винтов, которыми она прикреплена к корпусу насоса, прижимая плавающее кольцо к корпусу и ограничивая таким образом его осевое перемещение.
Кроме того, со стороны установки в корпус на плавающем кольце выполнен заплечик, продолжающий внутреннюю поверхность кольца и выступающий в осевом направлении за его торцовую поверхность с проточкой под уплотнительные кольца. Данный заплечик увеличивает геометрическую протяженность щелевого уплотнения, а значит и опоры вала, повышая, таким образом, его жесткость.
Размеры плавающего кольца выбраны таким образом, чтобы при размещении его в радиальном направлении между корпусом и рабочим колесом между наружной поверхностью плавающего кольца и сопрягаемой поверхностью корпуса и внутренней поверхностью плавающего кольца и сопрягаемой поверхностью рабочего колеса образовать гарантированные зазоры, которые обеспечивают свободное перемещение плавающего кольца в радиальном направлении под воздействием гидродинамических сил в пределах данных зазоров, причем зазор с сопрягаемой поверхностью колеса выбирается минимальным для обеспечения высокого КПД насоса.
На наружной поверхности плавающего кольца выполнено углубление, в которое запрессован штифт, а на сопрягаемой поверхности корпуса выполнен паз, в который штифт входит с небольшим зазором, ограничивая угловые перемещения плавающего кольца относительно корпуса.
Уплотнительные кольца, которые установлены в проточках на торцовых поверхностях плавающего кольца, изолируют от протечек камеру, которую образуют корпус, крышка и уплотнительное кольцо. При этом степень поджатия крышкой плавающего кольца к корпусу и соответственно степень обжатия уплотнительных колец в проточках на торцовых поверхностях плавающего кольца выбирается таким образом, чтобы, с одной стороны, действующие на него гидродинамические силы превышали силу трения на торцовых поверхностях обжатых уплотнительных колец, обеспечивая таким образом самоцентрирование плавающего кольца, а с другой стороны отсутствовали перетечки уплотняемой среды через данные уплотнительные кольца.
В крышке выполнены отверстия, через которые происходит дросселирование жидкости, небольшой размер которых позволяет создать демпфирующий эффект и сохраняет объем жидкости в камере при резком изменении ее геометрии, вызванной смещением плавающего кольца, таким образом сохраняя жесткость опоры ротора в щелевом уплотнении.
В частном случае целесообразно плавающее кольцо изготавливать из материала, обладающего антизадирными свойствами с материалом колеса.
Заявляемое изобретение (в частном случае реализации) поясняется следующими чертежами:
фиг.1 - общий вид щелевого уплотнения рабочего колеса (осевой разрез в месте крепления крышки);
фиг.2 - общий вид щелевого уплотнения рабочего колеса (фиксация плавающего кольца);
фиг.3 - кольцевая проточка корпуса;
фиг.4 - паз фиксации плавающего кольца;
фиг.5 - плавающее кольцо (осевой разрез);
фиг.6 - крышка (осевой разрез с дросселирующим отверстием);
фиг.7 - крышка (осевой разрез с отверстием крепления крышки).
Представлен центробежный насос, с узлом щелевого уплотнения вала, в корпусе 2 (фиг.1) которого выполнены, в частности, две кольцевые проточки, представляющие собой монотонно сужающиеся ступени. Причем проточка с меньшим диаметром образует с внутренней поверхностью корпуса 2 бурт 9 (фиг.3), предназначенный для сопряжения с торцовой поверхностью 15 (фиг.5) плавающего кольца 3 (фиг.1), а с второй проточкой с большим диаметром - бурт 10 (фиг.3), предназначенный для сопряжения с торцовой поверхностью 18 (фиг.6) крышки 4. На бурте 10 выполнены резьбовые отверстия 11 (фиг.3), предназначенные для вворачивания в них винтов 5 (фиг.1), предназначенных для прикрепления крышки 4 к корпусу 2. На внутренней поверхности корпуса 2 между буртами 9 и 10 выполнен паз 12 (фиг.3, 4), предназначенный для сопряжения со штифтом 7, установленном в углублении 17 (фиг.5) плавающего кольца 3.
На торцовых поверхностях 15 и 16 (фиг.5) плавающего кольца 3 выполнены проточки 13 и 14, предназначенные для установки уплотнительных колец 6 (фиг.1). Продолжение внутренней поверхности плавающего кольца 3 образует заплечик 20 (фиг.5), выступающий за торцовую поверхность 15.
В крышке 4 выполнены отверстия 8 (фиг.2, 6), предназначенные для дросселирования жидкости в камере, образованной корпусом 2, плавающим кольцом 3 и крышкой 4 (фиг.1), и отверстия 19 (фиг.7), предназначенные для установки в них винтов 5 (фиг.1).
Для исключения возможности появления задиров при пуске насоса целесообразно плавающее кольцо 3 изготавливать из материала, обладающего антизадирными свойствами с материалом колеса.
После изготовления элементов центробежного насоса плавающее кольцо 3 с установленными в его проточках 13 и 14 уплотнительными кольцами 6, например резиновьми, а в углублении 17 штифтом 7 (фиг.2, 5), устанавливают в кольцевой проточке корпуса 2 между буртами 9 и 10 (при этом кольцевая проточка охватывает наружную поверхность плавающего кольца), торцевой поверхностью 15 плавающее кольцо 3 в сторону бурта 9 корпуса 2, размещая при этом штифт 7 с небольшим зазором в пазу 12 корпуса 2. Затем в кольцевую проточку с большим диаметром в корпусе 2 устанавливают крышку 4 торцевой поверхностью 18 в сторону бурта 10 корпуса 2 (при этом кольцевая проточка охватывает наружную поверхность крышки). Вворачивая винты 5 через отверстия 19 в крышке 4 в резьбовые отверстия 11 в корпусе 2, крышку 4 перемещают в осевом направлении до упора торцовой поверхностью 18 крышки 4 в бурт 10 корпуса 2. При этом торцовой поверхностью 18 крышки 4 осуществляют давление в осевом направлении через уплотнительные кольца 6 на плавающее кольцо 3, прижимая его через уплотнительное кольцо со стороны торцовой поверхности 15 к бурту 9 корпуса 2.
В процессе эксплуатации гидродинамическая сила, возникающая в щелевом уплотнении, воздействует на плавающее кольцо 3, выравнивая давление в зазоре между его внутренней поверхностью и рабочим колесом 1 и обеспечивая равномерность данного зазора (самоцентрирование плавающего кольца), и, соответственно, исключение задевания ротора и статора. При этом неравномерность зазора в щелевом уплотнении насоса, вызванная отсутствием системы выставки в радиальном направлении ротора относительно статора насоса, переходит в неравномерность зазора между наружной поверхностью плавающего кольца 3 и корпусом 2, не влияющую на работу насоса. Камера, образованная корпусом 2, плавающим кольцом 3 и крышкой 4 и изолированная от протечек уплотнительными кольцами 6, связана через отверстия 8 в крышке 4 с полостью за рабочим колесом 1, давление в которой больше давления перед щелевым уплотнением. Небольшой размер данных отверстий 8 позволяет создать демпфирующий эффект и сохраняет объем жидкости в камере при резком изменении ее геометрии, таким образом сохраняя жесткость опоры ротора в щелевом уплотнении. Так как контакт плавающего кольца 3 с корпусом 2 и крышкой 4 осуществляется через уплотнительные кольца 6, то возникающие при работе насоса по торцовым контактным поверхностям плавающего кольца 3 силы трения будут восприниматься уплотнительными кольцами 6, предотвращая износ плавающего кольца 3 и обеспечивая надежность и долговечность уплотнения.