Дисковый насос
DISC PUMP

Изобретение относится к технике для перекачки текучих сред, представляет собой насос с вращательным движением и, более конкретно, дисковый насос.
Из предшествующего уровня техники, известен ряд насосов, использующих в качестве лопастей диски, прообразом конструкции которых может служить турбина Тесла. Известен ряд конструкций, описанных в «Дисковые насосы» В.И. Мисюра, Б.В. Овсянников, В.Ф. Присняков, М.: Машиностроение, 1986. Также известен ряд насосов, например, Авторское свидетельство №1044826; Авторское свидетельство №1768801, патент CN 103457366. Тем не менее, вследствие наличия элементов трения, данные насосы нельзя отнести к надежным и долговечным.
Также, известен дисковый насос (патент РФ 2285153 опубликован 10.10.2006), содержащий ведущий диск, к которому посредством стержней крепятся ведомые диски с центральными отверстиями, а расстояние между дисками обеспечивается распорными втулками. Ведомые диски устанавливаются с возможностью перемещения вдоль стержней, а распорные втулки выполнены упругими. Недостатком известного насоса, также является низкая надежность, долговечность, производительность конструкции и ее ремонтопригодность, вследствие наличия элементов трения.
Наиболее близким аналогом к заявляемому дисковому насосу, является насос (патент US 8523539 опубликован 03.09.2013), состоящий из корпуса с патрубками входного и выходного потоков, внутри корпуса расположены лопасти в виде дисков, при этом ротор, соединенный с дисками содержит магниты, а статор расположен на поверхности корпуса. Тем не менее, диски закреплены при помощи подшипника вращения, что снижает надежность, производительность и долговечность конструкции, а также данная конструкция обладает низкой ремонтопригодностью.
Целью заявляемого изобретения является устранение выявленных недостатков, для достижения таких технических результатов, как повышение надежности конструкции, производительности, а также долговечности и ремонтопригодности.
Поставленная цель достигается следующим образом: дисковый насос, содержащий полый корпус, снабженный патрубками входного и выходного потоков, статор с обмотками и ротор с параллельными дисками и постоянными магнитами, где диски скреплены друг с другом фиксирующим элементом; при этом статор закреплен на корпусе, а ротор помещен в полость корпуса, характеризующийся тем, что дополнительно содержит второй статор с обмотками, расположенный симметрично, относительно плоскости дисков, а ротор состоит из двух частей, которые также симметричны, относительно плоскости дисков; при этом обмотки статора и постоянные магниты ротора расположены с наклоном к плоскости дисков.
Насос в частности может характеризоваться тем, что углы наклона плоскостей обмоток статора и постоянных магнитов, равны.
Насос в частности может характеризоваться тем, что ротор и диски ротора выполнены с центральными отверстиями.
Насос в частности может характеризоваться тем, что статор и магнитопровод ротора выполнены из металла.
Насос в частности может характеризоваться тем, что ротор выполнен из диэлектрического немагнитного материала.
Насос в частности может характеризоваться тем, что корпус состоит из двух чашеобразных частей.
Насос в частности может характеризоваться тем, что диски соединены тремя равномерно расположенными фиксирующими элементами.
Насос в частности может характеризоваться тем, что обмотки выполнены в виде колец и равномерно расположены по поверхности статора.
Насос в частности может характеризоваться тем, что постоянные магниты объединяются магнитопроводным кольцом, имеют прямоугольную форму и равномерно расположены по поверхности ротора, с чередованием магнитных полюсов.
Насос в частности может характеризоваться тем, что магнитопроводное кольцо с магнитами расположено в углублении поверхности ротора.
Насос в частности может характеризоваться тем, что магнитопроводное кольцо выполнено в форме конусной шайбы.
Ниже в описании, в качестве примера исполнения заявляемого насоса представлен образец в горизонтальном положении, в котором первые кольцо, статор, и др. являются нижними элементами, а вторые кольцо, статор, и др. - верхними элементами.
На Фиг. 1 схематично представлен насос, общий вид;
На Фиг. 2 схематично представлена конструкция насоса, в продольном разрезе;
На Фиг. 3 показано условное изображение дисков ротора насоса (поперечный разрез);
На Фиг. 4 показано условное изображение постоянных магнитов (нижних и/или верхних) на роторе насоса (поперечный разрез);
На Фиг. 5 показано условное изображение обмоток (нижних и/или верхних) статора насоса (поперечный разрез);
На Фиг. 6 представлена блок-схема управления насосом.
На представленных чертежах цифрами обозначено следующее:
1. Верхняя половина корпуса;
2. Нижняя половина корпуса;
3. Патрубок входного потока;
4. Патрубок выходного потока;
5. Нижний статор;
6. Нижние обмотки статора;
7. Нижние магниты постоянные;
8. Нижний магнитопровод;
9. Нижняя половина ротора;
10. Верхний статор;
11. Верхние обмотки статора;
12. Верхние магниты постоянные;
13. Верхний магнитопровод;
14. Верхняя половина ротора;
15. Диски ротора;
16. Соединительные втулки;
17. Фиксирующие элементы;
18. Вывод электропитания и управления;
19. Верхний частотный преобразователь;
20. Верхние датчики тока;
21. Верхние датчики напряжения;
22. Блок питания;
23. Узел управления;
24. Верхний датчик ЭДС;
25. Нижний датчик ЭДС;
26. Нижний частотный преобразователь;
27. Нижние датчики тока;
28. Нижние датчики напряжения.
Представленный на фигурах дисковый насос устроен следующим образом.
Корпус, который может состоять из двух половин - верхняя половина корпуса (1) и нижняя половина корпуса (2), снабжен патрубком входного потока (3) и патрубком выходного потока (4). При этом половины корпуса могут быть выполнены чашеобразными, поскольку такая конфигурация (близкая к куполообразной), является прочной и надежной. На корпусе (в нижней его части) располагаются нижний статор (5), снабженный нижними обмотками статора (6), которые (при подаче напряжения) взаимодействуют с нижними постоянными магнитами (7), объединенные магнитопроводом (8), при этом магниты (7) располагаются в углублениях нижней половины ротора (9), с чередованием магнитных полюсов. Дополнительно к этому, конструкция содержит симметрично расположенные, идентичные первым, верхний статор (10), снабженный верхними обмотками статора (11), верхние постоянные магниты (12), объединенные верхним магнитопроводом (13), при этом магниты (12) располагаются в углублениях верхней половины ротора (14), с чередованием магнитных полюсов. В качестве материала статора и магнитопровода может выступать, например, электротехническое железо. В качестве материала ротора, а также корпуса насоса, соединительных втулок, фиксирующих элементов, могут быть использованы, например, такие материалы, как, титан, керамика, стекло, пластмасса. Совокупность элементов конструкции: статор с обмотками и ротор с постоянными магнитами, составляют электродвигатель насоса. При этом все представленные в конструкции обмотки статора могут быть выполнены в виде колец и равномерно расположены по поверхности статора. Равномерность расположения обмоток создает равномерность магнитного поля, что, несомненно, повышает надежность работы насоса. Постоянные магниты, также с целью увеличения надежности конструкции, объединены при помощи магнитопровода, удерживающего магниты и создающего замкнутый по контуру магнитный поток. Дополнительно, магнитопроводное кольцо с магнитами может располагаться в углублении статора, что обеспечивает большую надежность конструкции, за счет удержания магнитопровода внутри статора. Само же магнитопроводное кольцо может быть выполнено в форме конусной шайбы, что определяет конфигурацию магнитного поля, определяющего бесконтактный магнитный подвес ротора, что обуславливает надежность и безотказность работы заявляемого насоса. Половины ротора (9, 14) объединены друг с другом при помощи фиксирующих элементов (17), которые расположены в сквозных отверстиях дисков ротора (15) и также соединяют и их. При этом сами диски, выполнены с центральным отверстием, через которое, в том числе, осуществляется перекачка жидкостей, наличие дополнительных отверстий в дисках, непосредственно увеличивает производительность насоса. Также конструкция ротора подразумевает, в том числе, кольцеобразную форму. Возможность такой конструкции дисков достигнута, благодаря отсутствию валов вращения. Возможность соединения дисков при помощи трех фиксирующих элементов, дополнительно повышает надежность соединения дисков. При этом фиксирующие элементы расположены на равном угловом расстоянии друг от друга, которое составляет 120°; несомненно, равномерность расположения фиксирующих элементов обеспечивает равномерность распределения на них нагрузки, что также ведет к увеличению надежности конструкции. Соединительные втулки (16) являются разделительными для дисков ротора (15). Сигналы управления и электропитания (модули обработки и формирования сигналов не представлены на Фиг. 1-3) подаются на обмотки статоров через вывод электропитания и управления (18).
Блок-схема управления насосом приведена на Фиг. 6 и действует следующим образом: электропитание, например от стандартной энергосети, от блока питания (22) поступает на частотные преобразователи (19, 26), которые формируют на выходе трехфазные переменные токи заданной частоты и амплитуды, необходимой конфигурации, а преобразованный ток поступает на обмотки статоров (6, 11), при этом коммутация фаз и переключение обмоток статоров производиться по сигналу обратной связи при достижении датчиком ЭДС (24, 25) нулевого значения. Узел управления (23), используя входные сигналы поступающие от датчиков тока (20, 27), датчиков напряжения фазных обмоток статора (21, 28) и датчиков ЭДС (24, 25), осуществляет управление частотными преобразователями (19, 26) обмоток статора (6, 11). В представленном примере используются датчики известных конструкций одинаковые для верхней и нижней частей насоса и на Фиг. 1-5 не показаны.
Представленный на фигурах дисковый насос действует следующим образом.
Перекачка текучих сред осуществляется за счет явления адгезии пограничного слоя и вязкого трения. При вращении ротора, за счет возникающей центробежной силы, происходит всасывание текучей среды, например, жидкости, в патрубок входного потока, и, получая ускорение от дисков ротора, жидкость выбрасывается через патрубок выходного потока, по касательной к направлению вращения.
Запуск насоса с выходом на рабочий режим осуществляется в три этапа.
На первом этапе осуществляется свободное подвешивание ротора (9, 14) в магнитном поле внутри корпуса насоса. При этом ротор с дисками расположен с небольшим зазором в корпусе. Изначально, в случае расположения насоса в ориентации, когда входная вертикальная ось патрубка (3) расположена перпендикулярно к горизонтальной плоскости (Фиг. 1), ротор (9, 14) касается нижней части корпуса (2), при этом силы притяжения магнитов (7, 12) уравновешивают положение ротора в корпусе, так что результирующая сила притяжения ротора к стенкам корпуса равна нулю. Для дестабилизации положения ротора, используются обмотки статоров, создающие пульсирующее магнитное поле. При этом, во внутреннем пространстве корпуса (1, 2) возникает магнитное поле, направленное на реализацию функции подвешивания ротора.
Узел управления (23) изменяет магнитное поле каждой из обмотки статоров (6, 11) до достижения в них выравнивания токов, при этом, на постоянное магнитное поле накладывается переменная составляющая магнитного поля для создания колебаний на частоте выше собственной резонансной ротора (9, 14) относительно условной точки равновесия. В результате магнитное поле выравнивается таким образом, что ротор оказывается в состоянии свободного подвешивания во внутреннем пространстве корпуса (1, 2). Таким образом, воздействие переменной составляющей магнитного поля позволяет более точно контролировать положение ротора (9, 14) в пространстве, не допуская его соприкосновения с внутренними стенками корпуса (1, 2).
Далее узел управления (23) переключается в режим второго этапа запуска, при котором ротор начинает вращаться. Для цели реализации функции вращения используется принцип шагового электродвигателя, при котором импульсы переменного тока поступают на фазные обмотки статоров. Под действием узла управления (8) пары обмоток последовательно переходят в состояние проводимости, создавая, таким образом, вращающееся магнитное поле, которое приводит в движение ротор (9, 14). На начальном этапе пуска воздействие магнитного поля обмотки статоров не снижается, таким образом, в процессе пуска к каждой обмотке статора одновременно прикладываются и пульсирующая составляющая тока и дополнительные импульсы тока для осуществления шагового режима.
При вращении ротора и наборе скорости примерно около 10-20% от номинальной происходит отключение пульсирующего магнитного поля и переход к управлению работы насоса с обратной связью по скорости.
Далее, в режиме третьего этапа запуска насоса, для стабилизации ротора в корпусе, относительно стенок насоса (отсутствие соприкосновения), используется известный принцип гидродинамического подшипника. Данный принцип заключается в воздействии тока переносимой насосом среды, которая, за счет своей плотной структуры и возникающей центробежной силы, позволяет надежно удерживать диски ротора, в радиальном направлении, в подвешенном состоянии, при отсутствии каких-либо дополнительных удерживающих элементов. Таким образом, за счет компенсации магнитных сил, уравновешивающих положение ротора в корпусе, при котором результирующая сила притяжения ротора к стенкам корпуса равна нулю, совместно с гидродинамическим подшипником, позволяет обеспечивать бесконтактное вращение дисков насоса, исключая наличие поверхностей трения, что, несомненно, увеличивает надежность и долговечность заявляемого насоса. Компенсация магнитных сил, в частности, достигается, благодаря исполнению магнитопроводного кольца в форме конусной шайбы, при котором постоянные магниты ротора располагаются под углом к плоскости дисков. Данное расположение позволяет изначально сбалансировать положение ротора и облегчает его балансировку в процессе работы. Электромагниты статора, образованные катушками с обмоткой, располагаются параллельно к магнитам ротора, с одинаковым с ними углом наклона к дискам ротора. За счет указанного взаимного расположения магнитов и облегчения балансировки ротора, отпадает необходимость использования удерживающих ось ротора подшипников, что положительно сказывается на конструкции, обеспечивая надежность и долговечность насоса.
Процесс остановки насоса происходит в обратном порядке по описанному выше алгоритму.
Основу заявляемого дискового насоса составляет безосевой электродвигатель с электромагнитной муфтой. За счет отсутствия поверхностей соприкосновения ротора с внутренней поверхностью насоса, с одной стороны создается надежная конструкция, за счет отсутствия различных элементов, например, удерживающих, балансирующих и т.д., которая является более долговечной и ремонтопригодной, а с другой стороны, увеличивается пропускная способность насоса. Высокая пропускная способность обуславливается отсутствием элементов конструкции (таких, например, как, валы, элементы крепления и т.д.), препятствующих току переносимой жидкости. За счет отсутствия элементов, препятствующих току переносимой жидкости, течение ламинарное, отсутствуют кавитационные процессы, что исключает возникновение гидроударов и, как следствие, разрушение конструкции. Заявляемая конструкция, в том числе, широко может применяться при очистке загрязненных вод, за счет отсутствия элементов концентрации примесей. Также, заявляемый насос может находить применение при перекачке агрессивных сред, например, кислоты, в том числе азотные и имеющие в составе агрессивные кислоты. Данная возможность достигается за счет отсутствия подшипника, который чувствителен к агрессивным средам. Отсутствие ряда элементов, присущих известным насосам, также обеспечивают высокую ремонтопригодность и долговечность.
Таким образом, применение в заявляемом дисковом насосе магнитного подвеса, за счет использования парного магнитного узла, позволяет достигать заявляемых технических результатов, а именно - повышение надежности конструкции, производительности, а также долговечности и ремонтопригодности.
Промышленная применимость.
Заявляемое изобретение может находить широкое применение при перекачке текучих сред, в особенности, в местах с высокими требованию по уровню шума. Изготавливается в специализированных механосборочных мастерских.