Нагнетатель для испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса
SUPERCHARGER FOR TESTING IMPELLER ELEMENTS OF A SHAFTLESS PUMP

Изобретение относится к машиностроению, а именно к испытательным устройствам, и предназначено для моделирования работы проточной части безвального насоса.
Изобретение может быть использовано для проведения параметрических испытаний проточных частей безвального насоса с различными геометрическими параметрами.
Заявленный нагнетатель для испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса предназначен для использования в составе гидравлического стенда для проведения параметрических испытаний проточных частей безвального насоса с целью получения их характеристик и расчета эффективности для создания натурного образца насоса.
Насос является комплексом сложных систем и должен проектироваться с учетом имеющихся технических решений и современного уровня применяемых технологий, в том числе в рамках обеспечения надежности, безопасности, рационального использования материалов и энергетической эффективности. Все перечисленные факторы определяют основные направления современных исследований в области конструирования насосного оборудования. При этом важнейшей тенденцией при создании новых или модификации существующих насосов является обеспечение эффективного расходования материалов и средств на стадии проектирования.
Из уровня техники известна масштабная модель насоса, предназначенная для проведения параметрических и кавитационных испытаний проточных частей центробежных насосов с целью получения их характеристик и дальнейшего пересчета на натурный образец насоса (патент RU 2709753 С1, МПК F04B 51/00, опубл. 19.12.2019). Масштабная модель представляет собой работоспособную уменьшенную модель натурного насоса и состоит из двух полукорпусов с установленными в них входным устройством, отводящим устройством и рабочим колесом, стенки которых образуют проточную часть насосного оборудования. Рабочее колесо расположено на валу. В полукорпусе установлена крышка, изготовленная из прозрачного материала. Вал масштабной модели соединен с электродвигателем.
Недостатком известной модели насоса является невозможность проведения испытаний элементов рабочих колес базвальных насосов, а также сложность конструкции, поскольку для испытаний необходимо изготовить уменьшенную копию насоса.
Известна модель насоса, содержащая разъемный корпус центробежного нефтяного магистрального насоса, выполненный в виде нижней корпусной детали и крышки, скрепленных шпильками. Корпус центробежного нефтяного насоса содержит двухзавитковый отвод со смещенными на 180 градусов внешними и внутренними витками, разделенными ребром. Внешний виток включает спиральный, обводной и диффузорный участки. Внутренний виток включает спиральный и диффузорный участки. Направляющий аппарат центробежного нефтяного магистрального насоса содержит кольцо с равномерно расположенными по окружности расширяющимися каналами, сформированными криволинейными лопатками (патент RU 2615040 С1, МПК F04D 29/42, опубл. 03.04.2017).
Недостатками данного аналога является невозможность проведения испытаний проточных частей безвальных насосов, сложность конструкции испытываемых насосов, монтирования и замены испытываемых проточных частей насоса.
Особенностью испытаний проточных частей (элементов рабочего колеса) безвального насоса является сохранение осевого направления потока рабочей жидкости после перехода из всасывающей области безвального насоса в нагнетательную. Также важным фактором для проведения параметрических испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса является обеспечение вращения исследуемой проточной части с осевым вектором, совпадающим по направлению с направлением движения потока жидкости.
Соответственно, ключевыми критериями для проведения корректных испытаний безвальных насосов являются:
- полное соответствие динамической передачи энергии от электродвигателя на нагнетатель;
- обеспечение герметичного и полнопроходного подключения нагнетателя к контуру стенда;
- обеспечение возможности простой установки и беспрепятственной смены испытываемых проточных частей различной конфигурации (элементов рабочего колеса безвального насоса с различной геометрией) в нагнетателе.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является возможность исследования эффективности элементов рабочего колеса безвального насоса (проточной части) различной конфигурации, включая зону на входе в насосный агрегат, проточную часть и зону нагнетания, для подбора геометрии рабочего колеса безвального насоса и простота монтажа испытываемых элементов рабочего колеса безвального насоса, что ведет к эффективному расходованию материалов и средств при проектировании и изготовлении натурного насоса.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей оснастки для проведения испытаний насосов путем обеспечения возможности проведениях испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса при одновременном упрощении конструкции оснастки для испытываемых элементов, а следовательно ее изготовления и ремонта, упрощении монтажа испытываемых элементов в нагнетателе, а также упрощении монтажа нагнетателя в контуре стенда, и как следствие повышение производительности испытаний и эффективности расходования материалов при проектировании и изготовлении натурного насоса.
Указанная техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что нагнетатель для испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса включает нагнетательный и всасывающий патрубки с фланцами, корпус с ребрами жесткости, гильзу, первый и второй подшипниковые узлы, причем гильза установлена в корпусе с возможностью вращения посредством первого и второго подшипниковых узлов, выполнена со сквозными отверстиями для крепления внутри нее элементов рабочего колеса безвального насоса и содержит на внешней поверхности шкив для обеспечения вращения гильзы через ременную передачу от электродвигателя, каждый подшипниковый узел содержит радиально-упорный подшипник, прижимное кольцо и крышку подшипникового узла, при этом крышка первого подшипникового узла неразъемно закреплена на нагнетательном патрубке с фланцем и разъемно закреплена на корпусе, крышка второго подшипникового узла неразъемно закреплена на всасывающем патрубке с фланцем и разъемно закреплена на корпусе, а во всасывающем патрубке с фланцем установлен выпрямитель потока.
Изобретение поясняется графически, где на фиг. 1 изображен вид заявленного нагнетателя сбоку, на фиг. 2 - вид нагнетателя спереди в разрезе по сечению А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - стенд для испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса в составе которого может быть использован заявленный нагнетатель.
Позициями на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 обозначены:
1 - электродвигатель;
2 - нагнетатель;
3 - расходный бак;
4 - мерный бак;
5 - всасывающий трубопровод;
6 - нагнетательный трубопровод;
7 - соединительные трубопроводы;
8 - всасывающий патрубок с фланцем;
9 - нагнетательный патрубок с фланцем;
10 - корпус;
11 - ребра жесткости;
12 - гильза;
13 - первый подшипниковый узел;
14 - второй подшипниковый узел;
15 - отверстия для крепления элементов рабочего колеса безвального насоса;
16 – шкив;
17 - радиально-упорные подшипники;
18 - прижимные кольца;
19 - крышка первого подшипникового узла;
20 - крышка второго подшипникового узла;
21 - выпрямитель потока.
Нагнетатель для испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса (2) включает всасывающий (8) и нагнетательный (9) патрубки с фланцами для быстрой и легкой установки нагнетателя (2) в контур стенда между всасывающей и нагнетательной линией стенда соответственно. Посредством фланцев нагнетатель (2) крепится к ответным фланцам нагнетательного (6) и всасывающего (5) трубопроводов.
Наличие фланцев на всасывающем (8) и нагнетательном (9) патрубках обеспечивает возможность легкого и быстрого крепления нагнетателя (2) в контур стенда к ответным фланцам всасывающего (5) и нагнетательного (6) трубопроводов, что обеспечивает упрощение монтажа нагнетателя в контуре стенда, сокращение времени на его замену и как следствие повышение производительности испытаний.
Нагнетатель (2) содержит корпус (10) с ребрами жесткости (11), который предназначен для размещения вращающейся гильзы (12) на радиально-упорных подшипниках (17). Ребра жесткости (11) установлены на корпусе (10) разъемно, например, при помощи болтовых соединений, и необходимы для фиксации взаимного расположения частей корпуса с нагнетательной и всасывающей стороны.
В корпусе (10) с возможностью вращения посредством первого подшипникового узла (13) и второго подшипникового узла (14) установлена гильза (12). Гильза (12) представляет собой полый цилиндрический элемент и предназначена для сменного крепления внутри нее испытываемых рабочих колес безвального насоса различной конфигурации (не показаны). Для чего гильза (12) оснащена отверстиями (15) для крепления элементов рабочего колеса, которые выполняются сквозными. Выполнение гильзы (12) данным образом упрощает монтаж испытываемых элементов рабочего колеса в нагнетателе, обеспечивает простую и легкую смену указанных элементов, что приводит к сокращению времени на замену испытываемых элементов рабочего колеса безвального насоса и соответственно повышению производительности проведения испытаний.
На внешней поверхности гильзы (12) установлен шкив (16) для обеспечения вращения гильзы (12) через ременную передачу от электродвигателя (1).
Первый и второй подшипниковые узлы (13,14) включают радиально-упорные подшипники (17), прижимные кольца (18) и крышки (19, 20) подшипниковых узлов. При этом крышка (19) первого подшипникового узла (13) неразъемно закреплена на нагнетательном патрубке (9) с фланцем, например, при помощи сварки, и разъемно закреплена на корпусе (10), например, при помощи болтов, а крышка (20) второго подшипникового узла (14) неразъемно закреплена на всасывающем патрубке (8) с фланцем, например, при помощи сварки, и разъемно закреплена на корпусе (10), например, при помощи болтов.
Неразъемное крепление крышек (19, 20) первого и второго подшипниковых узлов (13, 14) к нагнетательному и всасывающему патрубкам (9, 8) с фланцами обеспечивает герметичное и полнопроходное подключение вращающейся гильзы (12) к нагнетательному и всасывающему патрубкам (9, 8) с фланцами, а также нагнетателя к контуру стенда, что является одним из ключевых критериев для проведения корректных испытаний безвальных насосов, тем самым указанная совокупность признаков приводит к расширению функциональных возможностей испытательной оснастки известной из уровня техники.
Разъемное крепление крышек (19, 20) первого и второго подшипниковых узлов (13, 14) к корпусу (10) обеспечивает доступ к подшипниковым узлам, что упрощает конструкцию устройства, его изготовление и сборку, а также повышает ремонтопригодность нагнетателя.
Во всасывающем патрубке (8) установлен выпрямитель потока (21), например, при помощи сварки, представляющий собой взаимно ортогональные пластины и предназначенный для снижения турбулентных эффектов на входе в нагнетатель и соответствующего снижения гидравлических потерь.
Наличие полой гильзы (12) с возможностью закрепления внутри нее элементов рабочего колеса безвального насоса, а также с возможностью получения вращения в подшипниковых узлах (13, 14) от электродвигателя (1) через шкив (16), расположенный на ее внешней поверхности, обеспечивает возможность проведения испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса без изготовления полноценного безвального насоса или его масштабной модели, что расширяет функциональные возможности испытательной оснастки, известной из уровня техники при одновременном упрощении конструкции.
Принцип работы нагнетателя (2) состоит в моделировании рабочей области безвального насоса и осуществляется следующим образом (фиг. 3).
Разработанная проточная часть безвального насоса, представляющая собой элементы рабочего колеса безвального насоса, монтируется внутрь гильзы (12) при помощи, например, болтов или шпилек через отверстия (15) для крепления элементов рабочего колеса.
Нагнетатель (2) в сборе посредством парубков с фланцами (8, 9) устанавливается в контур стенда между всасывающим (5) и нагнетательным (6) трубопроводами так, чтобы ось вращения гильзы (12) нагнетателя (2) совпадала с осью всасывающего (5) и нагнетательного (6) трубопроводов.
При помощи шкива (16) нагнетатель (2) подключается к электродвигателю (1).
До начала проведения испытания рабочую жидкость помещают в расходный бак (3) стенда. Рабочая жидкость может быть любой не агрессивной (кислоты/щелочи) жидкостью, имеющей температуру застывания не выше 5 градусов Цельсия. Предпочтительно испытания проводятся с использованием воды, но также могут быть применены углеводородные жидкости.
После начала испытания оператор открывает запорно-регулирующую арматуру, и контур стенда заполняется рабочей жидкостью. Направление рабочей жидкости изображено на фиг. 3 стрелками.
Далее оператором дистанционно включается электродвигатель (1), приводящий во вращение гильзу (12) нагнетателя (2) с установленными в ней элементами рабочего колеса безвального насоса посредством ременной передачи (не показана) через шкив (16), который расположен на внешней поверхности гильзы (12). Элементы рабочего колеса безвального насоса будучи жестко закрепленными в гильзе (12) также приводятся во вращение.
Рабочая жидкость в контуре, перемещаясь по всасывающему трубопроводу (5) за счет всасывающей способности нагнетателя (2), поступает на вход нагнетателя (2).
Нагнетатель (2) посредством вращения гильзы (12) с элементами рабочего колеса безвального насоса осуществляет передачу энергии вращения в энергию движения потока, одновременно увеличивая скорость рабочей жидкости и давление в потоке, тем самым моделируя работу безвального насоса.
Далее поток с давлением, большим на величину развиваемого напора, поступает в нагнетательный трубопровод (6) и далее при открытой запорно-регулирующей арматуре, расположенной в соединительных трубопроводах (7), в мерный бак (4), где оператором осуществляется замер объема рабочей жидкости.
Изобретение позволяет производить простую и быструю замену испытываемых элементов рабочих колес безвальных насосов с целью изменения их конфигурации, доработанной по результатам испытаний для получения наилучших характеристик проектируемого безвального насоса. Изменение конфигурации проточной части насосного оборудования производится путем замены геометрических параметров элементов рабочих колес безвальных насосов.
Электродвигатель (1), сообщающий гильзе (12) вращение, подключен к измерительному устройству (не показано) для измерения числа оборотов, например, тахометру (тахоскопу) или другому автоматическому счетному устройству числа оборотов за определенное время (механическое, электронное).
Всасывающий трубопровод (5) подключен к измерительному устройству для измерения давления (не показано), например, мановакуумметру или вакуумметру, для измерения давления рабочей жидкости на входе в нагнетатель (2), что позволяет получить энергетические и кавитационные характеристики нагнетателя (2), а также всасывающую способность проектируемого рабочего колеса по результатам параметрических испытаний и фактические значения разрежения перед входом в рабочую область нагнетателя (2).
Нагнетательный трубопровод (6) подключен к измерительному устройству для измерения давления (не показано), например, к манометру или дифференциальному манометру, для измерения давления рабочей жидкости на выходе из нагнетателя (2), что позволяет получить напорные характеристики нагнетателя (2).
Испытываемые элементы испытываемого рабочего колеса изготавливаются из пластика с использованием технологий 3D-печати или из металла с использованием фрезеровки.
Заявленный нагнетатель обеспечивает расширение функциональных возможностей оснастки для проведения испытаний путем обеспечения возможности проведения испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса, повышение производительности испытаний за счет возможности проведения многочисленных испытаний рабочих колес безвальных насосов, которые легко и быстро устанавливаются в нагнетателе в отличии от известных масштабных моделей иных насосов, при одновременном упрощении конструкции оснастки для испытываемых элементов, а следовательно ее изготовления и ремонта.
Также использование заявленного нагнетателя обеспечивает повышение эффективности расходования материалов при проектировании и изготовлении натурных безвальных насосов.
Замер оборотов на электродвигателе (1) осуществляется оператором с применением тахометра. После фиксации оборотов производятся замеры давлений и расхода. Показания снимаются оператором визуально.
Замер расхода производится оператором путем последовательного замера и фиксации уровня жидкости в мерном баке (4) с применением секундомера.
Замер давлений на всасывающем (6) и нагнетательном (5) трубопроводах производится оператором с применением контрольно-измерительных приборов - мановакуометра и манометра соответственно.
По замеренным параметрам выполняется расчет показателя эффективности испытываемых элементов рабочих колес.
При этом следует отметить, что заявленное изобретение не ограничивается применением в конструкции описанного стенда и может быть применено в конструкции иного стенда для проведения параметрических испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса.
Заявленное изобретение позволяет проводить испытания элементов рабочего колеса безвального насоса и пересчет их параметров на натурный насосный агрегат с высокой достоверностью и относительно малыми затратами на их изготовление для определения оптимальной геометрии проточной части серийных насосных агрегатов.