ПОГРУЖНОЙ ГРУНТОВЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС
SUBMERSIBLE GROUNDING CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в центробежных низконапорных грунтовых насосах, применяемых при выполнении очистных, мелиоративных работ, для добычи сапропеля, нерудных строительных материалов и т.д., то есть работ, выполняемых гидромеханизированным способом.
Известен насос с центробежным колесом, выполненным в виде плоского диска с радиальными рабочими каналами цилиндрической формы, выполненными частично открытыми по образующим на одной из боковых сторон диска, причем вторая стенка отводящего канала расположена касательно к образующим рабочих каналов (А. с. СССР №620674, кл. F04D 29/18, опубл. 25.08.1978., бюл. №31). Рассматриваемая конструкция центробежного насоса, вследствие применения полуоткрытого рабочего колеса дополнительно имеет радиальную подкрутку жидкости, что обуславливает повышенный коэффициент напора в локальной кольцевой части отвода, охватывающей колесо в плоскости, где совпадают по направлению окружная скорость вращающегося колеса, и окружная скорость вращения жидкости в радиальном канале колеса. Однако, по причине сложной конфигурации рабочего колеса, трудностей при проведении необходимых зачистных мероприятий проточной части колеса данный насос непригоден для выполнения работ на грунтах с кусковыми включениями и растительностью.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является центробежный насос для приготовления и перекачивания суспензий, содержащий рабочее колесо, корпус с напорным и, по крайней мере, одним дополнительным тангенциально расположенным патрубком, снабженным насадкой и шибером, обеспечивающий интенсификацию процесса приготовления суспензии за счет рециркуляционного воздействия струей из смеси на исходный продукт (А. с. №511435, кл. F04D 7/04, опубл. 25.04.1975., бюл. №15).
Рыхлительные струи из смеси имеют повышенную по отношению к воде плотность, а значит и большую кинетическую энергию, что обеспечивает высокую рыхлящую способность. Однако, скорость этой струи не превышает значения окружной составляющей скорости на выходе из колеса, то есть давление в рыхлительных патрубках не превышает значение давления в нагнетательном, что является ограничением дальнейшего повышения рыхлящей способности этого рыхлительного устройства.
В условиях выполнения очистных работ на мелиоративных системах и хозяйственных сооружениях, а также при извлечении сапропеля в виде смеси со дна природных водоемов целесообразное и достаточное значение напора для транспортирования составляет 8-14 метров водного столба. Необходимая же величина напора в рыхлительных патрубках для эффективного воздействия струи на грунт должна быть не менее 20 метров водного столба.
Повышение напора в рыхлительных патрубках путем увеличения числа оборотов рабочего колеса приводит к снижению к.п.д. и возрастанию потребляемой мощности, что вынуждает либо необоснованно увеличивать мощность привода, либо при наличии ограничения по установленной мощности, к разделению функций рыхления и нагнетания во времени, что снижает производительность совокупного процесса.
Установка дополнительного специального насоса или нескольких насосов с требуемыми показателями для работы на рыхлительные патрубки значительно усложняет конструкцию, снижает надежность, увеличивает стоимость, массу устройства.
Причем, в прототипе все патрубки работают одновременно, что обуславливает значительное падение удельной энергии рыхлящей жидкости на каждом патрубке - в этом случае не соблюдается принцип уплотнения энергии и не будет получен необходимый уровень рыхлящей способности каждой из струй.
Кроме того, каждая из струй движется по своему независимому направлению, в этом случае не используется эффект взаимодействия струй, то есть имеет место недополучение в производительности устройства.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение производительности погружного грунтового центробежного насоса по извлекаемому грунту за счет повышения интенсивности процесса рыхления.
Для достижения поставленной цели в известном центробежном насосе для приготовления и перекачивания суспензий содержащем рабочее колесо с лопатками, снабженное приводом, корпус с центральным входным отверстием, а также с присоединенными к нему основным и несколькими дополнительными, снабженными заслонками, выходными патрубками, корпус охватывает рабочее колесо с минимальным радиальным зазором, на его входное отверстие установлен входной патрубок, ориентированный в меридиональном сечении в направлении основного выходного патрубка, а дополнительные патрубки размещены в первой от основного половине обечайки корпуса по направлению вращения рабочего колеса;
при этом:
- лопатки рабочего колеса выполнены радиальными;
- входной патрубок выполнен с возможностью поворота относительно оси входного отверстия и снабжен приводом поворота, связанным отрицательной обратной связью с приводом рабочего колеса, выполненной, например, в виде гидроцилиндра, запитываемого от нагнетательной, ветви гидромотора привода рабочего колеса и противодействующей возвратной пружины;
- каждая из заслонок выполнена в виде консольно качающейся части обечайки корпуса, и они связаны между собой рычагами через гидроцилиндр привода.
Выполнение корпуса насоса охватывающим рабочее колесо с минимальным радиальным зазором обеспечивает исключение меридионального течения на большей части внешней окружности рабочего колеса и, тем самым, значительное его усиление на меньшей дуге, охватываемой основным напорным патрубком (Фиг. 1). Разогнанная на этом секторе корпуса жидкость имеет скорость сопоставимую со скоростью расходного потока. В следующий момент, то есть при прохождении межлопаточным каналом языка, образованного внутренней поверхностью обечайки корпуса и основным выходным патрубком, поток, двигавшийся сквозь решетку колеса, оказывается с пяти сторон заблокированным. Возникает гидравлический удар и повышение давления, пропорциональное плотности жидкости и величине скорости расходного потока. Это давление является приращением к давлению от воздействия на этот же межлопаточный объем жидкости лопатки рабочего колеса, в результате в локальной точке обечайки корпуса возникает давление, большее, чем давление в основном выходном патрубке.
Исполнение лопаток рабочего колеса радиальными, во-первых, не дает возможности каждой из них располагаться поперек потока в момент прохождения напорного патрубка. Во-вторых, в этом случае появляется еще дополнительное течение, обусловленное отрывом потока от тыльной стороны лопатки при ее повороте в расходном (меридиональном) потоке после прохождения ею сектора, охватываемым основным выходным патрубком (Фиг. 2). В зоне отрыва за лопаткой образуется возвратное течение, которое по мере движения лопатки за языком увеличивает свой объем и усиливает интенсивность от трения о расходный поток. В-третьих, запертый межлопаточный объем в этом случае более приближен к сферической форме, поэтому фрагмент выше отмеченного расходного течения в момент прохождения языка корпуса продолжит движение по круговым траекториям, причем на периферии в направлении вращения рабочего колеса.
Эти обстоятельства обуславливают сложение окружных скоростей на участке первой половины обечайки корпуса от основного выходного патрубка по направлению вращения рабочего колеса. Первый вектор обусловлен вращением рабочего колеса и является его окружной скоростью, второй - вращением самого межлопаточного объема в виде сателлитного вихря, что обуславливает пик давления в этой части обечайки.
При этом усилению интенсивности вращения межлопаточного объема будет способствовать так же организация входного потока в направлении основного выходного патрубка (Фиг. 3), а также его ориентация, с помощью поворота входного патрубка в плоскости вращения рабочего колеса, навстречу движения лопастей (Фиг. 4, Фиг. 5).
В результате предлагаемых мероприятий на указанном участке корпуса можно создать пульсирующее давление, величина которого будет превышать давление в основном напорном патрубке, а также управлять его величиной.
Установленные факты позволят на основе низконапорного насоса (Н=14 м) создать высоконапорную (Н=20 м) гидрорыхлительную систему путем установки в указанную зону дополнительного выходного патрубка.
Является целесообразным установить не один дополнительный выходной патрубок, а два взаимосвязанных, что позволит, во-первых, использовать эффект взаимодействия струй (Фиг. 6). То есть, первая струя рыхлит по своему направлению, вырабатывая забой, вторая струя, включаясь с задержкой по времени, вырабатывает свой забой и на большую дальность параллельно линии действия первой струи и т.д.. При этом целик грунта, находящийся между линиями действия струй, каждый раз обламываясь, всасывается куском в насос, и на его измельчение не затрачивается дополнительная мощность размыва.
Во-вторых, поочередная работа дополнительных выходных патрубков не вызывает значительного падения удельной энергии рыхлящей жидкости на каждом патрубке, следовательно, будет получен необходимый уровень рыхлящей способности каждой из струй.
В-третьих, включение каждого последующего патрубка предполагает его максимальное приближение к фронту рыхления, что обуславливает использование для рыхления более активного и более сосредоточенного начального участка струи рыхлящей жидкости.
В-четвертых, в этом случае используется эффект ударного воздействия на массив разрабатываемого подводного грунта, что предполагает мгновенное его разрушение на кусковые фрагменты.
При этом степень насыщения смеси грунтом определяет крутящий момент на валу рабочего колеса насоса, а само насыщение определяется интенсивностью рыхлительных струй из дополнительных выходных патрубков, что в свою очередь зависит, например, от ориентации входного патрубка (Фиг. 4). Данное стечение обстоятельств является предпосылкой для создания адаптивной гидрорыхлительной системы. Она настраивается на заданный уровень производительности по грунту путем выполнения входного патрубка с возможностью поворота относительно оси входного отверстия и снабжения его приводом поворота, связанным отрицательной обратной связью с приводом рабочего колеса, выполненной, например, в виде гидроцилиндра, запитываемого от нагнетательной ветви гидромотора рабочего колеса насоса и противодействующей возвратной пружины.
В этом случае чрезмерно насыщенная грунтом смесь повлечет за собой повышение давления в нагнетательной ветви гидромотора привода рабочего колеса, а значит и на гидроцилиндре поворота, который повернет входной патрубок относительно корпуса, преодолевая усилие противодействующей возвратной пружины* вслед движущимся лопаткам. Интенсивность рыхлительных струй ослабнет, процесс смесеобразования затормозится, плотность смеси снизится до требуемого предела, что исключит возможность забивания пульпопровода.
При обедненной смеси противодействующая возвратная пружина, преодолевая меньшее давление в гидроцилиндре, поворачивает входной патрубок относительно корпуса навстречу движения лопаток и интенсивность струй из дополнительных выходных патрубков возрастает. Следовательно, при постоянном номинале мощности весь ее ресурс сполна перераспределяется между рыхлящей и транспортирующей способностями рабочего органа, причем его адаптация может происходить в изменяющихся условиях эксплуатации.
Исполнение каждой из заслонок в виде консольно качающейся части обечайки корпуса:
- обеспечивает движение рыхлящей жидкости из корпуса по плавным траекториям и поэтому малые гидравлические сопротивления каждой из рыхлящих струй;
- способствует восстановлению проходных сечений канала каждого из дополнительных выходных патрубков в режиме открытия-закрытия при забивании кусковыми включениями;
- упрощает конструкцию патрубка.
Установление связи между закрывающими элементами дополнительных выходных патрубков, то есть консольно качающимися частями обечайки, через рычаги и гидроцилиндр обеспечивает альтернативный режим работы патрубков, выражающийся в обязательном открытии одного патрубка при закрытом втором и наоборот.
Предлагаемое техническое решение пояснено чертежами:
Фиг. 1. Схема меридионального потока в области корпуса, охватываемой основным выходным патрубком.
Фиг. 2. Схема образования возвратного течения в области отрыва за тыльной стороной лопатки, проходящей язык корпуса.
Фиг. 3. Схема взаимодействия входного потока с лопаткой рабочего колеса, проходящей язык корпуса.
Фиг. 4. Схема управления интенсивностью взаимодействия входного потока с лопаткой, проходящей язык корпуса.
Фиг. 5. Визуализация сателлитного вихря отклонением шелковинок, наклеенных на диск рабочего колеса.
Фиг. 6. Фазы цикла двух поочередно работающих струй.
Фиг. 7. Вид спереди на погружной грунтовый центробежный насос при открытом втором дополнительном выходном (гидроцилиндр привода дополнительных выходных патрубков сжат).
Фиг. 8. Вид сбоку на погружной грунтовый центробежный насос (гидроцилиндр привода дополнительных выходных патрубков снят).
Фиг. 9. Аксонометрическое изображение системы дополнительных, рыхлительных патрубков (гидроцилиндр привода дополнительных выходных патрубков условно снят).
Фиг. 10. Вид спереди на погружной грунтовый центробежный насос при открытом первом дополнительном выходном патрубке (гидроцилиндр привода патрубков разжат) с системой управления входным патрубком - ситуация низкого насыщения пульпы грунтом.
Фиг. 11. Вид спереди на погружной грунтовый центробежный насос при открытом первом дополнительном патрубке (гидроцилиндр привода патрубков разжат) с системой управления входным патрубком - ситуация высокого насыщения пульпы грунтом.
Фиг. 12. Опытный образец погружного грунтового центробежного насоса.
Погружной грунтовый центробежный насос состоит из рабочего колеса 1 с радиальными лопатками 2, корпуса 3 в виде полого цилиндра с входным 4, основным выходным 5, и двумя 6, 7 дополнительными выходными патрубками.
Периферийная стенка 8 (Фиг. 8, Фиг. 9) каждого из дополнительных выходных патрубков 6 и 7 (Фиг. 7, Фиг. 10, Фиг. 11) выполнена в виде треугольной части обечайки 9 корпуса 3 консольно качающейся на шарнирной цилиндрической опоре 10 с возможностью занимать фиксированные положения: первое - совпадающее с обечайкой, и второе - отклоненное наружу с образованием отборного канала для течения q. Обеспечение фиксации во втором положении периферийной стенки и достройка каждого отборного канала осуществляется ребром 11, которое установлено по линии обреза подвижной периферийной стенки 8 на обечайке 9 корпуса 3, перпендикулярно ей. Каждая из периферийных стенок 8 снабжена рычагом 12 или 13, которые связаны между собой исполнительным гидроцилиндром 14 (Фиг. 7, Фиг. 10, Фиг. 11, на Фиг. 9 не показан). Кроме того, на торец каждой из подвижных периферийных стенок или на переднюю поверхность корпуса могут быть установлены насадки диффузорного типа для придания направления рыхлительному потоку (на фигурах не показаны).
Входной патрубок 4 на входном центральном отверстии 15 в передней стенке корпуса 3 установлен шарнирно с возможностью поворота (Фиг. 8), для чего его сопрягаемая часть снабжена фланцем 16 и накидной обоймой 17, закрепляемой на корпусе 3 насоса, например, шпильками. При этом, входной патрубок 4 через рычаг 18 связан с приводом, выполненным в виде гидроцилиндра поворота 19 и противодействующей ему возвратной пружины 20 (Фиг. 11, Фиг. 10). Нагнетательная полость гидроцилиндра поворота 19 связана с нагнетательной линией 21 гидромотора 22 привода рабочего колеса 1. Сливные ветви гидромотора 22 и гидроцилиндра поворота 19 так же объединены. Гидромотор привода 22 связан с рабочим колесом насоса валом 23.
Для работы погружного грунтового центробежного насоса в системе с другими звеньями функциональной цепи к основному выходному патрубку 5 насоса подсоединен пульпопровод 24.
Работа погружного грунтового центробежного насоса происходит следующим образом.
Устройство находится под уровнем воды. При вращении рабочего колеса 1 от гидромотора 22 через вал 23 под действием лопаток 2 вода в корпусе 3 приходит во вращательное движение, вызывая возникновение центробежной силы, которая обуславливает создание давления, усиливающегося к периферии вращающегося объема. За счет разности давлений в пульпопроводе и периферийной части колеса жидкость движется в пульпопровод 24 через основной выходной патрубок 5. За счет освобождающихся от жидкости центральных объемов корпуса 3 в нем создается разрежение, приводящее также к разности давлений на входе и выходе входного патрубка 4. В итоге, образуется поток жидкости из внешнего пространства во входной патрубок 4, рабочее колесо 1 насоса, основной выходной патрубок 5, пульпопровод 24.
Для того, чтобы погружной грунтовый центробежный насос перекачивал водно-грунтовую смесь, ее следует приготовить путем воздействия рыхлительных струй на разрабатываемую залежь грунта.
В этом случае, выполнение корпуса 3 охватывающим с минимальным радиальным зазором рабочее колесо 1 обеспечивает исключение меридионального перетока на большей части внешней окружности колеса 1 и, тем самым, значительное его усиление на дуге, охватываемой основным выходным патрубком 5 (Фиг. 1). Причем, в период прохождения межлопаточным каналом колеса 1 дуги, охватываемой напорным патрубком 5, во-первых, жидкость участвует в возвратном течении в зоне отрыва, с тыльной стороны лопатки, по причине поворота лопатки в расходном потоке (Фиг. 1, положение 3). Во-вторых, это возвратное течение усиливается за счет экранирования этой зоны языком основного выходного патрубка 5 и усиления перетока при приближении рабочей поверхности последующей лопатки к языку (Фиг. 2). В-третьих, на дуге после языка входная кромка лопатки 2 набегает на входной поток из входного патрубка 4, часть которого продолжает движение по рабочей стороне лопатки 2 с суммированием скоростей потока и лопатки (Фиг. 3).
Все эти обстоятельства обуславливают образование интенсивного вихревого течения (Фиг. 5) в межлопаточном канале, причем на периферии в направлении вращения рабочего колеса 1. На дуге (Фиг. 3)
,
где z - число лопастей;
1
D - диаметр входных кромок лопастей рабочего колеса;
2
D - наружный диаметр рабочего колеса,
корпуса 1 после языка основного выходного патрубка 5 жидкость опережает колесо 1, следовательно, в этой зоне величина давления превышает давление в основном выходном патрубке 5.
На указанном участке обечайки размещены два поочередно работающих дополнительных выходных патрубка 6 и 7 (Фиг. 7, Фиг. 8, Фиг. 9, Фиг. 10, Фиг. 11), через которые скорость истечения рыхлящей жидкости наибольшая по отношению ко всему насосу. Привод управления этими патрубками 6, 7, включающий гидроцилиндр 14, рычаги 12, 13, заслонки 8 в виде части обечайки 9 и закрепленные с помощью шарниров 10 на ней с возможностью качания позволяет альтернативно закрывать и открывать каждую из них. В этом случае, при разжатом гидроцилиндре 14 (Фиг. 9, Фиг. 10, Фиг. 11) патрубок 7 открыт, нижний патрубок 6 закрыт, и наоборот, при сжатом нижний 6 открыт, верхний 7 закрыт (Фиг. 7). Управление гидроцилиндром 14 патрубков 6, 7 может осуществляться либо вручную из кабины оператора, либо с помощью реле блока и электромагнитного гидрораспределителя - автоматически. Такой режим работы рыхлительных, то есть дополнительных выходных патрубков соответствует технологической схеме, изображенной на Фиг. 6, с вышеуказанными преимуществами. Кроме того, существует положение гидроцилиндра 14, при котором оба дополнительных выходных патрубка открыты, что позволяет использовать, при необходимости, и третий режим с одновременной работой обоих дополнительных выходных патрубков.
При этом усилению интенсивности вращения межлопаточного объема будет способствовать так же организация входного потока в направлении основного выходного патрубка 5 в меридиональном сечении (Фиг. 3), а также его ориентация, с помощью поворота выходного патрубка 4, навстречу движения лопаток 2 в плоскости вращения рабочего колеса 1 (Фиг. 4). То есть, чтобы обеспечить дополнительную интенсификацию рыхлящих потоков дополнительный входной патрубок 4 через рычаг 18 следует повернуть гидроцилиндром 19 на требуемый угол 0.
Однако, чрезмерное усиление рыхлительной способности может перераспределить баланс мощности в ущерб транспортирующей способности насоса. Для предупреждения такой ситуации шток гидроцилиндра 19 снабжен противодействующей возвратной пружиной 20, жесткость которой выбрана достаточной для компенсации изменения давления в нагнетательной ветви гидромотора 22 привода рабочего колеса 1. В этом случае насыщение смеси грунтом увеличит крутящий момент на валу 23 рабочего колеса 1. Следовательно, увеличится и давление в нагнетательной ветви 21 гидропривода рабочего колеса 1, которая связана с рабочей полостью гидроцилиндра 19. Увеличившееся давление в произведении на площадь поршня гидроцилиндра 19 преодолевает усилие возвратной пружины 20 и поворачивает входной патрубок 4 через рычаг 18 в положение, соответствующее меньшей рыхлительной способности (Фиг. 10). Плотность смеси снижается и насос работает в штатном оптимальном режиме.
При работе погружного грунтового центробежного насоса в режиме обедненной смеси, плотность минимальна, давление в гидросистеме привода, а значит и в гидроцилиндре поворота 19 минимально. Усилие возвратной пружины 20 через рычаг 18 доворачивает всасывающий патрубок 4 в положение повышенной интенсивности рыхлительных струй (Фиг. 11).
Корректировка режима работы всасывающего патрубка 4 может осуществляться так же из кабины оператора, при условии установки дополнительной запорно регулирующей аппаратуры на гидросистему цилиндра 19 поворота входного патрубка 4.
Предлагаемое техническое решение обладает существенными преимуществами по сравнению с многими аналогами и прототипом: имеет меньшую энергоемкость при разработке грунтов за счет импульсного воздействия сосредоточенной водно-грунтовой струи на разрабатываемый массив, а так же за счет использования технологии взаимодействия рыхлительных струй, имеет высокую способность разработки плотных грунтов за счет высокого напора истечения каждой из рыхлительных струй, достигаемого путем установки рабочего колеса с минимальным радиальным зазором в цилиндрический корпус насоса и установки дополнительных выходных патрубков на высоконапорном участке обечайки корпуса.
Указанные преимущества способствуют повышению производительности по твердому компоненту, за счет высокой консистенции перекачиваемой водно-грунтовой смеси (достигаемая концентрация грунта в смеси при испытаниях изготовленного опытного образца (Фиг. 12) устройства превышала 40%), а так же улучшению качества очистки хозяйственных водоемов с плотными слежавшимися наносами.