ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС И ЕГО РАБОЧЕЕ КОЛЕСО
CENTRIFUGAL PUMP AND ITS IMPELLER

Настоящее изобретение относится к центробежному насосу и его рабочему колесу. Настоящее изобретение, в частности, относится к такой модификации рабочего колеса центробежного насоса, при которой указанный насос может использоваться без риска повреждения уплотнения вала или подобных повреждений при производительностях больше чем в оптимальной рабочей точке.
Известно, что при накачивании жидкости или суспензии центробежным насосом жидкость вовлекается в пространство позади рабочего колеса центробежного насоса, когда рабочие лопасти рабочего колеса повышают давление жидкости впереди рабочего колеса. Таким образом, жидкость, накачиваемую и выбрасываемую через нагнетательное отверстие насоса в напорный трубопровод, также стремится заполнить пространство позади рабочего колеса сжатой жидкостью. Несмотря на то что жидкость между рабочим колесом и задней стенкой насоса вращается в среднем с половиной скорости рабочего колеса (при условии, что отсутствуют так называемые задние лопасти или подобные ребра на кожухе рабочего колеса), и таким образом при вырабатывании центробежной силы давление, преобладающее в уплотнительном пространстве позади рабочего колеса в области вала насоса, снижается на определенную величину, при этом, однако, значительное давление, естественно, влияет также на уплотнение вала совместно с задней стенкой насоса или пространством позади нее. Поэтому частично на задней поверхности кожуха рабочего колеса устанавливаются так называемые задние лопасти, которые выталкивают жидкость, вошедшую в пространство, наружу; таким образом давление в пространстве позади рабочего колеса существенно снижается.
Однако задние лопасти должны иметь такие размеры, чтобы они могли оптимально работать лишь в заданном диапазоне производительности насоса, причем отклонение в любом направлении от заданного диапазона производительности приводит к тому, что давление, преобладающее внутри области задних лопастей и также в уплотнительном пространстве, изменяется. Если выход насоса увеличивается, задние лопасти вырабатывают, в худшем случае, отрицательное давление (область разрежения), которое может, в худшем случае, также заставить жидкость в уплотнительном пространстве закипеть, особенно при накачивании высокотемпературных жидкостей. Соответственно, при снижении производительности, например, путем сокращения ее при помощи клапана давление за рабочим колесом увеличивается и напряжения возрастают. В то же время также увеличивается напряжение на подшипниках.
Для соответствующей цели, т.е. для уравновешивания давления, преобладающего по разным сторонам рабочего колеса, также предлагается использование уравновешивающих каналов, которые представляют собой каналы, проходящие параллельно оси насоса и выполненные в кожухе рабочего колеса вблизи от ступицы рабочего колеса, через которые жидкость со стороны рабочего колеса, где давление выше, может проходить в область более низкого давления. Другими словами, поток через уравновешивающие каналы может проходить в обоих направлениях.
Однако, несмотря на то что используются оба способа уравновешивания, было отмечено, что при движении вдоль так называемой насосной кривой на графике Н, Q (напор, производительность), т.е. направо в сторону увеличения производительности, уравновешивание в соответствии с предшествующим уровнем техники не всегда способно в достаточной мере предотвратить падение давления в уплотнительном пространстве ниже давления, преобладающего впереди рабочего колеса насоса. Это проблематично, так как отрицательное давление в уплотнительном пространстве приводит к тому, что смазывающее действие накачиваемой жидкости или другой жидкости на уплотнениях снижается, когда жидкость уходит из уплотнений. В зависимости от типа уплотнения, отвод жидкости от уплотнения может привести к тому, что уплотнение станет сухим, что в некоторых типах уплотнения очень быстро приводит к его повреждению.
Другой тип уплотнений, используемый в центробежных насосах, представляет собой так называемое уплотнение подвижного соединения, работа которого основывается на работе ротора, вращающегося в отдельной камере позади задней стенки насоса. При предпочтительных условиях давления, ротор, содержащий, по существу, радиальный диск и лопасти, расположенные на задней его поверхности относительно рабочего колеса насоса, вращает кольцо жидкости в камере таким образом, что указанное кольцо жидкости уплотняет пространство между диском и стенкой камеры, в то же время уплотняя и сам насос. Если такое вращающееся кольцо жидкости подвергается достаточно высокой разнице давлений, кольцо жидкости отходит в сторону пониженного давления. Если давление ниже атмосферного вырабатывается позади рабочего колеса насоса, оно стремится вывести кольцо жидкости из уплотнительной камеры. Если это происходит, воздух из пространства позади насоса без проблем может проникать в насос. Воздух также может проникать соответствующим образом через механическое уплотнение вала насоса в насос. Влияние утечки воздуха на процесс накачивания заключается в том, что воздух, в худшем случае, прекращает накачивание.
Наиболее близким к первому из группы изобретений является центробежный насос, содержащий улитку насоса, заднюю стенку насоса, вал насоса, рабочее колесо, имеющее кожух и уравновешивающие каналы, проходящие через кожух, при этом рабочее колесо присоединено к валу насоса и вращается внутри улитки (см., например, DE 1453730 А, 30.04.1970).
Наиболее близким ко второму изобретению из группы изобретений является рабочее колесо центробежного насоса, содержащее, по меньшей мере, кожух, рабочие лопасти, расположенные на его передней поверхности, с проходами лопастей рабочего колеса между ними и уравновешивающие каналы, проходящие через кожух (DE 1453730 А, 30.04.1970).
Группа изобретений направлена на устранение, по меньшей мере, нескольких из описанных проблем и недостатков центробежных насосов в соответствии с предшествующим уровнем техники.
Задачей группы изобретений является исключение повреждений элементов насоса при производительностях больше чем оптимальная рабочая точка путем обеспечения уравновешивания давления по разные стороны рабочего колеса без падения давления в уплотнительном пространстве ниже давления, преобладающего впереди рабочего колеса центробежного насоса.
Технический результат достигается тем, что в центробежном насосе, содержащем улитку насоса, заднюю стенку насоса, вал насоса, рабочее колесо, имеющее кожух и уравновешивающие каналы, проходящие через кожух, при этом рабочее колесо присоединено к валу насоса и вращается внутри улитки, согласно изобретению уравновешивающие каналы расположены в кожухе рабочего колеса таким образом, что отверстия каналов на передней поверхности кожуха рабочего колеса расположены как впереди отверстий, расположенных на задней поверхности кожуха рабочего колеса в направлении вращения, так и ближе к оси насоса, чем отверстия на задней поверхности кожуха рабочего колеса.
Отверстия уравновешивающих каналов на передней поверхности кожуха рабочего колеса могут быть расположены внутри окружности, образованной радиально внутренними концами свободных граней рабочих лопастей при вращении рабочего колеса.
Отверстия уравновешивающих каналов на задней поверхности кожуха рабочего колеса по сравнению с отверстиями уравновешивающих каналов на передней поверхности рабочего колеса могут быть расположены по окружности таким образом, что направление уравновешивающих каналов, если смотреть на рабочее колесо спереди, по существу, совпадает с направлением проходов лопастей рабочего колеса.
Отверстия уравновешивающих каналов на передней поверхности кожуха рабочего колеса могут быть расположены внутри окружности, образованной радиально внутренними концами свободных граней рабочих лопастей при вращении рабочего колеса.
Отверстия уравновешивающих каналов на передней поверхности кожуха рабочего колеса могут быть расположены, по существу, на окружности, от которой начинаются рабочие лопасти на кожухе рабочего колеса.
Отверстия уравновешивающих каналов на передней поверхности рабочего колеса могут быть расположены внутри окружности, от которой начинаются рабочие лопасти на кожухе рабочего колеса.
Отверстия уравновешивающих каналов на передней поверхности рабочего колеса могут быть расположены внутри окружности, от которой начинаются рабочие лопасти на кожухе рабочего колеса.
В рабочем колесе центробежного насоса, содержащем, по меньшей мере, кожух, рабочие лопасти, расположенные на его передней поверхности, с проходами лопастей рабочего колеса между ними и уравновешивающие каналы, проходящие через кожух, согласно изобретению уравновешивающие каналы расположены в кожухе рабочего колеса таким образом, что отверстия уравновешивающих каналов на передней поверхности кожуха расположены как впереди выходов уравновешивающих каналов, расположенных на задней поверхности кожуха в направлении вращения, так и ближе к оси рабочего колеса, чем отверстия на задней поверхности кожуха рабочего колеса.
Отверстия уравновешивающих каналов на передней поверхности кожуха рабочего колеса могут быть расположены внутри окружности, образованной внутренними концами Е свободных граней рабочих лопастей при вращении рабочего колеса.
Отверстия уравновешивающих каналов на задней поверхности кожуха рабочего колеса могут быть расположены относительно отверстий на передней поверхности кожуха рабочего колеса в окружном направлении так, что направление уравновешивающих каналов, если смотреть спереди рабочего колеса, по существу, совпадает с направлением проходов лопастей рабочего колеса.
Отверстия уравновешивающих каналов на передней поверхности кожуха рабочего колеса могут быть расположены внутри окружности, образованной внутренними концами свободных граней рабочих лопастей при вращении рабочего колеса.
Отверстия уравновешивающих каналов на передней поверхности кожуха рабочего колеса могут быть расположены, по существу, на окружности, от которой начинаются рабочие лопасти на кожухе рабочего колеса.
Отверстия уравновешивающих каналов на передней поверхности кожуха рабочего колеса могут быть расположены внутри окружности, от которой начинаются рабочие лопасти на кожухе рабочего колеса.
Отверстия уравновешивающих каналов на передней поверхности кожуха рабочего колеса могут быть расположены внутри окружности, от которой начинаются рабочие лопасти на кожухе рабочего колеса.
Изобретение описано ниже на примере со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
на фиг.1 - схематичный вид рабочего колеса в соответствии с предшествующим уровнем техники, на котором четко показан осевой уравновешивающий канал;
на фиг.2 - насосная кривая и кривая давления уплотнительного пространства при различных вариантах рабочего колеса на графике Н, Q (напор, производительность);
на фиг.3 - схематичный осевой вид рабочего колеса в соответствии с предпочтительным вариантом воплощения изобретения с наклонными уравновешивающими каналами; вид также частично разрезан по центральной линии уравновешивающих каналов;
на фиг.4 - схематичный вид спереди рабочего колеса в соответствии со вторым предпочтительным вариантом воплощения изобретения, если смотреть со стороны всасывающего трубопровода.
На фиг.1 схематично показана обычная конструкция рабочего колеса 10 центробежного насоса в соответствии с предшествующим уровнем техники. На чертеже также показаны компоненты насоса, такие как улитка 2 насоса, задняя стенка 4 насоса и вал 6 насоса с осью 8. Рабочее колесо 10 содержит кожух 12 с рабочими лопастями 14, уравновешивающие каналы 16 и, возможно, задние лопасти. Отличительной особенностью уравновешивающих каналов согласно предшествующему уровню техники является то, что их центральная линия 18 параллельна оси 8 насоса. Более того, уравновешивающие каналы 16 расположены достаточно близко к оси 8 насоса и располагаются на рабочей поверхности рабочей лопасти. Рабочей поверхностью лопасти называется выпуклая сторона лопасти, т.е. сторона, на которую давит накачиваемая жидкость при накачивании и вдоль которой накачиваемая жидкость протекает к нагнетательному отверстию. Соответственно, поверхностью разрежения лопасти называется вогнутая сторона лопасти, где создается область низкого давления, когда рабочее колесо вращается благодаря инерции накачиваемой жидкости и центробежной силы. Целью указанного расположения каналов является обеспечение того, что часть жидкости проходит через канал к задней стороне рабочего колеса 10 для поднятия давления в уплотнительном пространстве S.
На фиг.2 показаны на одном графике Н, Q (напор-производительность) как напорной кривой центробежного насоса, так и давления, преобладающего в его уплотнительном пространстве S, когда три разных рабочих колеса проходили испытания в насосе. Равномерно спускающаяся кривая, показанная сплошной линией, показывает напор насоса при разной производительности. Пунктирные линии а-с схематично показывают изменение давления в уплотнительном пространстве насоса как функцию от производительности насоса. Горизонтальная ось показывает также, помимо нулевого значения напора насоса, атмосферное давление, причем давление выше атмосферного преобладает в области выше горизонтальной оси, и давление ниже атмосферного - в области ниже горизонтальной оси.
Кривая с фиг.2 иллюстрирует ситуацию, когда в кожухе рабочего колеса насоса нет уравновешивающих каналов. Таким образом, давление в уплотнительной камере снижается до отрицательного значения уже при малом объемном расходе Q1. Таким образом, могут возникать указанные утечки или повреждения. Ситуация, показанная на чертеже, означает, что будет небезопасно использовать насос при объемных расходах больше объемного расхода Q1, другими словами, даже не достигая всего диапазона гидравлической производительности. Для исправления ситуации с кривой а прямые осевые уравновешивающие каналы выполняются в кожухе рабочего колеса, при этом результат показан линией b, которая пересекает горизонтальную ось в значении объемного расхода Q2, обеспечивая значительно большую производительность, чем объемный расход Q1. Другими словами, насос, оборудованный задними лопастями и осевыми уравновешивающими каналами в соответствии с предшествующим уровнем техники, можно безопасно использовать в тех применениях, при которых объемный расход Q2 остается слева, то есть на нижней стороне. Так как остается много гидравлической производительности насоса, будет рационально получить возможность увеличить производительность от объемного расхода Q2 вверх. Однако этого нельзя осуществить при помощи конструкций согласно предшествующему уровню техники, так как в таком случае давление уплотнительного пространства насоса упадет ниже атмосферного давления и риск высыхания уплотнений насоса или утечки уплотнений подвижного соединения будет очень высок.
На фиг.2 кривая с иллюстрирует преимущество, достигаемое посредством использования рабочего колеса в соответствии с изобретением. Кривая с проходит, по существу, горизонтально до максимальной производительности насоса, где в соответствии с кривой с давление уплотнительного пространства остается положительным на протяжении всего диапазона производительности насоса, и не существует или по существу не существует риска высыхания уплотнений, приводящего к повреждению уплотнений или утечке воздуха в уплотнении подвижного соединения насоса.
На фиг.3 показано решение, посредством которого достигаются результаты, проиллюстрированные в виде кривой с на фиг.2. Согласно этому решению используется рабочее колесо 20 центробежного насоса в соответствии с предпочтительным вариантом воплощения изобретения с кожухом 22 рабочего колеса, рабочими лопастями 24 и, возможно, задними лопастями, а также с осью 8 как насоса, так и рабочего колеса. Новыми в конструкции с фиг.3 являются уравновешивающие каналы 26, направление центральной линии 28 которых отклоняется от оси 8 насоса. В варианте воплощения, показанном на фиг.3, вид в сечении взят по центральной линии 28 каналов 26. Таким образом, очевидно, что несмотря на то, что согласно фиг.3 может создаться впечатление, что каналы расположены в осевой плоскости, каналы 26 в действительности наклонены, то есть они отклонены радиально, а также по окружности, от осевой плоскости. Отличительной особенностью как центральной линии 28 уравновешивающих каналов 26, так и самих уравновешивающих каналов 26 в соответствии с вариантом воплощения изобретения является то, что отверстие 30 на стороне кожуха рабочего колеса, обращенной к всасывающему трубопроводу насоса (слева на чертеже), ближе к оси 8 насоса (т.е. располагается на меньшем диаметре), чем отверстие 32 за кожухом рабочего колеса, т.е. на противоположном конце уравновешивающего канала. Проведенные испытания показали, что чем ближе к оси 8 рабочего колеса располагаются выходы каналы 26, тем лучше они работают в качестве уравновешивающих каналов в их запланированном назначении. На практике, по существу, всегда центральное отверстие для вала насоса проходит через ступицу рабочего колеса в центре рабочего колеса, предотвращая прохождение отверстий 30 уравновешивающих каналов на стороне всасывающего трубопровода насоса к оси 8 насоса. Таким образом, отверстия располагаются насколько это возможно ближе к отверстию для вала насоса. Таким образом, важнейшей особенностью изобретения является то, что указанные отверстия 30 в кожухе рабочего колеса на стороне, обращенной к всасывающему трубопроводу насоса, располагаются внутри окружности вращения, образованной радиально внутренним концом Е свободной грани (грани, противоположной кожуху 22 рабочего колеса, то есть грани, обращенной к корпусу насоса). Эта окружность по диаметру обычно соответствует диаметру всасывающего трубопровода насоса. Указанные отверстия 30 предпочтительно располагаются в области ведущей кромки рабочей лопасти, более точно, например, на такой окружности кожуха 22 рабочего колеса, из которой начинаются рабочие лопасти 24. Более предпочтительно, отверстия 30 могут располагаться даже ближе к оси 8, если остальная конструкция (например, отверстие для вала или соединительная гайка рабочего колеса) позволяет это. Особенность настоящего изобретения заключается в том, что каналы 26 частично направлены по окружности так, что их направление проходит вдоль прохода лопастей лопатки, то есть вдоль полости между рабочими лопастями, то есть в направлении потока жидкости. Другими словами, отверстия 32 уравновешивающих каналов на задней поверхности кожуха рабочего колеса расположены в направлении вращения рабочего колеса позади отверстия 30 на противоположном конце уравновешивающего канала 26, то есть на передней поверхности кожуха рабочего колеса, а также радиально снаружи него.
На фиг.4 показан вид спереди рабочего колеса в соответствии с фиг.3. Чертеж иллюстрирует пунктирными линиями расположение уравновешивающих каналов 26 в кожухе 22 рабочего колеса и в проходах 34 лопастей рабочего колеса. Чертеж показывает, что уравновешивающий канал 26 проходит по окружности наклонно, то есть каждый канал повернут к соответствующему проходу 34 лопасти рабочего колеса. Таким образом, каждый уравновешивающий канал наклонен как в окружном, так и в радиально наружном направлении от отверстия 30 на передней поверхности кожуха рабочего колеса. Уравновешивающий канал 26 проходит через кожух 22 рабочего колеса, по меньшей мере, по существу, в направлении прохода 34 лопастей рабочего колеса для того, чтобы, с одной стороны, скорость жидкости, протекающей через канал 26 к задней области лопасти, была направлена правильно, то есть, чтобы требовалось меньше работы для выталкивания текущей жидкости из пространства за рабочим колесом 20 задними лопастями. С другой стороны, целью является увеличение потока жидкости через уравновешивающие каналы 26 к области задних лопастей для того, чтобы давление в уплотнительном пространстве S оставалось положительным на протяжении всего диапазона производительности насоса.
Вышеприведенное описание очень широко описывает уравновешивающие каналы и их направление. По поводу каналов следует отметить, что они могут сильно изменяться, например, по форме. Другими словами, могут рассматриваться все круглые, овальные и угловые формы. Площадь поперечного сечения каналов может либо оставаться постоянной по всей длине отверстия, либо она может изменяться, по меньшей мере, на участке длины канала. Кроме того, следует отметить, что как в вышеприведенном описании, так и в прилагаемой формуле изобретения направление канала относится в большей степени к направлению центральной линии или оси канала, чем к направлению какой-либо его отдельной стенки.
Как можно увидеть из вышеприведенного описания, было разработано новое рабочее колесо, устраняющее недостатки рабочих колес согласно предшествующему уровню техники. Рабочее колесо в соответствии с изобретением позволяет использовать насос также при производительностях больше оптимальной рабочей точки без риска повреждения уплотнений. Несмотря на то что изобретение было описано здесь на примерах, предпочтительных на данный момент вариантов воплощения, следует понимать, что изобретение не ограничивается описанными вариантами воплощениями, и оно стремится охватить все различные комбинации и/или модификации его особенностей и других применений в рамках изобретения, определенных в прилагаемой формуле изобретения.