СИСТЕМА ДИФФУЗИИ ВОЗДУХА ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ НАСОСОВ
AIR DIFFUSION SYSTEM FOR INDUSTRIAL PUMPS

Область технического применения
Это изобретение, в общем, относится к промышленным насосам, а точнее, хотя и не исключительно, к центробежным насосам, например к центробежным насосам с торцевым всасыванием, предназначенным для суспензии. В частности, изобретение относится к системе диффузии воздуха, пригодной для использования в таких насосах, а также к ее компонентам.
Предпосылки к созданию изобретения
Центробежные насосы используют в различных отраслях промышленности для нагнетания текучих сред. Центробежные насосы, предназначенные для суспензии, используют для подачи текучих сред, которые содержат твердые материалы. Центробежные насосы, в общем, содержат корпус, через который проходит приводной вал для вращения рабочего колеса внутри корпуса. Обычно обеспечивают уплотняющий механизм, который окружает приводной вал в зоне, вблизи которой приводной вал выходит из корпуса насоса для крепления к рабочему колесу. Уплотняющий механизм обеспечивают с целью уплотнения корпуса насоса для предотвращения утечек текучей среды вокруг приводного вала и через корпус насоса.
В некоторых случаях текучая среда или суспензия, подаваемая насосом, может содержать относительно большие или малые количества воздуха, которые естественным образом скапливаются у уплотнения и нарастают по времени. Например, центробежные насосы широко используют в процессе десульфуризации топочных газов для удаления из топочных газов серы и, следовательно, для снижения вероятности выпадения кислотного дождя. Топочные газы очищают в большом резервуаре или сосуде посредством принудительной подачи топочных газов через распыляемый материал, состоящий из мелких частиц известняка, которые смешиваются с водой для формирования суспензии. Центробежные насосы обеспечивают циркуляцию известняковой суспензии от донной части резервуара или сосуда к группе распылителей, расположенных в верхней части резервуара или сосуда. Топочные газы входят вблизи от донной части и выходят у верхней части резервуара.
У донной части сосуда или вблизи от нее в суспензию часто принудительно подают воздух для содействия химической реакции частиц известняка, находящихся в суспензии, и частиц серы, находящихся в топочных газах. Для смешивания суспензии и воздуха также часто используют мешалки. Центробежные насосы, обычно имеющие высокие расходные характеристики, забирают загружаемую суспензию из донной части резервуара. Следовательно, загружаемая суспензия, поступающая в насос, содержит значительное количество воздуха.
Воздух, находящийся в суспензии, может привести к возникновению в насосах различных проблем. Например, повышенное содержание воздуха может уменьшить плотность и понизить давление, развиваемое насосом, особенно в том случае, если воздух составляет от трех до пяти процентов объема или более. Кроме того, воздух, имея меньшую плотность, чем вода, стремится накапливаться вокруг приводного вала насоса вблизи или у задней части вращающегося рабочего колеса поблизости от неподвижного корпуса насоса, где расположено механическое уплотнение.
Механическое уплотнение, как правило, используемое в центробежных насосах, содержит два смежных уплотняющих элемента, каждый из которых имеет выровненную поверхность, примыкающую к выровненной поверхности другого уплотняющего элемента. Один уплотняющий элемент вращается совместно с валом насоса и рабочим колесом, в то время как другой уплотняющий элемент неподвижен. Следовательно, одна уплотняющая поверхность является подвижной, в то время как другая неподвижна. Смежные уплотняющие поверхности удерживают в плотном контакте посредством пружин и внутреннего давления насоса, когда он находится в рабочем состоянии. Сохранение тонкой пленки текучей среды между уплотняющими поверхностями для смазки и охлаждения крайне необходимо, чтобы обеспечить надежность уплотнения.
Уплотняющие элементы изготавливают из весьма твердого материала, например из карбида кремния, так что проникновение твердых частиц из суспензии обычно не приводит к какому-либо существенному износу поверхностей уплотнения при нормальных условиях работы. Однако когда в подвергаемой обработке суспензии имеется повышенный объем воздуха, воздух может проникать между поверхностями уплотнения и смещать жидкостную пленку, что приводит к образованию между уплотняющими поверхностями сухих мест. В результате смежные поверхности начинают работать или функционировать в сухих условиях с отсутствием смазки, при этом происходит увеличение трения с сопутствующим увеличением тепла в уплотнении. В уплотняющих поверхностях могут быть образованы микротрещины и сколы, что может привести к закруглению поверхностей, так что между уплотняющими поверхностями может проникать суспензия. Когда между уплотняющими поверхностями проникают более крупные частицы, происходит больший износ и механизм уплотнения в итоге начинает пропускать утечки и выходит из строя.
В промышленности известно повреждение уплотняющего механизма, которое может быть вызвано наличием воздуха в суспензии. При этом, например, предложено образовывать отверстия через задний диск рабочего колеса (то есть через часть рабочего колеса, смежную с приводной стороной корпуса насоса) для возможности циркуляции текучей среды под высоким давлением назад к подводу насоса или к всасывающий стороне корпуса насоса с низким давлением и захвата ею посредством этого некоторой части воздуха. Однако отверстия могут оказаться закупоренными обломками или твердыми частицами суспензии, либо поток через отверстия может оказаться недостаточным для удаления воздуха, следовательно, полезные результаты, которые могут обеспечить отверстия, не будут получены.
Таким образом, в области промышленных насосов и обработки суспензии с повышенными объемами воздуха было бы предпочтительно создать систему для диффузии или непрерывного удаления воздуха от той зоны, которая находится вблизи уплотняющего механизма, чтобы предотвратить ухудшение характеристик уплотнения, что было описано ранее, и улучшить работу насоса.
Сущность изобретения
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения создано устройство для диффузии воздуха, содержащее корпус, имеющий первую сторону и вторую сторону, и, по меньшей мере, один канал, проходящий через корпус от первой стороны ко второй стороне, при этом канал или каждый канал выполнены таким образом, что, когда происходит вращение устройства при его эксплуатации, создается вихревой или закрученный поток, приводящий к течению через него материала.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения создано устройство для диффузии воздуха, пригодное для его использования в системе для диффузии воздуха, предназначенной для центробежного насоса, при этом:
насос включает в себя корпус с находящейся внутри него нагнетательной камерой, рабочее колесо установленно внутри нагнетательной камеры для вращения вокруг оси вращения, причем рабочее колесо включает в себя переднюю сторону и заднюю сторону, а система для диффузии воздуха содержит один или более проходы, идущие через рабочее колесо от передней стороны к задней стороне, при этом проход или каждый проход имеет первое отверстие с задней стороны и второе отверстие с передней стороны рабочего колеса;
устройство для диффузии воздуха содержит корпус, имеющий первую сторону и вторую сторону, и, по меньшей мере, один канал, проходящий через корпус от первой стороны ко второй стороне, причем канал или каждый канал имеет используемые при эксплуатации впускное отверстие с первой стороны и выпускное отверстие со второй стороны;
устройство для его эксплуатации расположено таким образом, что канал или каждый канал сам по себе обеспечивает сообщение первой стороны корпуса с первым отверстием прохода в рабочем колесе для возможности прохождения текучей среды.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения создано устройство для диффузии воздуха, пригодное для его использования в системе для диффузии воздуха, предназначенной для центробежного насоса, при этом:
насос включает в себя корпус с находящейся внутри него нагнетательной камерой, рабочее колесо, установленное внутри нагнетательной камеры для вращения вокруг оси вращения, причем рабочее колесо включает в себя переднюю сторону и заднюю сторону, а система для диффузии воздуха содержит один или более проходов, идущих через рабочее колесо от передней стороны к задней стороне, при этом проход или каждый проход имеет первое отверстие с задней стороны и второе отверстие с передней стороны рабочего колеса;
устройство для диффузии воздуха содержит корпус, имеющий первую сторону и вторую сторону, и, по меньшей мере, один канал, проходящий через корпус от первой стороны ко второй стороне, причем канал или каждый канал имеет используемые при эксплуатации впускное отверстие с первой стороны и выпускное отверстие со второй стороны;
корпус имеет элемент, который проходит от него радиально наружу и который предназначен для его расположения при эксплуатации таким образом, чтобы он находился вблизи задней стороны рабочего колеса и был обращен к ней для образования между ними камеры, так чтобы при эксплуатации выпускное отверстие и первое отверстие прохода в рабочем колесе были расположены с обеспечением сообщения с упомянутой камерой для возможности прохождения текучей среды.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения создано устройство для диффузии воздуха, пригодное для его использования в системе для диффузии воздуха, предназначенной для центробежного насоса, при этом:
насос включает в себя корпус с находящейся внутри него нагнетательной камерой, рабочее колесо, установленное внутри нагнетательной камеры для вращения вокруг оси вращения, причем рабочее колесо включает в себя переднюю сторону и заднюю сторону, а система для диффузии воздуха содержит один или более проходов, идущих через рабочее колесо от передней стороны к задней стороне, при этом проход или каждый проход имеет первое отверстие с задней стороны и второе отверстие с передней стороны рабочего колеса;
устройство для диффузии воздуха содержит корпус, имеющий первую сторону и вторую сторону, и, по меньшей мере, один канал, проходящий через корпус от первой стороны ко второй стороне, причем канал или каждый канал имеет используемые при эксплуатации впускное отверстие с первой стороны и выпускное отверстие со второй стороны, при этом канал включает в себя донную стенку, проходящую через корпус;
выпускное отверстие при эксплуатации сообщено с первым отверстием прохода в рабочем колесе для возможности прохождения текучей среды.
Донная стенка канала или каждого канала может иметь переднюю конечную часть с первой стороны и хвостовую конечную часть со второй стороны, при этом передняя и задняя конечные части расположены вровень с соответствующими первой и второй сторонами.
Согласно еще одному из аспектов настоящего изобретения создана система для диффузии воздуха, предназначенная для центробежного насоса, при этом система включает в себя вращаемое рабочее колесо, которое включает в себя переднюю сторону и заднюю сторону, один или более проходов, идущих через рабочее колесо с передней стороны к задней стороне, причем проход или каждый проход имеет первое отверстие с задней стороны и второе отверстие с передней стороны рабочего колеса, устройство для диффузии воздуха, которое описано выше, при этом корпус расположен вблизи от рабочего колеса и установлен для вращения вместе с ним, а канал или каждый канал сообщен для прохождения текучей среды с соответствующим первым отверстием прохода в рабочем колесе.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения создан способ установки системы для диффузии воздуха, которая описана выше, в насосном агрегате, содержащий стадию оперативно выполняемого крепления устройства для диффузии воздуха и рабочего колеса на приводном валу насосного агрегата для вращения посредством него.
Устройство, когда оно установлено, находится внутри нагнетательной камеры для вращения совместно с рабочим колесом. Устройство может быть оперативно установлено на приводном валу насоса для вращения посредством него, при этом находящаяся у рабочего колеса сторона корпуса устройства будет прилегать непосредственно к задней стороне рабочего колеса, так чтобы выпускное отверстие или каждое выпускное отверстие канала или каждого канала для возможности прохождения текучей среды было сообщено с проходом или с каждым проходом в рабочем колесе. В случае еще одной своей формы устройство может быть оперативно подсоединено к рабочему колесу для вращения совместно с ним. Компоновка такова, что вращение устройства совместно с рабочим колесом приводит к захождению суспензии и газа во впускное отверстие канала и к их перемещению вдоль канала от переднего конца донной стенки к выходу и далее через выпускное отверстие канала сквозь проход в рабочем колесе. Донная стенка канала или каждого канала создает дугообразную, наклонную конфигурацию между его передним и хвостовым концами.
В одной из своих форм донная стенка канала или каждого канала, в общем, имеет дугообразную конфигурацию, при этом она, в общем, отстоит в радиальном направлении от центральной оси корпуса и наклонена от передней конечной части к хвостовой конечной части, в общем, частично спиралеобразно или винтообразно. Кроме того, впускное отверстие или каждое впускное отверстие, в общем, может иметь дугообразную конфигурацию и, в общем, отстоит в радиальном направлении от центральной оси, при этом выпускное отверстие или каждое выпускное отверстие, в общем, также имеет дугообразную конфигурацию и, в общем, отстоит в радиальном направлении от центральной оси.
В одном из вариантов осуществления конструкции может быть обеспечено большое количество каналов, при этом впускные отверстия отстоят друг от друга вокруг первой стороны корпуса, а выпускные отверстия отстоят друга вокруг второй стороны корпуса. То есть, впускные и выпускные отверстия расположены на расстоянии друг от друга вдоль круговой линии, отстоящей от центральной оси и соосной с ней.
Первая сторона и вторая сторона корпуса, в общем, круглые, если смотреть в направлении центральной оси, при этом между ними проходит периферийная боковая стенка. Может быть обеспечен обод, который проходит радиально наружу от второй стороны корпуса. Предпочтительно, чтобы обод фактически был упруго деформируемым. Обод, когда он установлен, прилегает к задней стороне рабочего колеса.
Может быть выполнено центральное отверстие, которое проходит через корпус и соосно с центральной осью. Отверстие предназначено для захождения через него приводного вала насоса при его установке.
В установленном положении устройство предназначено для вращения совместно с рабочим колесом. К вращению рабочего колеса приводит вращение приводного вала насоса, на который устанавливают рабочее колесо. Компоновка такова, что вращение устройства совместно с рабочим колесом приводит к перемещению суспензии и газа вдоль канала от передней конечной части к хвостовой конечной части и далее через проход в рабочем колесе.
Краткое описание чертежей
Несмотря на какие-либо другие формы, которые могут находиться в объем устройства, способа и системы, указанных в разделе «Сущность изобретения», конкретные варианты осуществления способа и устройства далее будут описаны посредством примера и со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
на фиг.1 представлен разнесенный схематический вид системы для диффузии воздуха, выполненной согласно варианту осуществления изобретения, совместно с рабочим колесом насоса и уплотнением;
на фиг.2 представлен вид в сечении того, что показано на фиг.1;
на фиг.3 представлен путь прохождения потока через диффузионное устройство и рабочее колесо;
на фиг.4 представлен схематический вид устройства для диффузии воздуха, показанного на фиг. 1-3, с одной стороны;
на фиг.5 представлен схематический вид устройства для диффузии воздуха, показанного на фиг.4, с другой стороны.
Подробное описание конкретных вариантов
осуществления изобретения
Представлена система 10 для диффузии воздуха, которая включает в себя диффузионное устройство 50 согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения и которая предназначена для использования совместно с насосным агрегатом в виде центробежного насоса. Показаны только характерные отличительные признаки насоса, поскольку насосы этого типа хорошо известны и понятны квалифицированным специалистам в этой области.
Если обратиться конкретно к фиг. 1 и 2, то согласно им насосный агрегат включает в себя корпус, в котором находится нагнетательная камера с обеспечением подвода к этой камере и отвода из нее. Рабочее колесо 12 с возможностью вращения установлено внутри камеры и, как показано, включает в себя заднюю сторону или задний кожух 14, переднюю сторону или передний кожух 38 (фиг. 2) и большое количество лопаток 25, заканчивающихся у ушка 20. Рабочее колесо 12 дополнительно включает в себя ступицу 26, имеющую отверстие 24 для захождения приводного вала 28, который оперативно соединяют с приводным двигателем через подшипниковый узел и коробку передач (все они не показаны). Ступицу 26 крепят к приводному валу 28 посредством части 84 с резьбовой нарезкой, заходящей в отверстие 24, которое имеет часть с внутренней резьбовой нарезкой. Уплотняющий механизм 16 обеспечивает уплотнение приводного вала 28. На фиг.2 наилучшим образом показано, что уплотняющий механизм 16 включает в себя вращающийся уплотняющий элемент 30 и неподвижный уплотняющий элемент 32 с находящейся между ними уплотняющей поверхностью 34, а также уплотняющую втулку 36 вала. Рабочее колесо 12 расположено внутри корпуса насоса, при этом ушко 20 рабочего колеса 12 обращено к подводу насоса. Уплотняющий механизм 16 расположен у ступицы 26 рабочего колеса 12 или в непосредственной близости от нее и окружает приводной вал таким образом, чтобы уплотнять этот вал 28 и корпус насоса по отношению к текучей суспензии, подаваемой насосом.
Как показано на фиг. 1, система 10 для диффузии воздуха, выполненная согласно изобретению, содержит большое количество проходов 36, образованных в рабочем колесе 12 и идущих через это колесо 12 от задней стороны 14 к передней стороне 38. Как показано на фиг. 3, каждый проход 36 имеет первое отверстие 40 с задней стороны 14 и второе отверстие 42 с передней стороны 38 рабочего колеса 12. Система 10 для диффузии воздуха дополнительно содержит устройство 50 для диффузии воздуха, установленное так, что оно прилегает к задней стороне 14 рабочего колеса.
Конструкция устройства 50 для диффузии воздуха наилучшим образом показана на фиг.4 и 5 и включает в себя корпус 52, имеющий переднюю или уплотняющую сторону 54, заднюю или находящуюся у рабочего колеса сторону 56, периферийную боковую стенку 55, проходящую от уплотняющей стороны к стороне, находящейся у рабочего колеса, и проходящее через устройство отверстие 57. Корпус 52 дополнительно включает в себя выступающий наружу периферийный обод 59 со стороны корпуса, находящейся у рабочего колеса.
Устройство 50 предназначено для его установки таким образом, чтобы оно совершало вращение совместно с рабочим колесом 12. Устройство 50 расположено на ступице 26, при этом ступица 26 проходит через отверстие 57. Приводной вал проходит через отверстие 57 и прикреплен к ступице 26 рабочего колеса 12 описанным ранее способом. К задней стороне 14 рабочего колеса 12 примыкает обод 59. Обод 59 выполнен с возможностью его упругой деформации, так что в собранном состоянии он входит в жесткое зацепление с задней стороной 14 рабочего колеса. Как показано на фиг.1, к уплотняющей стороне 54 устройства крепят монтажную плиту 69. В собранном состоянии монтажная плита 69 находится между торцевой стороной ступицы 26 и торцевой стороной уплотняющей втулки 36, так что устройство вращается совместно с приводным валом 28. В случае еще одной компоновки устройство 10 может быть непосредственным образом соединено с рабочим колесом, и это представляет собой дополнение или альтернативу для вышеуказанного соединения. Ребра 74 на внутренней поверхности отверстия 57 обеспечивают возможность каких-либо изменений диаметра ступицы, которые могут происходить в результате процесса литья.
Устройство 50 дополнительно включает в себя большое количество каналов, углублений или желобков 61, 62 и 63, которые сформированы между уплотняющей стороной 54 корпуса 52 и его стороной 56, находящейся у рабочего колеса. Каждый канал имеет впускное отверстие 58, выпускное отверстие 68 и донную стенку 67 с передним концом 64 в зоне уплотняющей стороны 54 и с хвостовым концом 65 в зоне стороны корпуса, находящейся у рабочего колеса. Донная стенка 67 расположена под наклоном или с покатом от переднего конца к хвостовому концу. Отверстия 58 и 68 и донная стенка 67 криволинейны и проходят вокруг передней и задней сторон корпуса 52, при этом донная стенка частично проходит спиралеобразно или винтообразно. Отверстия на противоположных сторонах донной стенки 67 выходят к уплотняющей стороне устройства и к его стороне, находящейся у рабочего колеса. Выпускные отверстия 68 сообщены с кольцевой камерой, которая находится между ободом 59 и периферией отверстия 57, когда устройство установлено. Кольцевая камера сообщена с проходом 36 в рабочем колесе 12. С одной стороны каждой донной стенки 67 находится зона, расположенная между донной стенкой и впускным отверстием, а с другой стороны донной стенки находится зона, расположенная между донной стенкой и выпускным отверстием.
При эксплуатации вращение рабочего колеса 12 и установленного с прилеганием к нему устройства 50 в направлении стрелки 80, показанной на фиг. 1, вызывает перемещение воздуха и суспензии вдоль каналов к камерам и далее через проходы в рабочем колесе. Компоновка такова, что впускное отверстие одного канала для возможности прохождения текучей среды сообщено с выпускным отверстием снизу от донной стенки следующего, смежного подводящего, канала. Например, материал, входящий во впускное отверстие канала 61, проходит вдоль его донной стенки к выпускному отверстию канала 63. Наклонные или покатые донные стенки сконструированы таким образом, чтобы действовать подобно винтовой резьбе, собирая суспензию и воздух для принудительной подачи через проходы в рабочем колесе. На фиг. 3 представлен путь прохождения потока через устройство 10 и рабочее колесо 12, при этом путь потока указан стрелкой 70. Устройство может быть образовано из любых приемлемых материалов, например из пластика, такого как полиуретан.
При одном из способов монтажа устройство 10 крепят к ступице рабочего колеса 12, при этом ступица 26 проходит через отверстие 57 в устройстве. Обод 59 устройства расположен с прилеганием к задней стороне 14 рабочего колеса 12. Приводной вал 28 крепят в отверстии 24 в ступице 26 и монтажной плите 69, расположенной между торцевой поверхностью ступицы 26 и торцевой поверхностью уплотняющей втулки 36, так что устройство будет вращаться совместно с рабочим колесом и приводным валом. В окончательно собранном положении обод 59 будет приведен в плотный контакт с задней стороной 14 рабочего колеса 12, так чтобы он находился в деформированном состоянии. Устройство для диффузии воздуха, выполненное согласно настоящему изобретению, может быть встроено в только что отлитые рабочие колеса или может быть подогнано к рабочим колесам, находящимся в существующих насосах. Понятно, что это изобретение предназначено для общего применения ко всем насосам, в которых присутствие воздуха в нагнетаемой текучей среде может привести к тому, что механическое уплотнение будет «работать в сухом состоянии».
В этом описании и в пунктах формулы изобретения, которые следуют далее, если в контексте не требуется что-то иное, слово «содержат», а также различные его варианты, например «содержит» или «содержащий», следует понимать, как предполагающее включение указанного объекта или стадии, либо группы объектов или стадий, но не исключая при этом какой-либо другой объект или стадию, либо группу объектов или стадий.
В приведенном выше описании предпочтительных вариантов осуществления конструкции для ясности была использована специальная терминология. Однако изобретение не должно быть ограничено выбранными специальными терминами, при этом следует иметь в виду, что каждый специальный термин включает в себя все технические эквиваленты, которые могут быть использованы подобным же образом для достижения подобной технической цели. Такие термины, как «передний» и «задний», и тому подобные, использованы в качестве слов, удобных для указания ориентиров, а не для того, чтобы считать их ограничительными терминами.
Сделанная в этом описании ссылка на какую-либо известную публикацию (или информацию, которая получена из нее) или на какой-либо объект, который известен, не известен, и который не следует считать официально признанным или допущенным, или на какую-либо форму предложения этой известной публикации (или полученной из нее информации) или известного объекта, составляет часть общих знаний в рассматриваемой области, к которой относится это описание.
Наконец, следует иметь в виду, что без отклонения от существа и объема изобретения в разнообразные конструкции и компоновки деталей могут быть внесены различные изменения, модификации и дополнения.