МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
MULTISTAGE ROTARY PUMP UNIT

Изобретение относится к многоступенчатому центробежному насосному агрегату, по меньшей мере, с двумя рабочими колесами, т.е., по меньшей мере, к двухступенчатому центробежному насосному агрегату.
В таких многоступенчатых центробежных насосных агрегатах в направлении подачи друг за другом расположены несколько рабочих колес, так что от ступени к ступени происходит дальнейшее повышение давления. Проблема этих центробежных насосных агрегатов в том, что из них при пуске приходится сначала удалить воздух и заполнить их жидкостью. Центробежные насосные агрегаты не являются самовсасывающими. В определенных случаях применения это является недостатком, например, в устройствах огнетушения, в которых нельзя обеспечить постоянное заполнение жидкостью, в частности водой. В таких устройствах важно, чтобы используемые насосы были самовсасывающими.
Задачей изобретения является усовершенствование многоступенчатого центробежного насосного агрегата таким образом, чтобы он был самовсасывающим.
Предложенный многоступенчатый центробежный насосный агрегат содержит, по меньшей мере, два рабочих колеса, установленных предпочтительно на одном общем валу и приводимых в движение двигателем, в частности электродвигателем.
Предложенный многоступенчатый центробежный насосный агрегат сконструирован так, что он в направлении потока имеет две последовательные колесные группы, т.е. группы насосных ступеней, в каждой из которых имеется, по меньшей мере, одно рабочее колесо. Первая в направлении потока колесная группа выполнена при этом так, что она обеспечивает самовсасывающую характеристику центробежного насоса. Для этого в первой колесной группе выполнен обратный канал, который соединяет ее выходную сторону с входной стороной. Этот возвратный канал обеспечивает то, что внутри первой колесной группы посредством ее, по меньшей мере, одного рабочего колеса можно вызвать течение жидкости через обратный канал и рабочее колесо. Это значит, что в первой колесной группе может циркулировать ограниченное количество жидкости. Это циркулирующее количество жидкости вызывает в первой колесной группе достаточное подсасывающее действие, чтобы всасывать дальнейшую жидкость. Таким образом, весь центробежный насосный агрегат может самостоятельно всасывать жидкость. Предпочтительно лишь, чтобы в первой колесной группе, в частности, в обратном канале, всегда находилось ограниченное количество жидкости, чтобы при включении насоса могла начаться циркуляция течения через рабочее колесо первой колесной группы и через обратный канал.
Обратный канал входит предпочтительно во всасывающее устье первой ступени первой колесной группы. Этим достигается то, что протекающая через обратный канал жидкость снова подается к входной стороне рабочего колеса первой ступени, в результате чего достигается циркуляция подаваемого течения.
Далее в обратном канале предпочтительно установлен, по меньшей мере, один клапан для его перекрытия. За счет этого клапана обратный канал может быть перекрыт, когда насос достигнет своего нормального рабочего состояния. В этом состоянии, когда насосный агрегат подает жидкость, открытый обратный канал и постоянный возврат жидкости снизили бы к.п.д. агрегата. Закрыв клапан, можно воспрепятствовать этому после разгона насоса, в результате чего насос работает тогда как традиционный многоступенчатый центробежный насос.
Предпочтительно клапан выполнен таким образом, что он перекрывает обратный канал по достижении заданного давления жидкости в нем или на выходной стороне первой колесной группы. Достижение заданного давления жидкости признается нормальным рабочим состоянием или рабочим состоянием, в котором уже имеется достаточный подаваемый поток при всасывании дальнейшей жидкости. Предпочтительно клапан регистрирует давление жидкости в обратном канале, т.е. на выходной стороне первой колесной группы. Клапан выполнен предпочтительно в виде пружинящего элемента, причем он удерживается открытым за счет пружинящего действия против имеющего в обратном канале давления жидкости. Если давление жидкости превышает усилие пружины, то клапан закрывается. Таким образом, в обратном канале может быть выполнено отверстие, перед которым в направлении потока расположена пружинящая пластина такой кривизны, что она в своем исходном положении удалена от отверстия. За счет повышенного давления жидкости пластина может деформироваться против своего натяжения, прижимаясь к отверстию и закрывая его.
Далее первая колесная группа выполнена предпочтительно, по меньшей мере, двухступенчатой с двумя рабочими колесами, расположенными друг за другом в направлении потока. При этом обратный канал расположен так, что он ведет от выходной стороны второго рабочего колеса к входной стороне первого рабочего колеса. Двухступенчатая первая колесная группа обеспечивает достаточные течение и подсос за счет подачи жидкости в циркуляции через обратный канал, чтобы, в целом, создать во всасывающем устье или всасывающем канале агрегата достаточное разрежение для всасывания жидкости.
На выходной стороне первой колесной группы расположен предпочтительно разделитель, выполненный для разделения воздуха и жидкости. Именно при включении агрегата, когда по обратному каналу подается сначала мало жидкости, агрегат будет всасывать через свою всасывающую магистраль воздух, причем воздух и жидкость при проникновении в первое рабочее колесо идеальным образом смешиваются. Поэтому целесообразно отделить воздух от жидкости на выходной стороне первой колесной группы, чтобы снова возвратить к ее входной стороне по обратному каналу предпочтительно исключительно жидкость. Это препятствует сухому ходу в обратном канале.
Поэтому разделитель расположен относительно обратного канала так, что вытекающая из разделителя жидкость попадает в обратный канал. Благодаря этому попадающая из обратного канала в первую колесную группу жидкость, когда она снова вытекает из нее, в основном, полностью попадает в обратный канал, создавая, таким образом, циркуляцию.
На входной стороне первой колесной группы расположен предпочтительно обратный клапан или прерыватель обратного потока, который предотвращает течение жидкости из агрегата обратно во всасывающую магистраль. Таким образом, предотвращается полностью сухая работа агрегата. Напротив, за счет обратного клапана даже при выключении агрегата жидкость удерживается внутри него, обеспечивая повторные включение и всасывание. Обратный клапан может быть интегрирован непосредственно в агрегат, однако может быть установлен также в качестве отдельной детали на его всасывающем патрубке.
Согласно другому предпочтительному варианту, между первой и второй колесными группами расположен, по меньшей мере, один накопитель жидкости. Он выполнен так, что наполняется жидкостью при нормальной работе агрегата. При его выключении или в случае, если агрегат подает воздушные пузыри, жидкость в накопителе жидкости может гарантировать, что подающее действие агрегата прекратится не полностью, а в нем всегда будет достаточно жидкости, чтобы обеспечить ее повторное всасывание через всасывающий патрубок или всасывающую магистраль агрегата.
Накопитель жидкости имеет предпочтительно, по меньшей мере, одно выходное отверстие, расположенное напротив входного отверстия обратного канала так, что жидкость может течь в него из накопителя жидкости. Этим достигается то, что за счет накопителя жидкости сначала наполняется обратный канал или он поддерживается в наполненном состоянии. Жидкость течет затем из обратного канала к входной стороне первого рабочего колеса первой колесной группы и поступает в него, так что это рабочее колесо может сразу же достигать подающего действия и всасывать по всасывающей магистрали дальнейшую жидкость. Пока она не поступит из всасывающей магистрали в первое рабочее колесо, она, как описано выше, будет подаваться по обратному каналу, сначала циркулируя в первой колесной группе.
Предложенный агрегат выполнен предпочтительно так, что ось вращения рабочих колес проходит вертикально. Упомянутый накопитель жидкости выполнен тогда предпочтительно так, что его выходное отверстие расположено на нижней стороне, так что жидкость может вытекать вниз из накопителя жидкости под действием силы тяжести и поступать в обратный канал. Накопитель жидкости наполняется жидкостью сверху через насосные ступени, расположенные за или под ним. Обратный канал имеет предпочтительно направленное вверх отверстие, так что жидкость может поступать из накопителя жидкости в него сверху.
Согласно другому предпочтительному варианту, по меньшей мере, два накопителя жидкости могут быть расположены таким образом, что выходное отверстие второго накопителя жидкости впадает в отверстие первого накопителя жидкости. Таким образом, между первой и второй колесными группами друг за другом в направлении течения или подачи могут быть расположены два или более накопителя жидкости. При этом жидкость течет из первого или нижнего накопителя жидкости предпочтительно в обратный канал, как это описано выше. Жидкость из второго или следующего накопителя жидкости течет сначала в первый накопитель жидкости, а из него - в обратный канал. Соответственно жидкость из третьего накопителя жидкости может перетекать во второй накопитель жидкости. Все накопители жидкости имеют предпочтительно выходное отверстие на нижней стороне и входное отверстие на верхней стороне.
Особенно предпочтительно, по меньшей мере, один накопитель жидкости выполнен в виде кольцеобразной чаши с открытой верхней стороной, причем чаша окружает приводящий рабочие колеса во вращение вал. Это значит, что чаша кольцеобразной или тороидальной формы имеет в центре отверстие, через которое проходит вал. Кроме того, отверстие служит в качестве пути течения для подаваемой жидкости от первой колесной группы ко второй. Для этого в отверстии предусмотрено окружающее вал свободное пространство. Чашеобразный накопитель жидкости выполнен на своей верхней стороне открытым, так что жидкость, текущая через центральное отверстие, может попадать сверху через его край в чашеобразный накопитель жидкости. Описанное, по меньшей мере, одно выходное отверстие выполнено предпочтительно на нижней стороне. При расположении нескольких накопителей жидкости выходные отверстия следующих накопителей жидкости расположены над верхней стороной каждого предыдущего накопителя жидкости, так что жидкость течет из выходного отверстия в предыдущий накопитель жидкости. Из первого, т.е. самого нижнего, накопителя жидкость течет из выходного отверстия в обратную магистраль, как это описано выше. Выходные отверстия имеют такой размер, что накопители жидкости опорожняются медленно.
Согласно одному особенно предпочтительному варианту отдельные рабочие колеса второй колесной группы расположены соответственно в ступенчатом модуле, причем все ступенчатые модули имеют одинаковую осевую высоту, а, по меньшей мере, одно рабочее колесо первой колесной группы также расположено в таком ступенчатом модуле, осевая высота которого соответствует осевой высоте или целочисленному кратному высоты ступенчатого модуля второй колесной группы. Эта модульная конструкция с постоянным шагом осевых высот или длин отдельных модулей имеет то преимущество, что из них очень легко можно реализовать центробежные насосные агрегаты разной мощности, в частности разной высоты подачи и всасывания. Также первая самовсасывающая колесная группа легко интегрируется в традиционные многоступенчатые центробежные насосы, поскольку части первой группы рабочих колес по своей осевой длине имеют такой же шаг, что и модули второй колесной группы. Так, например, могут использоваться те же стяжные ленты для удержания модулей вместе, что и используемые в традиционных многоступенчатых центробежных насосных агрегатах. Таким образом, можно уменьшить требуемое многообразие деталей.
Расположенные между обеими колесными группами накопители жидкости или распорные элементы предпочтительно также имеют осевую высоту, которая соответствует осевой высоте или целочисленному кратному этой высоты ступенчатого модуля второй колесной группы. Таким образом, и в отношении этих компонентов достигается то, что осевая высота подходит к имеющемуся шагу осевой высоты отдельных насосных ступеней, расположенных во второй колесной группе.
Изобретение описано ниже в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1: разрез предложенного насосного агрегата;
фиг.2: подробный вид первой колесной группы насосного агрегата из фиг.1;
фиг.3: в частичном разрезе подробный вид клапана в обратном канале;
фиг.4: разрез накопителей жидкости насосного агрегата из фиг.1.
Изображенный в качестве примера центробежный насосный агрегат имеет, в общей сложности, восемь ступеней, т.е. восемь рабочих колес. Из них два рабочих колеса 2 относятся к первой колесной группе 4, а шесть рабочих колес 6 - ко второй колесной группе 8. Первая колесная группа 4 обращена к впускному или всасывающему патрубку 10 агрегата. Вторая колесная группа 8 расположена в направлении течения или подачи за первой колесной группой 4. Как и в известных многоступенчатых центробежных насосных агрегатах, подаваемая жидкость последовательно протекает через отдельные рабочие колеса и на выходной стороне последнего рабочего колеса 6 через кольцеобразный напорный канал 12 подается к напорному патрубку 14. Все рабочие колеса 2, 6 приводятся во вращение общим валом 16. Он соединен своим концом 18 с приводным двигателем (не показан), например электродвигателем.
Первая колесная группа 4 выполнена описанным ниже образом самовсасывающей, так что центробежный насос может всасывать жидкость через всасывающий патрубок 10 даже тогда, когда он и примыкающая к нему вверх по потоку всасывающая магистраль не заполнены жидкостью.
Самовсасывающее действие первой колесной группы 4 достигается за счет выполнения, более подробно поясняемого с помощью фиг.2. На выходной стороне второго в направлении потока рабочего колеса 2 первой колесной группы 4 расположен разделитель 20. Он выполнен так, что жидкость и воздух отделяются друг от друга. Это происходит за счет того, что жидкость ускоряется радиально наружу, в результате чего из разделителя 20 воздух выходит в центральной части вблизи вала 16, а жидкость вытекает в периферийной части вблизи периферийной стенки 22. Вытекающая из разделителя 20 жидкость перетекает через верхнюю кромку периферийной стенки 22 и поступает в обратный канал 24. Последний ведет на внешней периферии первой колесной группы 4 назад в направлении всасывающего патрубка 10. Через отверстия 26 в донной пластине обратный канал ведет к всасывающему устью 28 первого в направлении потока рабочего колеса 2 первой колесной группы 4. Таким образом, реализован замкнутый жидкостный контур через оба рабочих колеса 2 назад через обратный канал 24 к всасывающему устью 28 первого рабочего колеса 2.
Для пуска насоса достаточно небольшого количества жидкости, чтобы привести в действие описанную циркуляцию через оба рабочих колеса 2 и обратный канал 24. В результате рабочие колеса 2 создают разрежение, за счет которого затем через всасывающий патрубок 10 может всасываться дальнейшая жидкость. При первом включении насосного агрегата требуется удалить из него воздух, как из традиционных центробежных насосных агрегатов, т.е. наполнить определенным количеством жидкости.
Чтобы поддерживать описанную циркуляцию через обратную магистраль 24, важно, чтобы насос в зоне первой колесной группы 4 был выполнен максимально воздухонепроницаемым. Для этого предусмотрены различные уплотнения. Уплотнения 30 герметизируют обратный канал 24 от напорного канала 12, что препятствует перетеканию жидкости в нормальном режиме работы от напорной стороны через обратный канал 24 к всасывающей стороне. Внутри разделителя 20 расположен подшипник 32, который контактирует с внешней периферией вала 16. Подшипник 32 служит в то же время для герметизации разделителя 20 от вала 16 во избежание течения воздуха из разделителя 20 назад к рабочим колесам 2. Уплотнение 34 герметизирует осевой конец вала 16 во избежание течения воздуха от напорной стороны насоса через вал к всасывающей стороне. Уплотнение 36 также служит для отделения напорной стороны от всасывающей стороны, т.е. для герметизации напорного патрубка 14 от всасывающего патрубка 10.
Чтобы по достижении нормального рабочего состояния, в котором жидкость всасывается через всасывающий патрубок 10, предотвратить ее течение через обратный канал 24 назад к всасывающей стороне, в нем расположен клапан 38. Он выполнен так, что по достижении заданного давления на выходной стороне второго рабочего колеса 2, т.е. на выходной стороне разделителя 20 и в обратном канале 24, он перекрывает последний. Это значит, что по достижении этого заданного давления обратный канал 24 перекрыт и жидкость течет исключительно к последующим рабочим колесам 6 второй колесной группы 8.
Выполнение клапана 38 более подробно поясняется с помощью фиг.3. На ней изображен подробный вид разделителя 20. Он образует между внешней периферией периферийной стенки 22 и расположенной радиально дальше наружу кольцеобразной стенкой 40 первый участок обратного канала 24, который образует его входную зону. Второй участок обратного канала 24 образован между внешней периферией стенки 40 и радиально отстоящей втулкой 42 (фиг.2). В стенке 40 выполнены несколько отверстий 44, которые обеспечивают перетекание от впускной зоны обратного канала 24 в его второй участок между стенкой 40 и втулкой 42. На отверстиях 44 расположены клапанные элементы в виде пружинящих пластин 46. Последние могут занимать два положения, а именно открытое положение 46' на фиг.3. В этом положении пружинящая пластина 46' проходит хордообразно к внутренней периферии стенки 40 и, тем самым, отстоит от отверстия 44, так что оно открыто. При возрастании давления в зоне обратного канала 24, расположенного между периферийной стенкой 22 и стенкой 40, пружинящая пластина 46' отжимается радиально наружу и прижимается к внутренней стороне стенки 40 над отверстием 44, в результате чего оно закрывается.
48
Чтобы обеспечить надежную работу агрегата даже тогда, когда через систему проходят крупные воздушные пузыри, между первой 4 и второй 8 колесными группами расположены три накопителя 48 жидкости. Они подробно изображены на фиг.4. Накопители48 жидкости выполнены в виде кольцеобразных или тороидальных чаш, окружающих вал 16. Вал 16 проходит через центральное отверстие 50 накопителей48 жидкости, причем стенка отверстия 50 радиально отстоит от внешней периферии вала 16. Таким образом, отверстие 50 служит в качестве пути течения подаваемой жидкости от первой колесной группы 4 ко второй колесной группе 8. При этом этом периферийные стенки 52 отверстий 50 имеют в направлении продольной оси Х длину, которая короче осевой длины наружных стенок накопителей48 жидкости. Таким образом, накопители жидкости открыты на своей верхней стороне, так что жидкость, которая течет через отверстия 50, может течь по периферийным стенкам 52 внутрь накопителей48 жидкости. Таким образом, в нормальном режиме работы агрегата, когда жидкость течет от первой колесной группы 4 ко второй колесной группе 8, накопители жидкости 48 наполнены.
Каждый накопитель48 жидкости имеет на своей нижней стороне выпускное отверстие 54 небольшого диаметра. Выпускные отверстия 54 радиально отстоят от продольной оси Х настолько, что они лежат над свободным пространством между периферийной стенкой 22 и стенкой 40 разделителя 20. Таким образом, жидкость течет из первого, т.е. нижнего, накопителя48 жидкости непосредственно в обратный канала 24. Из обоих других накопителей48 жидкости жидкость течет через соответствующее выпускное отверстие 54 сначала в нижележащий накопитель48 жидкости. За счет того, что жидкость из накопителей48 жидкости медленно стекает через мелкое выпускное отверстие 54, даже тогда, когда через агрегат проходят крупные воздушные или газовые пузыри, можно гарантировать наличие в нем еще достаточного количества жидкости, чтобы описанным выше образом снова привести в действие, по меньшей мере, пусковую циркуляцию через первую колесную группу 4, т.е. через обратный канал 24.
Наряду с этими мерами на или во всасывающем патрубке 10 расположен еще один обратный клапан или прерыватель 55 обратного потока. Здесь обратный клапан 55 расположен непосредственно на всасывающем патрубке 10, однако он может быть установлен на нем также в качестве отдельной детали. С помощью такого обратного клапана 55 можно предотвратить в случае сухого хода примыкающей к всасывающему патрубку 10 всасывающей магистрали течение жидкости назад в нее из агрегата через всасывающий патрубок 10. Таким образом, можно поддерживать в агрегате определенное количество жидкости, с помощью которой можно снова привести в действие, по меньшей мере, пусковую циркуляцию в первой колесной группе 4, чтобы затем через всасывающий патрубок 10 всасывать дальнейшую жидкость. За счет этого весь агрегат выполнен самовсасывающим.
Как видно на фиг.1, агрегат имеет, в целом, модульную конструкцию, причем в ее основе лежит осевой шаг по длине, который определяется осевой длиной образованных рабочими колесами 6 насосных ступеней. Каждая из них имеет периферийный корпус 56, который образует корпус отдельных ступенчатых модулей. Последние установлены аксиально друг на друге. Накопители жидкости 48 жидкости имеют такую же осевую длину, что и корпуса 56 ступенчатых модулей второй колесной группы 8. Кроме того, такую же осевую длину имеет также корпус 58, окружающий первое рабочее колесо 2. Осевая длина разделителя 20 в направлении продольной оси Х соответствует двукратной осевой длине корпусов 56, 58. Таким образом, осевая длина всей первой колесной группы 4 соответствует трехкратной длине ступенчатого модуля второй колесной группы 8. Этот единый шаг длин способствует модульной конструкции, поскольку стяжные ленты, которые удерживают отдельные ступенчатые модули вместе в осевом направлении, приходится держать в запасе лишь в разных длинах, определяемых этим лежащим в основе шагом. Следовательно, могут быть собраны самые различные насосы с разным числом рабочих колес, накопителей 48 жидкости и, при необходимости, первой колесной группой 4, чтобы гарантировать самовсасывающие свойства.
Перечень ссылочных позиций
2 - рабочие колеса
4 - первая колесная группа
6 - рабочие колеса
8 - вторая колесная группа
10 - всасывающий патрубок
12 - напорный канал
14 - напорный патрубок
16 - вал
18 - конец вала
20 - разделитель
22 - периферийная стенка разделителя
24 - обратный канал
26 - отверстия
28 - всасывающее устье
30 - уплотнения
32 - подшипник
34, 36 - уплотнения
38 - клапан
40 - стенка
42 - втулка
44 - отверстия
46 - пружинящая пластина/клапан
48 - накопитель жидкости
50 - отверстие
52 - периферийные стенки
54 - выпускные отверстия
55 - обратный клапан
56, 58 - корпус
Х - продольная ось