НАСОС C ВЫТЯНУТЫМ В ОСЕВОМ НАПРАВЛЕНИИ КОЛЬЦЕВЫМ УПЛОТНИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ МЕЖДУ ИНДУКТОРОМ И РАБОЧИМ КОЛЕСОМ
PUMP WITH AN AXIALLY ELONGATED ANNULAR SEALING ELEMENT BETWEEN THE INDUCTOR AND THE IMPELLER

Область и уровень техники
[0001] Насосы широко известны и используются для нагнетания (сжатия) текучих сред. Например, центробежный насос может содержать секцию индуктора и секцию рабочего колеса. Секция индуктора первоначально повышает давление текучей среды до желаемого уровня перед входом в секцию рабочего колеса. Затем секция рабочего колеса служит для дальнейшего увеличения (нагнетания) давления текучей среды.
Наиболее близкими аналогами настоящего изобретения являются насос и способ сборки насоса, раскрытые в документах US 2962206 и US 4097186, признаки которых совпадают с признаками ограничительной части независимых п.п. 1 и 11 настоящей заявки.
Раскрытие сущности изобретения
[0002] Согласно одному своему аспекту, изобретение относится к насосу, характеризующемуся признаками независимого п. 1 формулы.
[0003] В следующем варианте осуществления любого из вышеупомянутых вариантов осуществления кожух индуктора имеет поверхность внутреннего диаметра, которая определяет проход через кожух индуктора, причем вытянутый в осевом направлении кольцевой уплотнительный элемент смещен в радиальном направлении от поверхности внутреннего диаметра.
[0004] В следующем варианте осуществления любого из вышеупомянутых вариантов осуществления вытянутый в осевом направлении кольцевой уплотнительный элемент определяет осевую длину и радиальную толщину, причем отношение осевой длины к радиальной толщине составляет от 3 до 10.
[0005] В следующем варианте осуществления любого из вышеупомянутых вариантов осуществления дистальная (дальняя) часть вытянутого в осевом направлении кольцевого уплотнительного элемента, включая свободный конец, перекрывается в радиальном направлении с кожухом рабочего колеса, а проксимальная (ближняя) часть вытянутого в осевом направлении кольцевого уплотнительного элемента не перекрывается с кожухом рабочего колеса.
[0006] В следующем варианте осуществления любого из вышеупомянутых вариантов осуществления осевая длина дистальной части, которая перекрывается с кожухом рабочего колеса, составляет 25% или менее от общей осевой длины вытянутого в осевом направлении кольцевого уплотнительного элемента от увеличенного основания до свободного конца.
[0007] В следующем варианте осуществления любого из вышеупомянутых вариантов осуществления вытянутый в осевом направлении кольцевой уплотнительный элемент находится в изогнутом состоянии, так что упругость вытянутого в осевом направлении кольцевого уплотнительного элемента обеспечивает радиальное усилие зажима на кожухе рабочего колеса.
[0008] В следующем варианте осуществления любого из вышеупомянутых вариантов осуществления вытянутый в осевом направлении кольцевой уплотнительный элемент выполнен из стали, сплава на основе титана, сплава на основе никеля, алюминия или композита.
[0009] В следующем варианте осуществления любого из вышеупомянутых вариантов осуществления вытянутый в осевом направлении кольцевой уплотнительный элемент представляет собой единое целое с кожухом индуктора.
[0010] В следующем варианте осуществления любого из вышеупомянутых вариантов осуществления кожух индуктора содержит выступ, проходящий радиально внутрь вытянутого в осевом направлении кольцевого уплотнительного элемента. Вытянутый в осевом направлении кольцевой уплотнительный элемент и выступ образуют проходящую в осевом направлении щель в радиальном пространстве между ними.
[0011] В следующем варианте осуществления любого из вышеупомянутых вариантов осуществления выступ расположен на расстоянии от осевого края кожуха рабочего колеса.
[0012] Согласно другому своему аспекту, изобретение относится к способу сборки насоса, характеризующемуся признаками независимого п. 11 формулы.
[0013] В следующем варианте осуществления любого из вышеупомянутых вариантов осуществления кожух индуктора имеет поверхность внутреннего диаметра, которая определяет проход через кожух индуктора. Вытянутый в осевом направлении кольцевой уплотнительный элемент смещен в радиальном направлении от поверхности внутреннего диаметра. Вытянутый в осевом направлении кольцевой уплотнительный элемент определяет осевую длину и радиальную толщину, причем отношение осевой длины к радиальной толщине составляет от 3 до 10.
Краткое описание чертежей
[0014] Различные особенности и преимущества настоящего раскрытия станут очевидными для специалистов в данной области из следующего подробного описания. Чертежи, сопровождающие нижеследующее подробное описание, могут быть кратко описаны следующим образом.
[0015] На фигуре 1 показан пример насоса.
[0016] На фигуре 2 показан увеличенный вид выбранных частей насоса с фигуры 1.
[0017] На фигуре 3 показан уплотнительный элемент, герметизирующий кожух в исходном состоянии.
[0018] На фигуре 4 показан уплотнительный элемент, герметизирующий кожух в первом состоянии деформации.
[0019] На фигуре 5 показан уплотнительный элемент, герметизирующий кожух во втором состоянии деформации.
Осуществление изобретения
[0020] На фигуре 1 схематично показаны выбранные части насоса 20. В качестве примера, хотя и не ограничиваясь только им, насос 20 представляет собой турбонасос. Насос 20 обычно содержит вал 22, выполненный с возможностью вращения вокруг центральной оси (А), насосную секцию 24, установленную с возможностью вращения на валу 22, и турбинную секцию 25, установленную на валу 22 рядом с насосной секцией 24. В качестве примера турбинная секция 25 служит для вращения вала 22 и привода насосной секции 24.
[0021] Насосная секция 24 забирает текучую среду через осевое входное отверстие 24а, нагнетает (сжимает) текучую среду и выпускает текучую среду под давлением через радиальное выходное отверстие 24b. Насосная секция 24 содержит индуктор 26 и рабочее колесо 28. Индуктор 26 и рабочее колесо 28 показаны в увеличенном виде на фигуре 2.
[0022] Индуктор 26 установлен на валу 22 и содержит одну или несколько лопастей 30 индуктора и кожух 32 индуктора, прикрепленный на внешнем конце 34 лопасти или лопастей 30 индуктора. В этом случае индуктор 26 расположен в осевом направлении, а внешний конец 34 лопасти или лопастей 30 является радиально внешним концом.
[0023] Рабочее колесо 28 также установлено на валу 22 и включает в себя одну или несколько лопастей 36 рабочего колеса и кожух 38 рабочего колеса, прикрепленный на внешнем конце 40 лопасти или лопастей 36 рабочего колеса. Индуктор 26, в том числе его лопасти 30 и кожух 32, и рабочее колесо 28, в том числе его лопасти 36 и кожух 38, вращаются синхронно с валом 22. В связи с этим индуктор 26 и рабочее колесо 28 могут быть закреплены на валу с помощью крепежного элемента 42.
[0024] Выпускаемая текучая среда на выходе 24b находится под относительно высоким давлением и может выходить по каналу 44 утечки вдоль внешней поверхности кожуха 38 в одно или несколько мест, расположенных выше по потоку от рабочего колеса 28. Одно из таких мест может находиться между демпферным уплотнением 46 и внешним или наружным диаметром кожуха 32, представленным в месте L1. Однако, хотя такой обратный поток представляет собой потерю давления, обратный поток в месте L1 в индуктор 26, как правило, желателен для целей демпфирования. Другое потенциальное место потери давления обратного потока может возникнуть между индуктором 26 и рабочим колесом 28, и, более конкретно, между кожухами 32/38, представленными в L2. В отличие от обратного потока в L1, обратный поток в L2 нежелателен. В связи с этим насос 20 содержит вытянутый в осевом направлении кольцевой уплотнительный элемент 50, который расположен на осевом конце 52 кожуха 32 индуктора. Уплотнительный элемент 50 непрерывно проходит вокруг центральной оси А и обеспечивает уплотнение между кожухом 32 индуктора и кожухом 38 рабочего колеса даже в динамических условиях, в которых кожухи 32/38 перемещаются друг относительно друга.
[0025] Уплотнительный элемент 50 выступает в осевом направлении от секции 52 основания на кожухе 32 индуктора к свободному концу 54. В области свободного конца 54 уплотнительный элемент 50 перекрывается в радиальном направлении с кожухом 38 рабочего колеса. Например, уплотнительный элемент 50 содержит дистальную часть 50а, которая находится дальше всего от основания 52, и проксимальную часть, которая находится ближе всего к основанию 52. Дистальная часть представляет собой участок уплотнительного элемента 50, который перекрывается с кожухом 38 рабочего колеса. Например, относительно общей осевой длины уплотнительного элемента 50 дистальная часть 50а составляет 25% или менее от общей осевой длины.
[0026] Уплотнительный элемент 50 является относительно тонким по радиальной толщине и относительно длинным по осевой длине. Например, уплотнительный элемент 50 определяет осевую длину и радиальную толщину, причем отношение осевой длины к радиальной толщине (аспектное отношение) составляет от 3 до 10. Такое аспектное отношение позволяет уплотнительному элементу 50 быть упругим и гибким, так что благодаря упругости уплотнительный элемент 50 обеспечивает усилие зажима вокруг кожуха 38 рабочего колеса и на нем. Остальная часть кожуха 32 индуктора толще уплотнительного элемента 50 и, таким образом, обеспечивает большую жесткость.
[0027] В показанном примере уплотнительный элемент 50 представляет собой единое целое с кожухом 32 индуктора. То есть уплотнительный элемент 50 и оставшаяся часть кожуха 32 представляют собой единую монолитную деталь. Например, кожух 32, включающий в себя уплотнительный элемент 50, выполнен из стали, сплава на основе титана, сплава на основе никеля, алюминия, композита и т.д.
[0028] Оставшаяся часть кожуха 32, прилегающая к уплотнительному элементу 50, включает в себя поверхность 32а внутреннего диаметра, которая определяет проход Р через индуктор 26. В общем случае поверхность 32а внутреннего диаметра имеет цилиндрическую форму. Уплотнительный элемент 50 смещен в радиальном направлении от поверхности 32а внутреннего диаметра. В этом случае уплотнительный элемент 50 смещен в радиальном направлении наружу от поверхности 32а внутреннего диаметра. Такое смещение оставляет радиальное пространство или зазор внутри уплотнительного элемента 50. Если такой зазор недопустим в отношении потока через индуктор 26, кожух 32 может быть снабжен выступом 56, проходящим радиально внутрь уплотнительного элемента 50. Например, выступ 56 проходит в осевом направлении и отстоит в радиальном направлении внутрь от уплотнительного элемента 50 таким образом, что уплотнительный элемент 50 и выступ 56 образуют проходящую в осевом направлении щель в радиальном пространстве между ними. В этом примере дистальный или осевой конец выступа 56 может находиться вблизи кожуха 38 рабочего колеса, но на расстоянии от кожуха 38 рабочего колеса.
[0029] Как упоминалось выше, хотя кожухи 32/38 совместно вращаются, они могут перемещаться относительно друг друга из-за теплового расширения/сжатия, механических деформаций от вращения или других сил во время работы. Если есть какое-либо несоответствие в деформациях между кожухами 32/38, может открыться канал утечки для обратного потока давления нагнетания по каналу 44. Однако благодаря своей гибкости и упругости уплотнительный элемент 50 сохраняет усилие зажима на кожухе 38 рабочего колеса и, таким образом, сохраняет герметичность в таких условиях. В связи с этим уплотнительный элемент 50 выполнен гибким и упругим под действием рабочих сил насоса 20.
[0030] Например, как схематично показано на фигуре 3, когда ни в одном из кожухов 32/38 нет деформаций, уплотнительный элемент 50 упруго смещен, чтобы обеспечить усилие зажима, представленное в точке С, относительно поверхности кожуха 38 рабочего колеса. Усилие зажима обеспечивает плотное уплотнение вокруг кожуха 38 для уменьшения или предотвращения утечки из канала 44 в индуктор 26 или рабочее колесо 28 выше по потоку от выпускного отверстия 24b.
[0031] На фигуре 4 показана относительная деформация между кожухами 32/38, которая представлена вертикальным смещением кожуха 38 вверх на указанной фигуре. Поскольку уплотнительный элемент 50 является гибким и упругим, он изгибается для адаптации к перемещению, сохраняя при этом усилие С зажима на поверхности кожуха 38 и тем самым сохраняя герметичность. Аналогично, на фигуре 5 показан противоположный сценарий, в котором деформация привела к смещению кожуха 38 вертикально вниз на указанной фигуре. В этом случае, опять же, поскольку уплотнительный элемент 50 является гибким и упругим, он изгибается для сохранения контакта с поверхностью кожуха 38 и продолжает прикладывать усилие С зажима для сохранения герметичности. Таким образом, когда насос 20 работает, уплотнительный элемент 50 находится в изогнутом состоянии, так что упругость постоянно обеспечивает усилие зажима на кожухе 38 рабочего колеса для сохранения герметичности относительно поверхности кожуха 38. Например, гибкость и упругость могут быть получены за счет аспектного отношения и перекрытия в процентах, рассмотренных выше. Если бы уплотнительный элемент должен был иметь очень малое аспектное отношение и/или высокую степень перекрытия, то он мог бы быть слишком жестким, чтобы правильно перемещаться при рабочих деформациях. С другой стороны, если бы уплотнительный элемент должен был иметь очень большое аспектное отношение и/или очень малое перекрытие, то он мог бы отрываться от кожуха 38 под действием окружных сил.
[0032] Гибкость и упругость уплотнительного элемента 50 могут также изолировать демпферное уплотнение 46 от относительных различий в деформации между кожухами 32/38. Например, уплотнительный элемент 50, за счет изгиба для согласования относительных различий в деформациях между кожухами 32/38, по сути, действует как буфер, чтобы такие различия в деформациях не передавались на демпферное уплотнение 46. Например, если бы не уплотнительный элемент 50, относительная деформация между кожухами 32/38 вызвала бы деформацию кожуха 32 вблизи демпферного элемента 46 и временно превратила бы демпферное уплотнение 46 из сходящегося демпферного уплотнения в расходящееся демпферное уплотнение, что нежелательно. Однако, поскольку уплотнительный элемент 50 поглощает большую часть относительного различия в деформации между кожухами 32/38, кожух 32 испытывает меньшее или полное отсутствие деформаций и, таким образом, поддерживается в качестве сходящегося демпферного уплотнения.
[0033] Кроме того, если кожух 38 рабочего колеса имеет волнообразные неровности, гибкость и упругость уплотнительного элемента 50 могут дополнительно позволить уплотнительному элементу 50 следовать за волнообразными неровностями в тангенциальном направлении между лопастями 36.
[0034] Насос 20 может также подразумевать наличие способа сборки, который может проводиться в связи с первоначальным изготовлением насоса 20 или в связи с процессом ремонта или переоснащения, в ходе которого насос разбирают, а затем собирают заново. Способ может включать установку индуктора 26 и рабочего колеса 28 на валу 22. Например, в оригинальном изготовлении установка может включать в себя надевание индуктора 26 и рабочего колеса 28 на вал 22, а затем закрепление индуктора 26 и рабочего колеса 28 на месте с помощью крепежного элемента 42. В другом примере, в сценарии ремонта, установка может включать в себя надевание одного или другого индуктора 26 или рабочего колеса 28 на вал 22, а затем закрепление индуктора 26 и рабочего колеса 28 на месте с помощью крепежного элемента 42. Способ дополнительно включает в себя соединение кожуха 32 индуктора и кожуха 38 рабочего колеса вместе с помощью вытянутого в осевом направлении кольцевого уплотнительного элемента 50 для обеспечения уплотнения между кожухом 32 индуктора и кожухом 38 рабочего колеса. Такое соединение может включать в себя сведение индуктора 26 и рабочего колеса 28 вместе таким образом, чтобы кожух 38 рабочего колеса входил в кольцевое пространство, определяемое уплотнительным элементом 50. Указанное соединение может дополнительно включать в себя сведение индуктора 26 и рабочего колеса 28 вместе таким образом, чтобы рабочее колесо 28 было введено в направляющий элемент 58, а индуктор 26 и рабочее колесо 28 были соосно выровнены.
[0035] Хотя в проиллюстрированных примерах показана комбинация признаков, не все из них необходимо комбинировать для реализации преимуществ различных вариантов осуществления настоящего раскрытия. Другими словами, система, разработанная в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия, не обязательно будет включать все признаки, показанные на любой из фигур, или все части, схематически показанные на фигурах. Кроме того, выбранные признаки одного примерного варианта осуществления могут быть объединены с выбранными признаками других примерных вариантов осуществления.
[0036] Предыдущее описание носит иллюстративный, но не ограничивающий характер. Вариации и модификации раскрытых примеров могут стать очевидными для специалистов в данной области, которые не обязательно отступают от настоящего раскрытия. Объем правовой охраны, предоставляемой этому раскрытию, может быть определен только путем изучения нижеследующей формулы изобретения.