Стенд для испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса
BENCH FOR TESTING SHAFTLESS PUMP IMPELLER ELEMENTS

Изобретение относится к машиностроению, а именно к гидравлическим испытательным стендам, и может быть использовано для проведения параметрических испытаний безвальных насосов, масштабных моделей безвальных насосов и элементов их рабочих колес с целью получения их характеристик и расчета эффективности для создания натурного образца насоса.
Насос является комплексом сложных систем и должен проектироваться с учетом имеющихся технических решений и современного уровня применяемых технологий, в том числе в рамках обеспечения надежности, безопасности, рационального использования материалов и энергетической эффективности.
Все перечисленные факторы определяют основные направления современных исследований в области конструирования насосного оборудования.
При этом важнейшей тенденцией при создании новых или модификации существующих насосов является обеспечение эффективного расходования материалов и средств на стадии проектирования.
Известен стенд для испытания насоса (патент SU 424992 А1, МПК F04B 51/00, опубл. 25.04.1974), содержащий основной и мерный баки, посредством трубопроводов и распределительных устройств соединенные с испытуемым насосом. Мерный бак стенда выполнен в виде последовательно расположенных входной, измерительной и выходной камер, разделенных каналами с сечением, существенно меньшим по сравнению с сечением камер, в которых установлены поплавковые датчики уровня жидкости.
Известен стенд для испытания насоса (патент SU 667687 А1, МПК F04B 51/00, опубл. 15.06.1979), содержащий основной бак и мерные баки, состоящие из входной и измерительной камер, соединенных каналами, трубопроводы и гидравлическую аппаратуру управления, при этом стенд снабжен уровнемерными трубками с установленными на концах фотодатчиками и соединенными с основным и мерными баками, причем последние расположены один в другом концентрично.
К наиболее близкому аналогу (прототипу) можно отнести стенд для испытания насосов (патент RU 2476723 С1, МПК F04B 51/00, F04D 29/66 опубл. 27.02.2013), состоящий из герметичного бака, всасывающего и нагнетательного трубопроводов, арматуры и контрольно-измерительных приборов, компрессора, поддерживающего давление в баке, при этом нагнетательный трубопровод стенда соединен со всасывающим трубопроводом, подводящим воду от бака к испытываемому насосу, всасывающий трубопровод соединен с баком, на нагнетательном трубопроводе установлен дроссельный столбик, поглощающий напор насоса, а из линии нагнетания до дроссельного столбика выполнен вспомогательный трубопровод с запорной арматурой, соединяющей линию нагнетания с баком.
Недостатками известных из уровня техники аналогов и прототипа являются ограниченная функциональность - невозможность проводить испытания элементов рабочих колес безвальных насосов, сложность конструкции стендов, их изготовления и ремонта.
Особенностью стенда для испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса является сохранение осевого направления потока рабочей жидкости после перехода из всасывающей области испытательного агрегата в нагнетательную.
Также важным фактором для проведения параметрических испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса является обеспечение вращения исследуемой проточной части с осевым вектором, совпадающим по направлению с направлением движения потока жидкости.
Соответственно, ключевыми критериями для проведения корректных испытаний безвальных насосов являются:
- полное соответствие динамической передачи энергии от привода на испытываемый агрегат;
- обеспечение герметичного и полнопроходного подключения испытываемого агрегата к контуру стенда;
- обеспечение возможности простой установки и беспрепятственной смены испытываемых агрегатов.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение исследований основных характеристик безвального насоса (напор, давление, расход), необходимых для подбора гидравлически эффективной геометрии рабочего колеса безвального насоса и простота монтажа испытываемых агрегатов с элементами рабочего колеса безвального насоса различной конфигурации, что ведет к возможности эффективного расходования времени, материалов и средств при проектировании и изготовлении натурного насоса.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является упрощение конструкции стенда, его изготовления, ремонта, монтажа испытываемого оборудования и увеличение межремонтного периода при одновременном расширении функциональных возможностей стенда и обеспечении достоверности и точности измерений, а также повышение производительности и эффективности работы стенда.
Указанная техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что стенд для испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса содержит замкнутый контур, включающий последовательно соединенные между собой посредством соединительных трубопроводов расходный бак, всасывающий трубопровод, нагнетательный трубопровод и мерный бак, а также содержит запорно-регулирующую арматуру и контрольно-измерительные устройства, при этом основание расходного бака расположено ниже основания мерного бака и выше всасывающего трубопровода, расходный и мерный баки выполнены с объемом, превышающим объем размещаемой в них жидкости с возможностью образования свободной поверхности рабочей жидкости в них, мерный бак выполнен из прозрачного или полупрозрачного материала и имеет деления на своей поверхности, соединительный трубопровод для отвода рабочей жидкости из расходного бака во всасывающий трубопровод расположен в нижней части расходного бака с возможностью отвода рабочей жидкости под свободной поверхностью рабочей жидкости расходного бака, соединительный трубопровод для отвода рабочей жидкости из мерного бака в расходный бак расположен в нижней части мерного бака с возможностью отвода рабочей жидкости под свободной поверхностью рабочей жидкости мерного бака, соединительный трубопровод для подвода рабочей жидкости в мерный бак расположен над свободной поверхностью рабочей жидкости мерного бака, соединительный трубопровод, для подвода рабочей жидкости в расходный бак расположен над свободной поверхностью рабочей жидкости расходного бака, при этом всасывающий и нагнетательный трубопроводы расположены по одной оси, подключены к контрольно-измерительным устройствам для измерения давления и оснащены фланцами с возможностью подключения между ними испытываемого агрегата с элементами рабочего колеса безвального насоса, связанного с приводным устройством, таким образом, что ось вращения испытываемого агрегата совпадает с осью нагнетательного и всасывающего трубопроводов.
Испытываемым агрегатом с элементами рабочего колеса безвального насоса, связанным с приводным устройством может быть нагнетатель с установленными в нем элементами рабочего колеса безвального насоса, подключенный к приводному устройству, масштабная модель безвального насоса или безвальный насос, включающие приводное устройство в своем составе.
Изобретение поясняется графически, где на фиг. 1 изображен общий вид стенда для испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса, на фиг. 2 изображен вид сбоку нагнетателя, на фиг. 3 - вид нагнетателя спереди в разрезе по сечению А-А на фиг. 2.
Позициями на фиг. 1, 2, 3 обозначены:
1 - соединительные трубопроводы;
2 - испытываемый агрегат;
3 - расходный бак;
4 - мерный бак;
5 - всасывающий трубопровод;
6 - нагнетательный трубопровод;
7 - запорно-регулирующая арматура;
8 - всасывающий патрубок с фланцем;
9 - нагнетательный патрубок с фланцем;
10 - корпус;
11 - гильза;
12 - шкив;
13 - радиально упорные подшипники;
14 - прижимные кольца;
15 - крышки подшипниковых узлов;
16 - отверстия для крепления рабочего колеса безвального насоса;
17 - ребра жесткости;
18 - выпрямитель.
Стенд для испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса (фиг. 1) содержит замкнутый контур, включающий последовательно соединенные между собой посредством соединительных трубопроводов (1) расходный бак (3), всасывающий трубопровод (5), нагнетательный трубопровод (6) и мерный бак (4). Кроме того, контур стенда содержит запорно-регулирующую арматуру (7) и контрольно-измерительные устройства (не показаны).
Всасывающий (5) и нагнетательный (6) трубопроводы расположены по одной оси, подключены к контрольно-измерительным устройствам для измерения давления (не показаны) и оснащены фланцами с возможностью подключения между ними испытываемого агрегата (2) с элементами рабочего колеса безвального насоса, связанного с приводным устройством, таким образом, что ось вращения испытываемого агрегата (2) совпадает с осью нагнетательного (6) и всасывающего (5) трубопроводов, что позволяет обеспечить герметичное и полнопроходное подключение испытываемого агрегата к контуру стенда, а также сохранить осевой поток рабочей жидкости после перехода из всасывающей области испытываемого агрегата (2) в нагнетательную, что является критерием для проведения испытаний безвальных насосов и приводит к расширению функциональных возможностей стенда по сравнению с аналогами, известными из уровня техники.
Расходный бак (3) представляет собой емкость с основанием и стенками для накопления рабочей жидкости, необходимой для обеспечения равномерности подачи и стабильного избыточного давления на входе в испытываемый агрегат (2) при определении характеристик элементов рабочих колес в испытываемом агрегате (2) во время проведения испытаний.
Мерный бак (4) представляет собой емкость с основанием и стенками, выполненную из прозрачного или полупрозрачного материала, например, пластика, стеклопластика, стекла, имеющую деления на своей поверхности и предназначен для осуществления визуального контроля и измерения объема рабочей жидкости при проведении испытаний.
Выполнение мерного бака (4) из прозрачного или полупрозрачного материала с делениями на поверхности обеспечивает упрощение конструкции стенда посредством исключения необходимости применения устройств для замера объема и уровня рабочей жидкости, используемых в аналогах, известных из уровня техники, которые могут выйти из строя, тем самым увеличивая межремонтный период работы стенда и изготовление стенда.
Расходный (3) и мерный (4) баки выполнены с объемом, превышающим объем размещаемой в них рабочей жидкости с возможностью образования свободной поверхности рабочей жидкости в них (уровень жидкости с атмосферным давлением над ней).
Основание расходного бака (3) расположено ниже основания мерного бака (4) и выше всасывающего трубопровода (5) для создания давления на входе в испытываемый агрегат и обеспечения свободного перетока рабочей жидкости из мерного бака (4) в расходный бак (3), а также обеспечения стабильности подачи рабочей жидкости без применения дополнительных насосов.
Соединительный трубопровод (1) для отвода рабочей жидкости из расходного бака (3) во всасывающий трубопровод (5) расположен в нижней части расходного бака (3) с возможностью отвода рабочей жидкости под свободной поверхностью рабочей жидкости расходного бака (3), чтобы рабочая жидкость беспрепятственно вытекала из расходного бака (3) без применения дополнительных насосов.
Соединительный трубопровод (1) для отвода рабочей жидкости из мерного (4) бака в расходный бак (3) расположен в нижней части мерного бака (4) с возможностью отвода рабочей жидкости под свободной поверхностью рабочей жидкости мерного бака (4), чтобы рабочая жидкость беспрепятственно вытекала из мерного бака (4) без применения дополнительных насосов.
Исключение необходимости применения дополнительного оборудования для обеспечения подачи и перетока рабочей жидкости, например, дополнительного насоса или насосов, которые могут выйти из строя, значительно упрощает конструкцию стенда, его изготовление и ремонт, а также увеличивает межремонтный период по сравнению с аналогами, известными из уровня техники.
Соединительный трубопровод (1) для подвода рабочей жидкости в мерный бак (4) расположен над свободной поверхностью рабочей жидкости мерного бака (4) и соединительный трубопровод (1) для подвода рабочей жидкости в расходный бак (3) расположен над свободной поверхностью рабочей жидкости расходного бака (3), чтобы давление столба раябочей жидкости в баках не влияло на замеры расхода и не создавало предпосылок для обратного тока жидкости в нагнетательный трубопровод (6).
Для стенда должна быть определена максимально высокая точка выхода рабочей жидкости в мерный бак (4). Такие условия необходимы для обеспечения стабильного давления на выходе из нагнетательного трубопровода (6) путем исключения влияния столба жидкости в мерном баке (4) на давление. Соответственно, для мерного бака (4), имеющего свободную поверхность рабочей жидкости, необходимо обеспечить соединение с нагнетательным трубопроводом (6) через верхнюю точку контура стенда.
Тем самым при упрощении конструкции стенда достигается обеспечение достоверности и точности измерений.
Испытываемый агрегат (2) может представлять собой безвальный насос, масштабную модель безвального насоса или нагнетатель с приводом и элементами рабочего колеса безвального насоса.
В контуре стенда испытываемый агрегат (2) установлен между всасывающим (5) и нагнетательным (6) трубопроводами при помощи фланцев, что позволяет быстро и легко производить замену испытываемого агрегата (2) в контуре стенда.
Нагнетатель представляет собой специализированную оснастку, выполненную с возможностью установки элементов рабочего колеса безвального насоса, предназначенную для моделирования работы безвального насоса.
Для лучшего понимания более подробно нагнетатель приведен на фиг. 2.
Нагнетатель включает всасывающий (8) и нагнетательный (9) патрубки с фланцами для быстрой и легкой установки нагнетателя (2) в контур стенда, корпус (10) с ребрами жесткости (17), который предназначен для размещения вращающейся гильзы на подшипниках качения. Ребра жесткости (17) установлены на корпусе (10) разъемно, например, при помощи болтовых соединений, и необходимы для фиксации взаимного расположения частей корпуса с нагнетательной и всасывающей стороны.
В корпусе (10) с возможностью вращения посредством подшипниковых узлов установлена гильза (11). Гильза (11) представляет собой полый цилиндрический элемент и предназначена для сменного крепления внутри нее элементов испытываемых рабочих колес безвального насоса различной конфигурации (не показаны). Для чего гильза (11) оснащена отверстиями для крепления элементов рабочего колеса безвального насоса (16), которые выполнены сквозными.
На внешней поверхности гильзы (11) установлен шкив (12) для получения вращения гильзы через ременную передачу от электродвигателя (не показан).
Подшипниковые узлы включают радиально-упорные подшипники (13), прижимные кольца (14) и крышки подшипниковых узлов (15), которые сконструированы таким образом, чтобы обеспечить полнопроходное подключение нагнетателя к контуру стенда.
Во всасывающем патрубке (8) установлен выпрямитель потока (18), представляющий собой взаимно ортогональные пластины и предназначенный для снижения турбулентных эффектов на входе в нагнетатель и соответствующего снижения гидравлических потерь.
Для приведения во вращение испытываемый агрегат (2) связан с приводным устройством (не показано).
В случае если в качестве испытываемого агрегата (2) на стенде используют нагнетатель, то для приведения его во вращение он посредством ременной передачи (не показана) или другого типа передачи через шкив (12), подключается к приводному устройству - электродвигателю.
В случае если в качестве испытываемого агрегата (2) на стенде используется безвальный насос или масштабная модель безвального насоса, то его конструкция подразумевает встроенный привод.
Приводное устройство, сообщающее вращение испытываемому агрегату (2), подключено к измерительному устройству (не показано) для измерения числа оборотов, например, тахометру (тахоскопу) или другому автоматическому счетному устройству числа оборотов за определенное время (механическое, электронное). Также для измерения числа оборотов может применяться стробоскопический метод с использованием синхронного двигателя или синхронного источника света совместно с частотомером.
Для управления потоком рабочей жидкости во время испытания, в контуре стенда предусмотрена запорно-регулирующая арматура (7), которая расположена в соединительном трубопроводе (1) для отвода рабочей жидкости из мерного бака (4), и в соединительном трубопроводе (1) для отвода рабочей жидкости из расходного бака (3), а также в соединительном трубопроводе (1) для отвода рабочей жидкости из нагнетательного трубопровода (6), что обеспечивает возможность проведения испытания безвального насоса на закрытую задвижку.
Всасывающий трубопровод (5) подключен к контрольно-измерительному устройству для измерения давления (не показано), например, мановакуумметру или вакуумметру, для измерения давления рабочей жидкости на входе в сменный испытываемый агрегат (2), что позволяет получить энергетические и кавитационные характеристики испытываемых агрегатов, а также всасывающую способность проектируемого рабочего колеса по результатам параметрических испытаний и фактические значения разряжения перед входом в рабочую область сменного испытываемого агрегата (2). Всасывающий трубопровод (5) оснащен фланцем со стороны крепления к испытываемому агрегату (2) для осуществления крепления к ответному фланцу испытываемого агрегата (2).
Нагнетательный трубопровод (6) подключен к контрольно-измерительному устройству для измерения давления (не показано), например, к манометру или дифференциальному манометру, для измерения давления рабочей жидкости на выходе из испытываемого агрегата (2), что позволяет получить напорные характеристики испытываемого агрегата. Нагнетательный трубопровод (6) оснащен фланцем со стороны крепления к испытываемому агрегату (2) для осуществления крепления к ответному фланцу испытываемого агрегата (2).
С целью увеличения точности измерения, а именно исключения влияния турбулентности и скачков давления на показания конрольно-измерительных устройств, контрольно-измерительные устройства для измерения давления, в частности мановакуумметр и манометр, могут быть подключены к нагнетательному (6) и всасывающему (5) трубопроводу соответственно на расстоянии не менее 2 и 5 калибров от точки подключения испытываемого агрегата (2).
Отношение длины нагнетательного трубопровода (6) к всасывающему трубопроводу (5) может быть выбрано два к одному, что позволит исключить влияние турбулизации потока на точность измерения давления на входе и выходе в испытываемый агрегат (2) и обеспечить достаточность расстояния для размещения контрольно-измерительных устройств.
Соединительные трубопроводы, нагнетательный трубопровод (6), всасывающий трубопровод (5), расходный бак (3), запорно-регулирующая арматура (7) выполнены из жестких, коррозионностойких материалов для исключения загрязнения рабочей среды продуктами коррозии.
Общим критерием корректности испытаний, а также проводимых измерений параметров является стабильность температурного режима перекачиваемой рабочей жидкости в пределах 10°С. Изменения температуры, превышающие данный показатель, могут повлиять на изменение в показаниях измерений давлений и исказить результаты сравнения.
Для контроля температурного режима рабочей жидкости в контуре стенда может быть размещен термометр.
Испытываемые элементы испытываемого рабочего колеса изготавливаются из пластика с использованием технологий 3D-печати или из металла с использованием фрезеровки.
Крепление испытываемого агрегата в контур стенда посредством фланцевого соединения обеспечивает упрощение монтажа испытываемого оборудования, его легкую и быструю замену, что приводи к повышению производительности работы стенда, а также возможность применения различных испытываемых агрегатов, таких как нагнетатель для проведения промежуточных испытаний или безвальный насос для проведения финальных испытаний на одном и том же стенде, что приводи к повышению эффективности работы стенда.
Применение в стенде в качестве испытываемого агрегата нагнетателя позволяет производить простую и быструю замену испытываемых элементов рабочих колес безвальных насосов с целью изменения их конфигурации, доработанной по результатам испытаний для получения наилучших характеристик проектируемого безвального насоса, что также обеспечивает повышение эффективности работы стенда и эффективное расходование материалов при проектировании и изготовлении натурного безвального насоса. Изменение конфигурации проточной части насосного оборудования производится путем замены геометрических параметров элементов рабочих колес безвальных насосов.
Применение в стенде в качестве испытываемого агрегата непосредственно безвального насоса или масштабной модели безвального насоса позволяет проводить финальные испытания спроектированного по результатам промежуточных испытаний нового оборудования.
Заявленное изобретение обеспечивает упрощение конструкции стенда, а следовательно, его изготовления и ремонта, а также увеличение межремонтного периода при одновременном расширении функциональных возможностей стенда посредством обеспечения возможности проведения испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса и обеспечении достоверности и точности измерений.
Также заявленное изобретение обеспечивает повышение производительности работы стенда за счет сокращения времени на замену испытываемого агрегата, а также смену элементов рабочих колес безвального насоса в испытываемом агрегате.
Также заявленное изобретение обеспечивает повышение эффективности работы стенда поскольку один стенд позволяет провести промежуточные параметрические испытания элементов рабочих колес безвального насоса с целью создания эффективного натурного насосного агрегата, а также финальные испытания безвального насоса перед запуском его в производство.
Стенд для испытаний элементов рабочего колеса безвального насоса работает следующим образом.
Испытываемый агрегат (2) с приводным устройством (нагнетатель с установленными в нем элементами рабочего колеса безвального насоса или непосредственно безвальный насос) жестко закрепляют посредством фланцевых соединений между всасывающим (5) и нагнетательным (6) трубопроводами.
При использовании нагнетателя с установленными элементами рабочих колес, осуществляют его подключение к приводному устройству, например, к электродвигателю посредством ременной передачи через шкив (12), установленный на внешней поверхности гильзы (11).
До начала проведения испытания рабочую жидкость помещают в расходный бак (3). Рабочая жидкость может быть любой не агрессивной (кислоты/щелочи) жидкостью, имеющей температуру застывания не выше 5 градусов Цельсия. Предпочтительно испытания проводятся с использованием воды, но также могут быть применены углеводородные жидкости.
После начала испытания оператор открывает запорно-регулирующую арматуру (7), установленную в соединительном трубопроводе (1) для отвода рабочей жидкости из расходного бака (3) и контур стенда заполняется рабочей жидкостью. Направление рабочей жидкости изображено на фиг. 1 стрелками.
Далее оператором дистанционно включается привод, приводящий во вращение элементы рабочего колеса безвального насоса, расположенные в испытываемом агрегате (2).
Рабочая жидкость в контуре, перемещаясь по всасывающему трубопроводу (5) за счет всасывающей способности испытываемого агрегата (2) и за счет давления столба жидкости, создаваемого разностью высот расходного бака и всасывающего трубопровода, поступает на вход испытываемого агрегата (нагнетателя/ безвального насоса или масштабной модели безвального насоса). Перекачиваемой рабочей жидкости сообщается потенциальная энергия давления посредством преобразования энергии вращения от рабочего колеса безвального насоса, и поток с давлением, большим на величину развиваемого напора, поступает в нагнетательный трубопровод (6) и далее при открытой запорно-регулирующей арматуре (7), расположенной в соединительном трубопроводе (1) для отвода рабочей жидкости из нагнетательного трубопровода (6) в мерный бак (4).
Запорно-регулирующая арматура (7) служит для регулировки подключения всасывающего (5) и нагнетательного (6) трубопроводов, а также регулировки расхода рабочей жидкости при проведении параметрических испытаний.
Замер оборотов на приводе испытываемого агрегата (2) осуществляется оператором с применением тахометра. После фиксации оборотов производятся замеры давлений и расхода. Показания снимаются оператором визуально.
Замер расхода производится оператором путем последовательного замера и фиксации уровня жидкости в мерном баке (4) с применением секундомера.
Замер давлений на всасывающем (6) и нагнетательном (5) трубопроводах производится оператором с применением контрольно-измерительных устройств (мановакуометра и манометра соответственно).
По замеренным параметрам выполняется расчет показателя эффективности испытываемых элементов рабочих колес.
Заявленное изобретение позволяет проводить испытания элементов рабочего колеса безвального насоса и пересчет их параметров на натурный насосный агрегат с высокой достоверностью и относительно малыми затратами на их изготовление для определения оптимальной геометрии проточной части серийных насосных агрегатов.