ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к отрасли гидромашиностроения, а именно, к вертикальным центробежным насосам с рабочим колесом двухстороннего всасывания, используемым для подачи больших количеств воды и сходной с ней жидкости в системах охлаждения, мелиорации, водоснабжения и других областях где требуется подача больших количеств воды, а также в атомных энергетических установках.
При проектировании водозаборных сооружений насосных станций с большим количеством перекачиваемой жидкости по условиям исключения образования воронок и кавитации на входе в насос, применяются, как правило, коленчатые подводы воды снизу.
Насосы двухстороннего входа отличаются универсальностью применения. Для наибольшего удобства эксплуатации насосы имеют горизонтальное и вертикальное исполнение. Вертикальная установка экономит монтажную площадь и при затоплении помещения насосной станции электродвигатель останется незатопленным, так как в вертикальной конструкции он находится сверху, выше уровня воды в приемной камере. Долговечность работы обеспечивается минимальными осевыми и радиальными нагрузками за счет колеса двухстороннего входа и лопаточного аппарата. При работе шум и вибрация максимально снижены.
Известен центробежный насос с рабочим колесом двустороннего входа (патент RU №2263229, опубл. 27.10.2005 г.). Насос состоит из ротора и статора. Статор содержит неразъемный корпус входным патрубком, напорный патрубок и направляющий аппарат, включающий в себя лопатки, образующие спиральные каналы, и напорную камеру и камеру на входе, связанные между собой каналами, выполненными в лопатках направляющего аппарата. Ротор содержит рабочее колесо двустороннего входа и установлен в подшипниковых опорах, размещенных в статоре. Входной патрубок связан только с одной из камер на входе в рабочее колесо. Вторая из камер на входе в рабочее колесо снабжена вторым входным патрубком, проходящим насквозь через напорную камеру.
Судя по рисункам к патенту, по мнению авторов, насос может быть изготовлен в горизонтальном и вертикальном исполнении.
Насос работает следующим образом. При вращении ротора жидкость от двух входных патрубков поступает в верхнюю и нижнюю камеры, в рабочее колесо и через направляющий аппарат через напорную камеру к напорному патрубку. При работе насоса через каналы в лопатках направляющего аппарата происходит выравнивание давлений в нижней и верхней камерах на входе в рабочее колесо. Потребная площадь проходного сечения каналов достаточно мала, что позволяет упростить изготовление направляющего аппарата и уменьшить его габариты и массу. Введение в конструкцию насоса дополнительного входного патрубка позволяет уменьшить диаметр и размеры входных патрубков по сравнению с известными решениями. Второй входной патрубок пересекает напорную камеру в районе зоны малых скоростей жидкости, причем ось входного патрубка смещена относитель но напорного патрубка под любым углом.
Данная конструкция насоса не лишена недостатков, которыми обладают все горизонтальные насосы с колесом двустороннего входа, при их вертикальном исполнении, т.к. не могут обеспечить осевой подвод воды снизу и в насосы указанной конструкции вода подводится сбоку, таким образом, вход в насос оказывается существенно выше, чем у насосов с осевым подводом воды снизу, что ухудшает кавитационные качества насоса и увеличивает воронкообразование на входе в насос.
Известен вертикальный насос, содержащей корпус и ротор с рабочим колесом двустороннего входа (патент РФ №2497025, опубл. 27.10.2013 г.).
Вал колеса размещен в подшипниках скольжения. Направляющий аппарат с лопатками, образующими каналы, расположен за рабочим колесом. Лопатка в сечении, нормальном к поверхности лопатки и поверхности, образующей вместе с лопатками каналы, выполнена переменной толщины в виде трапеции с максимальным значением у основания на меньшем радиусе канала. Между лопатками рабочего колеса и направляющего аппарата выполнен минимально возможный конструктивный зазор. Максимальный диаметр каналов направляющего аппарата относительно оси вращения рабочего колеса рассчитывается по формуле и зависит от минимального диаметра расположения выходных кромок рабочего колеса и ширины рабочего колеса на выходе.
Технический результат достигается специальным профилированием проточной части насоса, в частности, направляющего аппарата, лопатки которого образуют каналы, причем входные кромки направляющих лопаток параллельны выходным кромкам рабочего колеса, выходные части лопаток имеют небольшой наклон до 5°.
Недостатками этого изобретения являются то, что лопатки направляющего аппарата имеют сложную конфигурацию и переменную толщину, поэтому при изготовлении необходимо высокотехнологичное оборудование и высокой квалификации персонала, а требования по установке лопаток требуют высокой точности монтажа их, т.к. при малейшем нарушении надежность работы насоса падает.
Известен вертикальный центробежный насос (патент РФ №110362, опубл. 20.07.2011 г.). Вертикальный центробежный насос содержит наружный корпус (стакан) с входным патрубком, закрепленный шпильками и уплотнительным резиновым кольцом с выемной частью насоса. Выемная часть насоса включает подвод, корпус с переводными каналами, обтекатель, переходник, две камеры, корпус напорный, крышку напорную, фонарь промежуточный и фонарь двигателя, направляющий аппарат рабочего колеса двустороннего входа и направляющий аппарат рабочего колеса одностороннего входа (одно или два), предвключенные колеса с выступом на тыльной поверхности лопасти, размещенные на валу ротора. Опорами вала являются верхний опорно-упорный подшипник качения с жидкой масляной смазкой, охлаждаемой перекачиваемой средой по змеевику, и нижний гидродинамический подшипник скольжения.
Насос работает следующим образом. При вращении вала от приводного двигателя перекачиваемая среда поступает во входной патрубок наружного корпуса,, имеющего два подвода, далее на лопасти предвключенных колес, лопатки рабочего колеса двустороннего входа первой ступени, направляющий аппарат первой ступени, по переводным трубам корпуса, обтекателю и переходнику, первую камеру, второе рабочее колесо концевой ступени и из направляющего аппарата концевой ступени выходит в напорный патрубок напорного корпуса под давлением, создаваемым рабочими колесами двустороннего и одностороннего входа.
Недостатком такого насоса является его сложность. Наличие нижнего подшипника и осевых предвключенных колес увеличивает его осевые габариты. Подвод воды сбоку влечет за собой недостатки, рассмотренные выше, присущие всем насосам с боковым подводом воды.
Кроме того, недостатком таких насосов является снижение коэффициента полезного действия насоса за счет более низкой экономичности осевого предвключенного колеса по сравнению с экономичностью центробежной ступени. Помимо этого, для дальнейшей оптимизации технологических схем перекачивания и снижения капитальных издержек на строительство нефтеперекачивающих, тепловых и атомных станций, в настоящее время к вертикальным центробежным насосам предъявляются требования по повышению всасывающей способности до величины Скр=5000.
Наиболее близким к созданной полезной модели, выбранный в качестве прототипа, является центробежный насос с симметричным расположением рабочих колес (патент РФ №2212565, опубл. 20.09.2003 г.). Рассматривается вертикальное исполнение его.
Насос состоит из ротора и статора. Статор содержит корпус с крышкой, входной и выходной патрубки и закрепленные на корпусе направляющие аппараты. Последние включают лопатки, образующие спиральные каналы, и переводные каналы между симметрично расположенными ступенями. Ротор имеет симметрично расположенные рабочие колеса и установлен на размещенных в статоре подшипниках, один из которых опорно-упорный. Между направляющими аппаратами первой и второй ступени выполнена промежуточная кольцевая камера. Переводные каналы выполнены в лопатках направляющего аппарата, причем лопатки выполнены тонкостенными, а контур сквозного отверстия в лопатке, образующего канал, имеет форму, близкую к форме контура лопатки.
Насос работает следующим образом. При вращении ротора жидкость от входного патрубка через нижнюю камеру поступает на рабочее колесо с двусторонним входом первой ступени, через спиральные каналы, образованные лопатками направляющего аппарата, через промежуточную кольцевую камеру и через переводные каналы в тонкостенных лопатках направляющего аппарата второй ступени и крышке поступает на рабочее колесо второй ступени и через спиральные каналы, образованные лопатками направляющего аппарата второй ступени и верхнюю камеру к напорному патрубку.
Недостатком такого насоса является то, что при больших расходах жидкости, для снижения гидравлических потерь при перепуске жидкости между входными камерами через каналы в лопатках направляющего аппарата приходится с целью увеличения площади поперечных сечений каналов увеличивать радиальный размер направляющего аппарата, что приводит к ухудшению массогабаритных характеристик насоса.
Кроме того, недостатками такого насоса являются сложность конструкции, низкая технологичность и большие гидравлические потери при переводе потока из первой во вторую ступень при больших подачах, что обусловлено высокими скоростями потока, возникающими при характерных для такой конструкции малых проходных сечениях переводных каналов.
В основу полезной модели поставлена задача создания вертикального центробежного насоса, в котором, путем введения новых конструктивных элементов и нового исполнения существующих конструктивных элементов, достигаются уменьшение массы и габаритных размеров насоса, снижение капитальных затрат потребителя.
Технический результат достигается за счет того, что в известный вертикальный центробежный насос, содержащий корпус, с входным и выходным патрубками, крышку корпуса, отводящую камеру, направляющий аппарат, снабженный спиральными лопатками и рабочим колесом двустороннего входа, размещенного на валу ротора, опорой которого является подшипник, переводные каналы в нижнюю и верхнюю камеры, внесены изменения и дополнения, а именно:
- переводной канал в верхнюю камеру, образован за счет смещения осей вала ротора относительно корпуса насоса, причем величина смещения определяется по формуле
к.п
к.п0
H=(S-S)/К (1), где
кп
2
S - площадь проходного сечения переводного канала, см;
к.п0
2
http://Sk.ii - площадь сечения переводного канала при смещении оси ротора равном нулю, см;
2
К - коэффициент зависимости изменения Sкп (см) к изменению смещения H (см)
к.п.
вx.
г.п.
Sкп определяется по формуле S=S*k(2), где
вх
S - площадь входного сечения в рабочее колесо;
г.п.
k - коэффициент гидравлических потерь;
- напорная крышка корпуса насоса в нижней части дополнительно снабжена ребрами жесткости.
Кроме того, подшипниковое устройство смонтировано в верхней части напорной крышки и смазывается охлаждающим потоком.
Ось ротора насоса смещена относительно оси корпуса насоса на расчетную величину Н, вследствие чего между наружным корпусом и отводящей камерой образуется канал, с необходимой площадью проходного сечения, через который жидкость попадает в верхнюю входную камеру рабочего колеса.
Величина Sвх. рассчитывается, исходя из диаметра рабочего колеса конкретного насоса, а величиной площади Sкпo предварительно задаются. На основании многочисленных стендовых испытаний образцов насосов установлено, что kгп должен выбираться из диапазона 2,2-2.8, а коэффициент К выбирается из графической зависимости.
Окончательные величины уточняются в процессе испытаний насосов на испытательном стенде.
Дополнительные ребра жесткости позволяют не только усилить прочность напорной крышки, но и одновременно являются верхними рассекателями потока, исключающих вихри.
Сущность полезной модели поясняется следующими фигурами 1, 2 и 3.
На фиг 1 изображен продольный разрез насоса и показаны его внутренние узлы;
На фиг. 2 приведен поперечный разрез насоса.
На фиг. 3 приведен график зависимости величины смещения (Нмм) от площади переводного канала (Sкп).
Вертикальный центробежный насос (фиг. 1) состоит из ротора и статора. Статор содержит корпус 1 с крышкой 2, ротор 3, на котором установлено рабочее колесо 4 двустороннего входа, направляющий аппарат 5, подшипник 6, являющийся опорой ротора 3, входной (всасывающий) патрубок 7, отводящая камера 8, переводной канал 9, выполненный в форме спирали, верхнюю 10 и нижнюю входную 11 камеры, обечайка 12, ребра жесткости 13, установленные на внутренней стороне крышки статора, конус 14, крышка подшипника 15, размещенного в верхней части 16 крышки 2 и торцевой обтекатель 17 рабочего колеса, в крышке насоса (2) и нижние рассекатели 18. Второй опорный узел ротора расположен в электродвигателе (на фиг. 1 не показан).
На фиг. 2 показаны, кроме ранее приведенных позиций на фиг. 1: выходной (напорный) патрубок 19, лопатки 20 направляющего аппарата 5, образующие спиральные каналы и оси 21, 22 ротора 3 и корпуса статора 1, образующие смещение Н.
На графике 3 показана зависимость для определения величины коэффициента К.
Насос работает следующим образом: при вращении ротора (3) насоса жидкость попадает во входной патрубок (7) насоса, где разделяется обечайкой (12), часть жидкость попадает в нижнюю входную камеру (11), а часть через переводной канал (9), образованный между корпусом статора насоса (1) и отводящей камерой (8), вследствие смещения оси ротора (21), относительно оси корпуса (22) насоса попадает в верхнюю входную камеру (10), ребра жесткости крышки насоса (13) при этом играют роль верхних рассекателей, препятствующих образованию завихрений. Далее жидкость через рабочее колесо (4) попадает в направляющий аппарат (5) и через отводящую камеру (8) в напорный патрубок 19. Для облегчания обслуживания насоса подшипниковая опора размещена в верхней части 16 крышки статора насоса.
Для лучшего понимания определения величины смещения Н ниже приводим конкретный пример расчета, например насоса ДВН-12,5-29-1600.
2
2
Диаметр входного сечения в рабочее колесо = 130 см. Площадь входного сечения в рабочее колесо составит - 13090 см. Площадь сечения переводного канала при нулевом смещении ротора - 19765 см.
2
Рассчитываем площадь переходного канала при кгп = 2,2, получаем (по формуле 2) - 28800 см и затем рассчитываем величину Н (см), которая определяется по формуле 1 и равна - Н=25 см.
Для определения величины Н можно использовать график (фиг. 3), который был получен на основании длительных исследований, из которого видно, что полученный величина Н по расчету и графику совпадают.
Для подтверждения заявляемого технического результата ниже приведена таблица сравнения насоса ДВН12,5-29-160 и насоса спроектированному по патенту прототипа.
Таким образом, использование совокупности приведенных признаков заявляемой модели обеспечивает технический результат, заключающийся в улучшении массогабаритных характеристик насоса, а также и уменьшение затрат.
В настоящее время насосы ДВН -12,5 проходят промышленные испытания на объекте.