ХИМИЧЕСКИЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
CHEMICAL HORIZONTAL ELECTRICALLY DRIVE PUMP UNIT

Изобретение относится к насосостроению, а именно, к конструкциям химических горизонтальных электронасосных агрегатов с центробежным насосом с рабочим колесом открытого типа, предназначенных для перекачивания химически агрессивных жидкостей.
Известен герметичный центробежный насос, содержащий корпус с размещенным в нем рабочим колесом, приводимым во вращение цилиндрической магнитной муфтой, ведущая полумуфта которой соединена с приводным валом электродвигателя, а ведомая с рабочим колесом. Полумуфты установлены коаксиально, разделены экраном в виде цилиндрического стакана. Стакан выполнен с переменной толщиной стенки вдоль его образующей, а участок наименьшей толщины стенки расположен между полюсами ведущей и ведомой полумуфт (RU 2088807 С1, опубл. 27.08.1997).
Наиболее близким по сущности и достигаемому техническому результату известен центробежный насос, содержащий закрепленный на станине корпус из износостойкого материала, имеющий входной и напорный патрубки с фланцами, вал с рабочим колесом закрытого типа в подшипниковых опорах, и узел уплотнений. На входном и напорном патрубках фланцы выполнены вращающимися, съемными и установлены на патрубках без непосредственного упора фланца в патрубок. На фланце и патрубках выполнены полукруглые выточки, в которых размещены разрезные стопорные кольца круглого сечения, воспринимающие осевые нагрузки в соединениях фланцев с патрубками (RU 2332591 С1, опубл. 27.08.2008).
Недостатками известных технических решений являются негарантированная надежность защиты от протечек химически агрессивной перекачиваемой жидкости при длительной работе насоса в процессе эксплуатации из чего вытекает недостаточно высокий ресурс насоса и эффективность перекачивания рабочих сред с повышенной концентрацией агрессивных компонентов и, в конечном счете, снижает отраслевую конкурентноспособность насоса и выполняемых на их основе электронасосных агрегатов.
Задача настоящего изобретения заключается в разработке химического электронасосного агрегата горизонтального типа с центробежным насосом, наделенным повышенной защитой от протечек химически агрессивной перекачиваемой жидкости и загрязнения атмосферного воздуха ядовитыми испарениями, а также наделенного повышеннымм ресурсом, надежностью работы и эффективностью перекачивания химически агрессивных жидких сред, определяющими отраслевую конкурентноспособность электронасосного агрегата в целом.
Поставленная задача решается тем, что химический горизонтальный электронасосный агрегат с рабочим колесом открытого типа, согласно изобретению, содержит электродвигатель с валом ротора, центробежный насос, имеющий ротор с валом и рабочим колесом открытого типа, а также силовую муфту втулочно-пальцевого типа, упруго соединяющую валы роторов электродвигателя и насоса с возможностью передачи крутящего момента на вал ротора и рабочее колесо насоса; центробежный насос выполнен консольного типа, по меньшей мере, одноступенчатым, содержит корпус, включающий корпус ходовой части и корпус проточной части, при этом последний включает объединенный с напорным патрубком корпус спирального сборника с кольцевым уступообразным гребнем, тыльную стенку, состоящую из сопряженных кольцевого гребня корпуса сборника и уступообразного кольцевого элемента тыльной стенки, а также съемную выполненную с подводящим осевым патрубком заходную крышку, совместно образующие проточную полость, а корпус ходовой части насоса снабжен картером и не менее чем двумя радиально-упорной и радиальной подшипниковыми опорами и выполнен охватывающим, преимущественно, большую часть длины вала ротора, причем вал ротора насоса выполнен с консолями, при этом длина одной из них, снабженной рабочим колесом, выполнена превышающей не менее, чем в 2,0 раза длину другой консоли, обращенной к электродвигателю, а рабочее колесо открытого типа выполнено в виде многозаходной крыльчатки, включающей снабженный системой лопаток основной диск со ступицей и по контуру кольцевым гребнем, обращенным в сторону, противоположную крыльчатке, причем указанный гребень выполнен с внешним радиусом, конгруэнтным ответному внутреннему радиусу кольцевого уступообразного гребня в корпусе сборника, при этом основной диск между указанным гребнем и ступицей наделен гидродинамической защитой в виде образующей импеллер системы лучевидных лопаток, и кроме того гидродинамическая защита усилена гидрозатвором в виде установленного на валу дополнительного автономного диска, также снабженного импеллером с системой лучевидных лопаток, по меньшей мере, со стороны, противоположной крыльчатке, а радиус импеллера выполнен меньше радиуса рабочего колеса на величину, достаточную для создания гидродинамического защитного противодавления проникающей в гидрозатвор перекачиваемой среды, при этом упомянутый уступообразный кольцевой элемент тыльной стенки корпуса проточной части геометрически согласован внутренним радиусом уступа с радиусом гидрозатвора, кроме того меньший из внешних радиусов указанной съемной крышки выполнен не менее проходного радиуса рабочего колеса с обеспечением возможности ввода и вывода последнего из проточной полости при монтаже и демонтаже насоса.
-5
3
При этом рабочее колесо насоса может содержать прикрепленную к основному диску многозаходную систему, криволинейных, по меньшей мере, в проекции на условную плоскость основного диска лопаток, разделенных межлопаточными каналами, причем лопатки рабочего колеса выполнены одинаковой или различной длины, а количество лопаток рабочего колеса принято от 3 до 24, предпочтительно, от 5 до 7, при этом активный объем динамического заполнения совокупности межлопаточных каналов включает вариантную возможность выброса на проток за один оборот рабочего колеса (5÷1500)×10 м/об перекачиваемой жидкой среды.
Напорный патрубок корпуса проточной части может быть выполнен в виде диффузора с разностью площадей входного и выходного поперечных сечений, обеспечивающей снижение скорости нагнетаемого потока на выходе из диффузора в 1,2÷4,0 раза.
Ступица рабочего колеса может быть выполнена не менее чем с одним внешним уступом для конгруэнтного сопряжения в зоне уступа с уступообразным кольцевым элементом тыльной стенки корпуса проточной части с возможностью свободного вращения вала со ступицей рабочего колеса.
Подводящий патрубок, проточная полость, сборник и напорный патрубок могут быть размещены в корпусе проточной части насоса последовательно с образованием единого канала по потоку перекачиваемой среды, в котором подводящий патрубок выполнен симметричным относительно оси вала, и содержит заходную горловину с радиусом, частично перекрывающим в проекции на условную плоскость, нормальную к оси вала, оконечности лопаток, обращенные к указанной оси, кроме того проточная полость выполнена с тыльной, боковой и заходной стенками, образующими объем, достаточный для размещения рабочего колеса и спирального сборника, который выполнен, преимущественно, тангенциально сообщенным с напорным патрубком.
Вал ротора насоса может быть оперт на корпус ходовой части через упомянутые подшипниковые опоры, одна из которых, предпочтительно, обращенная к корпусу проточной части содержит радиальный подшипник, а другая, предпочтительно, обращенная к электродвигателю, содержит, преимущественно, двойной радиально-упорный подшипник, и кроме того подшипниковые опоры снабжены системой смазки подшипников, для чего в корпусе подшипниковых опор выполнены пресс-масленки.
Вал ротора насоса может содержать узел сальникового уплотнения, включающий корпус уплотнения, а также состоящую из колец сальниковую набивку, дренажную втулку, штуцеры подвода и отвода охлаждающей жидкости и, предпочтительно, разрезной фланец, при этом при работающем агрегате охлаждающая жидкость поступает в узел уплотнения через нижний штуцер, а отвод осуществляют через верхний штуцер.
Для устранения утечки перекачиваемой жидкости по валу и через разъемы корпусов проточной и ходовой частей могут быть установлены уплотнительные кольца, предпочтительно, из упругого материала типа резины.
Боковая стенка проточной полости насоса может образовать спиральный сборник, который за пределами контура рабочего колеса имеет форму двояковыпуклой оболочки, закрученной по спирали перемещаемым в условной средней плоскости последовательно нарастающим радиусом и не менее чем на одном участке поперечного сечения выпукло изогнутой в условной плоскости, нормальной к упомянутой средней плоскости сборника и проведенной через ось вала ротора насоса, при этом указанная оболочка снабжена на выходе проемом, сообщенным по потоку с тангенциально примыкающем к ней напорным патрубком корпуса проточной части насоса.
Муфта, соединяющая консольный вал ротора электродвигателя и обращенную к нему консоль вала насоса, может быть выполнена с возможностью передачи крутящего момента от первого ко второму с демпфированием взаимных угловых колебаний указанных валов, для чего содержит объединенные через амортизатор в виде упругого, преимущественно, кольцевого вкладыша полумуфты электродвигателя и насоса.
Электродвигатель и насос могут быть закреплены через опорные элементы на опорной платформе, при этом один из опорных элементов насоса сообщен с корпусом ходовой части насоса, а другой опорный элемент соединяет с платформой корпус проточной части насоса, причем соосность расположения валов электродвигателя и насоса выполнена посредством упомянутой вне осевой фиксации указанных частей электронасосного агрегата на платформе с возможностью юстировочного регулирования положения осей валов, предпочтительно, посредством регулировочных прокладок между нижней частью опорных элементов и поверхностью опорной платформы, а силовая муфта, соединяющая валы электродвигателя и насоса, закрыта защитным кожухом также закрепленным, предпочтительно, на опорной платформе.
3
-6
2
Электронасосный агрегат может быть предназначен для перекачивания химически агрессивных жидкостных сред типа кислот, щелочей, электролитов и других с температурой от (0÷98°C, с водородным показателем 0÷14 рН, плотностью до 1870 кг/м, кинематической вязкостью до 30×10 м/с и твердыми включениями до 1 мм с объемной концентрацией последних, не превышающей 5%, либо для перекачивания горячих и кристаллизующихся жидкостей с температурой от 0 до 250°C, а также пожаро-взрывоопасных сред, при этом центробежный насос электронасосного агрегата для перекачивания упомянутых горячих и кристаллизующихся сред снабжен системой обогрева проточной части и охлаждения подшипниковых узлов.
3
3
Центробежный насос и комплектующий электродвигатель, предпочтительно, асинхронный вариантно могут быть выполнены с возможностью подачи от 20 до 1000 м/ч и напором от 10 до 120 м, при этом электродвигатель принят, предпочтительно, асинхронным с вариантной мощностью от 8 до 435 кВт, адекватной диапазонам напора и подачи и частотой вращения вала предпочтительно, до 1500 об/мин, а при частоте вращения вала, предпочтительно, до 2950 об/мин электронасосный вариантно выполнен с возможностью подачи от 12,5 до 600 м/ч с напором от 20 до 120 м, мощностью от 7,5 до 250 кВт.
Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, состоит в разработке химического электронасосного агрегата горизонтального типа с центробежным насосом, наделенным повышенной защитой от протечек химически агрессивной перекачиваемой жидкости, а также повышенными ресурсом, надежностью и эффективностью перекачивания химически агрессивных жидких сред. Это достигается совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и технологических параметров основных узлов и элементов агрегата, в первую очередь комбинированной системы усиленной гидродинамической защиты в процессе работы насоса, оптимально дополняемой гидростатической защитой от протечек химически агрессивной среды и ядовитых испарений, что исключает негативное воздействие на подшипниковые опоры и окружающую среду во всех эксплуатационных ситуациях.
Кроме того, в принятом в составе электронасосного агрегата предпочтительном варианте центробежного насоса технический результат достигается за счет разработанных в изобретении конструктивного решения и формы рабочего колеса открытого типа, спирального сборника и напорного патрубка, обеспечивающих в совокупности эффективное перекачивание указанных экологически опасных сред, а также конструкцией силового сопряжения валов роторов электродвигателя и насоса, передающей крутящий момент от электродвигателя к насосу с демпфированием вибрации.
Технический результат выражается также в повышенной износостойкости к химической и механической агрессии наиболее изнашиваемых частей проточной части предлагаемой конструкции насоса, в частности, за счет разработанной в изобретении конструкции гидрозатвора в сочетании с системой стояночной гидрозащиты насоса и сопряжения подвижных частей ротора с корпусом проточной и ходовой частей насоса.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен электронасосный агрегат, общий вид;
на фиг. 2 - вид по А на фиг. 1;
на фиг. 3 - центробежный насос, продольный разрез;
на фиг. 4 - силовой узел электронасосного агрегата, продольный разрез;
на фиг. 5 - рабочее колесо, разрез.
Химический горизонтальный электронасосный агрегат конструктивно выполнен с возможностью перекачивания химически агрессивных жидких сред.
Электронасосный агрегат содержит электродвигатель 1 с валом 2 ротора, центробежный насос 3, имеющий ротор с валом 4 и рабочим колесом 5 открытого типа, а также силовой узел 6 в виде муфты втулочно-пальцевого типа, упруго соединяющую валы 2 и 4 роторов соответственно электродвигателя 1 и насоса 3 с возможностью передачи крутящего момента на вал 4 ротора и рабочее колесо 5 насоса 3.
Центробежный насос 3 выполнен консольного типа, по меньшей мере, одноступенчатым, состоит из ходовой и проточной частей 7 и 8.
Центробежный насос 3 содержит корпус, включающий корпус 9 ходовой части 7 и корпус 10 проточной части 8. Корпус 10 проточной части 8 включает объединенный с напорным патрубком 11 корпус 12 спирального сборника с кольцевым уступообразным гребнем 13, тыльную стенку, состоящую из сопряженных кольцевого гребня 13 корпуса 12 сборника и уступообразного кольцевого элемента 14 тыльной стенки, а также съемную выполненную с подводящим осевым патрубком 15 заходную крышку 16, совместно образующие проточную полость 17.
Корпус 9 ходовой части 7 насоса снабжен картером 18 и не менее чем двумя радиально-упорной и радиальной подшипниковыми опорами 19 и 20 соответственно и выполнен охватывающим, преимущественно, большую часть длины вала 4 ротора насоса.
Вал 4 ротора насоса выполнен с консолями 21. Длина одной из них, снабженной рабочим колесом 5, выполнена превышающей не менее чем в 2,0 раза длину другой консоли, обращенной к электродвигателю 1.
Рабочее колесо 5 открытого типа выполнено в виде многозаходной крыльчатки, включающей снабженный системой лопаток 22 основной диск 23 со ступицей 24 и по контуру кольцевым гребнем 25, обращенным в сторону, противоположную крыльчатке. Гребень 25 выполнен с внешним радиусом, конгруэнтным ответному внутреннему радиусу кольцевого уступообразного гребня 13 в корпусе 12 сборника.
Основной диск 23 между гребнем 25 и ступицей 24 наделен гидродинамической защитой в виде образующей импеллер 26 системы лучевидных лопаток. Гидродинамическая защита усилена гидрозатвором 27 в виде установленного на валу дополнительного автономного диска, также снабженного импеллером 28 с системой лучевидных лопаток, по меньшей мере, со стороны, противоположной крыльчатке. Радиус импеллера 28 выполнен меньше радиуса рабочего колеса 5 на величину, достаточную для создания гидродинамического защитного противодавления проникающей в гидрозатвор 27 перекачиваемой среды.
Упомянутый уступообразный кольцевой элемент 14 тыльной стенки корпуса 10 проточной части 8 геометрически согласован внутренним радиусом уступа с радиусом гидрозатвора 27.
Меньший из внешних радиусов съемной крышки 16 выполнен не менее проходного радиуса рабочего колеса 5 с обеспечением возможности ввода и вывода последнего из проточной полости 17 при монтаже и демонтаже насоса.
-5
3
Рабочее колесо 5 насоса содержит прикрепленную к основному диску 23 многозаходную систему, криволинейных, по меньшей мере, в проекции на условную плоскость основного диска 23 лопаток 22, разделенных межлопаточными каналами. Лопатки 22 рабочего колеса 5 выполнены одинаковой или различной длины, а количество лопаток 22 рабочего колеса принято от 3 до 24, предпочтительно, от 5 до 7. Активный объем динамического заполнения совокупности межлопаточных каналов включает вариантную возможность выброса на проток за один оборот рабочего колеса (5÷1500)×10 м/об перекачиваемой жидкой среды.
Напорный патрубок 11 корпуса 10 проточной части 8 выполнен в виде диффузора с разностью площадей входного и выходного поперечных сечений, обеспечивающей снижение скорости нагнетаемого потока на выходе из диффузора в 1,2÷4,0 раза.
Ступица 24 рабочего колеса 5 выполнена не менее чем с одним внешним уступом 29 для конгруэнтного сопряжения в зоне уступа с уступообразным кольцевым элементом 14 тыльной стенки корпуса 10 проточной части 8 с возможностью свободного вращения вала 4 со ступицей 24 рабочего колеса 5.
Подводящий патрубок 15, проточная полость 17, сборник и напорный патрубок И размещены в корпусе 10 проточной части 8 насоса последовательно с образованием единого канала по потоку перекачиваемой среды. Подводящий патрубок 15 выполнен симметричным относительно оси вала 4, и содержит заходную горловину с радиусом, частично перекрывающим в проекции на условную плоскость, нормальную к оси вала 4, оконечности лопаток 22, обращенные к указанной оси. Проточная полость 17 выполнена с тыльной, боковой и заходной стенками, образующими, достаточный для размещения рабочего колеса 5 и спирального сборника, который выполнен, преимущественно, тангенциально сообщенным с напорным патрубком 11.
Вал 4 ротора насоса 3 оперт на корпус 9 ходовой части 7 через упомянутые подшипниковые опоры 19, 20. Подшипниковая опора 20, обращенная к корпусу 10 проточной части содержит радиальный, преимущественно, роликовый подшипник 30. Подшипниковая опора 19, обращенная к электродвигателю 1, содержит, преимущественно, двойной радиально-упорный подшипник 31. Подшипниковые опоры 19, 20 снабжены системой смазки подшипников 30, 31, для чего в корпусе подшипниковых опор выполнены пресс-масленки.
Вал 4 ротора насоса содержит узел сальникового уплотнения, включающий корпус 32 уплотнения, а также состоящую из колец сальниковую набивку 33, дренажную втулку 34, штуцеры подвода и отвода охлаждающей жидкости и, предпочтительно, разрезной фланец 35. При работающем агрегате охлаждающая жидкость поступает в узел уплотнения через нижний штуцер 36, а отвод осуществляют через верхний штуцер.
Для устранения утечки перекачиваемой жидкости по валу 4 и через разъемы корпусов 9 и 10 соответственно ходовой и проточной частей установлены уплотнительные кольца 37 предпочтительно, из упругого материала типа резины.
Боковая стенка проточной полости 17 насоса 3 образует спиральный сборник. Сборник за пределами контура рабочего колеса 5 имеет форму двояковыпуклой оболочки, закрученной по спирали перемещаемым в условной средней плоскости последовательно нарастающим радиусом и не менее чем на одном участке поперечного сечения выпукло изогнутой в условной плоскости, нормальной к упомянутой средней плоскости сборника и проведенной через ось вала 4 ротора насоса. Указанная оболочка снабжена на выходе проемом, сообщенным по потоку с тангенциально примыкающем к ней напорным патрубком 11 корпуса 10 проточной части 8 насоса.
Муфта, соединяющая консольный вал 2 ротора электродвигателя 1 и обращенную к нему консоль вала 4 насоса, выполнена с возможностью передачи крутящего момента от первого ко второму с демпфированием взаимных угловых колебаний указанных валов. Для этого муфта содержит объединенные через амортизатор в виде упругого, преимущественно, кольцевого вкладыша 38 полумуфту 39 электродвигателя 1 и полумуфту 40 насоса 3.
Электродвигатель 1 и насос 3 закреплены через опорные элементы на опорной платформе 41. Один опорный элемент 42 насоса 3 сообщен с корпусом 9 ходовой части насоса, а другой опорный элемент 43 соединяет с платформой 41 корпус 10 проточной части насоса. Соосность расположения валов 2 и 4 соответственно электродвигателя 1 и насоса 3 выполнена посредством упомянутой вне осевой фиксации указанных частей электронасосного агрегата на платформе 41 с возможностью юстировочного регулирования положения осей валов 2 и 4, предпочтительно, посредством регулировочных прокладок между нижней частью опорных элементов 42, 43 и поверхностью опорной платформы 41. Муфта, соединяющая валы 2 и 4 электродвигателя 1 и насоса 3, закрыта защитным кожухом 44, также закрепленным, предпочтительно, на опорной платформе 41.
3
-6
2
Электронасосный агрегат предназначен для перекачивания химически агрессивных жидкостных сред типа кислот, щелочей, электролитов и других с температурой от 0÷98°C, с водородным показателем 0÷14 рН, плотностью до 1870 кг/м, кинематической вязкостью до 30×10 м/с и твердыми включениями до 1 мм с объемной концентрацией последних, не превышающей 5%, либо для перекачивания горячих и кристаллизующихся жидкостей с температурой от 0 до 250°C, а также пожаро-взрывоопасных сред. Центробежный насос электронасосного агрегата для перекачивания упомянутых горячих и кристаллизующихся сред снабжен системой обогрева проточной части и охлаждения подшипниковых узлов.
3
3
Центробежный насос 3 и комплектующий электродвигатель 3, предпочтительно, асинхронный вариантно выполнены с возможностью подачи от 20 до 1000 м/ч и напором от 10 до 120 м. Электродвигатель принят, предпочтительно, асинхронным с вариантной мощностью от 8 до 435 кВт, адекватной диапазонам напора и подачи и частотой вращения вала предпочтительно, до 1500 об/мин, а при частоте вращения вала, предпочтительно, до 2950 об/мин электронасосный вариантно выполнен с возможностью подачи от 12,5 до 600 м/ч с напором от 20 до 120 м, мощностью от 7,5 до 250 кВт.
Работа электронасосного агрегата осуществляется следующим образом.
Присоединяют напорный и подводящий трубопроводы (на чертежах не показано). Подключают питание к электродвигателю 1. Пуск насоса 3 производят в следующей последовательности: открывают задвижку на подводящем трубопроводе, заполняют подводящий трубопровод и насос 3 перекачиваемой жидкостью при закрытой задвижке на напорном трубопроводе, одновременно выпустив воздух через заглушку на напорном фланце корпуса насоса 3, подают охлаждающую жидкость в полость сальникового уплотнения, осуществляют пуск электродвигателя 1. Открывают задвижку на напорном трубопроводе.
Перекачиваемая жидкая среда через подводящий патрубок 15, попадая на вход во вращающееся центробежное рабочее колесо 5, перемещается от центра к периферии под действием центробежных сил и диффузного расширения в межлопаточных каналах рабочего колеса 5, приобретая при этом кинетическую энергию и получая закрутку в направлении вращения рабочего колеса 5.
После выхода из рабочего колеса 5 поток переходит в диффузорный спиральный сборник, расширяющийся к напорному патрубку 11 в режиме, приближенном к соблюдению равенства скоростей потока на протяжении сборника. Из сборника перекачиваемая жидкая среда попадает в напорный патрубок 11, выполненный диффузорным со снижением скорости при прохождении в патрубке в два раза с одновременным переходом части кинетической энергии потока в потенциальную и поступает в напорный трубопровод. При этом проточную часть насоса в процессе работы защищает от протечек перекачиваемой жидкости в частично открытую ходовую часть 7 и через нее в атмосферу гидродинамическая защита в виде гидрозатвора 27 с вращающимся диском с импеллером 28, который создает противодавление и сохраняет вал 4 насоса сухим. А после выключения электродвигателя 1 и нахождения насоса 3 с неподвижным положением ротора насос защищен сальниковой набивкой.
Остановку агрегата производят в следующем порядке: плавно закрывают задвижку на напорном трубопроводе, отключают электродвигатель 1, закрывают задвижку на подводящем трубопроводе и прекращают подачу охлаждающей жидкости в узел сальникового уплотнения. Затем сливают остатки перекачиваемой жидкости через заглушку в корпусе насоса. При необходимости производят промывку проточной части 8 насоса 3.
Таким образом, за счет разработанных в изобретении конструктивных решений и технологических параметров основных узлов и элементов агрегата, достигают повышение защиты от протечек химически агрессивной перекачиваемой жидкости и, как следствие, снижение загрязнения атмосферного воздуха ядовитыми испарениями, а также повышение долговечности, надежности работы агрегата и эффективности перекачивания химически агрессивных жидких сред.