ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС
CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к центробежному насосу с одной или более ступенями накачки, содержащему находящийся внутри насоса управляемый давлением клапан для самовсасывания.
Центробежные насосы сами по себе не являются самовсасывающими. Для того чтобы сделать их самовсасывающими, необходима дополнительная конструкция, которая обеспечивала, чтобы любая жидкость, остающаяся внутри насоса, особенно вокруг крыльчатого колеса, при запуске насоса обладала самовсасывающим эффектом.
Как правило, самовсасывающие устройства для центробежных насосов основаны на перепускном клапане, который представляет собой управляемый давлением клапан, который построен либо на основе плунжера, либо на листовой пружине. Отрицательной стороной управляемого давлением клапана на основе плунжера является то, что в нем присутствует множество компонентов (плунжер, спиральная пружина, уплотнение, посадочное место клапана), которые являются дорогими в конструировании и в производстве, и которые подвержены всяческим проблемам. В этом смысле гораздо более простым является клапан на листовой пружине, поскольку в нем есть только одна подвижная часть, которой и является листовая пружина. Этот клапан на листовой пружине является дешевым и прочным. Ему необходимо простое посадочное место клапана, которое может быть неотъемлемой частью насоса, то есть, камерой или впускной частью, и наличие листовой пружины.
Несмотря на то, что клапан на листовой пружине является простым, прочным и дешевым, он имеет один недостаток, который может вызывать проблемы, особенно если насос встроен в систему водоснабжения здания, например, в систему хозяйственно-питьевого водоснабжения. Эта листовая пружина издает громкий хлопающий звук, когда частично из-за неожиданного быстрого изменения давления через клапан в результате захлопывания клапана создается эффект водяного молотка. Кроме того, когда посадочное место листовой пружины этого клапана подвергается воздействию высокоскоростного потока, возникает также звук, обусловленный самой листовой пружиной.
Это громкое хлопанье не присутствует или является управляемым в решении плунжерного клапана, поскольку он имеет спиральную пружину, которая по мере закрывания клапана развивает противодействующую силу, которая замедляет закрывание.
Существуют известные подходы для того, чтобы избежать хлопанья при закрывании. Одним, как уже упоминалось, могло бы быть использование конструкции плунжерного принципа, другой состоит в том, чтобы избегать больших перепадов давления. Последнее могло бы быть реализовано расположением перепуска выше по ходу нарастания давления, например, расположением этого клапана в многоступенчатом насосе в камере с более высоким давлением. В этом случае разница давления, воздействующая на перепуск, была бы меньше, сообщая клапану меньший момент или меньшую энергию, однако чем выше по давлению находится камера, тем меньше эффективность самовсасывания. Есть и другая возможность, чтобы уменьшить поток перепуска, но, как и ранее, - это уменьшит и эффективность самовсасывания.
Существующий подход к построению многоступенчатых насосов использует решение с листовой пружиной, обычно установленной между впуском и выпуском насоса, что приводит к максимально возможной разнице давления на клапане, создавая очень громкое хлопанье.
Центробежный насос с находящимся внутри насоса управляемым давлением клапаном для поддержания самовсасывания, который содержит предварительно напряженную листовую пружину, известен в виде самовсасывающего насоса Grundfos CM.
Задачей настоящего изобретения является создание самовсасывающего центробежного насоса с прочным и дешевым управляемым давлением клапаном для поддержания самовсасывания, который лишен связанного со звуком недостатка, имеющегося в известных клапанах с листовой пружиной.
В соответствии с настоящим изобретением обеспечен центробежный насос с одной или более ступенями накачки, содержащий находящийся внутри насоса управляемый давлением клапан для поддержания самовсасывания, при этом клапан содержит предварительно напряженную листовую пружину и посадочное место клапана, листовая пружина имеет открытое положение и закрытое положение. В открытом положении листовая пружина удалена от посадочного места клапана, в закрытом положении листовая пружина закрывает посадочное место клапана. Листовая пружина и посадочное место клапана установлены с возможностью мягкого закрывания.
Основной объект изобретения заключается в том, чтобы использовать простой, прочный и дешевый листовой пружинный клапан, который построен таким образом, что при закрывании не производит громкого хлопающего звука. В соответствии с настоящим изобретением это осуществлено посредством расположения листовой пружины по отношению к посадочному месту клапана с обеспечением мягкого закрывания, что означает, что при этом существует средство, которое замедляет листовую пружину, прежде чем она встретится с посадочным местом клапана перед полным закрыванием клапана. В соответствии с изобретением существует несколько возможностей сделать это, которые указаны в зависимых пунктах формулы изобретения, а также в нижеследующем описании и на чертежах.
Это мягкое закрывание в соответствии с настоящим изобретением может быть достигнуто посредством организации для листовой пружины предзакрытого положения, в котором клапан является частично закрытым. В этом предзакрытом положении листовая пружина остается очень короткое время, прежде чем переместиться в полностью закрытое положение. В зависимости от разности давления по обеим сторонам клапана это короткое время, в течение которого листовая пружина удерживает предзакрытое положение, может, предпочтительно, заключаться между 50 и 500 миллисекундами.
Это предзакрытое положение не обязательно должно быть фиксированным положением, оно может быть также областью, прежде чем листовая пружина достигнет полностью закрытого положения.
В соответствии с изобретением клапан сконфигурирован таким образом, что листовая пружина имеет по меньшей мере одно собственное устойчивое положение, которое является предварительно напряженным открытым положением. В предзакрытом и закрытом положении листовая пружина напряжена и находится под воздействием сил текучей среды. Это напряжение действует в противоположном направлении относительно напряжения листовой пружины в открытом положении.
В соответствии с изобретением листовая пружина может иметь два собственных устойчивых положения, открытое положение и закрытое положение. Листовая пружина удерживается в закрытом положении силами текучей среды, а именно, разностью давления на клапане. Это положение определено листовой пружиной, сидящей на посадочном месте клапана.
В соответствии с другим вариантом исполнения настоящего изобретения листовая пружина может иметь полуустойчивое положение, которым является предзакрытое положение. Это полуустойчивое положение, предпочтительно, достигнуто силами текучей среды. Полуустойчивое положение означает, что это положение или эта область положений не является собственно (внутренне) устойчивой, но будет занято по меньшей мере на короткое время, когда листовая пружина движется от открытого положения в закрытое положение. Обычно в этом предзакрытом положении движение листовой пружины замедляется.
Мягкое закрывание в соответствии с изобретением может быть достигнуто устройством посадочного места клапана вне центра по отношению к опоре листовой пружины. Листовая пружина движется из открытого положения в предзакрытое положение под действием сил текучей среды. Когда листовая пружина движется из своего предварительно напряженного открытого положения в направлении закрытого положения, основная сила должна воздействовать на середину листовой пружины. Когда листовая пружина сжимается для перехода в закрытое положение, она достигает предзакрытого положения, в котором эти силы - для того, чтобы сместить листовую пружину - должны смещаться от центра или середины листовой пружины к области, соседней с центром или серединой листовой пружины. Текучая среда, которая протекает через посадочное место клапана, вынуждает эти силы переместить листовую пружину из предзакрытого положения в закрытое положение. Поскольку для того, чтобы листовую пружину переместить из предзакрытого положения в закрытое положение, необходимы бóльшие усилия, то движение этой листовой пружины при этом замедляется. Поскольку силы текучей среды не изменяются резко, это значит, что движение листовой пружины замедлилось. Это приводит к тому, что листовая пружина достигает посадочного места клапана медленно и не создает большого шума, когда полностью закрывает клапан.
Для мягкого закрывания в соответствии с настоящим изобретением может быть образовано упорное место, окружающее посадочное место клапана, которое контактирует с листовой пружиной в ее предзакрытом положении. Это упорное место может быть, например, промежуточным кольцом из поглощающего усилие материала, или же оно может быть одним или более средствами поглощения удара, расположенными вокруг посадочного места клапана.
Дополнительным средством для мягкого закрывания может быть установка посадочного места клапана под углом к плоскости, параллельной опоре листовой пружины. Этот угол может быть заключен, предпочтительно, между 5 и 20°. Такая конфигурация обуславливает постепенный контакт листовой пружины с посадочным местом клапана от одной стороны окружности к другой, диаметрально противоположной стороне, что означает, что листовая пружина контактирует с посадочным местом клапана не резко, а медленно - с одной стороны до другой стороны. Поскольку посадочное место клапана наклонено по отношению к обычному положению посадочного места, которое перпендикулярно направлению движения листовой пружины, то сила, необходимая для того, чтобы переместить листовую пружину из предзакрытого положения в закрытое положение, по ходу полного закрывания посадочного места уменьшается.
В соответствии с другим альтернативным вариантом осуществления изобретения посадочное место клапана расположено на расстоянии от листовой пружины в ее предзакрытом положении, что также может быть использовано для того, чтобы получить мягкое закрывание.
Средством обуславливания мягкого закрывания клапана может быть перепускной канал, параллельный этому клапану, каковой перепускной канал листовой пружиной в ее предзакрытом положении является закрытым. Поскольку силами текучей среды создаются усилия для перемещения листовой пружины из ее открытого положения в предзакрытое положение, то, как только это предзакрытое положение будет достигнуто, эти силы уменьшатся, так как этот перепускной канал будет закрыт, и поток текучей среды сократится. Из-за этого уменьшенного потока уменьшается также и сила, которая закрывает листовую пружину и которая перемещает листовую пружину из предзакрытого положения в закрытое положение.
Для замедления движения листовой пружины, прежде чем она полностью закроет клапан, между листовой пружиной и посадочным местом клапана могут быть установлены один или более поглотителей удара, так чтобы в предзакрытом положении поглотитель удара или поглотители удара касались, соответственно, посадочного места клапана или листовой пружины. В закрытом положении они прижаты друг к другу, так что листовая пружина при этом полностью закрывает посадочное место клапана.
Центробежный насос по настоящему изобретению, предпочтительно, может быть многоступенчатым насосом, при этом между впуском и выпуском насоса расположен управляемый давлением клапан. Эта конфигурация является очень эффективной, поскольку разностное давление между впуском и выпуском насоса является наибольшим разностным давлением в насосе. Это значит, что клапан закрыт бóльшими силами и установлен в самом начале пути текучей среды через насос, что поддерживает эффект самовсасывания.
Этот центробежный насос по настоящему изобретению, предпочтительно, устанавливают в систему водоснабжения для обеспечения подачи воды в зданиях, предпочтительно, в системах подачи бытовой воды.
Изобретение далее поясняется более подробно посредством примеров представленных на чертежах вариантов осуществления. На них показано:
фиг. 1 - система водоснабжения здания в соответствии с настоящим изобретением с центробежным насосом в значительно упрощенном виде в продольном сечении вдоль оси I-I по фиг. 2;
фиг. 2 - продольное сечение вдоль оси II-II по фиг. 1;
фиг. 3 - подробное представление клапана с листовой пружиной по фиг. 2 в увеличенном виде; и
фиг. 4-9 - схематичные продольные сечения различных вариантов осуществления клапанов с листовой пружиной по настоящему изобретению.
Система 1 водоснабжения здания содержит корпус 2, в который встроены все компоненты системы водоснабжения, который содержит основание 3, посредством которого система 1 водоснабжения установлена на поверхность пола в здании. На фиг. 1 с левой стороны корпуса 2 есть всасывающий разъем 4, а также - на некотором расстоянии сверху - подающий разъем 5. Под всасывающим разъемом 4 обеспечено закрываемое дренажное отверстие 6.
Нижняя часть корпуса 2 заполнена многоступенчатым центробежным насосом 7 и электродвигателем 8. Насос 7 и электродвигатель 8 расположены в лежачем положении со свои валом 9 в горизонтальном рабочем положении. Вал 9 на одной своей части несет на себе ротор электродвигателя 8, а на другой части - лопасти 10 центробежного насоса 7.
Центробежный насос 7 имеет четыре ступени, каждая из которых содержит лопастное колесо 10 и окружающий ее диффузор, образующий внутреннюю стенку 11 кольцевого пространства 12, внешняя стенка которого образована корпусом 13 насоса. Во время работы вода проходит через всасывающий разъем 4 в корпус 13 насоса и таким образом, - к впускному отверстию насоса 7, а затем оттуда - последовательно через каждую из отдельных ступеней - до последней ступени насоса, откуда основной подаваемый поток перенаправляется почти на 180° в кольцевое пространство 12 между цилиндрической стенкой 11 и корпусом 13 насоса. Оттуда поток идет вверх через невозвратный клапан 14 к подающему разъему 5 системы водоснабжения.
Во время работы, когда больше никакого дополнительного потока текучей среды не требуется, электродвигатель 8 включают, что останавливает насос 7, при этом на подающем разъеме 5 достигнуто необходимое давление. В этом случае давление на подающем разъеме 5 удерживается закрытым невозвратным клапаном 14. Однако напор воды к всасывающему разъему 4 в этом случае может прерваться. Для восстановления напора воды при новом включении насоса, необходимо, чтобы в ступенях насоса воды было достаточное количество, в противном случае самовсасывание насоса 7 будет невозможно. Когда насос 7 остановлен, вода в ступенях насоса выравнивается между всеми ступенями насоса. Управляемый давлением клапан 15, когда разностное давление мало, является нормально открытым, так что при этом текучая среда может проходить через перепускной канал 16. Когда насос 7 работает, вода в ступенях насоса будет рециркулировать через перепускной канал 16, во время этого процесса напор воды будет вновь восстановлен и, наконец, разностное давление между стороной всасывания и стороной давления станет высоким и закроет клапан 15.
Поскольку перепускной канал 16 во время работы насоса 7 должен быть закрыт, клапан 15 выполнен с возможностью во время работы его закрывания протекающим по перепускному каналу 16 потоком текучей среды и давлением между стороной давления и стороной всасывания центробежного насоса 7. Если центробежный насос 7 не работает, и давление падает, тогда клапан 15 откроет перепускной канал 16. Клапан 15 является клапаном с листовой пружиной, содержащим листовую пружину 17 и посадочное место 18 клапана в конце перепускного канала 16. Листовая пружина лучше всего видна на фиг. 3. Этот прямоугольный лист 17, выполненный из пружинной стали, в своем нормально открытом положении является предварительно напряженным, что можно видеть на фиг. 3. У него есть выступы 19, которые продолжаются радиально из стенки 11 цилиндра и которые образуют опору для листовой пружины 17. Есть также дополнительные выступы 20, которые продолжаются радиально из внешней стенки корпуса 13 насоса в кольцевое пространство 12. Кроме того, есть еще и другие выступы 21, которые окружают выступы 20 и также продолжаются в обратную сторону из стенки корпуса 13. Эти выступы 21 выполнены с возможностью удержания листовой пружины 17 в ее продольном направлении. Выступы 20 образуют опору для листовой пружины 17. Все эти выступы 19, 20, 21 представляют собой опору для листовой пружины 17 в ее предварительно напряженном положении, в котором клапан 15 открыт (см. фиг. 3) и нормально устойчив, что означает, что если нет обусловленных текучей средой внешних гидравлических сил, листовая пружина 17 остается в этом открытом положении. Для закрывания клапана 15 через перепускной канал 16 должен протекать поток. Этот поток и разностное давление между кольцевым пространством 12 и стороной всасывания насоса 7 заставляют листовую пружину 17 перемещаться в направлении посадочного места 18 клапана до тех пор, пока это посадочное место 18 клапана не закроется листовой пружиной 17. В этом закрытом положении никакого потока больше нет, а клапан 15 удерживается в закрытом положении только разностным давлением насоса 7 между стороной давления и стороной всасывания. До тех пор, пока это разностное давление существует, закрытое положение листовой пружиной 17 является собственно устойчивым, поскольку это положение определено посадочным местом 18 клапана, противоположным середине листовой пружины 17, и выступами 19, которые являются опорами для листовой пружины 17 в закрытом положении.
а
b
с
Для того чтобы исключить громкий хлопающий звук, когда листовой пружинный клапан 15 закрывается, в соответствии с настоящим изобретением этот листовой пружинный клапан 15 выполнен с возможностью мягкого закрывания, как это показано в качестве примера в соответствии с вариантами осуществления, показанным на фиг. 4-9. В открытом положении, в котором листовая пружина 17 является предварительно напряженной листовой пружиной 17, показанной на фиг. 4-9 сплошными линиями. В закрытом положении, когда листовая пружина 17 полностью закрывает посадочное место 18 клапана, листовая пружина 17 показана тонкой пунктирной линией. Далее, существует предзакрытое положение, которое является полуустойчивым положением. В этом положении листовая пружина 17 показана точечными линиями. Во всех вариантах фиг. 4-9 открытое положение обозначено буквой , предзакрытое положение обозначено буквой , а закрытое положение обозначено буквой .
а
с
b
с
с
а
В варианте осуществления в соответствии с фиг. 4 посадочное место 18 клапана, которое расположено симметрично вокруг середины перепускного канала 16, смещено относительно середины 23 листовой пружины 17. Это смещение 24 принуждает листовую пружину 17 на ее пути от открытого положения  к закрытому положению  сначала коснуться посадочного места 18 клапана с одной стороны. В этом положении, когда листовая пружина 17 касается границы посадочного места 18, листовая пружина 17 достигает предзакрытого положения . Эта граница действует в качестве опоры, при этом эффективные длины листовой пружины 17 укорачиваются. Это приводит к тому, что остающаяся эффективная часть листовой пружины 17 становится более жесткой и требует большего усилия для того, чтобы переместиться в закрытое положение. Это замедляет ее перемещение и приводит к тому, что листовая пружина 17 мягко направляется в свое закрытое положение. Как только насос 7 останавливается - когда разностное давление между стороной всасывания и стороной давления насоса падает, - листовой пружинный клапан 15.1 открывается, и листовая пружина 17 идет назад в предварительно напряженное открытое положение .
а
b
с
Вариант осуществления по фиг. 5 показывает конфигурацию, аналогичную конфигурации листового пружинного клапана 15.1 по фиг. 4. Листовой пружинный клапан 15.2 работает подобным же образом, что и листовой пружинный клапан 15.1, различие здесь заключается в том, что смещение 24 образовано смещением посадочного места 18.2 клапана. Посадочное место 18.2 клапана расположено эксцентрично, что означает, что перепускной канал 16.2 со своей серединой 22 расположен относительно середины 23 листовой пружины 17 и относительно посадочного места 18.2 клапана со смещением 24. Эффект при движении из открытого положения в предзакрытое положение  и в закрытое положение подобен тому, что было описано ранее относительно листового пружинного клапана 15.1 по фиг. 4.
Листовой пружинный клапан 15.3 в варианте осуществления по фиг. 6 имеет посадочное место 18.3 клапана, подобное посадочному месту 18.2 клапана. Однако под перепускным каналом 16.3 устроен перепускной канал 25, который меньше чем перепускной канал 16.3, но также отстоит от середины 23 листовой пружины 17 и от посадочного места 18.3 клапана. Эффект такой конфигурации заключается в том, что листовая пружина 17, двигаясь к посадочному месту 18.3 клапана, сначала закрывает перепускной канал 16.2. Поскольку, когда перепускной канал 16.2 закрыт, этот перепускной канал 25 все еще открыт, то это имеет двойной эффект - с одной стороны, для того, чтобы полностью закрыть клапан необходима более высокая сила, а с другой стороны - перепускной канал 25 представляет собой небольшой короткий контур, который уменьшает разностное давление на клапане 15.3. Это приводит к тому, что клапан закрывается мягко.
b
с
В варианте осуществления по фиг. 7 листовой пружинный клапан 15.4 имеет особенное посадочное место 18.4 клапана. Это посадочное место клапана структурировано по двум уровням. На первом уровне посадочное место 18.4 клапана имеет большой диаметр и радиальные каналы внутри посадочного места, такие, что когда листовая пружина 17 движется к предзакрытому положению , текучая среда по этим каналам все еще протекает между посадочным местом 18.4 клапана и листовой пружиной 17. Тем не менее, движение листовой пружины 17 - по мере того, как средняя часть листовой пружины 17, которая необходима для того, чтобы закрывать внутреннюю часть 26 посадочного места 18.4 клапана, имеет все более короткую эффективную длину - замедляется. При этом требуются все бóльшие гидравлические силы для достижения внутренней части 26, когда она находится в закрытом положении , и через перепускной канал 16 больше никакой текучей среды не протекает. Часть, окружающая внутреннюю часть 26 посадочного места 18.4 клапана дополнительно может быть покрыта амортизирующим удары материалом, который может быть сконфигурирован в виде промежуточного кольца.
а
с
b
с
В варианте осуществления пружинного клапана 15.5 по фиг. 8 около посадочного места 18 клапана расположены поглотители 27 удара, а перепускной канал 16 находится симметрично в середине посадочного места 18 клапана и листовой пружины 17. Эти поглотители 27 удара имеют цилиндрическую форму, и как можно видеть на фиг. 8, расположены снизу и сверху относительно посадочного места 18 клапана таким образом, что листовая пружина 17, когда она движется из открытого положения  в закрытое положение , достигает предзакрытого положения , в котором она удерживается поглотителями 27 удара. Эти поглотители 27 удара образуют для листовой пружины 17 упорные опоры. Действие такой опоры заключается в том, что при этом эффективная длина листовой пружины 17 уменьшается, так что для того, чтобы привести листовую пружину 17 в закрытое положение , требуются бóльшие гидравлические силы. Это замедляет движение листовой пружины 17 и делает закрывание клапана мягким.
а
с
b
с
Фиг. 9 показывает вариант осуществления листового пружинного клапана 15.6, в котором листовая пружина 17 установлена не перпендикулярно посадочному месту 18 клапана, а под углом 28 к плоскости, параллельной опоре 19 листовой пружины 17. Такая конфигурация приводит к тому, что листовая пружина 17, когда она под воздействием гидравлических сил движется из своего открытого положения  с предварительным натяжением в закрытое положение , не закрывает перепускной канал 16 мгновенно, а сначала касается боковой части посадочного места 18 клапана и задерживается в предзакрытом положении , или по крайней мере, замедляется и мягко переходит в закрытое положение .
b
с
Вышеописанные варианты осуществления в соответствии с фиг. 4-9 показывают примеры того, каким образом может быть достигнут эффект мягкого закрывания клапана в соответствии с настоящим изобретением. Ясно, что существует ряд других конфигураций, которые здесь не описаны, но которые работают в соответствии с тем же самым эффектом, который предназначен для замедления движения листовой пружины, когда она находится в предзакрытом положении  или в предзакрытой области, чтобы привести к тому, чтобы полное закрывание листовой пружины в положении  производилось мягко для минимизации звука, обусловленного либо стуком воды, либо ударами листовой пружины 17 о посадочное место 18 клапана.
Перечень ссылочных позиций
1 - система водоснабжения здания
2 - корпус
3 - основание корпуса
4 - всасывающий разъем
5 - подающий разъем
6 - дренажное отверстие
7 - центробежный насос
8 - электродвигатель
9 - вал
10 - лопастное колесо
11 - цилиндрическая стенка
12 - кольцевое пространство
13 - корпус насоса
14 - невозвратный клапан
15 - листовой пружинный клапан
15.1 - листовой пружинный клапан по фиг. 4
15.2 - листовой пружинный клапан по фиг. 5
15.3 - листовой пружинный клапан по фиг. 6
15.4 - листовой пружинный клапан по фиг. 7
15.5 - листовой пружинный клапан по фиг. 8
15.6 - листовой пружинный клапан по фиг. 9
16 - перепускной канал
16.2 - перепускной канал по фиг. 5
17 - листовая пружина
18 - посадочное место клапана
18.2 - посадочное место клапана по фиг. 5
18.3 - посадочное место клапана по фиг. 6
18.4 - посадочное место клапана по фиг. 7
19 - выступ
20 - выступ
21 - выступ
22 - середина перепускного канала
23 - середина листовой пружины
24 - смещение
25 - дополнительный перепускной канал
26 - внутренняя часть
27 - поглотители удара
28 - угол
29 - плоскость
a
- открытое положение
b
- предзакрытое положение
c
- закрытое положение