СВОБОДНОВИХРЕВОЙ НАСОС
FREE-VORTEX PUMP

Данное изобретение касается свободновихревого насоса с рабочим колесом, которое имеет лопатки для перекачивания среды, содержащей твердые вещества.
Такие свободновихревые насосы называются также вихревыми насосами, в которых мощность передается от вращающегося снабженного лопатками диска, так называемого свободновихревого рабочего колеса, на текущую среду. Свободновихревые рабочие колеса особенно пригодны для перекачивания содержащих твердые примеси сред, например, грязной воды. Свободновихревое рабочее колесо является радиальным колесом, которое имеет большой проход для содержащихся в перекачиваемой среде твердых веществ и мало подвержено помехам.
В публикации WO 2004/065796 А1 описан свободновихревой насос для перекачивания жидкостей с твердыми примесями. Между рабочим колесом и стенкой корпуса со стороны всасывания имеется расстояние, чтобы твердые тела могла проходить через свободновихревой насос, не создавая закупорок. Переход расположенной со стороны всасывания стенки корпуса в стенку пространства корпуса, расположенного радиально по отношению к рабочему колесу, происходит бесступенчато. Пространство корпуса выполнено асимметричным.
В патенте ЕР 1616100 В1 описан свободновихревой насос, рабочее колесо которого состоит из несущего диска, снабженного открытыми лопатками. Эти лопатки имеют разную высоту. Стенка корпуса со стороны всасывания проходит конически. Расстояние от этой стенка корпуса до передних кромок более высоких лопаток рабочего колеса уменьшается по мере убывания диаметра. Прохождение с минимальной протяженностью следует, оставаясь одинаковым, за передней кромкой лопатки, наклоненной к выходу из рабочего колеса и имеющей меньшую высоту.
Каналом под шарики называется свободный, не суженный проход в рабочем колесе. Он описывает наибольший допустимый диаметр твердых веществ, чтобы обеспечивать свободный от закупорки проход. Он указывается как диаметр шарика в миллиметрах. Канал под шарики соответствует максимум номинальному внутреннему диаметру всасывающего или, соответственно, напорного штуцера. Чтобы достичь этого максимально возможного канала под шарики у обычных свободновихревых насосов, также и внутри корпуса, расстояние от фронта лопатки до стенки корпуса со стороны всасывания должно соответствовать по меньшей мере номинальному внутреннему диаметру всасывающего или, соответственно, напорного штуцера.
Если безлопаточное пространство между фронтом лопатки и противоположной стенкой корпуса превышает определенное значение, то эффективность свободновихревого насоса снижается. Чем больше расстояние между рабочим колесом и стенкой корпуса со стороны всасывания, тем меньше КПД свободновихревого насоса.
Задача данного изобретения заключается в том, чтобы предложить свободновихревой насос, который может перекачивать среды даже с крупными твердыми веществами и при этом обладает максимально высоким КПД для своей конструкции. Свободновихревой насос должен характеризоваться максимально экономичным способом изготовления и гарантировать высокий срок службы. Кроме того, свободновихревой насос должен иметь максимально разнообразное применение и быть мало подвержен помехам, а также иметь благоприятное наибольшее значение допустимой геометрической высоты всасывания (NPSH). Кавитационные повреждения должны предотвращаться.
Эта задача решается посредством свободновихревого насоса с признаками независимого пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты можно извлечь из зависимых пунктов формулы, из описания и чертежей.
Согласно изобретению на свободновихревом рабочем колесе пакетами установлены лопатки. При этом расстояние между лопатками внутри пакета меньше, чем расстояние между пакетами.
За счет предлагаемой данным изобретением конструкции обеспечивается достаточный канал под шарики при высоком КПД перекачивания насоса.
Расположение лопаток пакетами на несущем диске позволяет уменьшить расстояние между стенкой корпуса с входной стороны и фронтом лопатки и все-таки при этом обеспечивать достаточный канал под шарики.
Поскольку расстояния между пакетами больше, чем расстояния между лопатками в пакетах, то и в том случае, если расстояние до фронта лопаток рабочего колеса меньше, чем внутренний диаметр всасывающего штуцера или, соответственно, напорного штуцера, то обеспечивается достаточно большой канал под шарики. Благодаря этому предотвращаются закупорки и одновременно достигается высокая эффективность при перекачивании. Расположение лопаток пакетами позволяет уменьшить расстояние от рабочего колеса до стенки корпуса со стороны всасывания так, что это не приведет к закупоркам. Вследствие этого возрастает КПД свободновихревого насоса.
Предпочтительно расстояние до фронта лопатки рабочего колеса составляет менее 90%, в частности, менее 80% от диаметра всасывающего патрубка насоса или, соответственно, от внутреннего диаметра всасывающего штуцера.
Каждый пакет содержит по меньшей мере две лопатки. Особенно благоприятным оказался пакет с двумя или тремя лопатками. В одном варианте данного изобретения каждый пакет содержит четыре лопатки.
Несущий диск свободновихревого рабочего колеса имеет выполненный на стороне всасывания ступичный выступ, на который воздействуют лопатки. Лопатки выступают из несущего диска в направлении всасывания и имеют форму, изогнутую против направления вращения. При этом все лопатки могут иметь одинаковый изгиб. В одном альтернативном варианте лопатки имеют разные изгибы. Так, например, внутри одного пакета могут находиться лопатки с разным изгибом.
Целесообразно расстояние между лопатками в пакетах составляет менее 90%, предпочтительно менее 80%, в частности, менее 70% от расстояния между пакетами.
В одном особенно предпочтительном варианте выполнения данного изобретения свободновихревое рабочее колесо содержит два пакета лопаток, которые предпочтительно расположены со смещением на 180° относительно друг друга. При этом оказалось благоприятным, если каждый пакет содержит одинаковое число лопаток.
Расстояния между лопатками внутри пакета и/или расстояния между пакетами предпочтительно указываются как угловой шаг лопаток. Согласно изобретению угловой шаг лопаток внутри пакета меньше, чем угловой шаг лопаток между пакетами.
Целесообразно угловой шаг лопаток между пакетами составляет более 60°, предпочтительно более 70°, в частности, более 80°.
Оказалось благоприятным, если угловой шаг лопаток внутри пакета составляет менее 70°, предпочтительно менее 60°, в частности, менее 50°.
В одном особенно благоприятном выполнении данного изобретения рабочее колесо выполнено как единое целое с лопатками. При этом оказалось предпочтительным, если рабочее колесо и/или лопатки выполнены из металлического материала. Предпочтительно при этом использовать литой материал.
В одном варианте выполнения данного изобретения угловые шаги лопаток между пакетами не являются целочисленным кратным угловых шагов лопаток внутри этих пакетов, так что такое размещение в виде пакетов нельзя свести к рабочему колесу с лопатками с одинаковым угловым шагом, в котором выбрасываются отдельные лопатки.
В одном особенно благоприятном варианте выполнения данного изобретения высота лопаток уменьшается в радиальном направлении в отношении к базовой плоскости. Это уменьшение происходит предпочтительно под углом скоса более 2°, в частности, более 3°.
Благоприятным оказалось, если уменьшение высоты лопаток происходит под углом скоса менее 8°, в частности, менее 7°.
Другие признаки и преимущества данного изобретения раскрыты в описании примеров выполнения с привлечением чертежей и на самих чертежах.
При этом на чертежах показано следующее.
Фиг. 1 - схематично осевое сечение свободновихревого насоса,
Фиг. 2 - изображение в перспективе свободновихревого рабочего колеса с двумя пакетами, каждый из которых имеет по две лопатки,
Фиг. 3 - вид сверху свободновихревого рабочего колеса по Фиг. 2,
Фиг. 4 - изображение в перспективе свободновихревого рабочего колеса с двумя пакетами, каждый из которых имеет по три лопатки,
Фиг. 5 - вид сверху свободновихревого рабочего колеса по Фиг. 4,
Фиг. 6 - расположение свободновихревого рабочего колеса в корпусе насоса,
Фиг. 7 - вид сверху свободновихревого рабочего колеса с секущей линией А-А,
Фиг. 8 - вид в разрезе по линии А-А показанного на Фиг. 7 свободновихревого рабочего колеса.
На Фиг. 1 представлен свободновихревой насос, в корпусе 1 которого позиционировано рабочее колесо 2. Рабочее колесо 2 без возможности проворачивания соединено с валом, который на Фиг. 1 не показан. Для крепления рабочего колеса 2 предназначено тело 4 ступицы, в котором имеется отверстие 5 для ввинчивания винта. Рабочее колесо 2 выполнено как свободновихревое рабочее колесо. На несущем диске 6 рабочего колеса 2 установлено несколько лопаток 7.
Между рабочим колесом 2 и стенкой 8 корпуса с впускной стороны образуется безлопаточное пространство 9.
Всасывающий патрубок 10 насоса образуется расположенной со стороны всасывания частью 11 корпуса. Этот всасывающий патрубок 10 насоса образует вход для среды, содержащей твердые вещества, и имеет диаметр D. Расположенная со стороны всасывания часть 11 корпуса выполнена как крышка всасывающей стороны.
Рабочее колесо 2 расположено в корпусе 15 насоса.
Фронтальная сторона свободновихревого рабочего колеса 2 на своем внешнем крае имеет расстояние А до внутренней стороны расположенной со стороны всасывания части 11 корпуса. При этом расстояние А предпочтительно определено как промежуток, на котором нормаль, проходящая вертикально к стенке 8 корпуса со стороны всасывания, находится от внешнего края фронта лопатки рабочего колеса 2. Это расстояние А меньше, чем диаметр D.
Высота h лопаток 7 уменьшается в радиальном направлении, так что фронт лопатки имеет слегка скошенную или конусообразную форму.
На Фиг. 2 показано изображение в перспективе рабочего колеса 2, которое выполнено как свободновихревое рабочее колесо. Под рабочим колесом 2 понимается открытое радиальное колесе, которое не имеет дисковой крышки.
На несущем диске 6 расположены два пакета 12 лопаток 7. Каждый пакет 12 содержит по две лопатки 7. Оба пакета 12 установлены на теле 4 ступицы рабочего колеса 2 со смещением на 180° относительно друг друга.
На Фиг. 3 показан вид сверху рабочего колеса 2 по Фиг. 2. Расстояние 13 между пакетами имеет угловой шаг лопаток в 120°. Расстояние 14 между лопатками 7 внутри пакетов 12 имеет угловой шаг лопаток в 60°. Таким образом, указанные угловые шаги лопаток между пакетами 12 в 2 больше, чем угловой шаг лопаток внутри пакетов. Эти угловые шаги лопаток между пакетами 12 представляют собой целочисленное кратное углового шага лопаток внутри пакетов 12.
На Фиг. 4 представлено изображение в перспективе рабочего колеса 2, у которого на несущем диске 6 установлено два пакета 12 лопаток 7, причем каждый пакет 12 содержит по три лопатки 7. Оба этих пакета расположены на теле 4 ступицы рабочего колеса 2 со смещением на 180° относительно друг друга.
На Фиг. 5 показан вид сверху рабочего колеса 2 по Фиг. 4. Расстояние 13 между пакетами 12 имеет угловой шаг лопаток в 84°. Расстояние 14 между лопатками 7 внутри пакетов 12 имеет угловой шаг лопаток в 48°. Тем самым, угловые шаги лопаток между пакетами в 1,75 раз больше, чем угловые шаги лопаток внутри этих пакетов 12.
Угловые шаги лопаток между пакетами 12, таким образом, не являются целочисленным кратным угловых шагов лопаток внутри этих пакетов 12.
На Фиг. 6 показан вид внутрь свободновихревого насоса, у которого рабочее колесо 2 расположено в корпусной части 15 насоса. Под этим корпусом понимается спиральный корпус. Через напорный штуцер 17 среда, содержащая твердые вещества, покидает этот свободновихревой насос.
На Фиг. 7 показано рабочее колесо 2 по Фиг. 6 с секущей линией А-А. На Фиг. 8 представлен разрез по этой линии А-А. Высота h лопаток 7 убывает в радиальном направлении, т.е. в направлении наружного диаметра рабочего колеса. Это уменьшение происходит по отношению к базовой плоскости 16, которая на Фиг. 8 представлена частично заштрихованной. В этом примере выполнения указанное уменьшение происходит под углом скоса а, равном 5°.
На Фиг. 8 показан шарик 18 в верхней и в нижней позиции. Шарик 18 имеет диаметр d и радиус а. Согласно нижней позиции шарика 18 этот шарик 18 погружается на глубину b в пространства рабочего колеса 2 между пакетами 12. Этот погружающийся сегмент шарика имеет секущую с.
Благодаря предлагаемому изобретением расположению лопаток 7 в пакетах 12 для одного шарика оказывается возможным иметь диаметр d, который соответствует диаметру D всасывающего патрубка насоса, чтобы погружаться на глубину b в промежутки между пакетами 12. За счет этого расстояние А от фронта лопатки до стенки корпуса 11 со стороны всасывания может уменьшаться на эту глубину b по отношению к диаметру d, так что свободновихревой насос имеет повышенный КПД и все-таки обеспечивает максимальный канал под шарики d диаметра D всасывающего патрубка 10 насоса. Между этим расстоянием А, глубиной b и диаметром D имеется следующая зависимость:
.
Глубина b может быть определена следующим образом:
.