ГЕРМЕТИЧНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ

Полезная модель относится к насосостроению, а именно к герметичным химическим вертикальным лабиринтным электронасосным агрегатам с высокими требованиями к виброшумовым характеристикам и может быть использована при создании герметичных насосов с приводом через магнитную муфту для перекачивания агрессивных, взрывоопасных и других жидкостей с особыми свойствами.
В том числе электронасосный агрегат предназначен для перекачивания химически активных жидкостей системы электрохимической регенерации воздуха (ЭХРВ) - щелочей с плотностью до 1300 кг/м3.
Из уровня техники известен Химический вертикальный электронасосный агрегат с рабочим колесом закрытого типа и способ перекачивания химически агрессивных жидкостей по патенту РФ №2509919, публ. 20.03.2014. Известный химический вертикальный электронасосный агрегат выполнен с центробежным насосом с рабочим колесом закрытого типа и предназначен для перекачивания химически агрессивных жидкостей. Где насос, наделен повышенной защитой от протечек химически агрессивной перекачиваемой жидкости и загрязнения атмосферного воздуха ядовитыми испарениями и наделенным повышенными ресурсом, надежностью работы и эффективностью перекачивания указанных сред.
Однако недостатками данного решения являются не полная (хотя и повышенная) защита от протечек, повышенные вибрационные характеристики от рабочего колеса центробежного типа, отсутствием требуемой самовсасывающей способности.
Известен ГЕРМЕТИЧНЫЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ по патенту РФ №2018717, публ. 30.08.1994, который может быть использован при создании герметичных насосов с приводом через магнитную муфту для перекачивания агрессивных, взрывоопасных и других жидкостей с особыми свойствами. Насосный агрегат содержит связанную с приводом через цилиндрическую магнитную муфту центробежный насос, ротор которого установлен в переднем и заднем подшипниках, смазываемых перекачиваемой средой, а ротор ведущей полумуфты - в подшипниках, установленных в промежуточном корпусе и смазываемых специальной смазкой, причем между магнитами ведомой и ведущей полумуфт размещена тонкостенная втулка, герметично закрепленная на корпусе насоса и снабженная донышком, на котором выполнена опора заднего подшипника насоса, при этом с целью повышения надежности в работе путем разгрузки тонкостенной втулки от радиальных сил, втулка соединена с донышком гибким элементом, а на донышке со стороны ведущей полумуфты установлена дополнительная радиальная опора ротора этой полумуфты.
Недостатками данного решения являются – центробежный насос и промежуточные подшипники, что не позволяют создавать агрегаты с низкими вибро-шумовыми характеристиками. Однако, данное решение по близкой совокупности существенных признаков, рассматривается заявителями как прототип.  При этом в заявляемом решении используется другой вид насоса - лабиринтный насос, который  является вихревым с неподвижной обоймой и вращающимся винтом, приводимым в действие магнитной муфтой от асинхронного электродвигателя. Бесконтактная передача момента с помощью магнитной муфты позволяет герметизировать насосною часть и полностью устранить взаимодействие рабочей среды с атмосферой объекта при помощи разделительного экрана между ведущей и ведомой частями магнитной муфты.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение является повышение виброшумовых характеристик и «балансировка» магнитных полей муфты для гидравлических насосов лабиринтного типа совместно с многостадийной механической балансировкой.
Заявленный технический результат достигается тем, что в герметичном химическом вертикальном электронасосном агрегате, содержащим связанный с приводом через магнитную муфту динамический насос, ротор которого совместно с ведомой полумуфтой вращается в собственном подшипниковом узле, размещенным в герметическом объеме, отделенным от внешней среды разделительным экраном, а ведущая полумуфта расположена непосредственно на валу электродвигателя, где  насосная часть агрегата выполнена в виде лабиринтного насоса осевого типа, а  разделительный экран изготовлен из химически стойкого пластика с оптимизацией формы экрана методом конечных элементов,  при этом магнитная муфта выполнена с расположением магнитов, обеспечивающим совмещение центов магнитных сил и оси вращения муфты с возможностью взаимозаменяемости любой из полумуфт в паре магнитной системы, при этом для разгрузки подшипника узла ротора используется торцевое  щелевое уплотнение внутри герметичного объема насосной части.
Конструкция устройства поясняется приложенными графическими материалами.
На фиг. 1 приведен электронасосный агрегат, с указанием основных позиций. Где трехфазный асинхронный электродвигатель (1), с закрепленной ведущей (внешней) частью магнитной муфты на выходном валу ЭД (2). Винт в сборе является рабочим органом насоса и состоит из ведомой (внутренней) части магнитной муфты (3), подшипникового узла (4) и винта (5). Винт в сборе вставляется в корпус насосной части (6), содержащей обойму с винтовой канавкой (7) и закрытый крышкой (8).
На фиг. 2 представлен  разрез насосной части, где на валу электродвигателя (1) крепится ведущая часть магнитной муфты (2), которая приводит в движение ведомую часть магнитной муфты (3), расположенную в насосной части между корпусом (6) и крышкой (8), полностью отделенной от окружающей среды разделительным экраном (9), расположенным между полумуфтами. Ведомая полумуфта (3), с установленным на её валу винтом (5), вращается в собственном подшипниковом узле (10). Винт – цилиндр с многозаходной винтовой нарезкой, который, вращаясь в обойме (7) с противоположной нарезкой, создает давление и перекачивает жидкость из полости под крышкой, забирая со стороны штуцера всасывания (11) в зону нагнетания на выходной штуцер (12). Разгрузка подшипникового узла от осевой силы обеспечивается с помощью торцевого уплотнения (13), расположенного внутри герметичной насосной части.
На фиг. 3 проиллюстрирована напряженность магнитного поля от внутренней полумуфты.
Магнитная муфта – цилиндрическая, с постоянными редкоземельными магнитами. С целью повышения эффективности работы агрегата содержащего магнитную муфту герметичный разделительный экран был спроектирован из специального конструкционного пластика, стойкого к рабочей среде насосного агрегата и обладающего диэлектрическими свойствами с целью предотвращения потерь в наводимых вихревых токах от вращающегося магнитного поля муфты.
Для обеспечения прочности при работе в заданном диапазоне давлений, развиваемых электронасосом с сохранением малых габаритных размеров, малого зазора между полумуфтами и большого коэффициента запаса по прочности были произведены работы по проектированию с использованием метода конечных элементов, для симуляции напряженно-деформированного состояния разделительного экрана во время работы, с последующим проведением экспериментов для верификации результатов симуляций и оптимизации конструкции.
Достижение высоких виброшумовых характеристик конструктивно достигается за счет использования 2х каскадной системы виброгашения и ряда конструктивных и технологических мероприятий для снижения величин источников вибраций.  Формы колебаний и резонансы были смоделированы при помощи компьютерных программ на упрощенной 3D модели электронасосного агрегата.
Основной источник вибраций – рабочий винт, закрепленный в подшипниковом узле, приводимый во вращение магнитной муфтой. Поскольку магнитная муфта состоит из конечного числа магнитов, их взаимодействие может создавать дополнительные, паразитные усилия, в случае неравномерности магнитных сил каждого магнита, а также точности их позиционирования внутри муфты. На рисунке 3 изображена схема расположения магнитов во внутренней полумуфте и график напряженности магнитного поля. 8 магнитов, 16 магнитных полюсов закрепленные в полумуфте исследовались с помощью специально разработанного прибора на основе датчиков холла с высокой линейностью и большим диапазоном измеряемых магнитных полей. Сигналы от сенсоров оцифровывались во время равномерного вращения магнитной полумуфты и далее обрабатывались для вычисления центра магнитных сил, величины смещения и усилия развиваемого магнитами при взаимодействии как для внутренней, так и для внешней полумуфт.
В результате проведенных исследований, симуляций и экспериментов была выбрана наиболее оптимальная форма расположения магнитов и, соответственно, их величины для достижения требуемого вращающего момента. Далее ряд мероприятий по определению силы магнитов, их подбора и шлифования по технологии изготовителя позволили совместить центр магнитной силы от взаимодействия полумуфт с осью вращения с требуемой точностью для достижения низких показателей вибрации от источника. Таким образом, кроме достижения необходимых показателей в паре полумуфт, было достигнута возможность взаимозаменяемости любой из полумуфт с сохранением качества работы в паре магнитной системы.
Дополнительные мероприятия включают 4х стадийную балансировку узлов и деталей для обеспечения минимальных механических дисбалансов и возможности взаимозаменяемости узлов на случай ремонтной замены узла «винт в сборе», или его составных частей.
Разгрузка подшипникового узла винта в сборе достигается путем установки торцевого щелевого фторопластового уплотнения с пружинной компенсацией люфтов и термических расширений. Разгрузка позволяет свести практически на нет осевые усилия, воспринимаемые подшипниковым узлом, из-за разности давлений в полостях нагнетания и всаса и продлевает ресурс для достижения необходимых показателей.