Результат интеллектуальной деятельности: ПУЛЬПОВЫЙ ПОГРУЖНОЙ НАСОС

Изобретение относится к насосостроению, а именно к конструкциям центробежных погружных насосов, предназначенных для перекачивания жидкостей плотностью до 1300 кг/м³ с твердыми включениями, в том числе абразивных.

Известен центробежный моноблочный насос с погружным электродвигателем, включающий корпус с крышкой и рабочим колесом, закрепленным на валу ротора электродвигателя, и подшипники, установленные во внутренней и наружной крышках электродвигателя. Корпус и крышка насоса выполнены с кольцевыми камерами. Между крышкой насоса и внутренней крышкой электродвигателя размещена мембрана и торцевое уплотнение. Торцы подшипников скольжения и торцы ротора установлены между собой с зазорами, равными 1,5-2,5 мм. Сопряженные поверхности рабочего колеса, корпуса и крышки насоса установлены с торцовым зазором, равным 0,2-0,3 мм (RU 2405974 C1, 10.12.2010).

Известен центробежный насос, содержащий статорную часть, имеющую корпус с входной и напорной крышками, имеющими патрубки, и роторную часть, содержащую вал с рабочим колесом, имеющим основной и покрывной диски, внутри которых закреплены лопатки, и подшипниковые опоры, связывающие статорную и роторную части. На внутренних поверхностях основного и покрывного дисков рабочего колеса выполнены продольные, в сечении сферические каналы, имеющие выход к наружной окружности дисков. На основном и покрывном дисках каналы расположены попарно, глубина каналов меньше половины толщины диска, отношение глубины к длине каналов составляет 1:8, а к расстоянию между каналами как 1:10 (RU 2405972 C1, 10.12.2010).

Известен центробежный насос, выполненный с отводом, содержащим спиральную камеру, сопряженные с ней диффузор и «язык». Насос снабжен дополнительной внешней герметично соединенной с отводом оболочкой, между которой и спиральной камерой образована полость, заполняемая циркулирующим хладоносителем (RU 105693 U1, 20.06.2011).

Известен моноблочный центробежный насос, содержащий фиксированные на раме корпус насоса с всасывающим и напорным патрубками и электродвигатель, на валу которого установлены уплотнение и рабочее колесо, передний поясок которого образует с расточкой корпуса со стороны всасывания щелевое уплотнение с радиальным зазором, и фонарь, соединяющий корпус насоса с электродвигателем. Радиальный зазор центрирующих поверхностей корпуса насоса и фонаря принят равным (0,3÷0,8) радиального зазора в переднем щелевом уплотнении рабочего колеса (RU 103863 U1, 27.04.2011).

Известен погружной центробежный насос для перекачивания агрессивных жидкостей, содержащий установленное в корпусе рабочее колесо, закрепленное на приводном валу электродвигателя винтовым соединением с защитным колпачком. Проточная часть насоса, включая рабочее колесо, выполнена из материала, стойкого в агрессивных средах. Рабочее колесо выполнено в виде диска с радиальными отверстиями и пазами импеллеров на нижней и верхней поверхности диска (RU 98498 U1, 27.04.2011).

Недостатками известных технических решений являются относительно невысокие надежность и долговечность работы и обусловленные конструктивными решениями невысокие гидродинамические характеристики, что приводит к повышенному износу рабочих узлов и снижению КПД насосов в процессе эксплуатации в сложных гидрологических условиях перекачивания агрессивных пульповых и шламовых масс на объектах горно-обогатительных, металлургических и химических комбинатов.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке центробежного погружного насоса с повышенными долговечностью и надежностью работы с улучшенными гидродинамическими характеристиками и КПД насоса и снижении энергоемкости в процессе эксплуатации в сложных гидрологических условиях перекачивания пульповых и шламовых масс на объектах горно-обогатительных, металлургических и химических комбинатов.

Поставленная задача решается тем, что центробежный насос, согласно изобретению, предназначен для перекачивания жидкостей с дискретными твердыми включениями, выполнен моноблочным, содержит корпус, в котором размещены насосный узел с проточной частью и встроенный электродвигатель, имеющий вал с напрессованным на него ротором и статор, при этом корпус выполнен с продольной осью, ориентированной в рабочем положении насоса в направлении силовых линий поля гравитации, и состоит из разъемно соединенных верхней, промежуточной и нижней частей, верхняя из которых содержит кольцевую стенку с полостью, в которую запрессован статор электродвигателя, и монолитно соединенную со стенкой выше статора силовую мембрану, в которой установлены подшипники с опиранием на них верхнего конца вала, промежуточная часть состоит из верхнего и нижнего элементов, образующих в совокупности масляную полость, причем в верхнем из упомянутых элементов размещены опорно-упорные подшипники для нижнего опирания вала, а нижняя часть корпуса включает образующий входную горловину фланец и направляющий аппарат, внешняя стенка которого сопряжена с упомянутым фланцем, при этом нижняя часть корпуса снабжена защищающим входную горловину внешним фильтром, выполненным в виде опрокинутого колпака с образующим опорный элемент насоса днищем, при этом верхняя, промежуточная и нижняя части корпуса объединены валом, нижний консольный конец которого пропущен через масляную полость в насосный узел и снабжен рабочим колесом в виде крыльчатки, включающей диск с размещенными на нем с тыльной стороны импеллером и с заходной стороны лопатками, разделенными межлопаточными каналами, активный объем динамического заполнения перекачиваемой жидкостью которых выполнен с возможностью выброса на проток за один оборот рабочего колеса (17,8÷28,0)×10^-7 м³/об перекачиваемой жидкости, а с внешней стороны упомянутые части корпуса объединены проточной частью, включающей входную зону и последовательно расположенные за ней по потоку направляющий аппарат, снабженный спиральными диффузорными каналами, и отвод, при этом диффузорные каналы выполнены с разновеликими входным и выходным устьями, соотношение проходных сечений которых принято обеспечивающим при номинальных мощности электродвигателя и числе оборотов рабочего колеса скорость потока на входе в направляющий аппарат (3,5÷5,5) м/с и снижение скорости нагнетаемого потока в 1,25÷2,0 раза на выходе из канала, а отвод включает снабженную выходным патрубком внешнюю рубашку, периметрально и по высоте охватывающую стенку корпуса насоса на участке встроенного электродвигателя с образованием проходной теплообменной полости, выполненной с возможностью охлаждения указанной стенки корпуса с градиентом удельной площади стенки на единицу мощности электродвигателя, составляющим (1,8÷2,9)×10^-2 м²/кВт, и относительным объемом полости отвода, принятым с возможностью кратного замещения объема в (1,8÷2,7)×10² раз при подаче одного кубометра перекачиваемой жидкости.

При этом центробежный насос может быть предназначен для перекачивания жидкости плотностью до 1300 кг/м³ с водородным показателем 6…8 pH и размером твердых включений до 6 мм, в том числе абразивных, при объемной концентрации твердых включений не более 10%.

Кольцевая стенка верхней части корпуса, в которой запрессован статор встроенного электродвигателя, может быть выполнена круглоцилиндрической и содержит сужающий полость кольцевой уступ, фиксирующий осевое положение статора при запрессовке, а ниже статора содержит, по меньшей мере, один расширенный участок, примыкающий к основному с запрессованным статором, через скошенный уступ.

Верхняя часть корпуса может быть снабжена съемной герметично установленной с кольцевым уплотнением верхней крышкой, расположенной поверх монолитно присоединенной к корпусу силовой мембраны.

Встроенный электродвигатель может быть снабжен автоматическим выключателем и запитан через последний и выводные концы электродвигателя токопитающим кабелем, сообщенным с внешним источником электроэнергии.

Токопитающий кабель может быть герметично заведен в корпус насоса через оснащенный уплотнением ввод в верхней крышке и через проем в силовой мембране.

Основные корпусные детали насоса могут быть выполнены из легкого металла, например алюминия в виде сплава типа АК9ч (АЛ4)-К-Т6, а крыльчатка выполнена из коррозионно-износостойкого материала, например стали типа 0.7×16Н6, 5ХНМ либо титана.

На детали проточной части со стороны, контактирующей с перекачиваемой жидкостью, может быть нанесено износостойкое полимерное покрытие, например, типа резины, полиуретана.

Защищающая вал от проникновения перекачиваемой жидкости внутрь электродвигателя масляная полость может быть оснащена компенсатором тепловых расширений масла, при этом компенсатор выполнен в виде установленного соосно с валом упруго сжимаемого кольца тороидального типа из закрытопористого материала или выполненной с возможностью возвратного изменения формы герметичной оболочки, заполненной упруго-сжимаемой средой, например воздухом, инертным газом или химически нейтральной газовой смесью.

Рабочее колесо может быть выполнено открытого типа, а фланец, образующий упомянутую горловину входной части насосного узла, выполнен перекрывающим периферийную часть лопаток рабочего колеса.

Встроенный электродвигатель может быть выполнен асинхронным трехфазным переменного тока с короткозамкнутым ротором и разработан под номинальное напряжение 380/220 В с номинальной частотой вращения 2950 об/мин ±10%.

Встроенный электродвигатель насоса может быть выполнен с установочной мощностью не более 5,5 кВт с возможностью подачи перекачиваемой жидкости с твердыми включениями - пульпы, водной суспензии шламов до 45 м³/ч с напором до 20 м.

Встроенный электродвигатель насоса может быть выполнен с установочной мощностью до 6,5 кВт с возможностью подачи перекачиваемой жидкости с твердыми включениями - пульпы, водной суспензии шламов до 50 м³/ч с напором до 25 м.

Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, состоит в разработке центробежного погружного насоса для перекачивания жидкостей типа пульпы с твердыми включениями в виде дискретных частиц при обеспечении повышенных долговечности, надежности и КПД работы насоса, наделенного улучшенными гидродинамическими характеристиками, что достигается за счет найденных в изобретении конструктивных и технологических параметров рабочего колеса, направляющего аппарата и комбинированного решения отвода, особенностей компоновки агрегатов электронасоса, выполненного моноблочным с полифункциональным совмещением рабочих органов, а именно вала электродвигателя и насоса, внешней рубашки и полости отвода, образующих контур охлаждения электродвигателя с заданными параметрами кратности замещения объема перекачиваемой жидкости, градиентом соотношения удельной площади охлаждаемой поверхности корпуса на единицу мощности электродвигателя с обеспечением длительной непрерывной работы без перегрева последнего и, наконец, совмещения прямой функции изменения направления и выравнивания потоков в направляющем аппарате с оптимальным диапазоном снижения скорости потоков на входе и выходе при найденной форме диффузорных каналов в нем. Совокупность разработанных в изобретении существенных признаков обеспечивает снижение энергоемкости при эксплуатации насоса в сложных гидрологических условиях перекачивания пульповых и шламовых масс на объектах горно-обогатительных и металлургических комбинатов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображен центробежный насос, конструктивная схема, общий вид;

на фиг.2 - проточная часть центробежного насоса, узел А на фиг.1;

на фиг.3 - узел уплотнения, узел Б на фиг.1;

на фиг.4 - узел ввода токопитающего кабеля, узел В на фиг.1;

на фиг.5 - направляющий аппарат центробежного насоса, общий вид;

на фиг.6 - крыльчатка центробежного насоса, общий вид.

Предлагаемый центробежный насос предназначен для перекачивания жидкостей с дискретными твердыми включениями. Насос выполнен моноблочным, содержит корпус 1, в котором размещены насосный узел с проточной частью и встроенный электродвигатель, имеющий вал 2 с напрессованным на него ротором 3 и статор 4. Корпус выполнен с продольной осью, ориентированной в рабочем положении насоса в направлении силовых линий поля гравитации, и состоит из разъемно соединенных верхней, промежуточной и нижней частей. Верхняя часть корпуса 1 содержит кольцевую стенку 5 с полостью 6, в которую запрессован статор 4 электродвигателя, и монолитно соединенную со стенкой 5 выше статора 4 силовую мембрану 7. В силовой мембране 7 установлены подшипники 8 с опиранием на них верхнего конца вала 2. Промежуточная часть корпуса 1 состоит из верхнего и нижнего элементов 9 и 10 соответственно, образующих в совокупности масляную полость 11. В верхнем элементе 9 размещены опорно-упорные подшипники 12 для нижнего опирания вала 2. Нижняя часть корпуса 1 включает образующий входную горловину 13 фланец 14 и направляющий аппарат 15, внешняя стенка которого сопряжена с фланцем 14. Нижняя часть корпуса 1 снабжена защищающим входную горловину 13 внешним фильтром 16. Фильтр 16 выполнен в виде опрокинутого колпака с образующим опорный элемент насоса днищем 17.

Верхняя, промежуточная и нижняя части корпуса 1 объединены валом 2, нижний консольный конец которого пропущен через масляную полость 11 в насосный узел и снабжен рабочим колесом 18 в виде крыльчатки, включающей диск 19 с размещенными на нем с тыльной стороны импеллером 20 и с заходной стороны лопатками 21, разделенными межлопаточными каналами 22, активный объем динамического заполнения перекачиваемой жидкостью которых выполнен с возможностью выброса на проток за один оборот рабочего колеса (17,8÷28,0)×10^-7 м³/об перекачиваемой жидкости. При этом представленный интервал значений отображает диапазон работы насоса с наиболее высоким КПД. Уменьшение выброса перекачиваемой жидкости за один оборот рабочего колеса менее меньшего из указанных значений приводит к необоснованному уменьшению КПД в связи с повышенным расходом энергии за более длительный период времени перекачивания и поэтому дальнейшее уменьшение конфигурации межлопаточных каналов технически и экономически нецелесообразно. С другой стороны, увеличение выброса перекачиваемой жидкости за один оборот рабочего колеса более указанного верхнего предела приводит к снижению КПД в связи с нелинейным возрастанием гидравлического сопротивления и внутренних перетечек жидкости и поэтому также нецелесообразно.

С внешней стороны упомянутые части корпуса 1 объединены проточной частью, включающей входную зону - горловину 13 и последовательно расположенные за ней по потоку направляющий аппарат 15, снабженный спиральными диффузорными каналами 23, и отвод 24. Диффузорные каналы 23 выполнены с разновеликими входным и выходным устьями 25 и 26 соответственно, соотношение проходных сечений которых принято обеспечивающим при номинальных мощности электродвигателя и числе оборотов рабочего колеса 18 скорость потока на входе в направляющий аппарат 15 (3,5÷5,5) м/с и снижение скорости нагнетаемого потока в 1,25÷2,0 раза на выходе из канала. Указанные величины определяют область значений скоростей потока с оптимальной производительностью при наиболее низких удельных энергозатратах. Снижение скорости потока на входе в направляющий аппарат ниже 3,5 м/с приведет к дисбалансу потоков, подаваемых рабочим колесом и пропускаемых диффузорными каналами направляющего аппарата, что вызовет значительное повышение непродуктивных затрат энергии, а с другой стороны, увеличение скорости выше 5,5 м/с приведет к несбалансированному протоку жидкости в канале направляющего аппарата и также существенно ухудшит режим работы насоса. Аналогично снижение скорости нагнетаемого потока в 1,25÷2,0 раза определяет область работы направляющего аппарата и насоса в целом с минимальными потерями.

Отвод 24 включает снабженную выходным патрубком 27 внешнюю рубашку, образующую его корпус 28, периметрально и по высоте охватывающую стенку 5 корпуса 1 насоса на участке встроенного электродвигателя с образованием проходной теплообменной полости 29, выполненной с возможностью охлаждения стенки 5 корпуса 1 с градиентом удельной площади стенки 5 на единицу мощности электродвигателя, составляющим (1,8÷2,9)×10^-2 м²/кВт, и относительным объемом полости 29 отвода 24, принятым с возможностью кратного замещения объема (1,8÷2,7)×10² раз при подаче одного кубометра перекачиваемой жидкости. Указанный диапазон значений градиента отвечает при нижнем из указанного диапазона значений условиям оптимального охлаждения электродвигателя, работающего с наибольшей допустимой нагрузкой с обеспечением достаточного удельного теплосъема потоком выделяемой при этом тепловой энергии, а выход за верхний из указанных пределов потребует переработки конструкции насоса, что технологически и экономически становится неоправданно. Приведенный диапазон кратного замещения объема полости отвода также отвечает условиям оптимального обеспечения охлаждения электродвигателя насоса перекачиваемой жидкостью. Значения ниже нижнего из указанных пределов не обеспечат необходимого охлаждения насоса, а выше верхнего из указанных пределов приведут к завышению полости и расходу материала на конструкцию внешней рубашки и необоснованному повышению материалоемкости насоса в целом.

Центробежный насос предназначен для перекачивания жидкости плотностью до 1300 кг/м³ с водородным показателем 6…8 pH и размером твердых включений до 6 мм, в том числе абразивных, при объемной концентрации твердых включений не более 10%.

Кольцевая стенка 5 верхней части корпуса 1, в которой запрессован статор 4 встроенного электродвигателя, выполнена круглоцилиндрической и содержит сужающий полость кольцевой уступ 30, фиксирующий осевое положение статора 4 при запрессовке, а ниже статора 4 содержит, по меньшей мере, один расширенный участок, примыкающий к основному с запрессованным статором, через скошенный уступ 31.

Верхняя часть корпуса 1 снабжена съемной герметично установленной с кольцевым уплотнением 32 верхней крышкой 33, расположенной поверх монолитно присоединенной к корпусу 1 силовой мембраны 7.

Встроенный электродвигатель снабжен автоматическим выключателем и запитан через последний и выводные концы электродвигателя токопитающим кабелем 34, сообщенным с внешним источником электроэнергии. Токопитающий кабель 34 герметично заведен в корпус 1 насоса через оснащенный уплотнением 35 ввод в верхней крышке 33 и через проем в силовой мембране 7.

Основные корпусные детали насоса выполнены из легкого металла, например алюминия в виде сплава типа АК9ч (АЛ4)-К-Т6, а крыльчатка выполнена из коррозионно-износостойкого материала, например стали типа 0.7×16Н6, 5ХНМ либо титана. На детали проточной части со стороны, контактирующей с перекачиваемой жидкостью, нанесено износостойкое полимерное покрытие, например, типа резины, полиуретана.

Защищающая вал 2 от проникновения перекачиваемой жидкости внутрь электродвигателя масляная полость 11 оснащена компенсатором 36 тепловых расширений масла. Компенсатор 36 выполнен в виде установленного соосно с валом упруго сжимаемого кольца тороидального типа из закрытопористого материала или выполненной с возможностью возвратного изменения формы герметичной оболочки, заполненной упруго-сжимаемой средой, например воздухом, инертным газом или химически нейтральной газовой смесью.

Рабочее колесо 18 выполнено открытого типа, расположено консольно на валу 2 электродвигателя и закреплено с помощью обтекателя 37. Фланец 14, образующий горловину 13 входной части насосного узла, выполнен перекрывающим периферийную часть лопаток 21 рабочего колеса 18. Фланец 14 закреплен к направляющему аппарату 15 крепежными элементами 38. Зазор между лопатками 21 крыльчатки и фланцем 14 обеспечивают подбором шайб 39.

Между электродвигателем и насосным узлом на валу 2 расположена система уплотнений, состоящая из двух торцовых уплотнений 40, манжеты 41, которая во взаимодействии с импеллером 20 рабочего колеса 18 служит для защиты полости электродвигателя от попадания в нее масла и перекачиваемой жидкости.

Каждое торцовое уплотнение 40 представляет собой пару трения, состоящую из неподвижной и вращающейся частей. Неподвижная часть состоит из торцового уплотнения 42, а вращающаяся - из уплотнительных колец 43, упорных колец 44, пружин 45, браслетной пружины 46 с шаровым фиксатором 47 и уплотнительных колец 48.

Встроенный электродвигатель выполнен асинхронным трехфазным переменного тока с короткозамкнутым ротором и разработан под номинальное напряжение 380/220 В с номинальной частотой вращения 2950 об/мин ±10%.

Встроенный электродвигатель насоса выполнен с установочной мощностью до 6,5 кВт, предпочтительно не более 5,5 кВт с возможностью подачи перекачиваемой жидкости с твердыми включениями - пульпы, водной суспензии шламов до 50 м³/ч, предпочтительно до 45 м³/ч с напором до 25 м, оптимально до 20 м.

Работа предлагаемого насоса осуществляется следующим образом.

Перекачиваемая жидкость, попадая на вход во вращающееся центробежное рабочее колесо 18, перемещается от центра к периферии под действием центробежных сил, приобретая при этом кинетическую энергию и получая закрутку в направлении вращения колеса 18.

После выхода из рабочего колеса 18 поток переходит в диффузорные каналы 23 направляющего аппарата 15, где полученная кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию давления. Преобразование энергии происходит за счет постепенного увеличения площади проходного сечения каналов 23 направляющего аппарата 15 по ходу потока и, вследствие этого, снижение скорости (полученной кинетической энергии) и повышение статического давления (потенциальной энергии потока).

Далее поток перемещается по корпусу 28 отвода 24 и направляется в патрубок 27 выхода, который подсоединен к отводной магистрали.

Таким образом, за счет найденных в изобретении конструктивных и технологических параметров и особенностей компоновки агрегатов электронасоса, выполненного моноблочным с полифункциональным решением рабочих органов, достигаются повышенные долговечность, надежность и КПД работы насоса, а совокупность разработанных в изобретении существенных признаков обеспечивает снижение эксплуатационной энергоемкости насоса в сложных гидрологических условиях перекачивания пульповых и шламовых масс.