Результат интеллектуальной деятельности: ХИМИЧЕСКИЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ НАСОС С РАБОЧИМ КОЛЕСОМ ОТКРЫТОГО ТИПА

Изобретение относится к насосостроению, а именно к конструкциям химических вертикальных насосов с рабочим колесом открытого типа, предназначенных для перекачивания химически агрессивных жидкостей.

Известен погружной центробежный насос, который содержит спиральный отвод, криволинейный диффузор и поворотное колено. В отводе на валу установлено рабочее колесо. Ось криволинейного диффузора изогнута к оси вращения рабочего колеса и переходит без изломов в среднюю линию поворотного колена, которая в проекциях продольного сечения поворотного колена на горизонтальную и вертикальную плоскости представляет собой клофоиды (RU 2175732 C2, опубл. 10.11.2001).

Известен центробежный насос с погруженной в перекачиваемую среду проточной частью, содержащий двигатель, валопровод, образованный одной или несколькими подвесками, проточную часть, образованную крыльчаткой, расположенной в корпусе насоса и отводом. Верхняя часть верхней подвески расположена выше уровня плиты (RU 71711 U1, опубл. 20.03.2008).

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, опубл. 20.10.2010).

Недостатками известных технических решений являются негарантированная надежность защиты от протечек химически агрессивной перекачиваемой жидкости при длительной работе насоса в процессе эксплуатации, пониженный ресурс насоса и недостаточно высокая эффективность перекачивания рабочих сред с повышенной концентрацией агрессивных компонентов, что, в конечном счете, снижает отраслевую конкурентноспособность насоса.

Задача настоящего изобретения заключается в разработке химического вертикального насоса, наделенного повышенной защитой от протечек химически агрессивной перекачиваемой жидкости и загрязнения атмосферного воздуха ядовитыми испарениями, а также наделенного повышенными ресурсом, надежностью работы и эффективностью перекачивания химически агрессивных жидких сред.

Поставленная задача решается тем, что химический вертикальный насос с рабочим колесом закрытого типа, согласно изобретению, включает корпус, ротор с валом и рабочим колесом в виде многозаходной крыльчатки открытого типа, а также опорную плиту, при этом насос выполнен центробежным, вертикального типа, полупогружным, предпочтительно, однокорпусным и, по меньшей мере, одноступенчатым с осевым подводом и тангенциальным или радиальным отводом перекачиваемой жидкости, для чего снабжен входным подводящим и выходным напорным патрубками, кроме того корпус насоса выполнен сборным и включает размещенный над опорной плитой корпус ходовой части, по меньшей мере, с двумя подшипниковыми опорами, а также содержит прикрепленный к опорной плите снизу корпус подвески, сблокированный с корпусом проточной части, при этом рабочее колесо содержит многозаходную крыльчатку, включающую основной диск с закрепленной на нем системой криволинейных лопаток, вариантно принимаемых в количестве (3÷24), предпочтительно, (5÷7) лопаток, равномерно разделенных межлопаточными каналами, оси которых во фронтальной проекции выполнены постоянной или переменной кривизны, со средним градиентом угла установки оси лопатки и идентичным градиентом угловой конфигурации медиальной оси межлопаточного канала, вариантно составляющим на длине лопатки (0÷7,0) рад/м с возможностью расширения диапазона в область отрицательных значений градиента; при этом активный объем динамического заполнения совокупности межлопаточных каналов выполнен обеспечивающим вариантную возможность выброса на проток за один оборот рабочего колеса (5,0÷1500)×10^-5 м³/об перекачиваемой среды, причем упомянутый основной диск рабочего колеса защищен с тыльной стороны гидрозатвором в виде импеллера, образованного системой лучевидных лопаток, а корпус проточной части снабжен кольцевой съемной тыльной стенкой, уступообразной в поперечном сечении с меньшим из внешних радиусов R_min,ст упомянутой стенки, превышающим радиус лопаток импеллера R_имп, который выполнен достаточным для создания гидродинамического защитного противодавления напору перекачиваемой среды, проникающей в гидрозатвор в процессе работы насоса.

При этом кольцевая съемная тыльная стенка, уступообразная в поперечном сечении, может быть выполнена удовлетворяющей каждому из условий, в силу которых меньший из внешних радиусов R_min,ст упомянутой стенки превышает радиус импеллера R_имп на величину ΔR

ΔR=R_min,ст-R_имп; ΔR>0,5h_{min, л};

где 0,5h_{min, л} - половина минимальной высоты лопатки на выходном контуре рабочего колеса.

Импеллер может содержать от 5 до 15, предпочтительно, 12 лучевидных лопаток.

Упомянутые радиусы кривизны осей лопаток и медиальных осей межлопаточных каналов во фронтальной проекции рабочего колеса могут быть закручены в сторону, противоположную вектору вращения рабочего колеса, и выполнены исходящими из центров, рассредоточенных по условной окружности, радиус которой, в свою очередь, принят, предпочтительно, менее радиуса диска рабочего колеса, причем упомянутая съемная тыльная стенка корпуса проточной части, вмонтирована в проем указанного корпуса, имеющий проходной радиус, обеспечивающий возможность ввода и вывода рабочего колеса при монтаже и демонтаже насоса.

Вал ротора насоса может быть оперт на корпус ходовой части через упомянутые подшипниковые опоры, одна из которых, предпочтительно, нижняя содержит радиальный подшипник, выполненный роликовым, а другая, предпочтительно, верхняя содержит, предпочтительно, два радиально-упорных подшипника, и, кроме того, подшипниковые опоры снабжены системой смазки подшипников, для чего в корпусе ходовой части выполнены пресс-масленки.

Вал ротора насоса может быть выполнен состоящим из участков с различными диаметрами, при этом участок с наибольшим диаметром расположен в высотном диапазоне между упомянутыми подшипниковыми опорами, а остальные участки вала выполнены с диаметрами, ступенчато последовательно убывающими в направлении к оконечностям вала.

Узел сопряжения корпуса ходовой части и корпуса подвески в зоне опорной плиты может содержать торцевой, предпочтительно, съемный фланец с сальниковым уплотнением по валу насоса.

Корпус проточной части насоса может включать упомянутую тыльную уступообразную стенку, корпус спирального сборника, выполненный с соблюдением минимальной дифференциации скоростей на входе и выходе из сборника и снабженный выходным напорным тангециальным или радиальным патрубком и крышку с подводящим осевым патрубком, совместно образующие проточную полость с объемом, достаточным для размещения рабочего колеса и упомянутого спирального сборника, сообщенного с напорным патрубком, преимущественно, тангенциально, при этом упомянутый напорный патрубок корпуса проточной части выполнен диффузорным с разностью площадей входного и выходного поперечных сечений, обеспечивающей снижение скорости нагнетаемого потока на выходе из патрубка в 1,1÷4,2 раза.

Для устранения утечки перекачиваемой среды по валу и через разъемы упомянутых корпусов могут быть установлены резиновые уплотнительные кольца, манжеты и узлы уплотнения, при этом, по меньшей мере, один из узлов уплотнения выполнен с сальниковой набивкой и установлен в тыльную стенку корпуса проточной части насоса со стороны корпуса подвески, кроме того, по меньшей мере, один из указанных узлов вариантно выполняют с лабиринтным уплотнением, также в насосе вариантно применяют щелевое уплотнение по крыльчатке.

Напорный патрубок может быть выполнен с фланцем для соединения с напорной магистралью, по меньшей мере, участок которой между напорным патрубком и предназначенным для пропуска указанной магистрали проемом в опорной плите насоса выполнен под углом α=~π/2, при этом напорная магистраль снабжена фланцами для присоединения одним из них к фланцу напорного патрубка, а другим, преимущественно, съемным фланцем для фиксации магистрали в опорной плите, при этом упомянутый съемный фланец снабжен кольцевым уплотнением, предотвращающим попадание воздуха в напорную магистраль.

Проточная часть насоса вариантно может быть снабжена трубой входа для направленного подвода потока перекачиваемой среды к осевому входу рабочего колеса.

Корпус подвески может быть снабжен системой отверстий для сообщения с переменным объемом перекачиваемой среды.

Опорная плита может быть выполнена не менее чем с двумя несимметрично с эксцентриситетом относительно центра или осей симметрии плиты проемами, диаметр одного из который выполнен с возможностью заведения в проем, по меньшей мере, несъемного опорного фланца корпуса подвески, а диаметр другого вариантно выполнен превышающем внешний диаметр напорной магистрали, по меньшей мере, на технологически необходимую величину внешнего диаметра съемного фланца указанной магистрали.

Химический вертикальный насос с крыльчаткой открытого типа 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 pH, плотностью до 1870 кг/м³, кинематической вязкостью 30×10^-6 м²/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.

Насос может быть выполнен с возможностью силового соединения с электродвигателем, преимущественно, асинхронным для использования последнего в качестве привода вала ротора насоса с обеспечением частоты вращения вала, передаваемой рабочему колесу, предпочтительно, до 1500 об/мин и вариантной мощностью от 5 до 150 кВт, с возможностью использования электродвигателей с числом оборотов вала до 2950 об/мин и вариантной мощностью от 5 до 350 кВт.

Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, состоит в разработке химического вертикального насоса, наделенного повышенной защитой от протечек химически агрессивной перекачиваемой жидкости, а также наделенного повышенными ресурсом, надежностью работы и эффективностью перекачивания химически агрессивных жидких сред.

Это достигается совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и технологических параметров основных узлов и элементов насоса, в первую очередь конструктивного решения системы рабочего колеса открытого типа, конфигурации лопаток и межлопаточных каналов, спирального сборника и напорного патрубка, обеспечивающих в совокупности эффективное перекачивание указанных экологически опасных сред. Кроме того, технический результат достигается за счет разработанной в изобретении усиленной гидродинамической защиты в процессе работы насоса, оптимально дополняемой гидростатической защитой в виде разработанной в изобретении системы сальниковых, щелевых и лабиринтных уплотнений, а также химически стойких кольцевых манжет и резиновых прокладок от протечек химически агрессивной среды и ядовитых испарений, что исключает негативное воздействие на подшипниковые опоры и окружающую среду во всех эксплуатационных ситуациях насоса.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображен химический вертикальный насос с рабочим колесом открытого типа, продольный разрез;

на фиг.2 - проточная часть химического вертикального насоса с рабочим колесом открытого типа, продольный разрез;

на фиг.3 - опорная плита, вид сверху.

Химический вертикальный насос с рабочим колесом открытого типа конструктивно выполнен с возможностью перекачивания химически агрессивных жидких сред.

Насос включает корпус, ротор с валом 1 и рабочим колесом 2 в виде многозаходной крыльчатки открытого типа, а также опорную плиту 3. Насос выполнен центробежным, вертикального типа, полупогружным, предпочтительно, однокорпусным и, по меньшей мере, одноступенчатым с осевым подводом и тангенциальным или радиальным отводом перекачиваемой жидкости, для чего снабжен входным подводящим и выходным напорным патрубками 4 и 5 соответственно.

Корпус насоса выполнен сборным и включает размещенный над опорной плитой 3 корпус 6 ходовой части, по меньшей мере, с двумя подшипниковыми опорами 7, а также содержит прикрепленный к опорной плите 3 снизу корпус 8 подвески, сблокированный с корпусом 9 проточной части.

Рабочее колесо 2 содержит многозаходную крыльчатку, включающую основной диск 10 с закрепленной на нем системой криволинейных лопаток 11, вариантно принимаемых в количестве (3÷24), предпочтительно, (5÷7) лопаток. Лопатки 11 равномерно разделены межлопаточными каналами, оси которых во фронтальной проекции выполнены постоянной или переменной кривизны. Средний градиент угла установки оси лопатки 11 и идентичный градиент угловой конфигурации медиальной оси межлопаточного канала, вариантно составляет на длине лопатки (0÷7,0) рад/м с возможностью расширения диапазона в область отрицательных значений градиента. Активный объем динамического заполнения совокупности межлопаточных каналов выполнен обеспечивающим вариантную возможность выброса на проток за один оборот рабочего колеса (5,0÷1500)×10^-5 м³/об перекачиваемой среды.

Основной диск 10 рабочего колеса 2 защищен с тыльной стороны гидрозатвором в виде импеллера 12, образованного системой лучевидных лопаток.

Корпус 9 проточной части снабжен кольцевой съемной тыльной стенкой 13, уступообразной в поперечном сечении, с меньшим из внешних радиусов R_min,ст стенки 13, превышающим радиус лопаток импеллера R_имп, который выполнен достаточным для создания гидродинамического защитного противодавления напору перекачиваемой среды, проникающей в гидрозатвор в процессе работы насоса.

Кольцевая съемная тыльная стенка 13, уступообразная в поперечном сечении, выполнена удовлетворяющей каждому из условий, в силу которых меньший из внешних радиусов R_min,ст стенки 13 превышает радиус импеллера 12 R_имп на величину ΔR

ΔR=R_min,ст-R_имп; ΔR>0,5h_{min, л};

где 0,5h_{min, л} - половина минимальной высоты лопатки 11 на выходном контуре рабочего колеса 2.

Импеллер 12 содержит от 5 до 15, предпочтительно, 12 лучевидных лопаток.

Упомянутые радиусы кривизны осей лопаток 11 и медиальных осей межлопаточных каналов во фронтальной проекции рабочего колеса 2 закручены в сторону, противоположную вектору вращения рабочего колеса 2, и выполнены исходящими из центров, рассредоточенных по условной окружности, радиус которой, в свою очередь, принят, предпочтительно, менее радиуса диска 10 рабочего колеса 2. Съемная тыльная стенка 13 корпуса 9 проточной части вмонтирована в проем указанного корпуса, имеющий проходной радиус, обеспечивающий возможность ввода и вывода рабочего колеса 2 при монтаже и демонтаже насоса.

Вал 1 ротора насоса оперт на корпус 6 ходовой части через подшипниковые опоры 7. Предпочтительно, нижняя подшипниковая опора содержит радиальный подшипник 14, выполненный роликовым, а другая, предпочтительно, верхняя подшипниковая опора содержит, предпочтительно, два радиально-упорных подшипника 15. Подшипниковые опоры 7 снабжены системой смазки подшипников 14, 15, для чего в корпусе 6 ходовой части выполнены пресс-масленки 16.

Вал 1 ротора насоса выполнен состоящим из участков с различными диаметрами. Участок вала 1 с наибольшим диаметром расположен в высотном диапазоне между подшипниковыми опорами 7, а остальные участки вала 1 выполнены с диаметрами, ступенчато последовательно убывающими в направлении к оконечностям вала 1.

Узел сопряжения корпуса 6 ходовой части и корпуса 8 подвески в зоне опорной плиты 3 содержит торцевой, предпочтительно, съемный фланец 17 с сальниковым уплотнением 18 по валу 1 насоса.

Корпус 9 проточной части насоса включает тыльную уступообразную стенку 13, корпус 19 спирального сборника, выполненный с соблюдением минимальной дифференциации скоростей на входе и выходе из сборника и снабженный выходным напорным тангециальным или радиальным патрубком 5, и крышку 20 с подводящим осевым патрубком 4, совместно образующие проточную полость 21 с объемом, достаточным для размещения рабочего колеса 2 и упомянутого спирального сборника. Спиральный сборник сообщен с напорным патрубком 5, преимущественно, тангенциально. Напорный патрубок 5 корпуса 9 проточной части выполнен диффузорным с разностью площадей входного и выходного поперечных сечений, обеспечивающей снижение скорости нагнетаемого потока на выходе из патрубка в 1,1÷4,2 раза.

Для устранения утечки перекачиваемой среды по валу 1 и через разъемы упомянутых корпусов 6, 8, 9 установлены резиновые уплотнительные кольца 22, манжеты и узлы уплотнения с сальниковой набивкой. По меньшей мере, один узел 23 уплотнения выполнен с сальниковой набивкой 24 и установлен в тыльную стенку 13 корпуса 9 проточной части насоса со стороны корпуса 8 подвески. По меньшей мере, один из узлов уплотнения вариантно выполняют с лабиринтным уплотнением (на чертежах не показано). Также в насосе вариантно применяют щелевое уплотнение по крыльчатке (на чертежах не показано).

Напорный патрубок 5 насоса выполнен с фланцем 25 для соединения с напорной магистралью 26. По меньшей мере, участок напорной магистрали 26 между напорным патрубком 5 и предназначенным для пропуска указанной магистрали проемом 27 в опорной плите 3 насоса выполнен под углом α=~π/2. Напорная магистраль 26 снабжена фланцами для присоединения одним из фланцев 28 к фланцу 25 напорного патрубка 5, а другим, преимущественно, съемным фланцем 29 для фиксации магистрали 26 в опорной плите 3. Съемный фланец 29 снабжен кольцевым уплотнением 30, предотвращающим попадание воздуха в напорную магистраль 26.

Проточная часть насоса вариантно снабжена трубой 31 входа для направленного подвода потока перекачиваемой среды к осевому входу рабочего колеса 2.

Корпус 8 подвески снабжен системой отверстий 32 для сообщения с переменным объемом перекачиваемой среды.

Опорная плита 3 выполнена не менее чем с двумя несимметрично с эксцентриситетом относительно центра или осей симметрии плиты проемами 27, 33. Диаметр проема 33 выполнен с возможностью заведения в него, по меньшей мере, несъемного опорного фланца 34 корпуса 8 подвески. Диаметр другого проема 27 вариантно выполнен превышающим внешний диаметр напорной магистрали 26, по меньшей мере, на технологически необходимую величину внешнего диаметра съемного фланца 29 указанной магистрали 26.

Химический вертикальный насос предназначен для перекачивания химически агрессивных жидкостных сред типа кислот, щелочей, электролитов и других с температурой от 0÷98°C, с водородным показателем 0÷14 pH, плотностью до 1870 кг/м³, кинематической вязкостью до 30×10^-6 м²/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.

Химический вертикальный насос выполнен с возможностью силового соединения с электродвигателем, преимущественно, асинхронным для использования последнего в качестве привода вала ротора насоса с обеспечением частоты вращения вала, передаваемой рабочему колесу, предпочтительно, до 1500 об/мин и вариантной мощностью от 5 до 150 кВт, с возможностью использования электродвигателей с числом оборотов вала до 2950 об/мин и вариантной мощностью от 5 до 350 кВт.

Работа химического вертикального насоса осуществляются следующим образом.

Перекачиваемая химически агрессивная жидкая среда через входной подводящий патрубок 4, попадая на вход во вращающееся центробежное рабочее колесо 2, перемещается от центра к периферии под действием центробежных сил и диффузного расширения в межлопаточных каналах рабочего колеса 2, приобретая при этом кинетическую энергию и получая закрутку в направлении вращения рабочего колеса 2.

После выхода из рабочего колеса 2 поток переходит в диффузорный спиральный сборник, расширяющийся к напорному патрубку 5 в режиме, приближенном к соблюдению равенства скоростей потока на протяжении сборника. Из сборника перекачиваемая среда попадает в напорный патрубок 5, выполненный диффузорным со снижением скорости при прохождении в патрубке в два раза с одновременным переходом части кинетической энергии потока в потенциальную и поступает в напорную магистраль 26.

При этом в процессе работы насоса от утечки перекачиваемой среды по валу 2 защищает сальниковое уплотнение 23, а от утечки перекачиваемой среды в ходовую часть и через нее в атмосферу защищает сальниковое уплотнение 18. Разъемы корпусов 6, 8, 9 герметизируют резиновыми уплотнительными кольцами 28.

Таким образом, за счет разработанных в изобретении конструктивных решений и технологических параметров основных узлов и элементов насоса, достигают повышение защиты от протечек химически агрессивной перекачиваемой жидкости и, как следствие, снижение загрязнения атмосферного воздуха ядовитыми испарениями, а также повышение долговечности, надежности работы насоса и эффективности перекачивания химически агрессивных жидких сред.