Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ТИПА

Изобретение относится к насосостроению, а именно к конструкциям пульповых электронасосных агрегатов горизонтального типа, предназначенных для перекачивания различных абразивных жидкостей с твердыми включениями размером до 8 мм.

Известен центробежный насос для перекачивания абразивных жидкостей, содержащий корпус с отводом, имеющим периферийную стенку и сопряженные с ней боковые переднюю и заднюю стенки, перпендикулярные оси рабочего колеса, размещенного в корпусе. Рабочее колесо выполнено с постоянной шириной меридионального сечения, а периферийная стенка отвода выполнена наклонной внутрь отвода в сторону задней стенки (RU 1247582 С, опубл. 27.01.1995).

Известен центробежный горизонтальный насос, содержащий корпус с входным и напорным патрубками, рабочее колесо одностороннего входа, расположенное на валу, опирающемся на подшипники. Насос содержит направляющий аппарат, а рабочее колесо размещено между подшипниками (RU 97452 U1, опубл. 10.09.2012).

Известен центробежный насос, содержащий корпус с всасывающим и напорным отверстиями, рабочее колесо, электропривод. Рабочее колесо выполнено закрытого типа. Верхний и нижний диски рабочего колеса выполнены плоскими и размещены на расстоянии друг от друга. Лопатки рабочего колеса выполнены расширяющими от наружнего края дисков к центру. Поверхности лопаток в горизонтальном сечении представляют собой часть дуги окружности (RU 69586 U1, опубл. 27.12.2007).

Недостатками известных решений являются повышенные сложность конструкции, материалоемкость и относительно невысокая эффективность работы насоса вследствие повышенных энергозатрат, снижающих КПД перекачивания жидкой среды и неоптимальной диффузорности межлопаточных каналов рабочего колеса и отвода.

Задача настоящего изобретения заключается в вариантной разработке электронасосного агрегата с центробежным насосом, наделенным повышенными ресурсом, долговечностью, надежностью и эффективностью перекачивания жидких сред с высоким содержанием твердых частиц.

Поставленная задача решается тем, что электронасосный агрегат горизонтального типа, согласно изобретению, конструктивно выполнен с возможностью перекачивания абразивных жидких сред типа гидросмесей с включениями твердых частиц и содержит электродвигатель с валом ротора, центробежный насос, содержащий вал ротора с рабочим колесом, смонтированный в корпусе, образованном из ходовой и проточной частей, а также муфту, соединяющую валы упомянутых агрегатов с возможностью передачи крутящего момента, при этом проточная часть корпуса насоса включает последовательно расположенные по потоку всасывающий патрубок, проточную полость с тыльной и боковой стенками и объемом для размещения рабочего колеса и спирального отвода, который сообщен с напорным патрубком, причем вал ротора насоса имеет консольные оконечности и ходовую часть, опертую на корпус ходовой части насоса через подшипниковые опоры и снабженную со стороны, примыкающей к проточной части, гидравлически непрозрачным, предпочтительно, сальниковым уплотнением, при этом рабочее колесо выполнено в виде крыльчатки закрытого типа и содержит жестко установленные на валу основной и покрывной диски, а также расположенную между ними многозаходную систему лопаток с угловой закруткой, выполненной с постоянным или переменным радиусом кривизны в проекции на плоскость, нормальную к оси вала; лопатки разделены диффузорными межлопаточными каналами, расширяющимися в направлении от оси вала к периферии, при этом активный объем динамического заполнения совокупности межлопаточных каналов вариантно включает возможность выброса на проток за один оборот рабочего колеса (30÷600)×10^-5 м³/об перекачиваемой жидкой среды, причем каждый из упомянутых дисков рабочего колеса снабжен с внешней стороны гидродинамическим уплотнением в виде импеллера, а покрывной диск содержит заходную горловину с радиусом, частично перекрывающим в проекции на упомянутую условную плоскость, нормальную к оси вала, оконечности лопаток, обращенные к указанной оси, кроме того тыльная стенка проточной полости выполнена в виде бронедиска, а боковая стенка упомянутой полости образует спиральный отвод в виде однозаходного спирального диффузорного канала с градиентом диффузорности G, определяемым из выражения

,

где S_вых и S_вх - площадь выходного и входного поперечных сечений отвода, l_отв - длина спирального канала отвода; а напорный патрубок выполнен диффузорным с превышением площади поперечного сечения на выходе в 1,2÷5,6 раза относительно аналогичной площади на входе в упомянутый патрубок.

При этом электродвигатель и центробежный насос могут быть расположены на основании практически соосно, а муфта, соединяющая консольный вал ротора электродвигателя и обращенную к нему упомянутую оконечность вала центробежного насоса, выполнена с возможностью передачи крутящего момента от первого ко второму с демпфированием взаимных угловых колебаний указанных валов, для чего содержит объединенные через амортизатор в виде упругого, преимущественно, кольцевого вкладыша полумуфту электродвигателя и полумуфту насоса.

Спиральный отвод за пределами контура рабочего колеса может иметь форму двояковыпуклой оболочки, закрученной по спирали, образованной перемещаемым в условной плоскости последовательно нарастающим радиусом и выпукло изогнутую в условной плоскости, нормальной к упомянутой, и проведенной через радиус спирали и условную ось, проходящую через центр закрутки и/или ось вращения рабочего колеса, при этом указанная оболочка снабжена на выходе проемом, сообщенным по потоку с напорным патрубком проточной части насоса.

Напорный патрубок может быть выполнен в виде диффузора переменной конфигурации поперечного сечения по длине с переходом от упомянутой призматической на входе в коническую и с превышением площади выходного поперечного сечения относительно площади на входе, обеспечивающем при номинальных мощности электродвигателя 18÷60 кВт и числе оборотов рабочего колеса 1200÷3000 об/мин скорость потока на входе в упомянутый диффузор 1,5÷14,5 м/с и снижение скорости нагнетаемого потока в 1,2÷3,1 раза на выходе из диффузора.

Проточная часть насоса может быть оснащена с заходной стороны всасывающим патрубком, преимущественно, с горизонтально ориентированной осью, имеющем устье, минимальная площадь проходного сечения которого принята не менее соответствующей площади заходной горловины покрывного диска рабочего колеса.

Конфигурация угловой закрутки лопаток рабочего колеса в проекции на условную плоскость, нормальную к оси вращения указанного колеса, может быть определена градиентом угловой закрутки медиальной оси лопатки, а, при необходимости, любой из граней лопатки, причем указанный градиент выражен отношением величины угла а между радиусом, проведенным через точку касания к вершине заходного конца лопатки, и касательной к любой точке на оси или соответственно боковой грани лопатки, отнесенной к разнице радиальных расстояний рассматриваемых точек от оси рабочего колеса, при этом среднее значение градиента угловой закрутки лопаток указанного рабочего колеса составляет 5÷50 рад/м.

Изменение площади проходного сечения по длине межлопаточного канала рабочего колеса от заходного до выходного сечения канала может быть определено градиентом диффузорного расширения межлопаточного канала рабочего колеса, который выражен отношением разности площадей заходного и текущего поперечных сечений в соответствующих точках медиальной оси канала к величине взаимного удаления по упомянутой оси текущего от заходного сечения и в варианте четырехлопастного рабочего колеса среднее значение градиента диффузорного расширения межлопаточного канала указанного рабочего колеса составляет 0,026÷0,7 м²/м.

Для вариантных решений насоса с подачей 8÷250 м³/ч средние значения градиента диффузорности спирального отвода могут быть определены в диапазоне 0÷10^-3 м²/м.

Электронасосный агрегат может быть предназначен для перекачивания абразивных жидкостей - суспензий руд, пульпы, промышленных стоков, загрязненной технической воды, пластовой воды, гидросмесей с песком с плотностью до 2200 кг/м, с температурой от 3 до 80°С, водородным показателем до 10 рН и твердыми включениями в виде дискретных абразивных частиц до 8 мм, с микротвердостью до 9 ГПа и объемной концентрацией микрочастиц до 50% включительно.

Центробежный насос и комплектующий электродвигатель могут быть выполнены с возможностью подачи от 25 до 170 м³/ч с напором от 25 до 50 м, при этом электродвигатель принят асинхронным мощностью от 15 до 70 кВт, с обеспечением частоты вращения вала, передаваемой рабочему колесу, до 3000 об/мин.

Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, состоит в разработке электронасосного агрегата с центробежным насосом, наделенным повышенными ресурсом, надежностью и эффективностью перекачивания абразивных жидких сред с высоким процентным содержанием твердых частиц и динамическим воздействием последних на конструкции и материалы проточной части центробежного насоса. Это достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и технологических параметров основных агрегатов, а именно, конструкции вала ротора с радиально-упорной системой подшипниковых опор и конструкцией гидродинамически непрозрачного уплотнения вала; системы лопаток и межлопаточных каналов рабочего колеса закрытого типа с заявленными параметрами основного и покрывного дисков, конструктивного решения и формы спирального отвода и напорного патрубка, обеспечивающих в совокупности принятые в изобретении повышающие производительность и КПД насоса - эффективная диффузорность межлопаточных каналов и спирального отвода.

Технический результат достигают также взаимным расположением электродвигателя и насоса, конструкцией силового сопряжения валов роторов, передающего крутящий момент от электродвигателя к насосу с демпфированием вибрации. Технический результат выражается кроме того в повышенной износостойкости наиболее изнашиваемых частей проточной части предлагаемой конструкции насоса, в частности, за счет выполнения тыльной стенки корпуса проточной части в виде бронедиска, разработанной в изобретении полифункциональной конструкции, обеспечивающей силовое сопряжение примыкающих к нему конструктивных частей корпуса насоса.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображен электронасосный агрегат, вид спереди;

на фиг.2 - электронасосный агрегат, вид сбоку;

на фиг.3 - конструктивная схема центробежного насоса, продольный разрез;

на фиг.4 - проточная часть центробежного насоса, продольный разрез;

на фиг.5 - конструктивная схема муфты, соединяющей валы роторов электродвигателя и центробежного насоса, разрез;

на фиг.6 - рабочее колесо центробежного насоса, в сборе;

на фиг.7 - конструкция рабочего колеса, поперечный разрез.

Электронасосный агрегат горизонтального типа конструктивно выполнен с возможностью перекачивания абразивных жидких сред типа гидросмесей с включениями твердых частиц.

Электронасосный агрегат содержит электродвигатель 1 с валом 2 ротора, центробежный насос 3, содержащий вал 4 ротора с рабочим колесом 5, смонтированный в корпусе 6, образованном из ходовой и проточной частей 7 и 8 соответственно, а также муфту 9, соединяющую валы 2 и 4 упомянутых агрегатов с возможностью передачи крутящего момента.

Проточная часть 8 корпуса 6 насоса 3 включает последовательно расположенные по потоку всасывающий патрубок 10, проточную полость 11 с тыльной и боковой стенками 12 и 13 и объемом 14 для размещения рабочего колеса 5 и спирального отвода 15, который сообщен с напорным патрубком 16.

Вал 4 ротора насоса 3 имеет консольные оконечности 17 и ходовую часть 18. Ходовая часть 18 вала 4 ротора оперта на корпус 6 ходовой части 7 насоса 3 через подшипниковые опоры 19 и снабженную со стороны, примыкающей к проточной части 8, гидравлически непрозрачным, предпочтительно, сальниковым уплотнением 20.

Рабочее колесо 5 выполнено в виде крыльчатки закрытого типа и содержит жестко установленные на валу 4 основной и покрывной диски 21 и 22 соответственно, а также расположенную между ними многозаходную систему лопаток 23 с угловой закруткой, выполненной с постоянным или переменным радиусом кривизны в проекции на плоскость, нормальную к оси вала 4. Лопатки 23 разделены диффузорными межлопаточными каналами 24, расширяющимися в направлении от оси вала 4 к периферии. Активный объем динамического заполнения совокупности межлопаточных каналов 24 вариантно включает возможность выброса на проток за один оборот рабочего колеса (30÷600)×10^-5 м³/об перекачиваемой жидкой среды. Основной и покрывной диски 21 и 22 рабочего колеса 5 снабжены с внешней стороны гидродинамическим уплотнением в виде импеллера 25. Покрывной диск 22 содержит заходную горловину 26 с радиусом, частично перекрывающим в проекции на упомянутую условную плоскость, нормальную к оси вала 4, оконечности лопаток 23, обращенные к указанной оси.

Тыльная стенка 12 проточной полости 8 выполнена в виде бронедиска. Боковая стенка 13 проточной полости 8 образует спиральный отвод 15 в виде однозаходного спирального диффузорного канала с градиентом диффузорности G, определяемым из выражения

,

где S_вых и S_вх - площадь выходного и входного поперечных сечений отвода, l_отв - длина спирального канала отвода.

Напорный патрубок 16 выполнен диффузорным с превышением площади поперечного сечения на выходе в 1,2÷5,6 раза относительно аналогичной площади на входе в патрубок 16.

Электродвигатель 1 и центробежный насос 3 расположены на основании 27, преимущественно, на общей раме сварной или литой конструкции практически соосно. Муфта 9, соединяющая консольный вал 2 ротора электродвигателя 1 и обращенную к нему консольную оконечность 17 вала 4 центробежного насоса 3, выполнена с возможностью передачи крутящего момента от первого ко второму с демпфированием взаимных угловых колебаний указанных валов. Для этого муфта 9 содержит объединенные через амортизатор 28 в виде упругого, преимущественно, кольцевого вкладыша полумуфту 29 электродвигателя 1 и полумуфту 30 насоса 3.

Спиральный отвод 15 за пределами контура рабочего колеса 5 имеет форму двояковыпуклой оболочки, закрученной по спирали, образованной перемещаемым в условной плоскости последовательно нарастающим радиусом и выпукло изогнутую в условной плоскости, нормальной к упомянутой, и проведенной через радиус спирали и условную ось, проходящую через центр закрутки и/или ось вращения рабочего колеса 5. Указанная оболочка снабжена на выходе проемом 31, сообщенным по потоку с напорным патрубком 16 проточной части 8 насоса 3.

Напорный патрубок 16 выполнен в виде диффузора переменной конфигурации поперечного сечения по длине с переходом от упомянутой призматической на входе в коническую и с превышением площади выходного поперечного сечения относительно площади на входе, обеспечивающем при номинальных мощности электродвигателя 18÷60 кВт и числе оборотов рабочего колеса 1200÷3000 об/мин скорость потока на входе в упомянутый диффузор 1,5÷14,5 м/с и снижение скорости нагнетаемого потока в 1,2÷3,1 раза на выходе из диффузора.

Проточная часть 8 насоса 3 оснащена с заходной стороны всасывающим патрубком 10, преимущественно, с горизонтально ориентированной осью, имеющем устье, минимальная площадь проходного сечения которого принята не менее соответствующей площади заходной горловины 26 покрывного диска 22 рабочего колеса 5.

Конфигурация угловой закрутки лопаток 23 рабочего колеса 5 в проекции на условную плоскость, нормальную к оси вращения указанного колеса, определена градиентом угловой закрутки медиальной оси лопатки 23, а, при необходимости, любой из граней лопатки. Указанный градиент выражен отношением величины угла α между радиусом, проведенным через точку касания к вершине заходного конца лопатки 23, и касательной к любой точке на оси или соответственно боковой грани лопатки, отнесенной к разнице радиальных расстояний рассматриваемых точек от оси рабочего колеса 5. Среднее значение градиента угловой закрутки лопаток 23 рабочего колеса 5 составляет 5÷50 рад/м.

Изменение площади проходного сечения по длине межлопаточного канала 24 рабочего колеса 5 от заходного до выходного сечения канала определено градиентом диффузорного расширения межлопаточного канала рабочего колеса. Указанный градиент выражен отношением разности площадей заходного и текущего поперечных сечений в соответствующих точках медиальной оси канала 24 к величине взаимного удаления по упомянутой оси текущего от заходного сечения. В варианте четырехлопастного рабочего колеса 5 среднее значение градиента диффузорного расширения межлопаточного канала 24 рабочего колеса составляет 0,026÷0,7 м²/м.

Для вариантных решений насоса 3 с подачей 8÷250 м³/ч средние значения градиента диффузорности спирального отвода 15 определены в диапазоне 0÷10 мм²/мм.

Электронасосный агрегат предназначен для перекачивания абразивных жидкостей - суспензий руд, пульпы, промышленных стоков, загрязненной технической воды, пластовой воды, гидросмесей с песком с плотностью до 2200 кг/м, с температурой от 3 до 80°С, водородным показателем до 10 рН и твердыми включениями в виде дискретных абразивных частиц до 8 мм, с микротвердостью до 9 ГПа и объемной концентрацией микрочастиц до 50% включительно.

Центробежный насос 3 и комплектующий электродвигатель 1 выполнены с возможностью подачи от 25 до 170 м³/ч с напором от 25 до 50 м. Электродвигатель 1 принят асинхронным мощностью от 15 до 70 кВт, с обеспечением частоты вращения вала, передаваемой рабочему колесу, до 3000 об/мин.

Работа предлагаемого электронасосного агрегата осуществляется следующим образом.

Присоединяют напорный и всасывающий трубопроводы (на чертежах не показано), а также трубопровод подачи затворной воды (на чертежах не показано) в узел сальникового уплотнения 20. Подключают питание к электродвигателю 1. Пуск насоса 3 производят в следующей последовательности: открывают подачу затворной воды к узлу сальникового уплотнения 20 вала 4. Открывают задвижку на всасывающем трубопроводе и заполняют насос 3 перекачиваемой жидкостью, осуществляют пуск электродвигателя 1. Затем регулируют давление и расход затворной воды, подаваемой в сальниковое уплотнение 20.

Перекачиваемая жидкая среда через всасывающий патрубок 10, попадая на вход во вращающееся центробежное рабочее колесо 5, перемещается от центра к периферии под действием центробежных сил и диффузного расширения в межлопаточных каналах 24 рабочего колеса 5, приобретая при этом кинетическую энергию и получая закрутку в направлении вращения рабочего колеса 5.

После выхода из рабочего колеса 5 поток переходит в диффузорный спиральный отвод 15, расширяющийся к напорному патрубку 16 в режиме соблюдения равенства скоростей потока на протяжении отвода 15. Из отвода 15 жидкая среда попадает в напорный патрубок 16, выполненный диффузорным со снижением скорости при прохождении в патрубке в 3,4 раза и одновременным переходом части кинетической энергии потока в потенциальную и поступает в трубопровод для транспортирования к следующему объекту.

Остановку агрегата производят в следующем порядке: закрывают задвижку на напорном трубопроводе, отключают электродвигатель 1, закрывают задвижку на всасывающем трубопроводе, отключают подвод затворной воды к сальниковому уплотнению 20. Во избежание запульповывания рабочего колеса 5 отстоем перекачиваемой жидкости, промывают проточную полость 11 насоса 3 чистой водой через штуцера на всасывающем и напорном трубопроводах.

Таким образом, за счет разработанных в изобретении конструктивных решений и технологических параметров основных агрегатов, а именно, технического решения конструкции вала ротора с радиально-упорной системой подшипниковых опор и конструкцией гидродинамически непрозрачного уплотнения вала, разработанной системы лопаток и межлопаточных каналов рабочего колеса закрытого типа с заявленными параметрами покрывного и основного дисков, конструктивного решения и формы спирального отвода и напорного патрубка, конструкцией силового сопряжения валов роторов, передающего крутящий момент от электродвигателя к насосу с демпфированием вибрации, повышаются ресурс, надежность и эффективность перекачивания абразивных жидких сред с высоким содержанием твердых частиц и динамическим воздействием последних на конструкции и материалы проточной части центробежного насоса.