Результат интеллектуальной деятельности: Свеклонасос

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в сахарной промышленности.

Известен свеклонасос (см. патент РФ №2416741 МПК F04D 7/04, Опубл. 20.04.2011. Бюл. №11), содержащий корпус с всасывающим и нагнетающим патрубками и консольно установленное на валу рабочее колесо, состоящее из переднего и заднего дисков в виде конусов и укрепленных между ними изогнутых лопастей, на внутренней поверхности корпуса и поверхностях рабочего колеса размещены покрытия из эластичного материала, при этом изогнутая лопасть рабочего колеса выполнена из композитного материала, который включает резинотканевую оболочку и сборный каркас, содержащий основной участок, представляющий жесткую конструкцию и хвостовик, а резинотканевая оболочка равномерно распределена по всему объему сборного каркаса, причем на хвостовике по поверхности резинотканевой оболочки, покрытой эластичным материалом, выполнены криволинейные канавки, сходящиеся к выходу изогнутой лопасти, при этом на внутренней поверхности нагнетающего патрубка выполнены криволинейные канавки, касательная криволинейных канавок на хвостовике по поверхности резинотканевой оболочки имеет направление против хода часовой стрелки.

Недостатком являются избыточные энергозатраты вращения вала с рабочим колесом, задаваемые как расчетные при максимальном давлении в нагнетательном патрубке по условию нормированного гидравлического сопротивления водяного потока, транспортируемого свеклу преимущественного с тяжёлыми примесями.

Известен свеклонасос (см. патент №2488025 МПК F04D 7/01; F04D 15/00 Опубл. 20.07.2013 Бюл. №20), содержащий корпус с всасывающим и нагнетающим патрубками и консольно установленное на валу рабочее колесо, состоящее из переднего и заднего дисков в виде конусов и укрепленных между ними изогнутых лопастей, на внутренней поверхности корпуса и поверхностях рабочего колеса размещены покрытия из эластичного материала, при этом изогнутая лопасть рабочего колеса выполнена из композитного материала, который включает резинотканевую оболочку и сборный каркас, содержащий основной участок, представляющий жесткую конструкцию и хвостовик, представляющий гибкую конструкцию, а резинотканевая оболочка равномерно распределена по всему объему сборного каркаса, причем на хвостовике по поверхности резинотканевой оболочки, покрытой эластичным материалом, выполнены криволинейные канавки, сходящиеся к выходу изогнутой лопасти, при этом на внутренней поверхности нагнетающего патрубка выполнены криволинейные канавки, касательная которых имеет направление по ходу часовой стрелки, а касательная криволинейных канавок на хвостовике по поверхности резинотканевой оболочки имеет направление против хода часовой стрелки, причём вал рабочего колеса снабжен приводом в регулятором скорости вращения, а регулятор давления, расположенным в нагнетательном патрубке, при этом регулятор давления содержит взаимосвязанные блоки сравнения и задания, электронный и магнитный усилители и блок нелинейной обратной связи, кроме того, регулятор скорости вращения выполнен в виде блока порошковых электромеханических муфт.

Недостатком является наличие энергозатрат при длительной эксплуатации, связанных с необходимостью осуществления внеплановых работ из-за интенсивного износа всасывающего патрубка под воздействием коррозии и кавитации, обусловленных наличием воздушно-паровых пузырьков в свекловидной смеси, которые наряду с тяжелыми и легкими примесями налипают на внутреннюю поверхность всасывающего патрубка и в последствии разрушат металл как под воздействием окисления, так и быстрого распадения пузырьков под воздействием разности давления во всасывающем и нагнетательном патрубках.

Технической задачей предполагаемого изобретения является устранение налипания воздушно-паровых пузырьков на внутреннюю поверхность всасывающего патрубка и соответственно практического отсутствия коррозионного и кавитационного воздействия путём выполнения всасывающего патрубка из биметалла с коэффициентами теплопроводности, отличающимися в 2,0-2,5 раза.

Технический результат по снижению энергозатрат за счёт поддержания нормированнных сроков ремонтных работ при длительной эксплуатации достигается тем, что свеклонасос содержит корпус с всасывающим и нагнетающим патрубками и консольно установленное на валу рабочее колесо, состоящее из переднего и заднего дисков в виде конусов и укрепленных между ними изогнутых лопастей, на внутренней поверхности корпуса и поверхностях рабочего колеса размещены покрытия из эластичного материала, при этом изогнутая лопасть рабочего колеса выполнена из композитного материала, который включает резинотканевую оболочку и сборный каркас, содержащий основной участок, представляющий жесткую конструкцию, и хвостовик, представляющий гибкую конструкцию, а резинотканевая оболочка равномерно распределена по всему объему сборного каркаса, причем на хвостовике по поверхности резинотканевой оболочки, покрытой эластичным материалом, выполнены криволинейные канавки, сходящиеся к выходу изогнутой лопасти, при этом на внутренней поверхности нагнетающего патрубка выполнены криволинейные канавки, касательная которых имеет направление по ходу часовой стрелки, а касательная криволинейных канавок на хвостовике по поверхности резинотканевой оболочки имеет направление против хода часовой стрелки, при этом, вал рабочего колеса снабжён приводом с регулятором скорости вращения, а регулятор скорости вращения связан с регулятором давления, соединенным с датчиком давления, расположенным в нагнетательном патрубке, при этом регулятор давления содержит взаимосвязанные блоки сравнения и задания, электронный и магнитный усилители и блок нелинейной обратной связи, кроме того, регулятор скорости вращения выполнен в виде блока порошковых электромагнитных муфт, при этом всасывающий патрубок свеклонасоса выполнен из биметалла, причём материал биметалла со стороны движущегося потока транспортирующего свеклу имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала со стороны воздуха окружающей среды.

На фиг.1 схематически изображен свеклонасос с приводом и системой автоматизированного контроля давления; на фиг.2 - хвостовик изогнутой лопасти рабочего колеса с криволинейными канавками, касательная которых имеет направление против хода часовой стрелки; на фиг.3 -внутренняя поверхность нагнетающего патрубка с криволинейными канавками, касательная которых имеет направление по ходу часовой стрелки; на фиг.4 – разрез по толщине всасывающего патрубка выполненного из биметалла.

Свеклонасос содержит цилиндрический корпус 1, по горизонтальной оси которого расположен всасывающий патрубок 2, а по касательной к корпусу установлен нагнетающий патрубок 3. Внутри корпуса 1 на валу 4, размещенном в опоре 5, консольно установлено рабочее колесо, состоящее из переднего диска 6, заднего диска 7 и изогнутых лопастей 8. Лопасть 8 выполнена из композиционного материала, который включает резинотканевую оболочку 9 и сборный каркас, содержащий основной участок 10, представляющий жесткую конструкцию, и хвостовик 11, представляющий гибкую конструкцию, при этом на хвостовике 11 по резинотканевой оболочке 9, покрытой эластичным материалом 12, выполнены криволинейные канавки 13, сходящиеся к выходу изогнутой лопатки 8. Задний диск 7 выполнен в виде конуса, а передний диск 6 - в виде усеченного конуса.

Задний диск 7 вершиной своего корпуса обращен к патрубку 2, а передний диск 6 своим большим основанием обращен к заднему диску 7. Диски 6 и 7 жестко связаны между собой изогнутыми лопастями 8. На внутренней поверхности корпуса 1, поверхности заднего диска 7, переднего диска 6 размещены покрытия 12 из эластичного материала, например, полиэтилена. На внутренней поверхности 14 нагнетательного патрубка 3 выполнены криволинейные канавки 15, касательная которых имеет направление по ходу часовой стрелки, а касательная криволинейных канавок 13 на хвостовике 11 по поверхности резинотканевой оболочки 9, покрытой материалом 12, имеет направление против хода часовой стрелки.

Вал 4 посредством регулятора скорости вращения 16 соединен с приводом 17 и регулятором давления 18, датчиком давления 19, который расположен в нагнетательном патрубке 3. При этом регулятор давления 18 содержит блок сравнения 20 и блок задания 21, причем блок сравнения 20 соединен с входом электронного усилителя 22, оборудованного блоком нелинейной обратной связи 23, а выход электронного усилителя 22 соединен с входом магнитного усилителя 23 с выпрямителем, на выходе подключенным к регулятору скорости вращения 16 в виде блока порошковых электромагнитных муфт привода 17 свеклонасоса.

Кроме того датчик давления 19 соединен с блоком задания 21 регулятора давления18.

При этом всасывающий патрубок 2 свеклонасоса выполнен из биметалла 24, причём материал 25 биметалла 24 со стороны движущегося потока, транспортирующего свеклу имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала 26 со стороны воздуха окружающей среды.

Свеклонасос работает следующим образом.

При выполнении всасывающего патрубка 2 из биметалла 24, движущийся поток смеси из воды, тяжелых и легких примесей, благодаря скоростному потоку процесса всасывания интенсивно разогревает материал 25, из алюминия с коэффициентом теплопроводности 204 Вт/(м⋅гр) по сравнению с нагреванием материала 26 [см., например, стр. 312. Нащокин В.В., Техническая термодинамика и теплопередача. М.: 1980. 469 с., ил.], из латуни с коэффициентом теплопроводности 85 Вт/(м⋅гр), контактирующего с воздухом окружающей среды по месту расположения свеклонасоса. В результате наличия различных температурных градиентов по толщине всасывающего патрубка 2 (см., например, стр. 95 Исаченко В.П. и др.. Теплопередача. М.: 1981. 416 с., ил.) в биметалле 24 возникают термовибрации (см., например, Дмитриев А.Н., Биметаллы. Пермь. Кн. изд-во. 1991. 415 с. ил.), которые отражают мелкодисперсные каплеобразующие частицы в передней поверхности материала 25 биметалла 24. В результате устраняются условия коррозийного разрушения всасывающего патрубка 2, что обеспечивает нормированные сроки эксплуатации свеклонасоса, без дополнительных энергозатрат на внеплановые демонтажные работы.

Свекловодяная смесь с тяжёлыми и лёгкими примесями, способствующих возникновению в жидкости значительного количества воздушно-паровых пузырьков, поступает во всасывающий патрубок 2 и по мере перемещения, воздушно- паровые пузырьки налипают на внутреннюю поверхность 24, что приводит к окислению и последующему коррозионному разрушению. Одновременно отделяемые мелкие пузырьки по мере движения вдоль внутренней поверхности 24 коагулируют, объединяются перед выходом из всасывающего патрубка 2 в более крупные воздушно-паровые пузырьки. В связи с наличием перепада давлений во всасывающем патрубке 2 и в нагнетательном патрубке 3, скоагулированные укрупнённые воздушно-паровые пузырьки быстро разрушаются с возникновением внезапных гидравлических ударов, вызывающих повреждение металла, т.е. осуществляется кавитация (см. например , стр.38 Попов В.М. Водоотливные установки. Справочное пособие – М.: Недра 1990-254с.ил,). Следовательно, совместное воздействие коррозии и кавитации интенсифицируют разрушение наружной поверхности 24 всасывающего патрубка 2 и, как следствие, приводит к внеплановым ремонтно-профилактическим работам свеклонасоса, т.е. увеличивает энергозатраты при его эксплуатации.

Мощность привода 17 для вращения вала 4 рабочего колеса выбирается номинальной для случая максимального давления в нагнетательном патрубке 3, что фиксируется датчиком давления 19 водяного потока, транспортирующего свеклу. Однако, во время работы свеклонасоса в водяном потоке наряду со свеклой и тяжелыми примесями в значительном количестве появляются легкие примеси, требующие меньшего усилия при транспортировке со свеклой, в то же время мощность привода 17 остается постоянной, т.е. налицо необоснованный перерасход энергии. В предлагаемом техническом решении осуществляется регулирование скорости вращения вала 4 рабочего колеса, что позволяет оптимизировать энергозатраты на привод 17 путем их сокращения в зависимости от соотношения в водяном потоке, транспортирующем свеклу тяжелых и легких примесей. Так, при появлении значительного количества легких примесей в водяном потоке, усилие, необходимое на транспортирование свеклы, уменьшает, со снижением давления в нагнетательном патрубке 3, что фиксируется датчиком давления 19 и сигнал, поступающий с него на регулятор давления 18, становится большим, чем сигнал блока задания 21 и на выходе блока сравнения 20 появится сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 22, одновременно с сигналом отрицательной нелинейной связи блока 23. За счет этого в электронном усилителе 22 компенсируется нелинейность характеристики привода 17 свеклонасоса. Сигнал с выхода электронного усилителя 22 поступает на вход магнитного усилителя 23, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 16 в виде блока порошковых электромагнитных муфт. Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 22 вызывает уменьшение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 23. В результате снижается отбираемая мощность от привода 17, т.е. осуществляется экономия энергии при нормированной подаче водяным потоком транспортируемой свеклы. Возрастание в водяном потоке, транспортирующем свеклу тяжелых примесей, приводит к увеличению усилий для перемещения свеклы с возросшим количеством тяжелых примесей и давление в нагнетательном патрубке 3 увеличивается, что фиксируется датчиком давления 19 и сигнал, поступающий с него на регулятор давления 18, становится меньшим, чем сигнал блока задания 21, и на выходе блока сравнения 20 появится сигнал положительной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 22, одновременно с сигналом отрицательной нелинейной обратной связи блока 23. Сигнал с выхода электронного усилителя 22 поступает на вход магнитного усилителя 24, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 16 в виде блока порошковых электромагнитных муфт. Положительная полярность сигнала электронного усилителя 22 вызывает увеличение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 24. В результате увеличивается отбираемая мощность, приближаясь к номинальной для случая максимального давления в нагнетательном патрубке 3. Следовательно, свеклонасос, работая в режиме плавного изменения мощности на приводе 17 посредством регулятора скорости вращения 16 по условию различного количественного поступления тяжелых и легких примесей в водяной поток, транспортирующий свеклу, обеспечивает экономию энергии.

Для каждого из режимов работы свеклонасоса (преимущественное наличие тяжелых и легких примесей, а также любое из их соотношений) в корпусе 1 осуществляется следующее. Водяной поток, транспортирующий свеклу, с тяжелыми и легкими примесями при перемещении по криволинейным канавкам 13 хвостовика 11 закручивается против хода часовой стрелки и отрывается от поверхности резинотканевой оболочки, а при входе в нагнетательный патрубок 3 поток начинает перемещаться по криволинейным канавкам 15, расположенным на внутренней поверхности 14, и закручивается по ходу часовой стрелки. При этом в зоне отрыва водяного потока от хвостовика 9 и последующего входа в нагнетательный патрубок 3 образуются микрозавихрения тяжелых и легких примесей с взаимно противоположными направлениями вращения, соприкосновение которых приводит к микровзрывам, препятствующим процессу налипания загрязнений на внутренней поверхности 14 нагнетательного патрубка 3. В результате при эксплуатации свеклонасоса проходное сечение нагнетающего патрубка 3 не уменьшается из-за налипания загрязнений на внутренней поверхности 14, т.е. не увеличивается гидравлическое сопротивление на выходе из нагнетающего патрубка 3 и, соответственно отсутствует необходимость увеличения мощности привода свеклонасоса в ходе его работы.

Свекловодяная смесь поступает через всасывающий патрубок 2 по оси свеклонасоса в пространство между задним 7 и передним 6 дисками вращающегося колеса. Благодаря конической форме заднего и переднего дисков свекловодяная смесь плавно изменяет направление перемещения с осевого на радиальное, захватывается изогнутыми лопастями 8, выполненными из композиционного материала, и поступает по цилиндрической поверхности корпуса 1 к нагнетающему патрубку 3. Находящиеся в свекловодяной смеси тяжелые и легкие примеси соударяются с основным участком 10, имеющим каркас, например, из жесткой металлической конструкции, изогнутых лопастей 8 и под действием центробежных сил перемещаются к периферии рабочего колеса. Энергия соударения передается через полимерное эластичное покрытие резинотканевой оболочке 9 и далее к жесткой конструкции основного участка 10. Выполнение изогнутых лопастей 8 из композиционного материала при ударе как тяжелых, так и легких примесей обеспечивает деформацию сборного каркаса с резинотканевой оболочкой 9, предотвращая интенсивное повреждение свеклы. В результате часть энергии соударения тяжелых и легких примесей свекловодяной смеси поглощается износостойкими элементами изогнутых лопастей 8, а остальная возвращается ударившимся примесям и потоку жидкости, обеспечивая заданный напор свеклонасоса.

Переместившиеся к периферии рабочего колеса тяжелые и легкие примеси воздействуют на хвостовик 11, который имеет гибкую конструкцию каркаса, например, выполненную из металлической сетки, находящуюся в резинотканевой оболочке 9 и покрытую эластичным материалом. В результате наблюдается упругое отклонение хвостовика 11, обеспечиваемое при любом направлении удара тяжелых и легких примесей, что практически устраняет заклинивание гибких лопастей 8.

При случайно-вероятностном характере попадания тяжелых и легких примесей в процессе вращения рабочего колеса между корпусом 1 и хвостовиком 11 последний упруго отклоняется, как бы перекатывается по примеси, и сбрасывает ее в объем свекловодяной смеси, определяемый лопастью 8, следующей по ходу вращения рабочего колеса, дисками 6 и 7, а также корпусом 1. В результате устраняются условия заклинивания свеклонасоса, которые наблюдались при выполнении изогнутых лопастей 8 на сплошной жесткой основе.

Вследствие воздействия на изогнутую лопасть 8 тяжелых и легких примесей, находящихся в свекловодяной смеси, эпюры давлений на рабочей и тыльной сторонах лопасти несколько отличаются друг от друга. Для устранения данного явления на хвостовике 11 по поверхности резинотканевой оболочки 9, покрытой эластичным материалом, выполнены криволинейные канавки 13, сходящиеся к выходу изогнутых лопастей 8. В результате из-за разности давлений на рабочей и тыльной поверхностях каждой лопасти 8 свекловодяная смесь по винтообразным продольно расположенным канавкам 13 перетекает от поверхности с большим давлением к поверхности с меньшим давлением. При этом эпюры давлений вдоль лопастей 8 выравниваются между собой, вследствие чего результирующая сила давления, действующая на рабочее колесо, уменьшается, снижая и вибрации колеса. Геометрия кривизны винтообразных канавок 13 подстраивается под кривизну лопасти так, что вместе они образуют непрерывно суживающийся к выходу криволинейный серповидный профиль хвостовика 11. Благодаря этому ликвидируются или существенно снижаются срывные кромочные явления за полостями 8 рабочего колеса с уменьшением не только потерь напора в свеклонасосе, но и пульсаций статического давления при ударном воздействии тяжелых и легких примесей на поверхности лопастей.

Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что выполнение всасывающего патрубка свеклонасоса из биметалла устраняет налипание воздушно-паровых пузырьков с последующим процессом коррозии и кавитационного воздействия, что обеспечивает поддержание нормированных сроков ремонтно-профилактических работ и, как следствие, снижение энергозатрат при длительной эксплуатации.