ГЕРМЕТИЧНЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС Российский патент 1997 года по МПК F04D13/02 

Изобретение относится к устройству центробежных насосов, используемых для перекачки текучих сред в химической, пищевой, нефтяной и других отраслях промышленности, в особенности агрессивных и токсичных жидкостей в широком диапазоне температур.

Известные центробежные насосы, используемые в настоящее время широким кругом потребителей, в основном содержат трущиеся уплотнения, что сокращает ресурс их работы и приводит к утечке перекачиваемой жидкости, что особенно недопустимо при работе с агрессивными и токсичными жидкостями.

Указанные недостатки устраняются в герметичных насосах с магнитной муфтой.

Известен герметичный ротационный насос, содержащий корпус и размещенный в нем ротор, вал которого связан с валом привода посредством муфты с цилиндрическими внутренней и наружной полумуфтами, разделенными экраном, герметично закрепленным в корпусе (авт. св. СССР N 687259, кл. F 04 D 13/00, 1977).

Недостатками такого нагнетателя являются низкий КПД и высокая металлоемкость, что связано с необходимостью выполнять экран толстостенным.

Известен герметичный ротационный нагнетатель, содержащий корпус и установленный в нем на опоре вал ротора с ведомой магнитной полумуфтой, отделенной герметичным кольцевым экраном от ведущей полумуфты, связанной с приводом, в котором экран выполнен заглушенным со стороны привода и образует с валом разгрузочную торцевую камеру (авт. св. СССР N 918534, кл. F 04 D 13/00, 1980).

Недостатками этого нагнетателя является невысокая надежность работы магнитной муфты, обусловленная отсутствием организованного отвода рабочей жидкости герметизирующего стакана тепла, выделяющегося за счет токов Фуко, и пониженная надежность при работе с агрессивными жидкостями, в связи с тем, что при разгерметизации внутреннего контура, ограниченного цилиндрическим стаканом, агрессивная среда проникает в привод насоса и делает устройство неработоспособным.

Из известных технических решений наиболее близким к настоящему изобретению по назначению и совокупности существенных признаков является герметичный центробежный насос с размещенным в нем рабочим колесом, приводимым во вращение цилиндрической магнитной муфтой, ведущая полумуфта которой соединена с приводным валом электродвигателя, а ведомая с рабочим колесом, причем полумуфты установлены коаксиально, разделены экраном в виде цилиндрического стакана и выполнены многополюсными с чередованием полюсов (авт. св. СССР N 1448109, кл. F 04 D 13/00, 1986).

Такое конструктивное выполнение позволяет уменьшить габариты насоса.

Однако недостатком герметичного центробежного насоса является невысокий КПД из-за значительных энергетических потерь передаваемой от двигателя мощности в связи с тепловыми потерями в цилиндрическом экране из-за больших токов Фуко, наводимых в неподвижной цилиндрической стенке экрана при вращении полумуфты. Увеличение передаваемого муфтой момента затруднено и связано со значительным увеличением габаритов муфты, обусловленного чередованием полюсов магнитов в осевом направлении, так как такая конструкция имеет большое рассеяние магнитного потока и в ней увеличена длина силовых линий между полумуфтами из-за чего магнитное сопротивление системы возрастает, это обуславливает необходимость увеличения габаритов муфты и соответствующее увеличение вращающихся масс и материалоемкости.

Опасность разгерметизации из-за ослабления экрана, связанная с тепловым нагревом, дополняется химическим и механическим его износом от трения агрессивной жидкости о цилиндрическую стенку экрана из-за возможного попадания твердых частиц между взаимно подвижными поверхностями.

Задачей изобретения является повышение КПД и надежности с одновременным уменьшением металлоемкости конструкции герметичного центробежного насоса.

Сущность изобретения заключается в том, что в герметичный центробежный насос, содержащий корпус с размещенным в нем рабочим колесом, приводимым во вращение цилиндрической магнитной муфтой, ведущая полумуфта которой соединена с приводным валом электродвигателя, а ведомая с рабочим колесом, причем полумуфты установлены коаксиально, разделены экраном в виде герметично закрепленного в корпусе цилиндрического стакана, для достижения технического результата в насос введен измеритель износа цилиндрической стенки стакана между полюсами ведущей и ведомой полумуфт, причем цилиндрический стакан выполнен с переменной толщиной стенки вдоль его образующей, а участок наименьшей толщины стенки расположен между полюсами ведущей и ведомой полумуфт.

Такое выполнение герметичного экрана позволяет повысить КПД насоса за счет уменьшения энергетических потерь передаваемой от электродвигателя мощности, в связи с уменьшением тепловых потерь от наводимых токов Фуко в более тонкой неподвижной цилиндрической стенке экрана. При этом жесткость и герметичность крепления экрана к корпусу насоса сохраняется, а минимальная толщина стенки экрана достигается на участке подэкранного пространства в области, где поток рабочей жидкости, охлаждающей экран, имеет максимальную скорость за счет сужения поперечного сечения потока жидкости ведомой магнитной полумуфтой. Внутреннее давление, по известному закону гидродинамики, в этом месте экрана стремится к наименьшему значению.

Введение измерителя износа связано с необходимостью контроля толщины герметизирующего экрана в наиболее опасном, с точки зрения нарушения герметичности, сечении в области размещения магнитной муфты для обеспечения надежности работы насоса при передачи энергии от электродвигателя к рабочему колесу.

Измеритель износа цилиндрической стенки стакана между полюсами может быть выполнен в виде датчика ее радиального пермещения между полюсами полумуфт.

При перекачивании жидкости насосом на цилиндрической стенке имеется постоянный перепад давлений, направленный в сторону ведущей полумуфты, который при уменьшении толщины стенки вследствие износа обуславливает ее радиальное перемещение (прогиб) в зазоре между полюсами ведущей и ведомой полумуфт. Величина перемещения при постоянном перепаде давлений пропорциональна толщине стенки и является мерой ее износа при работе насоса.

Кроме того, датчик, радиального перемещения цилиндрической стенки стакана может быть выполнен в виде толкателя, размещенного с возможностью контакта с цилиндрической стенкой стакана по радиусу к оси вала рабочего колеса в отверстии, выполненном в корпусе насоса, причем конец толкателя, расположенный вне корпуса, установлен с возможностью контакта с реле управления электродвигателем.

При превышении износа стенки выше допустимой такое выполнение датчика позволяет повысить надежность работы герметичного центробежного насоса за счет аварийного отключения электродвигателя.

Кроме того, датчик радиального перемещения цилиндрической стенки стакана может быть выполнен в виде измерителя электрической емкости конденсатора, образованного зазором между цилиндрической стенкой стакана и ведущей полумуфтой, причем цилиндрическая стенка является одной из обкладок конденсатора.

Такое выполнение датчика позволяет с наименьшими изменениями конструкции насоса обеспечить повышение надежности работы за счет контроля величины износа.

Кроме того, по меньшей мере, ведущая полумуфта может быть выполнена в виде кольцевого магнитопровода, к цилиндрической поверхности которого, обращенной к цилиндрической стенке стакана, прикреплены постоянные магниты, закрытые со стороны стакана цилиндрической металлической втулкой, являющейся второй обкладкой конденсатора.

Такое выполнение ведущей полумуфты обеспечивает возможность с минимальным количеством элементов конструкции обеспечить контроль величины износа стенки емкостным датчиком перемещения с наибольшей чувствительностью, т. к. пропорционально износу уменьшается весь кольцевой зазор между цилиндрической стенкой стакана и ведущей полумуфтой.

Кроме того, измеритель износа цилиндрической стенки стакана может быть выполнен в виде, по меньшей мере, одного тензометрического преобразователя, прикрепленного к ее наружной поверхности в зазоре между полумуфтами.

Такое выполнение измерителя износа стенки стакана по величине электрического сопротивления тензометрического преобразователя позволяет повысить надежность работы центробежного герметичного насоса за счет контроля износа по величине механических напряжений и деформаций в наиболее опасных с точки зрения разгерметизации сечениях цилиндрического стакана. При этом тензодатчики могут быть размещены в нескольких, в том числе и диаметрально противоположных точках сечений цилиндрической стенки стакана, и включены в мостовую схему для компенсации различных помех измерителя. Оси тензометрических преобразователей могут быть ориентированы вдоль образующей стакана, поперек нее и в диагональном направлении.

Кроме того, измеритель износа цилиндрической стенки стакана может быть выполнен в виде, по меньшей мере, одного индукционного датчика, прикрепленного к ее наружной поверхности в зазоре между полумуфтами, причем сам датчик может быть выполнен в виде плоской катушки круглой, овальной, треугольной, трапециевидной и прямоугольной формы с различным расположением большой оси катушки (по образующей, перпендикулярно ей и в диагональном направлении).

Такое выполнение измерителя износа стенки стакана, по изменению величины наводимой за счет вращающегося магнитного поля в катушке ЭДС, позволяет повысить надежность работы центробежного герметичного насоса за счет контроля износа по величине механических деформаций, которые изменяют положение витков катушки относительно вектора магнитного поля, что влияет на величину наводимой в ней ЭДС. Причем индукционные датчики могут быть размещены в нескольких местах, в том числе и смещенных на 90^o по цилиндрической стенке стакана, и включены в мостовую схему для сравнения величины деформации в разных направлениях по стенке стакана.

Кроме того, полумуфты магнитной муфты могут быть выполнены с размерами, выбранными из соотношения:
S₁/S₂ 0,2 1,25
где
S₁ толщина магнита,
S₂ толщина магнитопровода.

Такое выполнение полумуфты позволяет обеспечить минимальное поле рассеяния магнитной системы и максимальную чувствительность индукционного преобразователя. При значении соотношения меньше минимального неоправданно увеличивается материалоемкость и масса, при значении больше, чем максимальное, происходит магнитное насыщение магнитопровода и связанные с этим энергетические потери, уменьшающие КПД насоса.

Кроме того, поверхность магнитопровода, противоположная поверхности, на которой установлены магниты, может иметь переменный профиль с максимальной толщиной магнитопровода в зонах размещения стыков магнитов для обеспечения одинакового магнитного сопротивления по всей окружности магнитопровода. Причем размеры магнитопровода в этом случае должны быть выбраны из соотношения:
S₂/S₃ 1,4 2,0
где
S₂ максимальная толщина магнитопровода,
S₃ минимальная толщина магнитопровода.

Такое выполнение магнитопровода магнитной муфты позволяет уменьшить материалоемкость и энергетические потери при обеспечении максимального КПД насоса.

Например, возможно выполнение с прямоугольными, треугольными, трапецевидными и волнообразными выступами, расположенными в зонах стыков магнитов и обеспечивающих в этих зонах максимальную толщину.

Отличительной особенностью предлагаемого технического решения является то, что уменьшение толщины цилиндрической стенки экрана между полюсами ведущей и ведомой полумуфт с обеспечением контроля износа стенки и выполнение ведущей полумуфты с размерами по заданным соотношениям увеличивает полезную мощность, передаваемую от электродвигателя к рабочему колесу насоса, так как уменьшаются тепловые потери от токов Фуко в герметичном экране насоса, а контроль состояния цилиндрической стенки экрана по величине ее радиальной деформации между полюсами полумуфт увеличивает надежность конструкции. Радиальная деформация в направлении ведущей полумуфты происходит по всей окружности цилиндра, в связи с чем интегральное значение измерительного сигнала при вращении ведущей полумуфты изменяется пропорционально износу стенки экрана для каждого постоянного значения мощности, потребляемой насосом.

Конфигурация магнитопровода позволяет уменьшить материалоемкость конструкции за счет оптимального распределения магнитного потока по сечению магнитного материала, чем уменьшаются энергетические потери в магнитной муфте и увеличивается КПД насоса.

На фиг.1 представлено осевое сечение герметичного центробежного насоса;
на фиг. 2 показан фрагмент сечения магнитопровода ведущей полумуфты с постоянным сечением магнитопровода;
на фиг.3 фрагмент сечения магнитопровода ведущей полумуфты с волнообразным сечением магнитопровода.

Герметичный центробежный насос содержит корпус 1 с размещенными в нем рабочим колесом 2, приводимым во вращение цилиндрической магнитной муфтой, ведущая полумуфта 3 которой соединена с приводным валом 4, установленным в корпусе посредством подшипниковой опоры 5, а ведомая полумуфта 6 с рабочим колесом 2, при этом полумуфты 3, 6 установлены коаксиально и разделены герметично закрепленным в корпусе 1 экраном в виде металлического немагнитного цилиндрического стакана 7. Ведущая и ведомая полумуфты 3, 6 выполнены многополюсными с чередованием полюсов N и S.

Измеритель износа цилиндрической стенки выполнен в виде толкателя 8, контактирующего с цилиндрической стенкой экрана в области магнитной муфты, выведенного из корпуса 1 через отверстие 9 в корпусе 1 и связанного с контактами 10 прерывателя блока управления электродвигателем 11 насоса.

При емкостном выполнении измерителя износа цилиндрической стенки экрана один из выводов 12 электрического конденсатора, образованного кольцевым зазором 13 между ведущей полумуфтой 3 и стенкой экрана, подключен непосредственно к металлическому немагнитному стакану 7, в второй вывод 14 к цилиндрической немагнитной металлической втулке 15 ведущей полумуфты 3. К магнитопроводу 16 ведущей полумуфты 3 прикреплены с чередованием полюсов N и S магниты 17.

Тензометрический преобразователь 18 (или индукционный датчик 19) размещен непосредственно на внешней цилиндрической стенке герметичного экрана и может быть включен вместе с другими тензометрическими (индукционными) преобразователями в измерительную схему, например мостовую.

Внешняя поверхность 20 магнитопровода может быть выполнена волнообразной, а стыки магнитов в этом случае размещены в зонах максимальной толщины магнитопровода. В этом случае магнитный поток равномерно распределяется в материале магнитопровода и уменьшается неоправданное использование материала магнитопровода.

Герметичный центробежный насос работает следующим образом.

Внешний момент от приводного вала 4 за счет магнитного сцепления через немагнитный стакан 7 ведущей и ведомой полумуфт 3 и 6 приводит во вращение рабочее колесо 2, обеспечивая работу насоса. Цилиндрическая стенка экрана при работе насоса постоянно находится под воздействием перепада давлений, обусловленного их разностью между давлением в герметичной полости насоса и наружным давлением со стороны электродвигателя 11. При вращении магнитной передачи в неподвижной стенке экрана возникают токи Фуко, обуславливающие электрические потери, доля которых уменьшается с уменьшением толщины экрана, Однако при уменьшении толщины стенки экрана, она становится чувствительной к перепаду давлений на стенке и прогибается по всей окружности цилиндрической стенки в направлении к ведущей полумуфте 3. Износ стенки приводит к увеличению прогиба стенки, что обеспечивает возможность по величине этого прогиба контролировать износ стенки и останавливать электродвигатель 11 насоса при предаварийной ситуации.

Таким образом, изобретение позволяет повысить КПД герметичного центробежного насоса за счет уменьшения энергетических потерь при передаче вращения от электродвигателя к рабочему колесу с одновременным повышением надежности за счет обеспечения контроля предельно допустимых значений уменьшения энергетических потерь изменением величины износа герметичной стенки экрана и уменьшением материалоемкости выбором оптимальных соотношений размеров ведущей полумуфты при обеспечении работоспособности преобразователя износа стенки экрана.

Использование: в конструкциях центробежных насосов, используемых для перекачки текучих сред в химической, пищевой, нефтяной и других отраслях промышленности, в особенности агрессивных и токсичных жидкостей в широком диапазоне температур. Сущность изобретения: в насосе, содержащем корпус с размещенным в нем рабочим колесом, приводимым во вращение цилиндрической магнитной муфтой, ведущая полумуфта которой соединена с приводным валом электродвигателя, а ведомая - с рабочим колесом, причем полумуфты установлены коаксиально, разделены экраном в виде герметично закрепленного в корпусе цилиндрического стакана, указанный стакан выполнен с переменной толщиной стенки вдоль его образующей. Участок наименьшей толщины стенки расположен между полюсами ведущей и ведомой полумуфт. В насос введен измеритель износа цилиндрической стенки стакана в указанной области. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Герметичный центробежный насос, содержащий корпус с размещенным в нем рабочим колесом, приводимым во вращение цилиндрической магнитной муфтой, ведущая полумуфта которой соединена с приводным валом электродвигателя, а ведомая с рабочим колесом, причем полумуфты установлены коаксиально, разделены экраном в виде герметично закрепленного в корпусе цилиндрического стакана и выполнены многополюсными с чередованием полюсов, отличающийся тем, что в него введен измеритель износа цилиндрической стенки стакана между полюсами ведущей и ведомой полумуфт, причем цилиндрический стакан выполнен с переменной толщиной стенки вдоль его образующей, а участок наименьшей толщины стенки расположен между полюсами ведущей и ведомой полумуфт. 2. Насос по п.1, отличающийся тем, что измеритель износа цилиндрической стенки стакана выполнен в виде датчика ее радиального перемещения между полюсами полумуфт. 3. Насос по пп.1 и 2, отличающийся тем, что датчик радиального перемещения цилиндрической стенки стакана выполнен в виде толкателя, размещенного с возможностью контакта с цилиндрической стенкой стакана по радиусу к оси вала рабочего колеса в отверстии, выполненном в корпусе. 4. Насос по пп.1 и 2, отличающийся тем, что датчик радиального перемещения цилиндрической стенки стакана выполнен в виде измерителя электрической емкости конденсатора, образованного зазором между цилиндрической стенкой стакана и ведущей полумуфтой, причем цилиндрическая стенка является одной из обкладок конденсатора. 5. Насос по пп.1 4, отличающийся тем, что по меньшей мере ведущая полумуфта выполнена в виде кольцевого магнитопровода, к цилиндрической поверхности которого, обращенной к цилиндрической стенке стакана, прикреплены постоянные магниты, закрытые со стороны стакана цилиндрической немагнитной металлической втулкой, являющейся второй обкладкой конденсатора. 6. Насос по п.1, отличающийся тем, что измеритель износа цилиндрической стенки выполнен в виде по меньшей мере одного тензометрического преобразователя, прикрепленного к ее наружной поверхности между полюсами ведущей и ведомой полумуфт. 7. Насос по п.1, отличающийся тем, что измеритель износа цилиндрической стенки стакана выполнен в виде по меньшей мере одного индукционного датчика, прикрепленного к ее наружной поверхности в зазоре между полумуфтами. 8. Насос по пп.1 7, отличающийся тем, что полумуфты выполнены с размерами, выбранными из соотношения S₁/S₂ 0,2 1,25, где S₁ толщина магнита, S₂ толщина магнитопровода. 9. Насос по пп.1 8, отличающийся тем, что поверхность магнитопровода, противоположная поверхности, на которой установлены магниты, выполнена с переменным профилем, а постоянные магниты прикреплены с размещением их стыков в зонах максимальной толщины магнитопровода, причем размеры магнитопровода выбраны из соотношения S₂/S₃ 1,4 2,0, где S₂ - максимальная толщина магнитопровода, S₃ минимальная толщина магнитопровода.