ГЕРМЕТИЧНЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС Российский патент 1998 года по МПК F04D13/02 

Изобретение относится к герметичным центробежным насосам, используемым в химии, теплоснабжении, биотехнологии, холодильных установках и т.п., где недопустима какая-либо утечка перекачиваемой жидкости наружу, что достигается за счет использования герметизирующего стакана или гильзы из немагнитного материала, отделяющих гидравлическую часть насоса от приводной.

Известны центробежные насосы этого типа с герметичным загильзованным электродвигателем или промежуточной магнитной муфтой, где якорь приводной части насоса отделен от статорной части герметичной цилиндрической гильзой, снабженной торцевыми фланцами, связывающими ее с корпусом. При этом якорная приводная часть жестко связана с рабочим лопастным колесом с осевым входом жидкости и расположена на радиальных опорах скольжения между торцовыми передней и задней пятами для восприятия осевых усилий на рабочем колесе [1].

Недостаток известных конструкций заключается в том, что торцевые пяты воспринимают значительные осевые усилия, что вызывает потери энергии и их повышенный износ. Кроме того, в известных конструкциях имеется значительное число радиальных перегородок, связывающих радиальные опоры скольжения с корпусом, что в значительной мере увеличивает дисковые потери, связанные с трением жидкости об эти радиальные перегородки и другие связанные с ними элементы конструкции насоса.

Известен также герметичный центробежный насос, содержащий ротор, включающий рабочее колесо и соосно связанный с ним якорь приводного двигателя, установленный на радиальных опорах скольжения на центральном трубчатом стержне между передней и задней пятами, причем якорь отделен от остальной части приводного устройства герметичным цилиндрическим корпусным стаканом, донышко которого связано с задним концом трубчатого стержня, передний конец которого укреплен в корпусе подводящего канала рабочего колеса. Осевое усилие, действующее в сторону подводящего канала рабочего колеса насоса, воспринимается на рабочем режиме передней пятой. Задняя пята просто ограничивает перемещение ротора от подводящего канала рабочего колеса насоса, например, при транспортировке или в момент запуска насоса, если он расположен двигателем вниз. При этом задняя (как и передняя) пята воспринимает усилие при прямом контакте противостоящих опорных элементов [2].

Недостатком известного технического решения является то, что в насосе ротор вращается контактно в передней пяте, снижая механический КПД насоса, при этом повышается виброактивность насоса.

Задачей изобретения является снижение виброактивности, повышение объемного и механического КПД насоса, устранение износа обеих пят во всех диапазонах работы насоса.

Поставленная задача решается тем, что для обеспечения полной разгрузки опорных пят задняя пята совместно с якорем приводного двигателя выполнена как гидростатическая опора с максимальной осевой силой, направленной в сторону задней пяты, превышающей осевое усилие на рабочем колесе, направленное в сторону подводящего канала рабочего колеса. При этом якорь выполняет функцию поршня гидростатической опоры за счет того, что зазор между якорем и герметичным цилиндрическим корпусным стаканом выполнен дросселирующим с гидравлическим сопротивлением, обеспечивающим даже при максимальном торцевом зазоре между опорными поверхностями задней пяты, т.е. при минимальном гидравлическом сопротивлении выходного дросселирующего торцевого канала суммарную осевую силу, направленную в сторону задней пяты. Торцевой зазор между опорными поверхностями задней пяты никогда не перекрывается, что гарантирует безконтактное вращение ротора между передней и задней пятами на всех режимах работы насоса.

Для повышения надежности работы насоса при резких перепадах температуры между перекачиваемой жидкостью и корпусом донышко герметичного стакана в осевом направлении кинематически связано с корпусом через упругое предварительно напряженное звено, выполненное в виде упругой торцевой шайбы.

Во всех случаях исполнения по указанным выше признакам якорь приводной части может быть выполнен или в виде якоря асинхронного электродвигателя, или в виде якоря магнитной муфты, а статорная часть соответственно или в виде статора электродвигателя, или как статорная часть магнитной муфты (наружной магнитной полумуфты).

При применении магнитной муфты для привода вращающегося рабочего колеса насоса рационально снабжать центральный трубчатый стержень в зоне его прохождения через донышко герметичного стакана дополнительным радиальным подшипником вращения, подвижная часть которого расположена в наружной магнитной полумуфте.

На фиг. 1 дан пример выполнения насоса с приводным асинхронным электродвигателем, продольный разрез; на фиг. 2 - пример выполнения насоса с магнитной муфтой, продольный разрез.

Рабочее колесо 1 (фиг.1) центробежного насоса посредством вала 2 жестко связано с якорем 3 приводного асинхронного электродвигателя, статор 4 которого расположен в корпусе 5 и отделен от гидравлической части насоса и якоря 3 герметичным цилиндрическим корпусным стаканом 6 из немагнитного материала, снабженным передним фланцем 7 и донышком 8. Через осевое отверстие вала 2 проходит центральный трубчатый стержень 9, жестко соединенный задним концом с донышком 8 стакана 6, а передним концом с корпусом 10 подводящего канала рабочего колеса 1. Стержень 9 снабжен осевым каналом 11, сообщающим внутреннюю центральную полость 12 задней торцевой пяты 13 с полостью входа 14 в рабочее колесо 1. При этом передняя торцевая пята 15 выполнена облегающей переднюю часть стержня 9 и расположена в полости входа 14 в рабочее колесо 1. Такое выполнение насоса позволяет частично или полностью разгрузить ротор (рабочее колесо 1, вал 2, якорь 3) от осевого усилия, обычно действующего на ротор в сторону полости входа 14 в рабочее колесо 1, и тем самым частично или полностью разгрузить пяту 15 от контактных осевых усилий, вызывающих ее износ и повышенную виброактивность насоса.

Для полной осевой разгрузки ротора диаметр якоря 3 рабочего колеса 1 выполняется равным или большим диаметра входа в рабочее колесо 1, определяемого диаметром кольцевого щелевого уплотнения 16. Действительно, под действием давления в отводе 17, т.е. на выходе из рабочего колеса 1 жидкость через сепарационную полость 18 поступает через кольцевой зазор между стаканом 6 и якорем 3 в торцевую камеру 19 между торцем якоря 3 и донышком 8 стакана 6 и далее через зазор задней торцевой пяты 13, через осевой канал 11 в полость 14 с низким давлением. При этом за счет дросселирующего действия зазора между якорем 3 и стаканом 6 давление в торцевой камере 19 при наличии зазора в пяте 13 ниже, чем в полости 18, что приводит к возникновению на якоре 3 осевого усилия, направленного к пяте 13, а следовательно, и к уменьшению усилия, действующего на пяту 15. При увеличении диаметра якоря 3 можно достигнуть полного уравновешивания ротора, и ротор будет вращаться, не контактируя как с пятой 15, так и с пятой 13, поскольку при приближении ротора к пяте 13 и уменьшении торцевого зазора в этой пяте давление в камере 19 будет повышаться, не допуская полного смыкания торцевого зазора в пяте 13.

Радиальные усилия на роторе воспринимаются радиальными опорами скольжения, выполненными на внутренней поверхности осевого отверстия вала 2, при этом их кинематическая связь с корпусами 5 и 10 насоса осуществлена посредством их контакта с центральным стержнем 9. Для улучшения смазки этих опор перекачиваемой жидкостью опоры скольжения снабжены винтовой канавкой 20, которую предпочтительно выполнять на внутренней опорной поверхности осевого отверстия вала 2. Канавка 20 сообщает внутреннюю центральную полость 12 задней торцевой пяты 13 с внутренней торцевой полостью передней торцевой пяты 15. При этом, поскольку при работе насоса зазоры в торцевых пятах 13 и 15 всегда имеют место, то гарантируется независимость загрязнонности жидкости ее протечка через опоры. При этом, однако, поскольку общий расход жидкости через зазор между якорем 3 и стаканом 6 относительно невелик, то за счет вращения жидкости в сепарационной полости 18 какие-либо крупные твердые частицы практически не попадают в камеру 19 и тем более в опоры скольжения из-за фильтрующего действия торцевого зазора в пяте 13. Выполнение канавки 20 на вале 2 дополнительно защищает поверхности опор скольжения от задиров, так как твердые части будут отброшены внутрь этой канавки и пройдут на выход к пяте 15, не попадая между рабочими поверхностями радиальных опор скольжения.

Наличие гарантировочной переточки через заднюю торцевую пяту 13 гарантирует насос от образования в его внутренних полостях и в камере 19 воздушных пробок, которые могут в известных конструкциях нарушить отвод тепла от якоря 3 и статора 4 двигателя. Расположение ротора на центральном стержне 9 и принятая схема прохождения жидкости через двигательную (приводную) часть насоса позволяет отказаться от обычно имеющих место радиальных перегородок, например, располагаемых между рабочим колесом 1 и якорем 3, что снижает дисковые потери в насосе, которые также дополнительно снижаются и за счет возможного в описываемой конструкции уменьшения длины (по оси насоса) вращающихся частей ротора.

Донышко 8 герметичного корпусного стакана 6 в осевом направлении кинематически связано с корпусом 5 через упругое предварительно напряженное звено, выполненное в виде упругой торцевой шайбы 21, что позволяет удерживать стакан 6 в напряженном растянутом состоянии даже при отсутствии давления во внутренних полостях насоса и тем самым способствовать компенсации осевых температурных деформаций, возникающих из-за разницы коэффициентов температурного линейного расширения между стаканом 6 и корпусом 5.

В варианте выполнения герметичного центробежного насоса с магнитной муфтой (см. фиг.2) якорь 3 ротора выполняется в виде магнитной цилиндрической полумуфты синхронного или гистерезисного типов, а статор 4 - в виде наружной магнитной полумуфты. При этом расположение ротора с радиальными опорами скольжения на стержне 9 позволяет существенно уменьшить длину стакана 6 и тем самым повысить его жесткость в направлении смещения его донышка 8. Однако в ряде случаев может оказаться рациональным для компенсации ошибок сборки и изготовления центральный стержень 9 в зоне его прохождения через донышко 8 стакана 6 дополнительно снабжать радиальным подшипником вращения 22, подвижная часть которого расположена в статорной части 23, кинематически связанной с приводным двигателем, например, за счет ее установки на конец вала 24 двигателя или промежуточного кронштейна.

Таким образом, предложенная конструкция герметичного насоса обеспечивает повышение надежности и КПД, снижение виброактивности, улучшение массогабаритных характеристик насоса в целом.

Изобретение предназначено для использования в установках, где не допускается какая-либо утечка перекачиваемой жидкости наружу. Насос содержит ротор, включающий рабочее колесо и соосно связанный с ним якорь приводного устройства. Якорь установлен на радиальных опорах скольжения на центральном трубчатом стержне между передней и задней пятами. Якорь отделен от остальной части приводного устройства герметичным корпусным стаканом. Донышко стакана связано с задним концом трубчатого стержня. Передний конец стержня закреплен в корпусе подводящего канала. Радиальный зазор между якорем и стаканом и торцевой зазор между поверхностями задней пяты выполнены как дросселирующие соответственно входной и выходной каналы поршневой гидростатической опоры. Соотношение гидравлических сопротивлений указанных дросселирующих каналов при максимально возможном торцевом зазоре в задней опоре, когда ротор прилегает к передней пяте, и диаметр ротора как поршня гидростатической опоры, выполнены из условия превышения осевой силы на указанной опоре над осевой силой на рабочем колесе. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Герметичный центробежный насос, содержащий ротор, включающий рабочее колесо и сооосно связанный с ним якорь приводного устройства насоса, установленный на радиальных опорах скольжения на центральном трубчатом стержне между передней и задней пятами, причем якорь отделен от остальной части приводного устройства геремтичным цилиндрическим корпусным стаканом, донышко которого связано с задним концом трубчатого стержня, передний конец которого закреплен в корпусе подводящего канала рабочего колеса, отличающийся тем, что радиальный зазор между якорем и стаканом и торцевой зазор между опорными поверхностями задней пяты выполнены как дросселирующие соответственно входной и выходной каналы поршневой гидростатической опоры, а соотношение гидравлических сопротивлений указанных дросселирующих каналов при максимально возможном торцевом зазоре в задней опоре, когда ротор прилегает к передней пяте, и диаметр якоря, как поршня гидростатической опоры, выполнены из условия превышения осевой силы на указанной опоре над осевой силой на рабочем колесе насоса. 2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что донышко герметичного стакана в осевом направлении кинематически связано с корпусом через упругое предварительно напряженное звено, выполненное в виде упругой торцевой шайбы. 3. Насос по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что якорь приводного устройства выполнен в виде якоря асинхронного электродвигателя, а его остальная часть - в виде статора этого двигателя. 4. Насос по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что якорь приводного устройства выполнен в виде магнитной цилиндрической полумуфты, а его остальная часть - в виде наружной полумуфты, кинематически связанной с приводным двигателем. 5. Насос по п. 4, отличающийся тем, что центральный трубчатый стержень в зоне его прохождения через донышко герметичного стакана снабжен дополнительным радиальным подшипником вращения, подвижная часть которого расположена в наружной магнитной полумуфте.