ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС Российский патент 2002 года по МПК F04D7/04 

Предложение относится к центробежным насосам, используемым в системах шариковой очистки трубок, например конденсаторов паровых турбин, которые вместе с водой перекачивают эластичные абразивные шарики заданного диаметра в контуре циркуляции системы шариковой очистки.

Центробежный насос для систем шариковой очистки трубок конденсаторов предназначен для прокачивания горячей воды с введенными в нее эластичными абразивными пористыми шариками с фиксированным диаметральным размером - Д, несколько превышающим, на величину допустимой деформации, проходной диаметр трубок конденсатора паровой турбины. Из-за большого числа трубок шарик подходит к закругленному входу в трубку с небольшой скоростью и за счет напора воды проталкивается как пробка по трубке, счищая с нее накипь и, тем самым, обеспечивая высокую теплопроводность трубок конденсатора. Накипь отфильтровывается. Шарики при их износе отлавливаются специальным фильтром и заменяются на новые посредством загрузочного устройства. При этом имеет место "залповое" прохождение шариков через насос.

Наиболее интенсивный износ дорогостоящих шариков происходит в процессе работы системы очистки при их периодическом прохождении через рабочие органы насоса, где имеют место большие скорости и ускорения; существенные изменения скоростей и давлений в пространстве, занимаемом пористым пропитанным водой шариком, а также интенсивное трение шариков о стенки рабочего колеса и спирального отвода.

Насосы этого типа выполняются на такие соотношения параметров напор-подача-обороты вала, которые соответствуют коэффициенту быстроходности n_s, лежащему в диапазоне 100-150, но с геометрией рабочего колеса, существенно отличающейся от традиционных лопастных колес центробежных насосов.

Так, в специализированном для перекачивания воды с шариками насосе фирмы Taprogge (аналог) рабочее колесо содержит два спиральных трубообразных канала, расположенных радиально от входа к выходу колеса, что позволило обеспечить малую диффузорность проходных каналов при их поперечных размерах, превышающих диаметр шариков.

Насосы этого типа требуют применения сложной литейной технологии для изготовления рабочего колеса, а при "залповой" загрузке системы очистки шариками возможно закупоривание ими одного или обоих проходных каналов, что вызывает появление значительных радиальных осевых усилий или отказ системы очистки. Кроме того, из-за сложной конфигурации рабочего колеса невозможна даже частичная разгрузка колеса от осевых усилий.

Применение же геометрии рабочих лопаточных колес, соответствующих указанному диапазону n_s, практически невозможно по следующим причинам. Насосы на n_s= 100-150 имеют радиальные колеса с шириной колеса и лопаток, существенно уменьшающейся от входа к выходу из колеса (см. рис.2.2., с.52 книги Аринушкин Л.С. Авиационные центробежные насосные агрегаты. М., 1967 г.). При заданном диаметре шариков, обычно 25-32 мм, и требуемых параметрах насоса по напору и подаче рабочий канал на выходе будет существенно меньшим размера шариков и они либо будут проходить рабочее колесо с большой деформацией и трением (что разрушает шарики), либо произойдет полная закупорка шариками проходных каналов рабочего колеса.

В радиальных рабочих колесах существенные деформации и трение шариков о стенки колеса происходят и на его входном участке при повороте потока от оси в радиальном направлении, поскольку здесь в пространстве объема шарика линии тока жидкости имеют различную кривизну и существенно переменные скорости движения жидкости.

Проходимость шариками колеса можно обеспечить резко расширив выходное сечение рабочего колеса, т.е. за счет существующего повышения диффузорности проходных каналов, сверх допустимых значений 4-10^o. Однако при этом в каналах колеса возрастает турбулентность потока, возникают отрывные течения, развиваются интенсивные кавитационные процессы.

Эти факторы приводят к существенному повышению износа шариков и к их разрушению, поскольку кавитация происходит внутри пропитанных водой шариков, что интенсивно разрушает структуру пористого материала шарика.

При выполнении центробежного насоса на n_s=100-150 с открытым рабочим колесом практически невозможна закупорка рабочего колеса шариками, т.к. за счет трения шариков о стенку корпуса происходит их "растаскивание" и проталкивание в спиральный отвод насоса. Однако насосы такого типа (см. рис. 2.46, с. 96, там же) в их традиционном исполнении также имеют сужающийся к выходу проходной канал и потому не могут быть использованы в системах шариковой очистки.

Следует отметить, что "залповая" загрузка шариков производится редко и поэтому в рабочем цикле очистки деформация шариков, имеющая место при этой загрузке, сколь либо существенно не влияет на общий ресурс работоспособности шариков.

Решение задачи создания высокоэффективного и технологичного центробежного лопастного насоса для систем шариковой очистки достигается тем, что:
- при выполнении насоса для систем шариковой очистки с коэффициентом быстроходности n_s=100-150 насос содержит установленное в корпусе с выходным спиральным отводом рабочее колесо, вал которого связан с приводным двигателем, рабочее колесо выполнено в виде конусного диска с центральным углом в диапазоне 70-120^o, на внешней поверхности которого выполнены спиральные лопатки с минимальной высотой и расстоянием между передней кромкой лопатки на входе колеса и соседней лопаткой по нормали к ней, превышающими диаметр шариков системы очистки на величину гарантированного зазора, нулевым углом атаки передней кромки для расчетного рабочего режима и углом выхода средней линии рабочего канала в пределах 12-24^o при густоте лопастной системы 1,3-1,7, причем соотношение указанных параметров выполнено из условия обеспечения диффузорности проходного межлопаточного канала, не превышающим 4-10^o.

- Для дополнительного снижения износа шариков за счет их отжима от неподвижной корпусной стенки при движении по рабочему каналу рабочие поверхности лопаток рабочего колеса в сечениях, перпендикулярных оси вала, выполнены наклонными в направлении вращения вала, а для улучшения гидродинамических характеристик такого рабочего колеса этот наклон выполнен уменьшающимся от входной кромки; и/или лопатки дополнительно выполнены с шириной, увеличивающейся от их входной кромки к выходу из рабочего колеса.

- Для защиты узла уплотнения от абразивных включений, имеющихся в жидкости при очистке трубок конденсатора, а также для частичной разгрузки колеса от осевых сил, центральная часть корпуса спирального отвода выполнена в виде выступающего в сторону колеса осесимметричного конуса, заглубленного под конусный диск рабочего колеса и расположенного от диска с гарантированным зазором.

- Для снижения габаритов насосного агрегата и упрощения его эксплуатации корпус спирального отвода жестко связан промежуточным проставком с фланцем приводного двигателя.

Ниже приводится описание данного технического решения специализированного насоса для системы шариковой очистки трубок конденсаторов.

На фиг. 1 дан общий вид предложенного насоса с примером его агрегатирования с приводным двигателем. На фиг. 2 - рабочее колесо, вид по оси на лопастную систему со стороны входного патрубка. На фиг. 3 - сечение колеса по фиг. 2, плоскостью, перпендикулярной оси его вала. На фиг. 4 - пример выполнения колеса с лопатками переменной толщины.

Центробежный насос шариковой очистки содержит открытое рабочее колесо 1 (см. фиг. 1), вал 2 которого связан с валом приводного двигателя 3. Рабочее колесо расположено в корпусе с выходным спиральным отводом 4.

Рабочее колесо 1 выполнено в виде конусного диска 5 с центральным углом α, лежащим в диапазоне 70-120^o. На внешней поверхности выполнены 2-4 спиральные лопатки 6 с минимальной высотой h и расстоянием между передними кромками лопаток на входе колеса, превышающими диаметр Д шариков системы очистки на величину гарантированного зазора, например, δ = 2÷5мм.
Угол наклона передних кромок лопаток β₁, (см. фиг. 2), выбирается из условия нулевого угла атаки для расчетного рабочего режима насоса по расходу и оборотам вала, а угол выхода средней линии рабочего канала на периферии диска 4 в пределах β₂ = 12-24^° при густоте лопастной системы 1,3-1,7, где под густотой лопастной системы принято отношение длины проекции верхней кромки лопатки на плоскость, перпендикулярную оси вала 2 - L, к шагу лопастной системы - Т, замеряемому в зоне расположения лопаток 6 на диске 5 по среднему диаметру усеченного конуса, проходящего по средним линиям тока рабочих межлопаточных каналов, т.е. расположенного от рабочей поверхности конусного диска на удалении h/2 по нормали к поверхности диска. Оптимальное число лопаток 6 в колесе - 2-4 штуки.

На фиг. 2, 3 показано рабочее колесо с тремя рабочими лопатками, а на фиг. 4 - рабочее колесо с двумя лопатками 6. Соотношение параметров L/T, α и β выбрано из условия обеспечения для n_s=100÷150 при h = Д+δ диффузорности межлопаточного канала, не превышающей 4-10^o, что обеспечивает как безкавитационное течение жидкости с шариками в рабочих каналах, так и относительно незначительные деформации шариков при натекании их на рабочее колесо - как на диск 5, так и на лопатки 6.

Для минимизации работы трения, а, следовательно и износа шариков, рабочие поверхности лопаток или все тело лопатки (при выполнении ее равнотолщинной) выполнены наклонными в направлении вращения колеса (см. фиг. 2 и 3). Такое выполнение обеспечивает при натекании шарика на рабочую поверхность диска 5 его незначительный по силе прижим к рабочей поверхности лопаток при движении шарика с жидкостью по рабочему каналу. При этом шарик отжимается от неподвижной поверхности корпуса 3, что исключает его износ от трения по этой поверхности, относительно которой абсолютные скорости движения шарика много больше относительных скоростей его движения в рабочем канале. В результате достигается дополнительное снижение износа шариков при протекании через рабочие органы насоса.

Для улучшения гидродинамических характеристик насоса и дополнительного снижения износа шариков возможно уменьшение указанного (см. фиг.3) угла наклона γ лопаток по их длине от их входной кромки к выходу из колеса. Такое решение упрощает и конструкцию рабочего колеса, см. линию А - перехода лопатки 6 в диск 5 в ее корне (см. фиг. 2 и 4).

При выполнении насоса с двухлопаточным колесом, а также насосов на большие мощности для уменьшения габаритов рабочих органов может быть рациональным использование углов α, приближающихся к верхней границе в 120^o, и лопаток 6 с толщиной, увеличивающейся по длине лопатки от ее входной кромки (см. фиг. 4). Рационально при этом лопатки со стороны их верхней части выполнять с замкнутым по периферии углублением 8. Такое выполнение более предпочтительно, чем выполнение углубления с внутренней стороны диска 5, поскольку при работе на загрязненной в результате очистки гидросистемы жидкости существенно уменьшается площадь поверхности взаимодействия верхней части лопаток с неподвижной поверхностью корпуса 4, ограничивающей сверху рабочие каналы колеса 1. В результате уменьшается возможность заклинивания колеса при малых гарантированных зазорах между корпусом 4 и верхними кромками лопаток колеса 1.

Для снижения осевых усилий на колесе, а также для защиты уплотнения вала 2 от износа абразивными включениями, имеющимися в жидкости в процессе очистки трубок, центральная часть корпуса 4 со стороны вала 2 выполнена в виде выступающего конуса 11, заглубленного под конусный диск 5 рабочего колеса 1 и расположенного от диска с гарантированным зазором k (см. фиг. 1).

Такое выполнение дает дополнительный положительный эффект:
- за счет эжекционного эффекта струи, стекающей с диска 5, понижается давление в полости 12 и действующая на вал 2 осевая сила;
- за счет эффекта отсоса и действия центробежных сил в зазоре k обеспечивается сепарация твердых частиц и их практическое отсутствие в полости 12, несмотря на их большую концентрацию в перекачиваемой жидкости.

Компоновка описываемого насоса в агрегат, т.е. соединение его с двигателем, может быть как традиционным, посредством рамы и муфты, связующей валы насоса и двигателя, так и посредством приставка 13, связующего корпус 3 с фланцем 14 электродвигателя 3. При таком моноблочном выполнении насосного агрегата сокращаются его габариты и упрощается его эксплуатация и ремонт.

В целом описанное техническое решение насоса обеспечивает надежную работу системы шариковой очистки конденсаторов, незначительный износ шариков при прохождении ими рабочих органов насоса, повышение надежности работы насоса за счет снижения осевых сил на рабочем колесе и за счет защиты уплотнения вала от абразивного износа, а при моноблочном исполнении насосного агрегата дополнительно снижаются габариты и улучшается восприятие относительно высокого веса насоса и усилий со стороны трубопроводов за счет крепления агрегата не на лапах электродвигателя, а на специальной опоре 15 проставка 13.

Изобретение относится к насосостроению и касается центробежного насоса для систем шариковой очистки трубок, например конденсаторов турбин. Насос содержит рабочее колесо и спиральный отвод. Рабочее открытое колесо рассчитано на параметры по коэффициенту быстроходности n_s=100-150, выполнено в виде конусного диска с центральным углом 70-120^o с 2-4 спиральными лопатками, с нулевым углом атаки на расчетном режиме, углом выхода 12-24^o и густотой лопастной системы 1,3-1,7, причем соотношение указанных параметров выполнено из условия обеспечения диффузорности проходного межлопаточного канала, не превышающей 4-10^o. Лопатки выполнены с минимальной высотой и расстоянием между передней кромкой лопатки на входе колеса и соседней лопаткой по нормали к ней, превышающими диаметр шариков системы очистки на величину гарантированного зазора. Рабочие поверхности лопаток имеют наклон в сторону вращения рабочего колеса. Использование изобретения позволяет достичь существенного уменьшения износа шариков, происходящего за счет их деформации и трения о стенки рабочих органов насоса, а также кавитационного разрушения в рабочих каналах колеса при одновременном обеспечении проходимости шариков при залповой загрузке системы шариками. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Центробежный насос для систем шариковой очистки трубок конденсаторов с коэффициентом быстроходности n_s= 100-150, содержащий установленное в корпусе с выходным спиральным отводом рабочее колесо, вал которого связан с приводным двигателем, рабочее колесо выполнено в виде конусного диска с центральным углом в диапазоне 70-120^oС, на внешней поверхности которого выполнены спиральные лопатки с минимальной высотой и расстоянием между передней кромкой лопатки на входе колеса и соседней лопаткой по нормали к ней, превышающими диаметр шариков системы очистки на величину гарантированного зазора, нулевым углом атаки передней кромки для расчетного рабочего режима и углом выхода средней линии рабочего канала в пределах 12-24^o при густоте лопастной системы 1,3-1,7, причем соотношение указанных параметров выполнено из условия обеспечения диффузорности проходного межлопаточного канала, не превышающим 4-10^o. 2. Центробежный насос по п. 1, отличающийся тем, что рабочие поверхности лопаток рабочего колеса в сечениях, перпендикулярных оси вала, выполнены наклонными в направлении вращения рабочего колеса. 3. Центробежный насос по п. 2, отличающийся тем, что наклон лопаток в направлении вращения рабочего колеса выполнен уменьшающимся по длине лопатки от ее входной кромки к выходу из колеса. 4. Центробежный насос по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что лопатки выполнены с толщиной, увеличивающейся от их входной кромки к выходу из рабочего колеса. 5. Центробежный насос по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что центральная часть корпуса спирального отвода выполнена в виде выступающего в сторону колеса осесимметричного конуса, заглубленного под конусный диск рабочего колеса и расположенного от диска с гарантированным зазором. 6. Центробежный насос по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что корпус спирального отвода жестко связан промежуточным проставком с фланцем приводного двигателя.