НЕЗАСОРЯЮЩИЙСЯ НАСОС Российский патент 2004 года по МПК F04D7/04 

Изобретение относится к санитарной технике и может быть применено при перекачке сточных вод, их осадков, содержащих твердые, абразивные включения и длинноволокнистые вещества.

Известны центробежные насосы (авторское свидетельство СССР №1731997, кл. F 04 D 7/04, 1992; патент Великобритании №1255948, кл. F 04 D 7/04, 1968), которые имеют различные системы защиты корпуса и лопаток от износа, но при перекачке сточных вод и их осадков, содержащих твердые, абразивные включения, эти системы не решают задачу исключения засорения, износа и появления вибрации механизмов.

Для снижения частоты засорения проточных частей насосов взвешенными и длинноволокнистыми веществами увеличивают размеры межлопастного пространства за счет сокращения числа лопастей. Это приводит к применению однолопастных рабочих колес. Опыт эксплуатации таких насосов (Flygt, Sarlin и др.) на объектах ГУП “Водоканал Санкт-Петербурга” показал, что ввиду неравномерного износа поверхности лопастей появление вибрации происходит в несколько раз быстрее по сравнению с многолопастными насосами.

Авторы данного изобретения предлагают схему свободновихревого насоса, на основе которой могут быть созданы конструкции насосов для перекачки сточных вод и их осадков, содержащих твердые, абразивные включения и длинноволокнистые вещества.

Известен насос (“Износостойкий нагнетатель” по авторскому свидетельству СССР №1731997, кл. F 04 D 7/04, 1992), который имеет спиральный корпус, установленное в нем рабочее колесо с лопатками, частично размещенное в нише задней стенки корпуса, и входной патрубок, выходное сечение которого расположено с зазором относительно лопаток рабочего колеса. При этом ниша выполнена в форме усеченного конуса, относительный диаметр меньшего основания которого , относительная ширина , угол наклона образующей конической поверхности α=37,5°, относительная ширина спирального корпуса и относительное раскрытие спирального корпуса , причем входной патрубок углублен в корпус, а его относительный диаметр , где: d₁ - диаметр меньшего основания усеченного конуса; D - наружный диаметр колеса; b₁ - ширина усеченного конуса; b₂ - ширина спирального корпуса; А - раскрытие спирального корпуса; d₀ - диаметр входного патрубка.

Известный износостойкий нагнетатель имеет следующие недостатки.

1. Засорение проточной части крупными включениями, содержащимися в сточной воде и ее осадках, так как частичное размещение рабочего колеса в нише задней стенки корпуса и выполнение корпуса спиральным с относительным раскрытием предполагает наличие минимального проходного сечения в проточной части не более 0,2 D. Для перекачки осадков сточных вод этого не всегда достаточно.

Например, при D=285 мм минимальный размер проходного сечения проточной части равен 0,2D=0,2•285=57 мм. Такой насос при перекачке осадков сточных вод будет засоряться, так как опыт показывает, что минимальный размер проходного сечения должен быть не менее 80 мм.

2. Неустойчивая работа насоса (нестабильный расход), т.к.:

- при перекачке осадков сточных вод характерно существенное изменение во времени вязкости и содержания длинноволокнистых веществ, поэтому, как показывает опыт эксплуатации экспериментальных насосов, при перекачке указанной среды и относительной ширине спирального корпуса происходит отрыв перекачиваемой среды от вихря. В известном насосе эту величину рекомендуется изменять в пределах от 0,42 до 0,5, что не учитывает особенности перекачки сточных вод и их осадков;

- при перекачке осадков сточных вод, насыщенных газами - продуктами брожения, в зоне разрежения в корпусе насоса за счет резкого снижения давления происходит выделение растворенных газов и накопление в его верхней части. При этом наблюдается существенное снижение (в некоторых случаях до 0) производительности насоса.

3. Неоправданно завышенные габариты, т.к.:

- рекомендуемая относительная ширина существенно завышена. Опыт работы экспериментальных насосов показывает, что при насосы работают устойчиво. Применение же рекомендуемой в известном насосе относительной ширины приведет не только к увеличению в два раза ширины рабочего колеса, но и как следствие к увеличению консольности приводного вала, повышению радиальной нагрузки на подшипниковый узел;

- рекомендуемая в известном насосе конструкция рабочего колеса с применением только полноразмерных лопаток позволяет достигать требуемого напора лишь при завышенном диаметре рабочего колеса. Последнее объясняется тем, что на выходе из такого рабочего колеса имеют место завихрения, поскольку зазор между лопатками перерасширен.

Применение рекомендуемой конструкции приводит не только к увеличению до 120% диаметра рабочего колеса, но и, как следствие, возрастанию осевой нагрузки на подшипниковый узел.

Наиболее близким аналогом к изобретению является насос (“Насос ротационного типа для жидких и твердых продуктов” по патенту Франции №1466834, F 05 с, 1966), содержащий корпус с нишей в задней стенке, рабочее колесо со стенкой и лопатками, полностью размещенное в нише, входной патрубок, размещенный относительно лопаток рабочего колеса с зазором, равным ширине корпуса, и отводящий патрубок, присоединенный к корпусу по касательной. Лопатки рабочего колеса выполнены с открытыми концами, предназначенными для перемещения по отношению к рабочему колесу части перекачиваемой жидкости, находящейся в непосредственной близости к нему. Перемещение указанной части жидкости осуществляется от центра рабочего колеса к его периферии. При этом неподвижные части стенок ниши корпуса, в котором вращается рабочее колесо, отклоняют ее, создавая таким образом вихрь.

Известный насос для жидких и твердых продуктов имеет следующие недостатки.

1. Неустойчивая работа насоса (нестабильный расход), т.к.:

- при перекачке осадков сточных вод характерно существенное изменение во времени вязкости и содержания длинноволокнистых веществ, поэтому, как показывает опыт эксплуатации экспериментальных насосов, при перекачке указанной среды и относительной ширине спирального корпуса происходит отрыв перекачиваемой среды от вихря.

В известном насосе эту величину рекомендуется изменять в широких пределах без ограничений. Например, в качестве положительного примера приведено соотношение , т.е. b₂>0,35, что не учитывает особенности перекачки сточных вод и их осадков;

- при перекачке осадков сточных вод, насыщенных газами - продуктами брожения, в зоне разрежения в корпусе насоса за счет резкого снижения давления происходит выделение растворенных газов и накопление в его верхней части. При этом наблюдается существенное снижение (в некоторых случаях до 0) производительности насоса.

2. Неоправданно завышенные габариты, т.к.:

- при проектировании насосов рекомендации по выбору ширины b₁ в ряде случаев приводят к существенному завышению глубины ниши. В известном насосе ее рекомендуют связывать с шириной корпуса b₂. Причем в качестве примера приводят соотношение b₁=0,43 b₂. В последующем (после опубликования патента Франции №1466834) стало известно, что для увеличения производительности таких насосов необходимо увеличивать ширину корпуса b₂, а для увеличения развиваемого напора - увеличивать диаметр рабочего колеса D. Поэтому при проектировании низконапорных высокопроизводительных насосов рекомендации, приведенные в известном насосе - ближайшем аналоге, приводят к созданию глубоких рабочих колес небольшого диаметра. В таких колесах вихрь находится внутри и плохо взаимодействует с перекачиваемым потоком.

Кроме этого, увеличивается консольность приводного вала, повышая радиальные нагрузки на подшипниковый узел. В настоящее время известно, что ширину b₁ необходимо связывать не с шириной корпуса b₂, а с диаметром рабочего колеса D;

- рекомендуемая конструкция рабочего колеса с применением только полноразмерных лопаток позволяет достигать требуемого напора лишь при завышенном диаметре рабочего колеса. Последнее объясняется тем, что на выходе из такого рабочего колеса имеют место завихрения, поскольку зазор между лопатками перерасширен. Это явление существенно усиливается тем, что лопатки рабочего колеса выполнены с открытыми концами и жидкость дополнительно взаимодействует с неподвижными частями стенок ниши корпуса.

Применение рекомендуемой конструкции рабочего колеса приводит не только к увеличению до 140% его диаметра, но и как следствие к возрастанию осевой нагрузки на подшипниковый узел.

Задачей изобретения является обеспечение незасоряемости, устойчивости работы и снижение габаритов насоса при перекачке сточных вод и их осадков, содержащих твердые, абразивные включения и длинноволокнистые вещества.

Поставленная задача решается тем, что в известном насосе, содержащем корпус с нишей в задней стенке, полностью размещенное в нише рабочее колесо с лопатками и задним диском, входной патрубок, установленный с зазором А относительно лопаток рабочего колеса, равным ширине b₂ корпуса, и отводящий патрубок, в соответствии с нашим изобретением отводящий патрубок присоединен к верхней точке корпуса, ниша выполнена в виде тела вращения с осью вращения, совпадающей с осью вращения рабочего колеса, на основе объединения прямоугольника шириной, равной глубине b₁ ниши, и высотой , где d₁ – внутренний диаметр ниши, радиуса r₁=Δ/4 и прямоугольника высотой , где d₂ - наружный диаметр ниши, и шириной b₃=b₁-r₁, при этом относительный внутренний диаметр ниши , относительный наружный диаметр ниши , относительная ширина корпуса при b₂ ≥ s, где s - максимальный размер твердых включений, содержащихся в перекачиваемой среде, относительная глубина ниши , а рабочее колесо дополнительно снабжено задним диском и периферийными укороченными лопатками.

Кроме того, возможно выполнение длины периферийных укороченных лопаток l₁=0,2D, и они могут быть размещены между рабочими лопатками на расстоянии l₂=0,3D от центра рабочего колеса, а угол наклона внутреннего ребра периферийных укороченных лопаток может быть выполнен β=60°.

Отличительными признаками заявляемого незасоряющегося насоса являются:

1. Выполнение ниши задней стенки в виде тела вращения с осью вращения, совпадающей с осью вращения рабочего колеса, на основе объединения прямоугольника шириной, равной глубине b₁ ниши, и высотой , где d₁ - внутренний диаметр ниши, радиуса r₁=Δ/4 и прямоугольника высотой , где d₂ - наружный диаметр ниши, и шириной b₃=b₁-r₁.

2. Выполнение ниши с относительным внутренним диаметром ниши ;

3. Выполнение ниши с относительным наружным диаметром ;

4. Выполнение ниши с относительной глубиной ;

5. Выполнение корпуса с относительной шириной при b₂ ≥ s, где s - максимальный размер твердых включений, содержащихся в перекачиваемой среде;

6. Присоединение отводящего патрубка к верхней точке корпуса;

7. Дополнительное снабжение рабочего колеса периферийными укороченными лопатками с длиной l₁=0,2D;

8. Размещение периферийных укороченных лопаток между рабочими лопатками на расстоянии l₂=0,3D от центра рабочего колеса;

9. Наличие угла наклона внутреннего ребра периферийных укороченных лопаток β=60°.

По сведениям, имеющимся у авторов, отличительный признак №6 в технической литературе известен, а остальные - нет. Однако совместное их применение в заявляемом устройстве позволяет получить два новых эффекта.

Первый новый эффект заключается в том, что появляется новое свойство насоса - устойчивость работы при перекачке сточных вод и их осадков, насыщенных растворенными газами и содержащих длинноволокнистые вещества. Последнее достигается тем, что, во-первых, выполнение корпуса с относительной шириной при b₂ ≥ s позволит (в соответствии с результатами экспериментальных исследований) исключить отрыв перекачиваемой среды от вихря; во-вторых, присоединение отводящего патрубка к верхней точке корпуса позволит исключить накопление выделяющихся газов, поскольку они будут постоянно отводиться через отводящий патрубок.

Второй новый эффект заключается в том, что за счет новой конструкции рабочего колеса и ниши снижаются габариты установки.

Таким образом, заявляемый незасоряющийся насос отвечает критерию “изобретательский уровень”.

Предлагаемый незасоряющийся насос конструктивно отличается от ближайшего аналога.

На фиг.1 представлен продольный разрез насоса в сборе,

На фиг.2 - продольный разрез корпуса насоса,

На фиг.3 - общий вид насоса,

На фиг.4 - общий вид рабочего колеса,

На фиг.5 - сечение В-В на фиг.4,

На фиг.6 приведены параметрические характеристики незасоряющихся насосов, успешно прошедших испытания.

Незасоряющийся насос содержит (см. фиг.1-5):

- корпус 1, относительная ширина которого при b₂ ≥ s, где s - максимальный размер твердых включений, содержащихся в перекачиваемой среде;

- нишу 2 в задней стенке корпуса 1, выполненную в виде тела вращения с осью вращения, совпадающей с осью вращения рабочего колеса 3, на основе объединения прямоугольника ABCD шириной, равной глубине b₁ ниши, и высотой , где d₁ - внутренний диаметр ниши, части круга КАЕ радиуса r₁=Δ/4 и прямоугольника KEDI высотой , где d₂ - наружный диаметр ниши, и шириной b₃=b₁-r₁.

Относительный внутренний диаметр ниши , относительный наружный диаметр ниши , относительная ее глубина ;

- рабочее колесо 3 со стенкой 4, лопатками 5 и периферийными укороченными лопатками 6, полностью размещенное в нише 2 задней стенки корпуса 1. При этом длина периферийных укороченных лопаток l₁=0,2D, и они размещены между рабочими лопатками на расстоянии l₂=0,3D от центра рабочего колеса 3, а угол наклона внутреннего ребра периферийных укороченных лопаток β=60°;

- входной патрубок 7 с зазором Δ=b₂ относительно лопаток 5 и 6 рабочего колеса 3;

- отводящий патрубок 8, присоединенный к верхней точке корпуса 1.

Незасоряющийся насос работает следующим образом.

При вращении рабочего колеса 3 в нише 2 корпуса 1 возникает мощный вихрь транспортируемой жидкости, который обеспечивает создание необходимого давления и производительности незасоряющегося насоса.

При работе незасоряющегося насоса лишь часть жидкости проходит через лопатки рабочего колеса, значительная часть ее минует лопатки, а под действием вихря, созданного колесом, продвигается от входа к напорному - отводящему патрубку 8.

Рабочее колесо 3 полностью размещено в нише 2 задней стенки корпуса 1 таким образом, что кромки 12-ти лопаток 5 и 12-ти периферийных укороченных лопаток 6 находятся в плоскости поверхности задней стенки корпуса 1. Незасоряющийся насос не имеет уплотнения на входе в его корпус 1.

Относительные размеры незасоряющегося насоса были определены экспериментальным путем. В ГУП “Водоканал Санкт-Петербурга” и OOO “АВиВ” проводились испытания на опытных образцах в условиях перекачки осадков сточных вод, после чего был найден оптимальный вариант.

Параметрические характеристики незасоряющихся насосов, успешно прошедших испытания, представлены на фиг.6, где:

1 - H-Q характеристика при различном числе оборотов;

2 - N-Q характеристика.

Из приведенных характеристик наглядно следует, что насосы, выполненные согласно данному изобретению, обладают высокими энергетическими показателями.

Изобретение относится к санитарной технике и может быть применено при перекачке сточных вод. Насос содержит корпус с нишей в задней стенке и рабочее колесо с диском и лопатками, полностью размещенное в нише. Входной патрубок установлен с зазором относительно лопаток колеса, равным ширине корпуса. Ниша выполнена в виде тела вращения на основе объединения прямоугольников и радиуса, имеющих размеры, пропорциональные размерам элементов насоса, и осью вращения, совпадающей с осью вращения рабочего колеса. Размеры элементов насоса имеют определенные соотношения размеров и связаны с максимальным размером твердых включений, содержащихся в перекачиваемой среде. Отводящий патрубок присоединен к верхней точке корпуса. Рабочее колесо дополнительно снабжено периферийными укороченными лопатками. Изобретение направлено на обеспечение незасоряемости и устойчивой работы насоса и уменьшение его габаритов. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Насос, содержащий корпус с нишей в задней стенке, полностью размещенное в нише рабочее колесо с лопатками и задним диском, входной патрубок, установленный с зазором относительно лопаток рабочего колеса, равным ширине корпуса, и отводящий патрубок, отличающийся тем, что отводящий патрубок присоединен к верхней точке корпуса, ниша выполнена в виде тела вращения с осью вращения, совпадающей с осью вращения рабочего колеса, на основе объединения прямоугольника шириной, равной глубине ниши , и высотой , где – внутренний диаметр ниши, радиуса , и прямоугольника высотой , где _{– наружный диаметр ниши, и шириной , при этом относительный внутренний диаметр ниши , относительный наружный диаметр ниши , относительная ширина корпуса при , где s - максимальный размер твердых включений, содержащихся в перекачиваемой среде, относительная глубина ниши , рабочее колесо дополнительно снабжено задним диском и периферийными укороченными лопатками.}2. Насос по п.1, отличающийся тем, что длина периферийных укороченных лопаток и они размещены между рабочими лопатками на расстоянии от центра рабочего колеса, а угол наклона внутреннего ребра периферийных укороченных лопаток .