ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ НАСОС Российский патент 2008 года по МПК F04D9/02 

Предлагаемое изобретение относится к центробежным насосам горизонтального исполнения, предназначенным для работы в неблагоприятных для пребывания человека условиях и не требующим технического обслуживания при их использовании для поддержания бесперебойной работоспособности (в частности, постоянной эксплуатационной готовности). Преимущественно изобретение может быть использовано на атомных электростанциях (АЭС) в погружных электронасосах для откачивания текучих сред, содержащих твердые включения (например, радиоактивно загрязненных стоков или трапных вод), из предназначенных для их сбора приямков в необслуживаемых помещениях.

Такие электронасосы устанавливают непосредственно в приямок, поэтому для уменьшения вертикального габарита последнего желательно горизонтальное исполнение насоса. Эксплуатация с указанной целью электронасосов, в которых используют масло для смазки и охлаждения подшипников (а также, например, для предотвращения проникновения перекачиваемой жидкости в полость электродвигателя), на АЭС затруднительна. Для пополнения объема и замены масла в электронасосе необходимо нахождение производственно-эксплуатационного персонала в помещении с вредными для человека условиями (повышенным радиационным фоном). Кроме того, не исключена утечка масла в перекачиваемую жидкость (например, через уплотнения электронасоса), что существенно увеличивает длительность и стоимость технологического процесса переработки и очистки жидкости.

Указанных недостатков не имеет известный герметичный электронасос БЭН-76 горизонтального исполнения [Пак П.Н., Белоусов А.Я., Пак С.П. Насосное оборудование атомных станций. - М.: Энергоатомиздат, 2003: с.339, 342 (рис.10.112), 343...344], в котором смазку и охлаждение подшипников, а также охлаждение других элементов электродвигателя осуществляют циркуляцией перекачиваемой воды, осветленной пропуском ее через два фильтра: грубой очистки (перед всасывающей частью насоса) и тонкой (на входе в полость электродвигателя).

Недостатком этого электронасоса является использование фильтров не только для защиты от попадания твердых частиц, содержащихся в перекачиваемой воде, но и для выпуска воздуха, вытесняемого из полости электродвигателя при ее заполнении водой, поступающей в приямок. По мере засорения фильтра твердыми примесями его пропускная способность ухудшается и после некоторого числа циклов пуск-остановка электронасоса фильтр практически перестает выполнять свои функции. В дальнейшем при очередном заполнении приямка водой (особенно если этот процесс происходит быстро) воздух не успевает полностью выйти из полости электродвигателя, после включения электронасоса подшипниковые узлы работают в этом случае всухую и в результате перегрева выходят из строя.

Известен центробежный самовсасывающий горизонтальный насос [А.с. СССР №1622635, МПК⁵ F04D 9/02. - Опубл. 23.01.1991, Бюл. №3], содержащий нагнетательный (напорный) патрубок, выходное отверстие которого расположено выше рабочего колеса, и заливочную емкость, которая включает всасывающий патрубок и полость внутри корпуса насоса, расположенную со стороны области всасывания. Верхняя часть заливочной емкости (образованная всасывающим патрубком) снабжена каналом, предназначенным для срыва обратного тока жидкости из насоса при остановленном рабочем колесе и выполненным с возможностью поступления в него текучей среды (воздуха) из окружающего насос пространства. Указанный канал соединяет всасывающий и нагнетательный патрубки и выполнен в корпусе насоса над рабочим колесом (рекомендуемая площадь канала составляет 0,01...0,02 площади нагнетательного патрубка) с горизонтальной, по существу, геометрической осью. Для сепарации воздуха, удаляемого (при каждом пуске насоса) из всасывающего патрубка в смеси с перекачиваемой жидкостью, предназначена камера, расположенная внутри корпуса насоса со стороны области нагнетания. Указанная камера сообщена с нагнетательным патрубком, через который воздух выходит из насоса.

Перед первым пуском насоса заливочную емкость и камеру для сепарации воздуха заполняют водой. При каждой остановке рабочего колеса вода из насоса вытекает через всасывающий патрубок, но после опорожнения нагнетательного патрубка до уровня упомянутого канала воздух из окружающего насос пространства поступает через этот канал во всасывающий патрубок, обеспечивая разрыв струи воды. В результате срыва обратного тока воды ее уровень в заливочной емкости и камере для сепарации воздуха сохраняет рабочую величину, при которой рабочее колесо полностью погружено в воду, что и должно обеспечить готовность насоса к очередному включению без дополнительных операций по его заливке.

Этот насос имеет следующие недостатки. При перекачивании жидкости с твердыми включениями возможно отложение твердых частиц в горизонтальном канале и соответствующее уменьшение его проходного сечения (вплоть до потери каналом своей функции, а насосом работоспособности). Вероятность этого увеличивается с увеличением длины канала, соответствующей расстоянию между патрубками, которое для многих конструктивных схем погружных насосов соразмерно полной длине корпуса насосного агрегата. При длительной стоянке насоса в помещении с высокой температурой, вызывающей соответствующее испарение перекачиваемой жидкости с поверхности последней в заливочной емкости, выход пара возможен по всей площади всасывающего патрубка, что увеличивает вероятность осушения заливочной емкости. Перетекание прокачиваемой жидкости из нагнетательного патрубка во всасывающий через канал, предназначенный для срыва обратного тока жидкости из насоса при остановленном рабочем колесе, уменьшает объемный коэффициент полезного действия (КПД) насоса.

Задача, решаемая изобретением, состоит в повышении надежности центробежных горизонтальных насосов (в частности, в исключении необходимости их технического обслуживания при использовании для обеспечения постоянной готовности к действию в течение длительного времени), в том числе для случая перекачивания загрязненных вод на АЭС, а также - применения в электронасосе подшипников на водяной смазке.

При осуществлении предлагаемого изобретения могут быть получены следующие технические результаты: во-первых, предотвращение засорения канала, предназначенного для срыва обратного тока жидкости из насоса при остановленном рабочем колесе, твердыми частицами из перекачиваемой жидкости; во-вторых, уменьшение вероятности осушения заливочной емкости при испарении находящейся в ней жидкости; в-третьих, увеличение объемного КПД насоса.

При использовании для привода насоса электродвигателя с подшипниками на водяной смазке обеспечено, в-четвертых, исключение возможности пуска электронасоса всухую и соответственно предотвращение выхода из строя подшипниковых узлов в результате их перегрева из-за недостаточной смазки и охлаждения (независимо от скорости наполнения приямка).

Как решение поставленной задачи, позволяющее достигнуть эффекта с указанными характеристиками, предлагается центробежный горизонтальный насос, преимущественно для перекачивания загрязненных сред, содержащий заливочную емкость, включающую всасывающий патрубок, верхняя часть которой снабжена каналом, предназначенным для срыва обратного тока жидкости из насоса при остановленном рабочем колесе и выполненным с возможностью поступления в этот канал текучей среды из окружающего насос пространства. Предлагаемый насос отличается от прототипа тем, что

снабжен гидравлическим лабиринтом, который образован входным восходящим участком и соединенным с входным отверстием всасывающего патрубка нисходящим участком, причем заливочная емкость включает последний,

канал, предназначенный для срыва обратного тока жидкости из насоса при остановленном рабочем колесе, выполнен в гидравлическом лабиринте с возможностью вытеснения из последнего воздуха через этот канал в окружающее насос пространство жидкостью, поступающей через восходящий участок лабиринта при остановленном рабочем колесе,

при этом выходное отверстие нагнетательного патрубка расположено не ниже гребня между восходящим и нисходящим участками гидравлического лабиринта, а гребень расположен выше рабочего уровня жидкости в любой из остальных полостей насоса, содержащих в рабочем состоянии жидкость.

В частном выполнении гидравлический лабиринт может включать бак, образованный вертикальным цилиндрическим корпусом и плоскими крышкой и днищем, причем с входным отверстием всасывающего патрубка сообщена нижняя часть этого бака, и входную вертикальную трубу, выведенную из бака через днище. При этом входная труба может быть установлена эксцентрично относительно корпуса бака, а площадь проходного сечения вдоль лабиринта выполнена постоянной.

В частном выполнении насос может быть снабжен по меньшей мере одним каналом, предназначенным для начальной заливки полостей насоса, содержащих в рабочем состоянии жидкость, и выполненным с возможностью достижения жидкостью, поступающей через этот канал, рабочего уровня в каждой из указанных полостей при вытеснении из последних воздуха в окружающее насос пространство, при этом канал, обеспечивающий заливку проточной части насоса, может быть выполнен в гидравлическом лабиринте и снабжен элементом, вводимым в этот канал с возможностью преобразования последнего в канал, предназначенный для срыва обратного тока жидкости из насоса при остановленном рабочем колесе. Такой канал может быть, например, выполнен в виде вертикального резьбового отверстия и снабжен винтовой пробкой, по оси которой выполнено сквозное отверстие

Предотвращение засорения канала, предназначенного для срыва обратного тока жидкости из насоса при остановленном рабочем колесе, твердыми частицами из перекачиваемой жидкости обеспечено возможностью выполнения указанного канала с вертикальной, по существу, геометрической осью при минимальной длине, а также возможностью простого изменения его проходного сечения в зависимости от максимального размера твердых частиц.

Увеличение объемного КПД насоса обеспечено за счет отсутствия перетекания прокачиваемой жидкости из нагнетательного патрубка во всасывающий через канал, предназначенный для срыва обратного тока жидкости из насоса при остановленном рабочем колесе.

Уменьшение вероятности осушения заливочной емкости при испарении находящейся в ней жидкости обеспечено тем, что выход пара возможен только через канал, предназначенный для срыва обратного тока жидкости из насоса при остановленном рабочем колесе, а площадь этого канала существенно меньше, чем площадь всасывающего патрубка.

Исключение возможности пуска всухую электронасоса на водяной смазке и соответственно предотвращение выхода из строя подшипниковых узлов в результате их перегрева из-за недостаточной смазки и охлаждения (независимо от скорости заполнения приямка перекачиваемой жидкостью) обеспечены тем, что исключена возможность самопроизвольного опорожнения заливочной емкости и полости электродвигателя после их начальной заливки.

Следует также отметить, что за счет исключения полостей, соответствующих нижней части заливочной емкости и камере для сепарации воздуха, обеспечено уменьшение длины корпуса насоса, а за счет отсутствия в корпусе насоса горизонтального канала между всасывающим и нагнетательным патрубками - упрощение изготовления корпуса.

Предлагаемый центробежный горизонтальный насос (в частном выполнении в форме погружного электронасоса с приводом от асинхронного трехфазного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и подшипниками на водяной смазке) поясняется чертежами.

Фиг.1 - насос, установленный в приямке (общий вид, вертикальный разрез).

Фиг.2 - гидравлический лабиринт (вертикальный разрез).

Проточная часть насоса включает всасывающий патрубок 1, рабочее колесо 2, трубопровод 3, пространство между кожухом 4 и корпусом 5, нагнетательный патрубок 6. В полости электродвигателя расположены статор 7 и ротор 8, подшипники 9, а также вспомогательное колесо (импеллер) 10. Рабочее колесо 2 консольно закреплено на роторе 8, а полость электродвигателя отделена от прокачиваемой (в проточной части) жидкости уплотнением 11 (например, щелевым). Вспомогательное колесо 10 предназначено для создания циркуляции воды в полости электродвигателя, что улучшает смазку и усиливает охлаждение элементов последнего.

Канал 12 (в виде вертикального резьбового отверстия) предназначен для начальной заливки полости электродвигателя водой и снабжен винтовой пробкой 13 для перекрытия этого канала во время работы насоса. Каналы 14 и 15 (каждый в виде резьбового отверстия) предназначены для выпуска воздуха, вытесняемого жидкостью соответственно из проточной части насоса и полости электродвигателя, при начальной заливке. Указанные полости насоса в рабочем состоянии постоянно (за исключением верхней части нагнетательного патрубка 6 во время стоянки насоса) заполнены жидкостью, поэтому каналы 14 и 15 выполнены с возможностью полного вытеснения воздуха в окружающее насос пространство (в верхних точках полостей и с вертикальными, по существу, геометрическими осями). Каналы 14 и 15 снабжены соответственно винтовыми пробками 16 и 17 для перекрытия этих каналов во время работы насоса.

Гидравлический лабиринт 18 включает бак, образованный вертикальным цилиндрическим корпусом 19 и плоскими, по существу, крышкой 20 и днищем 21, а также вертикальную входную трубу 22, выведенную из бака через днище 21. Нижняя часть этого бака сообщена с входным отверстием всасывающего патрубка 1 насоса. Входной восходящий участок 23 лабиринта 18 включает трубу 22, а нисходящий участок 24 - часть бака между корпусом 19 и трубой 22. Заливочная емкость включает нисходящий участок 24 лабиринта 18 и всасывающий патрубок 1. Торец верхнего конца трубы 22 внутри указанного бака образует гребень лабиринта 18 между его восходящим 23 и нисходящим 24 участками. Гребень лабиринта 18 расположен выше каналов 14 и 15, то есть выше рабочего уровня прокачиваемой жидкости в проточной части (за исключением нагнетательного патрубка 6 во время перекачивания) и воды в полости электродвигателя. Выходное отверстие нагнетательного патрубка 6 расположено не ниже (в данном выполнении - выше) торца верхнего конца трубы 22. Для уменьшения гидравлических потерь путем обеспечения равномерности скорости и оптимального пути потока жидкости в гидравлическом лабиринте 18 труба 22 установлена в корпусе 19 эксцентрично, а восходящий 23 и нисходящий 24 участки лабиринта 18 выполнены с одинаковыми площадями проходных сечений. Нижний конец трубы 22 расположен так, что обеспечивает необходимые условия для входа в гидравлический лабиринт 18 откачиваемой из приямка 25 жидкости.

В крышке 20 лабиринта 18 над его нисходящим участком 24 выполнен канал 26 (в виде вертикального резьбового отверстия), предназначенный для начальной заливки проточной части насоса жидкостью. Канал 26 снабжен винтовой пробкой 27, по оси которой выполнено сквозное отверстие 28. Пробка 27, введенная в канал 26, уменьшает его проходное сечение до величины, соответствующей отверстию 28, преобразуя в канал, предназначенный (при остановленном рабочем колесе), во-первых, для выпуска воздуха, вытесняемого из лабиринта 18 в окружающее насос пространство жидкостью, поступающей через восходящий участок 23 лабиринта, и, во-вторых, для срыва обратного тока жидкости из насоса. Пробка 27 выполнена так, что гидравлическое сопротивление отверстия 28 обеспечивает поступление в гидравлический лабиринт 18 воздуха с расходом, не превышающим допустимую для нормальной работы насоса долю от подачи последнего (например, 5% по объему от номинальной). При этом диаметр отверстия 28, определяющий проходное сечение, выполнен в зависимости от размеров твердых частиц, содержащихся в перекачиваемой жидкости, так что исключает засорение ими отверстия 28 во время эксплуатации насоса. Выбранные таким образом характеристики отверстия 28, как показывают эксперименты, обеспечивают также и надежный срыв обратного тока жидкости из насоса при остановленном рабочем колесе.

Предлагаемый насос готовят к эксплуатации следующим образом. У насоса, установленного в приямке 25, удаляют пробки 13, 16, 17, 27 и заливают полости насоса водой. Сначала через канал 26 заливают проточную часть насоса (до прекращения выхода воздуха из канала 14 и заполнения последнего водой) и, перекрыв канал 14 пробкой 16, доводят уровень воды в заливочной емкости до гребня лабиринта 18 (до торца верхнего конца трубы 22). Затем через канал 12 заполняют полость электродвигателя (до прекращения выхода воздуха из канала 15 и заполнения последнего водой). Завершая подготовку насоса к перекачиванию жидкости, перекрывают каналы 12 и 15 пробками 13 и 17, а с помощью пробки 27 преобразуют канал 26 (уменьшая проходное сечение до площади отверстия 28). После этих операций насос не требует в дальнейшем никакого дополнительного обслуживания, но при необходимости (при изменении условий эксплуатации насоса, например при увеличении максимального размера твердых частиц в перекачиваемой жидкости) пробку 27 можно заменить другой (с увеличенным, в данном случае, диаметром отверстия 28).

Предлагаемый насос работает следующим образом. Жидкость, собираемая в приямке 25, поступает во входную трубу 22 гидравлического лабиринта 18, вытесняя воздух из последнего через отверстие 28. После затопления отверстия 28 твердые частицы, содержащиеся в перекачиваемой жидкости, попадая в это отверстие, не застревают в нем. При достижении жидкостью в приямке 25 установленного верхнего (вообще говоря, выше верхнего торца пробки 27) уровня (соответствующие отметка и датчик на чертеже не показаны) насос включают в работу. Во время работы насоса, перекачивая жидкость из приямка 25 в предназначенный для нее резервуар (на чертеже не показан), одновременно посредством вспомогательного колеса 10 создают циркуляцию воды в полости электродвигателя, обеспечивающую смазку и охлаждение подшипников 9, а также охлаждение статора 2. По мере откачивания жидкости ее уровень в приямке 25 понижается и после осушения отверстия 28 воздух поступает в лабиринт 18, не нарушая работу насоса. При достижении жидкостью установленного нижнего уровня (соответствующие отметка и датчик на чертеже не показаны), который выбирают (для предотвращения срыва потока перекачиваемой жидкости и обезвоживания проточной части) несколько выше нижнего конца входной трубы 22, насос отключают. При остановленном рабочем колесе воздух, поступающий в верхнюю часть гидравлического лабиринта 18 через отверстие 28 в пробке 27 из окружающего насос пространства, исключает возможность устойчивого обратного тока жидкости по трубе 22 из лабиринта 18 и проточной части в приямок 25. В результате разрыва струи жидкости восходящий участок 23 лабиринта 18 занимает воздух (паровоздушная среда), а жидкость продолжает занимать нисходящий участок 24 лабиринта 18 и проточную часть насоса до уровня гребня лабиринта 18 (до торца верхнего конца трубы 22). При этом уровень жидкости в заливочной емкости превышает уровень воды в полости электродвигателя, поэтому вода из последней не перетекает через уплотнение 11 в проточную часть и продолжает занимать полость электродвигателя. Такое распределение жидкости по полостям насоса сохраняется в дальнейшем независимо от времени стоянки, гарантированно обеспечивая после нового включения насоса смазку и охлаждение элементов электродвигателя. В дальнейшем при каждом заполнении приямка 25 описанный выше процесс повторяется.

Изобретение относится к центробежным горизонтальным насосам, не требующим обслуживания для поддержания постоянной эксплуатационной готовности, используемым преимущественно на АЭС. Насос содержит заливочную емкость и на входе снабжен гидравлическим лабиринтом из восходящего и нисходящего участков. В гребне лабиринта выполнен канал, предназначенный для срыва обратного тока жидкости из насоса при остановленном рабочем колесе и сообщающий лабиринт с окружающим насос пространством. Гребень лабиринта превышает рабочий уровень жидкости в полостях насоса. В результате исключено засорение указанного канала, увеличен объемный КПД насоса, уменьшена вероятность осушения заливочной емкости во время стоянки насоса. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Центробежный горизонтальный насос преимущественно для перекачивания загрязненных сред, содержащий заливочную емкость, включающую всасывающий патрубок, верхняя часть которой снабжена каналом, предназначенным для срыва обратного тока жидкости из насоса при остановленном рабочем колесе и выполненным с возможностью поступления в этот канал текучей среды из окружающего насос пространства, отличающийся тем, что снабжен гидравлическим лабиринтом, образованным входным восходящим участком и соединенным с входным отверстием всасывающего патрубка нисходящим участком, причем заливочная емкость включает последний канал, предназначенный для срыва обратного тока жидкости из насоса при остановленном рабочем колесе, выполнен в гидравлическом лабиринте с возможностью вытеснения воздуха из последнего через этот канал в окружающее насос пространство жидкостью, поступающей через восходящий участок лабиринта при остановленном рабочем колесе, при этом выходное отверстие нагнетательного патрубка расположено не ниже гребня между восходящим и нисходящим участками гидравлического лабиринта, а гребень расположен выше рабочего уровня жидкости в любой из остальных полостей насоса, содержащих в рабочем состоянии жидкость.2. Насос по п.1, отличающийся тем, что гидравлический лабиринт включает бак, образованный вертикальным цилиндрическим корпусом и плоскими, по существу, крышкой и днищем, причем с входным отверстием всасывающего патрубка сообщена нижняя часть этого бака, и входную вертикальную трубу, выведенную из бака через днище.3. Насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что снабжен по меньшей мере одним каналом, предназначенным для начальной заливки полостей насоса, содержащих в рабочем состоянии жидкость, и выполненным с возможностью достижения жидкостью, поступающей через этот канал, рабочего уровня в каждой из указанных полостей при вытеснении из последних воздуха в окружающее насос пространство, при этом канал, обеспечивающий заливку проточной части насоса, выполнен в гидравлическом лабиринте и снабжен элементом, вводимым в этот канал с возможностью преобразования последнего в канал, предназначенный для срыва обратного тока жидкости из насоса при остановленном рабочем колесе.4. Насос по п.3, отличающийся тем, что канал, обеспечивающий заливку проточной части насоса, выполнен в виде вертикального, по существу, резьбового отверстия и снабжен винтовой пробкой, по оси которой выполнено сквозное отверстие.5. Насос по п.2, отличающийся тем, что входная труба гидравлического лабиринта установлена эксцентрично относительно корпуса бака, а площадь проходного сечения вдоль лабиринта выполнена постоянной.