НАСОСНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2016 года по МПК F04D29/56 F04D13/08 

Изобретение относится к насосному устройству по ограничительной части п. 1 формулы изобретения, а также насосной системе.

Осевые или радиально-осевые насосы обычно используются там, где требуется перемещать большое количество воды, например для откачки воды с затопляемых территорий. Эти насосы могут быть оборудованы двигателями, мощность которых составляет от 10 кВт до 1 МВт, и обычно располагаются в трубе или колонной трубе так, что труба коаксиально охватывает насос. Колонная труба, в частности, продолжается в вертикальном направлении. На одном конце трубы насос втягивает воду внутрь, а на другом конце трубы вода откачивается наружу с производительностью в пределах от 5 м³/мин до 700 м³/мин при высоте подъема от 2 метров до 9 метров. Например, типичная производительность может составлять 180 м³/мин при высоте подъема 3 метра при использовании электрического насоса мощностью 140 кВт.

Большие насосы потребляют много электрической энергии. Наибольшая часть энергии передается на откачку воды, однако часть энергии теряется вследствие турбулентности воды в зазоре между направляющей трубкой (улиткой) насоса и внутренней стенкой трубы. Когда вода проходит конец направляющей трубки, она испытывает резкое изменение диаметра (расширение), в результате чего возникает турбулентный поток, т.е. завихрения, которые в некоторых случаях закручиваются в направлении, противоположном направлению откачки. В зависимости от трубы и насоса размер этого зазора может составлять от 40 миллиметров до 80 миллиметров.

Однако в насосных системах предшествующего уровня техники невозможно подобрать диаметр направляющей трубки к диаметру внутренней стенки трубы, чтобы закрыть зазор и избежать турбулентности. Причина, по которой диаметр чугунной направляющей трубки не может быть близким к внутреннему диаметру трубы, заключается в том, что насос, вес которого составляет от 2 до 10 тонн, обычно опускают в трубу посредством крана на глубину трубы до 20 метров. Если допуск слишком мал, при опускании насоса посредством крана возникнут проблемы.

Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в создании насосного устройства и соответствующей насосной системы, в которой используется такое насосное устройство, позволяющих избежать потери энергии вследствие турбулентности в выпускном потоке откачиваемой воды.

Данная задача решается согласно настоящему изобретению посредством насосного устройства, обладающего признаками по п. 1 формулы изобретения, и насосной системы, обладающей признаками по п. 14 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно настоящему изобретению предложено насосное устройство, устанавливаемое коаксиально в трубе, в частности колонной трубе, при этом насосное устройство содержит осевой или радиально-осевой насос, улитка или направляющий канал, или направляющая трубка которого соответственно расположена вокруг участка рабочего колеса насосного устройства и предпочтительно конически расширяется к выпускному участку или выпускному концу направляющей трубки и насоса, при этом в положении установки может быть образован зазор между выпускным концом направляющей трубки и окружающей трубой. В случае если окружающая труба представляет собой колонную трубу, продолжающуюся в вертикальном направлении, выпускной конец направляющей трубки является верхним концом. Направляющая трубка имеет упругий участок на своем выпускном конце, при этом упругий участок выполнен с возможностью изгибания в радиальном направлении относительно продольной оси, т.е. вращательной оси насосного устройства. Это означает, что упругий участок выполнен с возможностью изгибания в направлении трубы, чтобы, по меньшей мере, частично, в частном случае полностью, закрыть зазор в процессе работы насосного устройства. Согласно конфигурации по изобретению выпускной конец улитки или направляющей трубки выполнен упругим и поддающимся изгибу в направлении внутренней стенки трубы. Таким образом, поскольку зазор между внутренней стенкой трубы и направляющей трубкой уменьшается или даже исчезает, турбулентность, которая обычно наблюдается в процессе работы насоса, когда текучая среда, в частности вода, проходит через выпуск насоса в окрестности зазора, существенно уменьшается или даже исключается. Это делает насос более эффективным, поскольку потеря энергии вследствие турбулентности, имеющей место в зазоре, также не допускается. В частности, компьютерное моделирование и практические измерения показали, что благодаря конфигурации по изобретению можно достичь увеличения энергоэффективности на величину до 2 процентов.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления упругий участок выполнен с возможностью изгибания гидравлическим давлением текучей среды, нагнетаемой к выпускному участку или выпускному концу.

Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления упругий участок выполнен с возможностью изгибания к внутренней стенке окружающей трубы, когда насос, расположенный внутри трубы, работает. Однако следует отметить, что именно конструкционное решение определяет, насколько далеко упругий участок отклоняется в радиальном направлении к внутренней стенке или даже отклоняется полностью, чтобы соприкасаться с внутренней стенкой и закрывать зазор полностью. Хотя полное закрытие приносит наибольший эффект, оно не является необходимым, чтобы обеспечить снижение турбулентности потока. Зазор размером, например, от 10 до 20 мм между расширенным упругим участком и внутренней стенкой трубы также способен снизить турбулентность потока. Согласно одному примеру насос с максимальным давлением 1 бар (относительно давления на впуске) в колонной трубе может содержать упругий участок, выполненный с возможностью полного изгиба при давлении 0,2 бар.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления упругий участок также может расширяться.

Предпочтительно упругий участок образован резиновым кольцом, установленным соответственно на выпускном конце улитки или направляющей трубки. Упругое кольцо предпочтительно установлено на осевом краю направляющей трубки насоса и выполнено с возможностью изгибания, а также предпочтительно расширения. При такой конфигурации турбулентный поток преобразуется в ламинарный поток, поскольку кольцо предотвращает резкое изменение диаметра.

Предпочтительно упругий участок выполнен с возможностью изгибания гидравлическим давлением, составляющим по меньшей мере 0,2 бар. В частности, в отсутствие потока или при малом потоке через насос упругий участок не деформируется, поскольку гидравлические силы малы. Однако при большем потоке и более высоком давлении, например выше 0,2 бар или предпочтительно от 0,5 до 5 бар, кольцо изгибается радиально наружу под воздействием радиальной составляющей гидравлической силы, создаваемой прокачиваемой текучей средой. Эта составляющая силы оказывает давление на упругий участок в направлении внутренней стенки колонны. Таким образом, зазор закрывается и турбулентность устраняется.

Кроме того, стенки или колонны труб предпочтительно выполнены из стали, пластика или бетона.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления диаметр трубы составляет от 300 мм до 2500 мм, предпочтительно от 500 мм до 2200 мм, при этом размеры насоса таковы, чтобы он встраивался в такую трубу. Это означает, что диаметр насосного устройства может быть приспособлен к определенному диаметру трубы или диапазону диаметров трубы. Однако размер упругого участка зависит от конкретного диаметра колонной трубы.

Предпочтительно упругий участок имеет такую высоту, что, когда насос, расположенный в трубе, работает, обеспечивается возможность контакта с внутренней стенкой окружающей трубы.

Кроме того, предпочтительно упругий участок выполнен из эластомера, например резины, в частности нитрилбутадиеновой резины или этилен-пропилен-диен-мономерной резины, или натурального каучука вследствие их высокой стойкости к абразивным нагрузкам. Однако другие материалы также могут использоваться, если они обладают упругостью и поддаются изгибу, а также могут выдержать тысячи изгибов в течение определенного периода времени.

Твердость по Шору A упругого участка предпочтительно может составлять от 40 до 90, чтобы обеспечить соответствующий коэффициент расширения.

Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления упругий участок имеет первый осевой конец, смежный с направляющей трубкой, а также противоположный второй осевой конец, при этом толщина упругого участка на верхнем конце меньше, чем на нижнем конце. Когда насосное устройство расположено в колонной трубе, продолжающейся в вертикальном направлении, первый осевой конец представляет собой верхний конец, а второй осевой конец - нижний конец. Предпочтительно внутренняя поверхность упругого участка повторяет форму поверхности направляющей трубки (угол направляющей трубки). Благодаря этому упругий участок не нарушает поток при лишь малом потоке, когда радиальные отклонения отсутствуют или всего лишь малы. Путем придания упругому участку той же толщины, которую имеет направляющая трубка, в области контакта с направляющей трубкой обеспечивается механическое крепление кольца.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления упругий участок соединен с направляющей трубкой склеиванием или посредством механического соединения, в частности, винтов или болтов. Дополнительная связь между направляющей трубкой и упругим участком может служить для вулканизации резины непосредственно на направляющей трубке.

Может быть также предпочтительным, если упругий участок имеет две части, в частности две половины, каждая из которых имеет форму полукольца. В качестве альтернативы упругий участок может представлять собой одно полностью непрерывное кольцо. Обычно кольцо устанавливается на новом насосе, поступившем с завода, однако переоснащение старых насосов также может быть возможным.

Кроме того, согласно настоящему изобретению предложены насосная система, содержащая вышеописанное насосное устройство, и окружающая труба, при этом насосное устройство установлено коаксиально в трубе, в частности колонной трубе.

Вышеописанные признаки и преимущества настоящего изобретения станут еще более очевидными после прочтения нижеследующего подробного описания вместе с рассмотрением сопроводительных чертежей.

На фиг. 1 показан вид сбоку насосной системы согласно одному варианту осуществления изобретения;

на фиг. 2 показан вид в разрезе детали насосной системы, представленной на фиг. 1;

на фиг. 3A-3D показан ряд вариантов прохождения потока при наличии и отсутствии упругого участка на направляющей трубке.

Насосная система 1 содержит насосное устройство 2, которое в данном случае представляет собой погружной осевой насос, расположенный в центре трубы, выполненной в виде колонной трубы 3. В частности, продольная ось 4 насосного устройства 2 расположена коаксиально продольной оси трубы, в данном случае колонной трубы 3. Осевой насос в контексте изобретения представляет собой насос, рабочее колесо которого создает осевой поток. Изобретение также может быть реализовано на радиально-осевом насосе, в котором применяется крыльчатка, по меньшей мере, частично создающая радиальный поток, отклоняемый в осевом направлении окружающей улиткой или направляющим каналом, либо направляющей трубкой соответственно. Таким образом, радиально-осевой насос представляет собой сочетание или компромисс между радиальным и осевым насосом. Насосное устройство 2 содержит впускной участок 5 на своем первом осевом конце, в данном случае нижнем конце, на котором вода поступает в насос. Внутри корпуса 6 насоса расположен участок рабочего колеса, имеющий лопатки диффузора и осевое рабочее колесо. Помимо этого насосное устройство 2 содержит улитку или направляющую трубку 7, конически расширяющуюся в направлении выпускного участка 8 насосного устройства 2. Кроме того, предусмотрен электрический двигатель 10, который может быть соединен с источником питания посредством кабелей 9, 9' электропитания. Направляющая трубка 7 на своем выпускном конце, в данном случае на своем верхнем конце, на выпускном участке 8 насосного устройства 2 оборудована упругим участком 12. Как хорошо видно на участке, обведенном кругом, на левой стороне чертежа, между упругим участком 12 и внутренней стенкой 13 колонной трубы 3 существует зазор 11. В процессе работы насосного устройства 2, когда текучая среда или вода поступает от впускного участка 5 через насосное устройство 2 в направлении выпускного участка 8, гидравлические силы заставляют упругий участок 12 отклониться радиально наружу к внутренней стенке 13 колонной трубы 3, чтобы в конечном счете соприкоснуться с внутренней стенкой 13 и закрыть зазор 11. Когда зазор 11 закрыт или хотя бы уменьшен по ширине благодаря отклонению упругого участка 12, турбулентность, которая обычно наблюдается в этой области, будет уменьшена или даже полностью исключена. Вместо этого, когда вода покидает насосное устройство 2 на выпускном участке 8, образуется ламинарный поток воды. Таким образом, потеря энергии вследствие турбулентности, которая иначе имела бы место, устраняется, при этом насосное устройство 2 может работать более эффективно.

На фиг. 2 показан вид в разрезе детали насосной системы 1, представленной на фиг. 1, иллюстрирующий конкретно область соединения между направляющей трубкой 7 и упругим участком 12. Направляющая трубка 7 и упругий участок 12 соединены друг с другом склеиванием между собой двух расположенных внахлест частей 14, 14' направляющей трубки 7 и упругого участка 12. Как можно видеть на этой фигуре, упругий участок 12 имеет первый осевой конец, а именно нижний конец 15, непосредственно смежно верхнему концу 16 направляющей трубки 7 с заходом на него, толщина которого больше, чем на втором осевом конце, а именно верхнем участке 17 упругого участка 12. Внутренняя поверхность 18 упругого участка 12 повторяет форму поверхности направляющей трубки 7 и, таким образом, не нарушает поток текучей среды или воды в процессе работы насосного устройства 2, когда поток мал и отклонение упругого участка 12 является малым или отсутствует вовсе.

На фиг. 3A-3D приведены четыре иллюстрации вариантов прохождения потока при наличии и отсутствии упругого участка 12 на направляющей трубке 7. В частности, на фиг. 3A показана насосная система 1 с насосным устройством 2 не по изобретению, где имеется направляющая трубка 7 без упругого участка 12, расположенная в колонной трубе 3. В данном случае насосное устройство 2 не работает, и поток воды отсутствует вовсе. Однако на фиг. 3B то же самое насосное устройство 2, которое показано на фиг. 3A, теперь работает, при этом вода перекачивается благодаря вращению лопаток 20 диффузора от впускного участка 5 к выпускному участку 8. В той области, где образован зазор 11 между внутренней стенкой 13 колонной трубы 3 и направляющей трубкой 7, возникает турбулентность 18. На фиг. 3C показана другая насосная система 1, отличающаяся от показанной на фиг. 3A тем, что согласно изобретению на верхнем конце 16 направляющей трубки 7 создан упругий участок 12. Когда насос не работает, как показано на фиг. 3C, между внутренней стенкой 13 колонной трубы 3 и упругим участком 12 по-прежнему существует зазор 11. Однако при работе насосного устройства 2, как показано на фиг. 3D, гидравлическая сила, создаваемая водой, поступающей от впускного участка 5 в направлении выпускного участка 8, поджимает упругий участок 12 в направлении внутренней стенки 13 колонной трубы 3, так что зазор 11 исчезает. Таким образом, вместо возникновения турбулентности 18 в этой области будет иметь место ламинарный поток 19 воды.

Группа изобретений относится к насосному устройству (2), устанавливаемому коаксиально в трубе (3), и насосной системе (1), содержащей насосное устройство (2). Насосное устройство (2) включает осевой или радиально-осевой насос, содержащий направляющую трубку (7), расположенную вокруг участка рабочего колеса насосного устройства (2). В установленном положении между верхним концом (16) направляющей трубки (7) на выпускном участке (8) насосного устройства (2) и колонной трубой (3) образован зазор (11). Направляющая трубка (7) имеет упругий участок (12) на своем выпускном конце. Упругий участок (12) выполнен с возможностью изгибания в радиальном наружном направлении к колонной трубе (3), чтобы, по меньшей мере, частично, в частном случае полностью, закрыть зазор (11) в процессе работы насосного устройства (2). Изобретения направлены на повышение эффективности работы насосного устройства (2) путем исключения возникновения турбулентности на выпускном участке (8). 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Насосное устройство (2), устанавливаемое коаксиально в трубе (3), содержащее осевой или радиально-осевой насос с направляющей трубкой (7), расположенной вокруг участка рабочего колеса насосного устройства (2), отличающееся тем, что направляющая трубка (7) имеет упругий участок (12) на своем выпускном конце (16), при этом упругий участок (12) выполнен с возможностью изгибания в радиальном наружном направлении.

2. Насосное устройство (2) по п. 1, отличающееся тем, что упругий участок (12) выполнен с возможностью изгибания гидравлическим давлением текучей среды, нагнетаемой к выпускному участку (8).

3. Насосное устройство (2) по п. 1 или 2, отличающееся тем, что упругий участок (12) выполнен с возможностью изгибания к внутренней стенке (13) окружающей трубы (3) при работе насосного устройства (2).

4. Насосное устройство (2) по п. 1, отличающееся тем, что упругий участок (12) выполнен с возможностью расширения.

5. Насосное устройство (2) по п. 1, отличающееся тем, что упругий участок (12) образован упругим кольцом, установленным на выпускном конце (16) направляющей трубки (8).

6. Насосное устройство (2) по п. 1, отличающееся тем, что упругий участок (12) выполнен с возможностью изгибания гидравлическим давлением, составляющим по меньшей мере 0,2 бар.

7. Насосное устройство (2) по п. 1, отличающееся тем, что насосное устройство (2) имеет наружный диаметр, при котором насосное устройство (2) встраивается в трубу, диаметр которой составляет от 300 мм до 2500 мм.

8. Насосное устройство (2) по п. 3, отличающееся тем, что упругий участок (12) имеет высоту такую, что при работе насосного устройства (2) обеспечивается возможность контакта с внутренней стенкой (13) трубы (3).

9. Насосное устройство (2) по п. 1, отличающееся тем, что упругий участок (12) выполнен из резины, в частности нитрилбутадиеновой резины или этилен-пропилен-диен-мономерной резины, или натурального каучука.

10. Насосное устройство (2) по п. 1, отличающееся тем, что твердость по Шору A упругого участка (12) составляет от 40 до 90.

11. Насосное устройство (2) по п. 1, отличающееся тем, что упругий участок (12) имеет первый осевой конец (15), смежный направляющей трубке (7), а также противоположный второй конец (17), при этом толщина упругого участка (12) на втором конце (17) ниже, чем на первом конце (15).

12. Насосное устройство (2) по п. 1, отличающееся тем, что упругий участок (12) соединен с направляющей трубкой (7) склеиванием или механическим соединением, в частности винтами или болтами.

13. Насосное устройство (2) по п. 1, отличающееся тем, что упругий участок (12) имеет две части, в частности две половины.

14. Насосная система (1), содержащая насосное устройство (2) по любому из пп. 1-13, а также окружающую трубу (3), при этом насосное устройство (2) установлено коаксиально в трубе (3).