Ступень центробежного насоса, центробежный насос и применение ступени насоса Российский патент 2018 года по МПК F04D1/06 F04D13/08 F04D29/42 F04D29/16 F04D7/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[01] Настоящее изобретение относится к ступени насоса для использования в центробежном насосе, в частности, погружного типа.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[02] Известно, что для переноса жидкости из нижнего пространства к более высокому пространству, как правило, используются, например, погружные насосы. Известные погружные насосы обычно имеют внешнюю трубчатую гильзу, снабженную множеством радиальных отверстий для входа текучей среды, обычно называемых всасывающими отверстиями, и отверстием для выхода жидкости, называемым выходным отверстием. Рабочие элементы насоса размещены внутри гильзы. Рабочие элементы состоят из насосного блока и блока двигателя, обычно электрического типа, пригодного для работы по передаче жидкости от всасывающих отверстий к выходному отверстию.

[03] Насосный блок обычно изготавливается из одной или нескольких ступеней, каждая из которых содержит вращающийся элемент, подходящий для приведения во вращение валом двигателя блока двигателя, и из стационарных элементов, подходящих для передачи жидкости от одной ступени к другой, до выходного отверстия.

[04] В патенте US7,290,984 описан, например, центробежный насос, имеющий несколько ступеней, в котором каждая ступень содержит узел рабочего колеса, узел неподвижного диска и диффузорный узел, расположенный вокруг вала двигателя или вала рабочего колеса. Более конкретно, узел диска расположен прилегающим к первой стороне узла рабочего колеса; диффузорный узел расположен прилегающим ко второй стороне узла рабочего колеса. Ступица рабочего колеса снабжена плавающими уплотнительными средствами, поддерживаемыми посредством диффузорного узла, подходящими для уменьшения рециркуляции жидкости. Упорная шайба, расположенная вокруг вала двигателя, подходит для зацепления ступицы рабочего колеса и цитированного средства ступицы рабочего колеса. Скользящее соединительное кольцо, закрепленное к узлу неподвижного диска, зацепляет соответствующую поверхность рабочего колеса.

[05] По существу, уплотнительные средства ступицы изготовлены из круглого фланца дискообразной формы, имеющего ряд радиальных выступов для соединения с соответствующими посадочными местами, образованными на корпусе диффузора вокруг проходного отверстия вала. Фланец охватывает чашеобразный участок ступицы, снабженный круглым отверстием в поперечной части.

[06] Особой проблемой, которую высказывали пользователи насосами известного типа, является прогрессирующее изнашивание подвижных частей, находящихся во взаимном контакте, в котором осуществляется уплотнение. В частности, рабочее колесо, как правило, поддерживается в опоре скольжения в кольцевой его части, на диске, обращенном к ней. Осевой толчок, который действует на рабочее колесо, действует также на диск, и за счет эффекта регулировочных прокладок, производимого функционированием, он вызывает прогрессирующее изнашивание деталей. Этот факт, очевидно, ограничивает срок службы насоса, особенно в присутствии песчинок в жидкости насоса.

[07] В патенте US3,265,001 описан многоступенчатый центробежный насос, в котором рабочее колесо каждой ступени поддерживается плавающим относительно диффузорного узла. Ступица рабочего колеса, на самом деле, установлена аксиально с возможностью скольжения на валу двигателя, с помощью которого она приводится во вращение; ход плавающего рабочего колеса ограничен подходящими стопорными средствами, например, кольцевой формы, установленными на валу двигателя. Рабочее колесо поддерживается в скользящем контакте вдоль кольцевого участка в цитируемой крышке диффузорного узла для создания уплотнительной зоны между вращающейся частью и неподвижной частью ступени. Более конкретно, рабочее колесо поддерживается посредством упорного подшипника, расположенного под ступицей того же рабочего колеса, поддерживаемого на посадочном месте нижележащего диффузора.

[08] Такое решение позволяет уменьшить износ рабочих элементов, в частности, в том случае, если песок или другие абразивные частицы присутствуют в перекачиваемой жидкости. Рабочее колесо, установленное плавающим, таким образом, позволяет препятствовать абразивным частицам задерживаться в зонах уплотнения скользящего контакта, предотвращая тем самым явление износа.

[09] В то же время необходимо ограничить, насколько это возможно, явление утечки жидкости из вращающейся на неподвижной части каждой ступени центробежного насоса, для того, чтобы предотвратить снижение производительности насоса. По этой причине, должно быть обеспечено достаточное уплотнение между вращающейся частью и неподвижной частью каждой ступени центробежного насоса.

[10] Решения, известные в конкретной области, не в полной мере удовлетворяют вышеуказанным потребностям.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[11] Задачей настоящего изобретения является решение вышеуказанных проблем путем разработки ступени насоса, которая обеспечивает высокий уровень производительности, а также длительную износостойкость при любых условиях функционирования.

[12] В пределах такой задачи имеется дополнительной объем настоящего изобретения, который обеспечивает ступень насоса с пониженным износом подвижных частей в контакте друг с другом, для обеспечения более длительного срока службы.

[13] Другой объем настоящего изобретения заключается в том, что обеспечивает ступень насоса, которая облегчает сборку насосного блока.

[14] Дополнительный объем изобретения заключается в том, что обеспечивает ступень насоса, имеющую простую, практичную и функциональную концепцию, обеспечивающую, безусловно, надежное функционирование, универсальность использования, а также относительные экономические издержки.

[15] Цитированные объемы достигаются согласно настоящему изобретению посредством ступени насоса согласно п.1 формулы изобретения.

[16] Согласно настоящему изобретению, ступень насоса содержит узел рабочего колеса, который поддерживается плавающим внутри связанного диффузорного узла через регулировочное кольцо, жестко установленное в осевой ступице узла рабочего колеса и поддерживаемое в опоре скольжения на шайбе, размещенной в неподвижном положении в соответствующем посадочном месте диффузорного узла смежной ступени насоса.

[17] Узел рабочего колеса находится в скользящем контакте вдоль кольцевого участка, продолжающегося на указанной второй поверхности, с аспирационной крышкой, связанной с указанным диффузорным узлом.

[18] Согласно предпочтительному аспекту изобретения, на этапе запуска или остановки, между указанным кольцевым участком узла рабочего колеса и указанной крышкой образуется незначительный люфт, например, для сведения к минимуму гидравлических потерь посредством приближения без контакта.

[19] Предпочтительно, указанный люфт равен нескольким десятым долям миллиметра.

[20] Предпочтительно, в конце указанного этапа запуска или остановки узел рабочего колеса находится в опоре с указанным регулировочным кольцом на указанной шайбе диффузорного узла смежной ступени насоса и указанным кольцевым участком на указанной крышке.

[21] Таким образом, гидравлический толчок, действующий на узел рабочего колеса, распределяется на две опорные поверхности, то есть крышку, на которой кольцевой участок рабочего колеса находится в опоре, и шайбу смежной ступени насоса, на которой регулировочное кольцо находится в опоре.

[22] Предпочтительно, регулировочное кольцо является выступающим частично из осевой ступицы узла рабочего колеса, и оно в осевом направлении пересекает указанную крышку диффузорного узла для зацепления в опоре скольжения указанной шайбы диффузорного узла, смежной ступени насоса.

[23] Предпочтительно, указанная шайба расположена в посадочном месте, изготовленном на круглом отверстии в осевом направлении, образованном в указанном диффузорном узле.

Предпочтительно, регулировочное кольцо выполнено из материала с низким коэффициентом трения и поддерживается в опоре скольжения на шайбе из металлического материала.

[25] Предпочтительно, регулировочное кольцо изготовлено из пластикового материала, например полимера, имеющего низкий коэффициент трения и высокую прочность, не требующего смазки.

[26] Предпочтительно, указанная шайба расположена в посадочном месте, изготовленном на круглом отверстии в осевом направлении, образованном в указанном диффузорном узле.

[27] Предпочтительно, крышка содержит диск из металлического или частично металлического материала, центрально имеющий круглое отверстие с приподнятым ободком, на котором указанный кольцевой участок указанного узла рабочего колеса находится в скользящем контакте.

[28] Настоящее изобретение также относится к центробежному насосу, содержащему насосный блок, изготовленный из множества ступеней насоса, как описано выше.

[29] Задачей изобретения также является применение ступени центробежного насоса, которая обеспечивает фазу запуска или остановки, в которой указанный узел рабочего колеса расположен в опоре с указанным регулировочным кольцом на указанной шайбе диффузорного узла смежной ступени насоса и в которой между указанным кольцевым участком узла рабочего колеса и указанной крышкой образован зазор. Ширина указанного зазора постепенно уменьшается из-за износа указанного регулировочного кольца до сведения на нет, при нормальном рабочем состоянии или скорости, при которых указанный кольцевой участок узла рабочего колеса находится в опоре на указанной крышке.

[30] Пуск насоса обусловливает незначительный износ регулировочного кольца, которое, таким образом, полируется и, таким образом, приобретает высокую износоустойчивость.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[31] Детали изобретения должны быть более очевидными из подробного описания предпочтительного варианта осуществления ступени насоса согласно изобретению, иллюстрированному в показательных целях на прилагаемых чертежах, на которых:

[32] Фиг.1 представляет вид осевого сечения ступени насоса согласно настоящему изобретению;

[33] Фиг.2 представляет покомпонентный общий вид той же ступени насоса;

[34] Фиг.3 представляет вид осевого сечения пары ступеней насоса в собранном положении.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[35] При подробном обращении к таким фигурам, ступень насоса для использования в центробежном насосе, в частности, погружного типа, известная сама по себе и поэтому не представленная на чертежах, была обозначена для большей ясности в ее полноте позицией 1.

[36] Ступень 1 насоса содержит узел 10 рабочего колеса, имеющего осевую ступицу 11, которая должна быть связана с валом двигателя электрического насоса, не представленного. Рабочее колесо 10 устанавливается плавающим внутри соответствующего диффузорного узла 20, с которым аспирационная крышка 30 составляет одно целое. Диффузорный узел 20 продолжается на первой поверхности узла 10 рабочего колеса; крышка 30 продолжается на противоположной второй поверхности узла рабочего колеса. В вертикальном рабочем положении первая поверхность узла 10 рабочего колеса расположена на верхней части, по существу, горизонтально, в то время как вторая поверхность расположена снизу.

[37] Более конкретно, узел 10 рабочего колеса состоит из верхней части 12, которая продолжается в поперечном направлении от осевой ступицы 11, и нижней части 13, по существу, дискообразной формы. Части 12, 13 узла 10 рабочего колеса, предпочтительно, изготовлены из пластикового материала, являющегося очень жестким и прочным, типа, например, полиоксиметилена и тому подобного. Верхняя часть 12 создает вышеуказанную первую поверхность узла 10 рабочего колеса; нижняя часть 13 создает вышеуказанную вторую поверхность узла 10 рабочего колеса. Верхняя часть 12 узла 10 рабочего колеса создает, в под углом распределенных положениях, ряд стенок 14, которые продолжаются спиралеобразно от центральной зоны к периферийной зоне узла 10 рабочего колеса. Стенки 14 составляют, во взаимодействии с нижней частью 13 узла 10 рабочего колеса, соответствующие проточные каналы 15 для перекачиваемой жидкости.

[38] Диффузорный узел 20 имеет внешний цилиндрический корпус 21, предпочтительно, выполненный из пластикового жесткого материала, например армированного термопластичного материала. Профилированная пластина 22, центрально имеющая круглое отверстие 23, продолжается от верхней части цилиндрического корпуса 21 по направлению к внутренней части. Над пластиной 22 образован ряд направляющих выступов 24 в под углом распределенных положениях, и продолжаются спиралеобразно от центральной зоны к периферийной зоне диффузорного узла 20. Направляющие выступы 24 формируют соответствующие проточные каналы 25 для перекачиваемой жидкости.

[39] Пластина 22 создает, в отверстии 23, посадочное место 26, служащее для размещения шайбы 27, предпочтительно, из металлического материала, например из нержавеющей стали. Шайба 27 имеет внутренний диаметр меньше, чем диаметр отверстия 23.

[40] Аспирационная крышка 30 имеет форму диска, центрально имеющего круглое отверстие 31; диск 30, предпочтительно, изготовлен из металлического или частично металлического материала, например из нержавеющей стали. В отверстии 31, диск 30 имеет зону, изогнутую наружу, подходящую для формирования ободка 32, приподнятого относительно плоскости того же диска 30. Диск 30 периферийно зацепляет соответствующий уступ, созданный вдоль нижней кромки цилиндрического корпуса 21 диффузорного узла 20.

[41] Регулировочное кольцо 40 находится ниже, связанным с осевой ступицей 11 узла 10 рабочего колеса, подходящим для зацепления, в схеме сборки, верхней поверхности шайбы 27 с функциями упорного подшипника. Регулировочное кольцо 40 является неподвижным к ступице 11. Более конкретно, регулировочное кольцо 40 вставлено в участок уменьшенного диаметра 16 ступицы 11 для получения в результате выступающей части из той же ступицы 11. Регулировочное кольцо 40, предпочтительно, изготовлено из пластикового материала, например полимера с низким коэффициентом трения, с большой износостойкостью, и не требующего смазки, типа простого полиэфира-эфир-кетона (PEEK).

[42] Функционирование ступени насоса легко понять из предшествующего описания.

[43] В схеме сборки внутри трубчатого корпуса насоса единичные ступени насоса, образующие насосный блок, соединяются друг с другом посредством последовательной вставки на элемент двигателя. Более конкретно, внешний цилиндрический корпус 21 диффузорного узла 20 вставляется в основание цилиндрического корпуса 21 нижележащего диффузорного узла (смотри фиг.3). В такой конфигурации диск 30, который снизу закрывает диффузорный узел 20, приводит к тому, чтобы заблокировать вплотную цилиндрический корпус 21 нижележащего диффузорного узла.

[44] Узел 10 рабочего колеса, расположенный внутри лопастной формы между диффузорным узлом 20 и диском 30 ступени насоса, находится в опоре через регулировочное кольцо 40 на шайбе 27, размещенной в соответствующем посадочном месте 26 нижележащего диффузорного узла. На практике, в схеме сборки, узел 10 рабочего колеса ступени насоса поддерживается в опоре скольжения на шайбе 27 диффузорного узла 20 нижележащей ступени насоса.

[45] Кроме того, нижняя часть 13 узла 10 рабочего колеса находится в скользящем контакте вдоль кольцевого участка 13а, по существу, внутреннего, с приподнятым ободком 32 диска 30, снизу закрывающего диффузорный узел 20.

[46] На практике, при использовании, узел 10 рабочего колеса поддерживается плавающим в отношении диффузорного узла 20 ступени насоса через регулировочное кольцо 40 из пластикового материала низкого трения, закрепленного к ступице 11 и поддерживаемого в опоре скольжения на металлической шайбе 27, закрепленной жестким образом на диффузорном узле нижележащей ступени насоса; при этом узел рабочего колеса находится в скользящем контакте вдоль внутреннего кольцевого участка 13а нижнего диска 13, с ободком 32 крышки 30 из металлического материала, диффузорного узла.

[47] Более конкретно, во время первой активации насоса, по существу, пуска, гидравлический толчок, действующий на узел 10 рабочего колеса, выдерживается регулировочным кольцом 40, поддерживаемым в опоре скольжения на металлической шайбе 27; в то время как между кольцевым участком 13а нижнего диска 13 рабочего колеса и ободком 32 крышки 30 имеется зазор, то есть незначительный люфт, например, равный нескольким десятым долям миллиметра, так что гидравлические потери от утечки сводятся к минимуму, даже без наличия контакта.

[48] Пуск насоса обусловливает возникновение небольшого износа на регулировочном кольце 40, которое, таким образом, полируется и, следовательно, приобретает высокую устойчивость к износу. Изнашивание регулировочного кольца 40 постепенно уменьшает зазор между кольцевым участком 13а нижнего диска 13 рабочего колеса и ободком 32 крышки 30, до тех пор, пока нижний диск 13 не входит в контакт с ободком 32 крышки 30. Таким образом, гидравлические потери от утечки практически полностью устраняются между двумя поверхностями уплотнения, тем самым улучшая скорость потока и характеристики гидравлического напора.

[49] Кроме того, таким образом, гидравлический толчок, который действует на узел 10 рабочего колеса, распределяется на крышку 30 диффузорного узла 20, тем самым снижая износ подвижных частей, находящихся в контакте. Это приводит к продлению срока службы насоса также в присутствии песчинок в перекачиваемой жидкости.

[50] Следует заметить, что даже в случае неправильной сборки, возможно, из-за физических дефектов, в случае если контакта между нижним диском 13 рабочего колеса и ободком 32 крышки 30 не происходит до контакта между регулировочным кольцом 40 и металлической шайбой 27, износ верхней прокладки будет вызывать постепенное опускание регулировочного кольца 40 на шайбу 27, балансируя снова осевой толчок.

[51] Ступень насоса согласно настоящему изобретению достигает, следовательно, сферы обеспечения высокого уровня производительности в любых условиях функционирования, а также легкости сборки насосного блока.

[52] Такой результат, по существу, получен благодаря идее изобретения изготавливать рабочие колеса 10 различных ступеней насоса плавающими по отношению к связанным диффузорам 20, с тем чтобы разделить осевые толчки на две опорные поверхности, крышку 30, которая поддерживает кольцевой участок 13а рабочего колеса, и шайбу 27 смежной ступени насоса, которая поддерживает регулировочное кольцо 40, тем самым оптимизируя люфт регулировочной прокладки в течение времени.

[53] Кроме того, это облегчает сборку различных ступеней насоса.

[54] Такое решение позволяет также получить более широкий допуск по отношению к концентричности различных компонентов, с преимуществом возможности обеспечения большего количества ступеней насоса.

[55] И наконец, ступень насоса согласно настоящему изобретению позволяет улучшить характеристики насоса, то есть обеспечить меньшее количество ступеней насоса при генерации такой же скорости потока.

[56] Следует заметить, что материалы, используемые для скользящих соединений между рабочим колесом 10 и диском 30 и между регулировочном кольцом 40 и шайбой 27, позволяют минимизировать эффекты трения, обеспечивая при этом эффективное уплотнение от жидкостного канала. Такие материалы, соответственно, выбраны также принимая во внимание возможное присутствие песчинок и т.п. в жидкости.

[57] Дополнительное преимущество, обеспечиваемое ступенью насоса согласно изобретению, обусловлено значительным упрощением системы внутреннего уплотнения и, таким образом, приводит к снижению затрат, которые это влечет за собой, а также с точки зрения сборки.

[58] Ступень насоса, описанная для показательной цели, допускает многочисленные модификации и вариации в соответствии с различными требованиями.

[59] На практике, вариант осуществления изобретения, используемые материалы, а также форма и размеры могут изменяться в зависимости от требований.

[60] Если технические характеристики, указанные в каждом пункте формулы изобретения, будут сопровождаться ссылочными позициями, такие ссылочные позиции были строго включены с целью углубления понимания формулы изобретения, и, следовательно, они не должны считаться ограничивающими каким-либо образом масштаб каждого элемента, определенного для иллюстративных целей такими ссылочными позициями.

Группа изобретений относится к ступени центробежного насоса, в частности погружного типа. Ступень насоса для центробежного насоса содержит узел (10) рабочего колеса, имеющего осевую ступицу (11), диффузорный узел (20) и крышку (30). Узел (10) поддерживается плавающим внутри узла (20). Регулировочное кольцо (40) связано с узлом (10) рабочего колеса и поддерживается в опоре скольжения на шайбе (27), расположенной в неподвижном положении в посадочном месте (26) узла (20) смежной ступени насоса. Узел (10) находится в скользящем контакте с крышкой (30) вдоль кольцевого участка (13а). На этапе запуска или остановки между участком (13а) узла (10) и крышки (30) предусмотрен незначительный люфт, такой чтобы минимизировать гидравлические потери от утечки без наличия контакта. Изобретения направлены на обеспечение высокого уровня производительности и длительной износоустойчивости при любых условиях функционирования. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ступень насоса для центробежного насоса, содержащая:

узел (10) рабочего колеса, снабженный осевой ступицей (11), выполненной с возможностью установки на валу насоса центробежного насоса, коаксиально с ним;

диффузорный узел (20), который продолжается на первой поверхности указанного узла (10) рабочего колеса;

аспирационную крышку (30), связанную с указанным диффузорным узлом (20) и продолжающуюся на второй поверхности указанного узла (10) рабочего колеса,

при этом указанный узел (10) рабочего колеса является плавающим внутри указанного диффузорного узла (20);

отличающаяся тем, что указанный узел (10) рабочего колеса связан с регулировочным кольцом (40), жестко установленным на указанной осевой ступице (11) и поддерживаемым в опоре скольжения на шайбе (27), расположенной в неподвижном положении в соответствующем посадочном месте (26) диффузорного узла (20) смежной ступени насоса;

при этом указанный узел (10) рабочего колеса находится в скользящем контакте с указанной крышкой (30) вдоль кольцевого участка (13а), продолжающегося на указанной второй поверхности, и на этапе запуска или остановки, между указанным кольцевым участком (13а) указанного узла (10) рабочего колеса и указанной крышки (30) предусмотрен незначительный люфт, такой чтобы минимизировать гидравлические потери от утечки без наличия контакта.

2. Ступень насоса по п. 1, отличающаяся тем, что указанное регулировочное кольцо (40) выступает частично от указанной осевой ступицы (11) узла (10) рабочего колеса и в осевом направлении пересекает указанную крышку (30) узла (10) рабочего колеса для зацепления в опоре скольжения указанной шайбы (27) диффузорного узла (20) смежной ступени насоса.

3. Ступень насоса по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в конце указанного этапа запуска или остановки указанный узел (10) рабочего колеса находится в опоре с указанным регулировочным кольцом (40) на указанной шайбе (27) диффузорного узла (20) смежной ступени насоса и с указанным кольцевым участком (13а) на указанной крышке (30).

4. Ступень насоса по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанное регулировочное кольцо (40) изготовлено из материала с низким коэффициентом трения и высоким сопротивлением к износу и поддерживается в опоре скольжения на указанной шайбе (27) из металлического материала.

5. Ступень насоса по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанная шайба (27) расположена в посадочном месте (26), образованном на круглом отверстии (23), в осевом направлении, образованном в указанном диффузорном узле (20).

6. Ступень насоса по п.1 или 2, отличающаяся тем, что крышка (30) содержит диск из металлического или частично металлического материала, центрально имеющий круглое отверстие (31) с приподнятым ободком (32), на котором указанный кольцевой участок (13а) указанного узла (10) рабочего колеса находится в скользящем контакте.

7. Центробежный насос, содержащий насосный блок, состоящий из множества ступеней насоса по одному из предшествующих пунктов.

8. Способ работы ступени центробежного насоса согласно одному или нескольким предшествующим пунктам, в котором указанный узел (10) рабочего колеса располагают в опоре с указанным регулировочным кольцом (40) на указанной шайбе (27) диффузорного узла (20) смежной ступени насоса, при этом между указанным кольцевым участком (13а) указанного узла (10) рабочего колеса и указанной крышкой (30) образован зазор, при этом ширина указанного зазора подвергается постепенному уменьшению посредством изнашивающего эффекта указанного регулировочного кольца (40) до снижения на нет в состоянии нормального функционирования или скорости, при котором указанный кольцевой участок (13а) указанного узла (10) рабочего колеса находится в опоре на указанной крышке (30).

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что посредством указанного эффекта износа на этапе запуска или остановки указанное регулировочное кольцо (40) полируется и поэтому приобретает высокую износостойкость.