НАСОС Российский патент 2019 года по МПК F04D29/41 F04D29/47 

Изобретение относится к насосостроению, в частности к конструкциям насосов с устройствами пуска (остановки).

Известен насос (авторское свидетельство СССР №1789764, МКИ (5) F04D 29/04, опубл. 23.01.1993 «Насос»), содержащий разгрузочный диск со ступицей, неподвижное кольцо, образующее с разгрузочным диском разгрузочную камеру, сообщенную с зоной высокого давления, торцовую дроссельную щель, посредством которой разгрузочная камера сообщена с камерой низкого давления, и подшипник скольжения, включающий корпус со сливными пазухами и цапфу, установленную на валу.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится отсутствие подъемной силы радиального подшипника скольжения при пуске (остановке), а также гарантированного отжима ротора и, следовательно, зазора между разгрузочным диском и неподвижным кольцом.

Наиболее близкой к полезной модели устройством того же назначения по совокупности признаков является насос (Богун B.C., Войков С.Н., Дудкин А.А. Насос. Патент Российской Федерации на изобретение №2187712), содержащий рабочие колеса, образующие с уплотнительными кольцами радиальные зазоры δ_К (на чертеже показаны, но не обозначены), разгрузочный диск со ступицей, образующей с неподвижным кольцом, установленным на крышку насоса, радиальный зазор δ_р (на чертеже показан, но не обозначен) и торцовую дросселирующую щель Щ₁, подшипник скольжения, включающий корпус, на котором установлена крышка с прикрепленным к ней кольцом, цапфа подшипника, установленная на валу, выполнена составной по длине, а в полость между частями цапфы подведена жидкость, причем первая часть цапфы, расположенная со стороны разгрузочного диска, выполнена меньшего диаметра, чем вторая часть цапфы, расположенная со стороны свободного конца вала и имеющая торцовый поясок, образующий с кольцом дополнительную дросселирующую щель Щ₂, при этом первая часть цапфы и первая втулка, установленная на корпусе, имеют радиальный зазор δ₁ (на чертеже показан, но не обозначен), а вторая часть цапфы и вторая втулка, установленная на корпусе подшипника, имеют радиальный зазор δ₂ (на чертеже показан, но не обозначен). Данная конструкция насоса выбрана в качестве прототипа для заявляемого объекта.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что подшипник скольжения образован первой частью цапфы меньшего диаметра и первой втулкой с радиальным зазором δ₁, который является минимальным по сравнению с зазорами δ_К между рабочими колесами и уплотнительными кольцами, δ_Р между разгрузочным диском и неподвижным кольцом, δ₂ между второй часть цапфы большего диаметра и второй втулкой. На режимах пуска (остановки) при нестабильности давления жидкости, подводимой к подшипнику, и давления за подшипником, возможно снижение перепада давления на подшипнике, что снижает радиальную подъемную силу в подшипнике, поддерживающую массу ротора, в результате чего происходит задевание в зазоре δ₁ первой части цапфы за первую втулку. При этом происходит износ контактных поверхностей первой части цапфы и первой втулки, возможно заклинивание в подшипнике, что снижает надежность и ресурс насоса в целом. В то же время на режимах пуска (остановки) насоса возможно сочетание осевых сил, действующих на ротор, когда вторая часть цапфы своим упорным пояском будет прижата к кольцу, прикрепленному к крышке подшипника. В результате контакта указанных деталей, когда зазор Щ₂ равен нулю, при вращении ротора будет идти их повышенный износ, снижение ресурса деталей и насоса в целом.

В прототипе отсутствует возможность подцентровки подшипника скольжения, т.е. выставить концентрично зазор δ₁ относительно зазоров δ₂, δ_Р и δ_К, что ухудшает динамические характеристики ротора и повышает виброактивность насоса, способствует возможности задеваний в указанных зазорах, снижает ресурсную работу деталей, надежность и длительный ресурс работы насоса в целом. Для снижения вероятности задеваний в зазорах δ₂, δ_Р и δ_К в прототипе приходится увеличивать эти зазоры, что ведет к снижению экономичности насоса.

В прототипе отсутствует возможность мониторинга и диагностики подшипника скольжения, например, по состоянию зазора в подшипнике, защиты по повышению температуры и уровней вибрации подшипника, а также отсутствует возможность мониторинга и защиты по осевому положению ротора насоса.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются:

- снижение вероятности задевания в подшипнике скольжения;

- повышение износостойкости и ресурса деталей подшипника скольжения;

- повышение износостойкости и ресурса второй части цапфы и кольца;

- улучшение динамики ротора и снижение виброактивности насоса;

- повышение экономичности насоса;

- ведение мониторинга и диагностики состояния подшипника скольжения, защита по повышению температуры и уровней вибрации подшипника;

- ведение мониторинга и защиты по осевому положению ротора насоса;

- повышение надежности и ресурса насоса в целом.

Технический результат, который получен при реализации изобретения, заключается в снижении вероятности задевания в подшипнике скольжения, повышении износостойкости и ресурса деталей подшипника скольжения, в повышении износостойкости и ресурса второй части цапфы и кольца, в возможности мониторинга и диагностики подшипника скольжения и защите его по температуре и уровню вибрации, в возможности мониторинга и защиты по осевому положению ротора насоса, а также в повышении экономичности, надежности и ресурса насоса в целом.

Указанный технический результат достигается тем, что насос, содержащий рабочие колеса, образующие с уплотнительными кольцами радиальные зазоры δ_К, разгрузочный диск со ступицей, образующей с неподвижным кольцом, установленным в крышку насоса, радиальный зазор δ_Р, подшипник скольжения, включающий корпус, на котором установлена крышка с прикрепленным к ней кольцом, цапфа подшипника, установленная на валу, выполнена составной по длине, причем первая часть цапфы, расположенная со стороны разгрузочного диска, выполнена меньшего диаметра, чем вторая часть цапфы, расположенная со стороны свободного конца вала и имеющая торцовый поясок, причем первая часть цапфы и первая втулка, установленная на корпусе, имеют радиальный зазор δ₁, а вторая часть цапфы и вторая втулка, установленная на корпусе подшипника, имеют радиальный зазор δ₂, согласно изобретению подшипник скольжения образован второй частью цапфы большего диаметра и второй втулкой, а радиальный зазор δ₂ в подшипнике скольжения связан с остальными радиальными зазорами соотношением:

δ₂<δ₁, а δ₁≈δ_Р≈δ_К

при этом в подшипнике скольжения вторая часть цапфы по поверхности наружного диаметра имеет антифрикционное покрытия, а охватывающая вторую часть цапфы вторая втулка имеет упрочненную поверхность по внутреннему диаметру с твердостью не менее HRC_Э 40, причем, кольцо, расположенное на крышке подшипника скольжения изготавливается из антифрикционного материала или имеет антифрикционное покрытие, а торцовый поясок второй части цапфы имеет упрочненную поверхность с твердостью не менее HRC_Э 40, причем на поверхности торцового пояска второй части цапфы выполнены радиальные канавки. Или на торцовой поверхности второй части цапфы, со стороны свободного конца вала, может быть установлено второе кольцо, имеющее со стороны кольца, прикрепленного к крышке подшипника, упрочненную торцовую поверхность твердостью не менее HRC_Э 40 и радиальные канавки. В корпусе подшипника скольжения установлены радиально центровочные болты, упирающиеся в наружную поверхность второй втулки, а с торцовой поверхности вторая втулка закреплена к корпусу фиксирующими штифтами. В корпусе подшипника скольжения выполнены одно или несколько радиальных отверстий, а в отверстия вставлены датчики измерения температуры жидкости на выходе из подшипника скольжения. В крышке подшипника скольжения выполнено осевое отверстие для отбора давления жидкости за радиальным подшипником скольжения на датчик измерения перепада давления, причем по второй линии на датчик поступает импульс давления от трубопровода подвода жидкости к подшипнику скольжения. На корпусе подшипника скольжения установлен блок датчиков измерения вибрации для мониторинга и защиты по уровням вибрации. На крышке подшипника скольжения установлен блок датчиков близости для мониторинга осевого положения ротора (зазоры Щ₁ и Щ₂) и введения защиты.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 изображен насос (продольный разрез), на фиг. 2 изображен фрагмент А насоса, на фиг. 3 изображен фрагмент Б при варианте выполнения с установкой второго кольца, на фиг. 4 изображен разрез В-В.

Насос содержит рабочие колеса 1, установленные на валу 22, образующие с уплотнительными кольцами 2 радиальные зазоры δ_К, разгрузочный диск 3, установленный на валу 22, со ступицей 4, образующей с неподвижным кольцом 5, установленным в крышку насоса 6, радиальный зазор δ_Р и торцовую дросселирующую щель Щ₁ Подшипник скольжения, включает в себя корпус 7, на котором установлена крышка 8 с прикрепленным к ней кольцом 9, цапфа подшипника, установленная на валу 22, выполнена составной по длине, причем в полость 24 между частями цапфы по трубопроводу 29 подведена жидкость. Первая часть 10 цапфы, расположенная со стороны разгрузочного диска, выполнена меньшего диаметра, чем вторая часть 11 цапфы, расположенная со стороны свободного конца вала 22 и имеющая торцовый поясок 12, образующий с кольцом 9 дополнительную дросселирующую щель Щ₂, сообщенную со сливной пазухой 23 в крышке 8 подшипника скольжения, причем первая часть 10 цапфы и первая втулка 13, установленная на корпусе 7 подшипника скольжения, имеют радиальный зазор δ₁, а вторая часть 11 цапфы и вторая втулка 14, установленная на корпусе 7 подшипника скольжения, имеют радиальный зазор δ₂ и образуют подшипник скольжения, причем радиальный зазор δ₂ связан с остальными радиальными зазорами соотношением:

δ₂<δ₁, a δ₁≈δ_Р≈δ_К

при этом в подшипнике скольжения вторая часть цапфы 11 по поверхности наружного диаметра имеет антифрикционное покрытие 15, например фенольный углепластик, а охватывающая вторую часть цапфы вторая втулка 14 имеет упрочненную поверхность по внутреннему диаметру с твердостью не менее HRC_Э 40, причем, кольцо 9, расположенное на крышке 8 подшипника скольжения изготовлено из антифрикционного материала или имеет антифрикционное покрытие 16, например фенольный углепластик, а торцовый поясок 12 второй части 11 цапфы имеет упрочненную поверхность с твердостью не менее HRC_Э 40, причем на поверхности торцового пояска второй части цапфы имеются радиальные канавки 17.

Как вариант, на торцовой поверхности второй части 11 цапфы, со стороны свободного конца вала, может быть установлено второе кольцо 28, имеющее со стороны кольца 9, прикрепленного к крышке 8 подшипника скольжения, упрочненную торцовую поверхность с твердостью не менее HRC_Э 40 и радиальные канавки 17.

Как вариант в корпусе 7 подшипника скольжения могут быть установлены радиально центровочные болты 20, упирающиеся в наружную поверхность второй втулки 14, которая установлена в корпусе 7 с радиальным зазором, а с торцовой поверхности вторая втулка 14 закреплена к корпусу 7 фиксирующими штифтами 21.

Как вариант в корпусе 7 подшипника скольжения и в установленной в нем второй втулке 14 могут быть выполнены одно или несколько радиальных отверстий 18, причем, в отверстия вставлены датчики 19 измерения температуры жидкости на выходе из подшипника скольжения.

Как вариант в крышке 8 подшипника скольжения, может быть выполнено осевое отверстие 25 для отбора давления жидкости, за радиальным подшипником скольжения, на датчик измерения перепада давления 26, причем по второй линии 27 на датчик измерения перепада давления 26 поступает импульс давления от трубопровода 29 подвода жидкости к подшипнику скольжения для выполнения диагностики состояния зазора в подшипнике.

Как вариант на корпусу 7 подшипника скольжения установлен блок датчиков 30 измерения вибрации для мониторинга и защиты подшипника по уровням вибрации. На крышке 8 подшипника скольжения установлен блок датчиков близости 31 для мониторинга осевого положения ротора (зазоры Щ₁ и Щ₂) и введения защиты.

Насос работает следующим образом. Поскольку радиальный зазор δ₂ между второй частью 11 цапфы и второй втулкой 14 меньше всех остальных радиальных зазоров: δ₂<δ₁, a δ₁≈δ_Р≈δ_К, перед пуском насоса ротор второй частью 11 цапфы опирается на вторую втулку 14 и зазор δ₂ в нижней точке равен нулю. В полость 24 между первой 10 и второй 11 частями цапфы по трубопроводу 29 подводится жидкость от постороннего источника (на чертеже не показан). В результате протекания жидкости через зазор δ₂ в подшипнике скольжения возникает гидростатическая сила, направленная вверх, которая стремится поднять ротор насоса, образуя минимальный зазор в нижней части подшипника. С образованием определенного зазора в нижней части подшипника, сила от массы ротора насоса уравновешивается гидростатической силой жидкости, возникающей в подшипнике, а ротор насоса перед пуском (остановкой) имеет гарантированный зазор между второй частью 11 цапфы и второй втулкой 14. В случае, когда при пуске (остановке) величина гидростатической силы недостаточна для уравновешивания массы ротора (низкое давление перед подшипником или высокое давление за подшипником), происходит задевание второй части 11 цапфы за вторую втулку 14. Однако, благодаря тому,что вторая часть 11 цапфы по наружному диаметру имеет антифрикционное покрытие 15, а охватывающая ее вторая втулка 14 имеет упрочненную поверхность по внутреннему диаметру с твердостью не менее HRC_Э 40, износ их контактных поверхностей минимален.

После подшипника скольжения жидкость проходит через дополнительную дросселирующую щель Щ₂, образованную торцовым пояском 12 второй части 11 цапфы и кольцом 9, сообщенную со сливной пазухой 23 в крышке 8 подшипника скольжения. В результате дросселирования давления жидкости, протекающей через зазор 5 г подшипника скольжения, создается перепад давления и на второй части 11 цапфы возникает осевая сила, которая перемещает ротор насоса в сторону кольца 9. Равновесное положение ротора насоса обеспечивается за счет изменения осевой силы, действующей на вторую часть 11 цапфы, в результате изменения зазора Щ₂ и, как следствие, изменение давления в полости после подшипника перед входом жидкости в щель Щ₂. Таким образом, перед пуском (остановкой) насоса обеспечивается гарантированный зазор Щ₁ и отсутствие касания разгрузочного диска 3 с неподвижным кольцом 5.

В то же время, в аварийной ситуации в режиме пуска (остановки) при прижатии торцового пояска 12 к кольцу 9 и закрытии зазора Щ₂ проток жидкости будет осуществляться по радиальным канавкам 17, выполненным на поверхности торцового пояска 12 второй части 11 цапфы, обеспечивая протекание жидкости через подшипник скольжения и его работу, причем применение кольца 9 из антифрикционного материала или наличие на кольце 9 антифрикционного покрытия 16, а на торцовом пояске 12 второй части 11 цапфы упрочненной поверхности с твердостью не менее HRC_Э 40 обеспечит минимальный износ их поверхностей при контакте.

В варианте установки на торцовой поверхности второй части 11 цапфы, со стороны свободного конца вала, второго кольца 28, имеющего со стороны кольца 9, прикрепленного к крышке 8 подшипника скольжения, упрочненную торцовую поверхность с твердостью, не ниже HRC_Э 40 и радиальные канавки 17, что дает возможность проводить (при необходимости) замену второго кольца 28.

В варианте установки в корпусе 7 подшипника скольжения центровочных болтов 20, которые упираются в наружную поверхность второй втулки 14, причем, вторая втулка 14 установлена в корпусе 7 с радиальным зазором, а с торцовой поверхности вторая втулка 14 закреплена к корпусу 7 подшипника скольжения фиксирующими штифтами 21, это дает возможность подцентровки подшипника скольжения. При сборке насоса вторая втулка 14 перемещается радиально относительно корпуса 7 подшипника скольжения с помощью центровочных болтов 20, и, следовательно, появляется возможность установить зазор δ₂ концентрично зазорам δ₁, δ_Р и δ_К. Штифты 21 устанавливаются для фиксации выбранного положения второй втулки 14, что обеспечивает хорошие динамические характеристики ротора и снижение виброактивности насоса, отсутствие задеваний в указанных зазорах, ресурсную работу деталей, надежность и длительный ресурс работы насоса в целом. Введение подцентровки подшипника скольжения дает возможность уменьшить зазоры δ_К, δ_Р, δ₁ и δ₂ и повысить экономичность насоса.

В варианте применения датчиков 19 измерения температуры жидкости на выходе из подшипника скольжения, установленных в отверстиях 18 в корпусе 7 подшипника скольжения, жидкость проходит через зазор δ₂ подшипника скольжения и регистрируется датчиком 19 измерения температуры жидкости. В аварийной ситуации при задеваниях в подшипнике скольжения второй части 11 цапфы за вторую втулку 14 происходит нагрев протекающей в зазоре δ₂ жидкости, что регистрируется датчиком 19 измерения температуры жидкости. Таким образом, появляется возможность мониторинга подшипника и отключения насоса в аварийных ситуациях, что повышает надежность и ресурс насоса в целом.

В варианте выполнения осевого отверстия 25 в крышке 8 подшипника скольжения происходит отбор давления жидкости на выходе из подшипника на датчик 26 измерения перепада давления, причем по второй линии 27 на датчик 26 измерения перепада давления поступает импульс давления от трубопровода 29 подвода жидкости к подшипнику скольжения для диагностики состояния зазора в подшипнике.

В варианте установки на корпусе 7 подшипника скольжения блока датчиков 30 происходит измерение вибрации для мониторинга и защиты подшипника по уровням вибрации. Установка на крышке 8 подшипника скольжения блока датчиков близости 31 обеспечивает мониторинг осевого положения ротора (зазоры Щ₁ и Щ₂) и введение защиты по осевому положению ротора насоса.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует, что заявленное изобретение при его использовании выполняется следующие поставленные задачи:

- снижение вероятности задевания в подшипнике скольжения; -повышение износостойкости и ресурса деталей подшипника скольжения;

- повышение износостойкости и ресурса второй части цапфы и кольца;

- улучшение динамики ротора и снижение виброактивности насоса;

- повышение экономичности насоса;

- введение мониторинга и диагностики состояния подшипника, защиты по температуре и уровням вибрации; ведение мониторинга и защиты по осевому положению ротора насоса;

- повышение надежности и ресурса насоса в целом.

Кроме того, комплексное решение проблем надежности, виброактивности и ресурса, насоса сокращает время и стоимость его технического обслуживания.

Изобретение относится к насосостроению, в частности, к насосам с устройствами пуска (остановки). Насос содержит рабочие колеса, образующие с уплотнительными кольцами радиальные зазоры δ_К, разгрузочный диск со ступицей, образующей с неподвижным кольцом (5), установленным в крышку насоса, радиальный зазор δ_р, подшипник скольжения, включающий корпус, на котором установлена крышка (8) с прикрепленным к ней кольцом (9). Цапфа подшипника установлена на валу и выполнена составной по длине. Первая часть цапфы, расположенная со стороны разгрузочного диска, выполнена меньшего диаметра, чем вторая часть цапфы, расположенная со стороны свободного конца вала и имеющая торцевой поясок. Первая часть (10) цапфы и первая втулка (13), установленная на корпусе, имеют радиальный зазор δ₁. Вторая часть (11) цапфы, имеющая больший диаметр, и вторая втулка (14), установленная на корпусе подшипника, имеют радиальный зазор δ₂ и образуют подшипник скольжения. Зазоры связаны соотношениями: δ₂<δ₁, a δ₁≈δ_р≈δ_К. Часть (11) цапфы по поверхности наружного диаметра имеет антифрикционное покрытие, а втулка (14) имеет упрочненную поверхность по внутреннему диаметру с твердостью не менее HRC_Э 40. Кольцо (9), расположенное на крышке (8), изготовлено из антифрикционного материала или имеет антифрикционное покрытие. Торцевой поясок (12) части (11) имеет упрочненную поверхность с твердостью не менее HRC_Э 40. На поверхности пояска (12) выполнены радиальные канавки. Технический результат, который получен при реализации изобретения, заключается в снижении вероятности задевания в подшипнике скольжения, повышении износостойкости и ресурса его деталей, в возможности мониторинга и диагностики подшипника и защите его по температуре, в повышении износостойкости и ресурса второй части цапфы и кольца, а также в повышении экономичности, надежности и ресурса насоса в целом. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Насос, содержащий рабочие колеса, образующие с уплотнительными кольцами радиальные зазоры δ_K, разгрузочный диск со ступицей, образующей с неподвижным кольцом, установленным в крышку насоса, радиальный зазор δ_P, подшипник скольжения, включающий корпус, на котором установлена крышка с прикрепленным к ней кольцом, цапфа подшипника, установленная на валу, выполнена составной по длине, причем первая часть цапфы, расположенная со стороны разгрузочного диска, выполнена меньшего диаметра, чем вторая часть цапфы, расположенная со стороны свободного конца вала и имеющая торцовый поясок, причем первая часть цапфы и первая втулка, установленная на корпусе, имеют радиальный зазор δ₁, а вторая часть цапфы и вторая втулка, установленная на корпусе подшипника, имеют радиальный зазор δ₂, отличающийся тем, что подшипник скольжения образован второй частью цапфы большего диаметра и второй втулкой, а радиальный зазор δ₂ в подшипнике скольжения связан с остальными радиальными зазорами соотношением:

δ₂<δ₁; а δ₁≈δ_P≈δ_K,

при этом в подшипнике скольжения вторая часть цапфы по поверхности наружного диаметра имеет антифрикционное покрытие, а охватывающая вторую часть цапфы вторая втулка имеет упрочненную поверхность по внутреннему диаметру с твердостью не менее НRС_Э 40, причем кольцо, расположенное на крышке подшипника скольжения, изготавливается из антифрикционного материала или имеет антифрикционное покрытие, а торцовый поясок второй части цапфы имеет упрочненную поверхность с твердостью не менее НRС_Э 40, причем на поверхности торцового пояска второй части цапфы выполнены радиальные канавки.

2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что на торцовой поверхности второй части цапфы, со стороны свободного конца вала, вместо упрочнения поверхности торцового пояска второй части цапфы и выполнения радиальных канавок может быть установлено второе кольцо, имеющее со стороны кольца, прикрепленного к крышке подшипника, упрочненную торцовую поверхность твердостью не менее 40 НRСэ и радиальные канавки.

3. Насос по п. 1, отличающийся тем, что в корпусе подшипника скольжения установлены радиально центровочные болты, упирающиеся в наружную поверхность второй втулки, а с торцовой поверхности вторая втулка закреплена к корпусу фиксирующими штифтами.

4. Насос по п. 1, отличающийся тем, что в корпусе подшипника скольжения выполнены одно или несколько радиальных отверстий, а в отверстия вставлены датчики измерения температуры жидкости на выходе из подшипника скольжения.

5. Насос по п. 1, отличающийся тем, что в крышке подшипника скольжения выполнено осевое отверстие для отбора давления жидкости за радиальным подшипником скольжения на датчик измерения перепада давления, причем по второй линии на датчик измерения перепада давления поступает импульс давления от трубопровода подвода жидкости к подшипнику скольжения.

6. Насос по п. 1, отличающийся тем, что на корпусе подшипника скольжения установлен блок датчиков измерения вибрации, а на крышке подшипника скольжения установлен блок датчиков близости для измерения осевого положения ротора насоса.