ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ НАСОС И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО НАСОСА Российский патент 2024 года по МПК F04D7/04 

Данное изобретение касается циркуляционного насоса и способа определения состояния циркуляционного насоса.

Циркуляционные насосы находят широкое применение для транспортировки жидкости. При этом, в частности, в случае воды для технических целей или сточных вод зачастую в транспортируемой текучей среде содержатся загрязнения, которые в определенных обстоятельствах могут привести к забивке или к нежелательному снижению эффективности насоса. Обычно при этом чужеродные элементы наматываются вокруг оси или лопастей рабочего колеса, так что производительность насосной установки снижается. В экстремальных случаях такое наматывание чужеродного материала вокруг оси вращения рабочего колеса может привести к блокировке или т.п.

Из уровня техники, например, из WO 2008/119931 A2 известен способ распознавания такого нежелательного состояния, при котором контролируется потребление насосом тока, и при отклонениях от нормального значения делается заключение о забивке.

В публикации EP 2 538 085 A2 описана насосная установка с насосным устройством, в которой предусмотрен диагностический комплекс для определения рабочего режима насосного устройства.

В заявке JР 2010101192 A раскрыто устройство для прогнозирования количества эрозии в рабочем колесе турбины вследствие кавитации путем оценки изображения участка, в котором возникает кавитация.

Целью данного изобретения является обеспечение максимально простого и надежного определения состояния у циркуляционных насосов, чтобы можно было на ранней стадии распознать уже начинающиеся состояния забивки и предпринять соответствующие контрмеры.

Это достигается посредством насосной установки, которая обладает всеми признаками независимого пункта 1 формулы изобретения или с помощью способа, включающего в себя все этапы способа согласно независимому пункту 11 формулы изобретения.

Другие предпочтительные варианты выполнения изобретения, соответственно, модификации способа раскрыты в соответствующих зависимых пунктах формулы.

Согласно независимому пункту 1 формулы изобретения насосная установка для транспортировки жидкости, в частности, для транспортировки сточных вод или воды для технических целей содержит корпус насоса, и установленное в корпусе насоса с возможностью вращения рабочее колесо для транспортировки жидкости. Данное изобретение характеризуется тем, что имеется по меньшей мере один датчик, в частности, 3D-датчик для контроля поверхности рабочего колеса, причем этот по меньшей мере один датчик расположен на корпусе насоса и/или в нем.

Благодаря наличию датчика, зона действия которого ориентирована на рабочее колесо, непрерывно или повторно-кратковременным образом может контролироваться определенный участок рабочего колеса. С помощью блока предварительной обработки данных, который анализирует полученные с датчика изображения, затем может быть сделан вывод о наличии дефектного состояния, например, об угрозе забивки или об уже прогрессирующем налипании волокнистых веществ.

Благодаря опциональной 3D-функциональности датчик может получать информацию о налипающих или о находящихся перед рабочим колесом предметах, так что может быть сделано достоверноe заключение о наличии нежелательных предметов.

Так как именно при транспортировке воды для технических целей или же сточных вод обычно в транспортируемой при этом жидкости плавают небольшие или даже большие предметы твердой формы, то, как правило, одноразовое обнаружение такого предмета перед рабочим колесом не приведет к аварийному случаю. Более того, при этом для налипания волокнистых веществ характерно то, что твердое вещество на протяжении нескольких оборотов покрывает одну и ту же или подобную область поверхности рабочего колеса и не удаляется перекачиваемой жидкостью.

Согласно изобретению может быть предусмотрено, что указанный датчик предназначен для того, чтобы определять расстояние до рабочего колеса, предпочтительно с помощью времяпролетной технологии (Time-of-Flight-Technologie или ToF-Technologie).

Времяпролетная технология основывается, по существу, на измерении времени прохождения отправленного сигнала, так что с помощью измеренного времени прохождения отправленного сигнала можно довольно точно рассчитать расстояние от объекта до источника сигнала. В данном случае этот способ обладает большим преимуществом, так как для этой времяпролетной технологии имеются особенно износостойкие датчики, которые пригодны также для встраивания в циркуляционный насос и могут выдерживать господствующие там неблагоприятные условия.

Как уже кратко пояснялось выше, такое определение расстояния между датчиком и рабочим колесом, соответственно, налипающего на него объекта является эффективной возможностью обнаружить наличие предметов, вовлеченных в движение вокруг оси вращения рабочего колеса.

Согласно изобретению может быть предусмотрено, что указанный датчик предназначен для того, чтобы измерять расстояние до рабочего колеса с помощью метода разности фаз.

Согласно изобретению предлагается предпочтительно технология частотно-модулированной незатухающей волны (FMCW).

Согласно одной опциональной модификации данного изобретения может быть предусмотрено, что указанный датчик является оптическим датчиком, оптическим 2D-датчиком, оптическим 3D-датчиком, 2D-ультразвуковым датчиком, 3D-ультразвуковым датчиком, MIMO-радиолокационным датчиком (Multiple-Input Multiple-Output Radarsensor), 2D-лазерным датчиком расстояния и/или 3D-лазерным датчиком расстояния, предпочтительно по принципу триангуляции.

Согласно одному предпочтительному варианту выполнения изобретения рабочее колесо на своей поверхности может быть снабжено характерным рисунком, который при определенном угловом положении рабочего колеса может регистрироваться датчиком, предпочтительно при этом указанный рисунок является 2D-узором или 3D-узором.

Благодаря нанесению рисунка на рабочее колесо для датчика может облегчаться оптический контроль определенной области рабочего колеса, соответственно, за счет этого облегчается анализ создаваемых датчиком снимков. Так, характерный рисунок, согласованный с определенным типом датчика, может распознаваться гораздо проще, даже если сделанные снимки были получены не при оптимальных условиях или были частично закрыты имеющимися в транспортируемой жидкости частями. Так, транспортируемая текучая среда обычно содержит абсорбирующие частицы, которые ухудшают качество снимков. К тому же, несмотря на возможно происходящее освещение исследуемой области рабочего колеса мутная или загрязненная транспортируемая текучая среда может значительно снижать качество снимка. При этом является преимуществом использование характерного рисунка, так как он даже при неоптимальных условиях значительно облегчает получение заключения о наличии забивок или т.п.

Таким образом, сообразно с этим может быть предусмотрено, далее, что в корпусе и/или на корпусе насоса имеется осветительное средство, чтобы освещать зону действия датчика.

В частности, это полезно при использовании оптического датчика, которому для получения визуальной картины необходимо достаточное освещение.

Согласно одной опциональной модификации изобретения, при этом может быть предусмотрено, что указанное осветительное средство предназначено для того, чтобы выдавать повторно-кратковременные световые импульсы, причем эти выдаваемые повторно-кратковременные световые импульсы синхронизированы с частотой вращения насоса.

Так, световой импульс может создаваться только тогда, когда интересующая область рабочего колеса находится в зоне действия датчика, а после выхода из этой области снова может деактивироваться. Указанное освещение области снимка предпочтительно связано с частотой вращения насоса, так что не требуется никакого сложного устройства управления.

Далее, согласно изобретению, может быть предусмотрен микронасос для промывки поверхности датчика, чтобы активно удалять отходы, накапливающиеся перед поверхностью датчика. Этот микронасос представляет собой находящийся внутри корпуса насоса конструктивный узел, который, например, целенаправленно подает часть транспортируемой насосом жидкости на поверхность датчика, так что там не могут оседать никакие нежелательные отложения. Альтернативно такое нагружение поверхности датчика происходит не непрерывно, а лишь по мере необходимости. Таким образом, указанный микронасос в конечном счете предназначен для того, чтобы свободно опрыскивать поверхность датчика, так что там не смогут откладываться никакие мешающие отходы, или уже имеющиеся там отходы могут удаляться. Но микронасос может быть также интегрирован в датчик.

Еще одна альтернативная или дополнительная возможность освобождения поверхности датчика предоставляется с помощью ультразвукового микроактуатора, который предназначен для того, чтобы внешний корпус, соответственно, поверхность датчика приводить в ультразвуковое вибрационное движение. Это ведет к тому, что отложившийся на ней слой загрязнений разрушается, или слой загрязнений даже не сможет образоваться. Таким образом предотвращается также отложение нежелательных отходов на поверхности датчика.

Согласно изобретению, далее, может быть предусмотрено, что насос имеет всасывающий патрубок для всасывания транспортируемой жидкости, в частности, сточных вод или воды для технических целей, и дополнительный подводящий патрубок на стороне всасывания насоса для подачи чистой воды, чтобы по меньшей мере кратковременно снижать возможную мутность транспортируемой текучей среды в области рабочего колеса. Зачастую мутность текущей через насос жидкости ухудшает производительность датчика, так как тем самым сделанные снимки не могут быть использованы или имеют лишь ограниченную пригодность. Для того, чтобы определение состояния безукоризненно осуществлялось даже при очень сильно загрязненной жидкости, предусмотрено, что помимо всасывающего патрубка для всасывания перекачиваемой жидкости на стороне всасывания насоса расположен подводящий патрубок, по которому по мере необходимости, например, во время выполнения снимка с помощью датчика или незадолго перед этим в насос подается прозрачная жидкость, например, прозрачная вода. Это ведет к тому, что мутность жидкости по меньшей мере во время выполнения датчиком снимка кратковременно уменьшается, так что сделанные в это время снимки являются информативными.

Согласно одной модификации изобретения может быть предусмотрено, что подводящий патрубок предназначен для того, чтобы подавать прозрачную жидкость в зависимости от частоты вращения насоса. Это позволяет подавать прозрачную жидкость для уменьшения мутности вокруг области снимка, когда датчик производит съемку, и таким образом могут быть сделаны снимки лучшего качества.

В целом эти преимущества обеспечиваются, если наряду с всасывающим патрубком предусмотрен дополнительный подводящий патрубок для чистой воды или т.п.

При этом преимущество обеспечивается, если подводящий патрубок тоже помещен в корпус насоса, так как в этом случае расстояние до области снимка невелико, и перемешивание подведенной прозрачной жидкости еще не имело места в той мере, как это могло бы быть при более отдаленном размещении подводящего патрубка.

Далее, согласно изобретению, может быть предусмотрен блок управления, который соединен с датчиком и предназначен для того, чтобы оценивать полученные датчиком визуальные данные и на их основании делать заключение об обнаружении дефекта, в частности, забивки, налипания волокнистых веществ, кавитации, механических повреждений и/или вибраций.

Это происходит, например, тогда, когда на снимке детектируется, что рабочее колесо нельзя увидеть, но виден объект между рабочим колесом и датчиком.

Предпочтительно предусмотрено, что анализ сделанного датчиком снимка осуществляется с помощью искусственного интеллекта, предпочтительно на основе глубокого структурного обучения. Это повышает надежность при распознавании угрожающего или даже уже развившегося дефектного состояния, такого как налипание волокнистых веществ или забивка.

Данное изобретение касается также способа детектирования забивки циркуляционного насоса, в частности, в циркуляционном насосе согласно одному из вышеописанных вариантов, причем при этом способе датчик создает снимки рабочего колеса, и эти созданные датчиком данные, соответственно, снимки рабочего колеса анализируются блоком управления, чтобы сделать заключение об обнаружении дефекта, в частности, забивки, налипания волокнистых веществ, кавитации, механических повреждений и/или вибраций.

Предпочтительным в этом новом подходе является то, что компоненты для автоматизированной обработки изображений являются экономичными и очень высокопроизводительными, и больше не требуется – что обычно для уровня техники - создавать собственную логику, которая контролирует потребление насосом тока по отклонениям.

Согласно одной модификации указанного способа, может быть предусмотрено, что перед созданием снимков рабочего колеса на стороне всасывания насоса добавляется прозрачная жидкость, например, чистая вода, чтобы снизить возможную мутность находящейся в окружении рабочего колеса жидкость на момент съемки.

Предпочтительно может быть предусмотрено, что снимки датчика отражают определенную область рабочего колеса, снабженную характерным рисунком, так что заключение о наличии забивки или налипания волокнистых веществ может быть сформулировано легче, поскольку указанный рисунок в таком случае не может быть распознан совсем или распознается лишь с трудом. К тому же на рабочее колесо может наноситься специальный 2D- или 3D-узор, так что указанные снимки оценивать будет проще.

Кроме того, в этом способе может быть предусмотрено, что выполнение снимков может быть синхронизировано с частотой вращения рабочего колеса, чтобы непрерывно контролировать определенный участок или несколько определенных участков рабочего колеса с помощью датчика, предпочтительно повторно-кратковременным образом.

Далее, снимаемая область рабочего колеса перед съемкой может также освещаться с помощью источника света, так что эти снимки позволят провести анализ лучше и легче, в частности, при использовании указанного датчика как оптического датчика.

Далее, согласно изобретению, может быть предусмотрено, что действия обслуживающего насос персонала, такие как включение или выключение насоса и/или подтверждение ошибки, контролируются с помощью датчика, чтобы получить более достоверную информацию о текущем состоянии насоса.

Это имеет значение, в частности, для уменьшения суммарной вероятности ошибки, при которой зачастую вышедшие из строя датчики не отражают корректно текущее состояние. С помощью предлагаемого изобретением способа вероятность этого дополнительно снижается.

Другие преимущества, детали и признаки станут ясны из последующего описания прилагаемых чертежей. На чертежах показано следующее.

Фиг. 1 вид в разрезе предлагаемой изобретением насосной установки с датчиком,

Фиг. 2 вид в разрезе другого предлагаемого изобретением насоса с датчиком, и

Фиг. 3 вид в разрезе еще одного предлагаемого изобретением насоса с датчиком.

На Фиг. 1 показана установленная вертикально насосная установка 1 с имеющим проточную камеру 2 корпусом 3 насоса и установленным в ней рабочим колесом 4, которое при вращении вокруг своей оси A вращения транспортирует жидкость от своего всасывающего патрубка 5 к своему напорному патрубку 6.

Кроме того, в корпусе 3 насоса и/или на нем предусмотрен датчик 7, который направлен на поверхность рабочего колеса 4. Так, датчик 7 может распознать, имеется ли перед поверхностью рабочего колеса объект 8, снижающий производительность насоса 1. Обычно таким образом можно распознать угрозу забивки насоса 1 или сделать вывод о налипании волокнистых веществ.

Налипание волокнистых веществ означает при этом налипание на рабочее колесо 4 твердого вещества 8, которое не отдается на напорную сторону даже при продолжающемся вращении. Вследствие постоянного захватывания по пути транспортируемой жидкости на него налипают другие свободноплавающие элементы, так что хвост из волокнистых веществ растет, а производительность насоса 1 ухудшается все сильнее. Это может в итоге привести к полной забивке насоса 1.

Для того, чтобы распознать такое состояние на максимально ранней стадии, снимки, соответственно, собранная датчиком 7 информация отправляются на блок 9 управления по кабелю 10 или же беспроводным образом, так что там может иметь место соответствующий анализ. Это происходит предпочтительно с помощью искусственного интеллекта, причем здесь может использоваться также технология глубокого обучения.

При этом ожидаемый снимок поверхности рабочего колеса сопоставляется с фактическим снимком, причем на основании этого можно сделать вывод, возникло ли налипание волокнистых веществ или даже произошла забивка.

Для того, чтобы получить лучшее сопоставление, в представленном варианте выполнения на поверхность рабочего колеса 4 был нанесен рисунок 11, который особенно хорошо может распознаваться датчиком 7. Если датчик 7 сфотографировал рисунок 11, то может особенно хорошо распознаваться находящийся перед ним объект 8, что повышает надежность распознавания дефектного состояния.

При этом позиция 12 символично обозначает коммуникационный интерфейс, который при одной опциональной модификации изобретения может использоваться для того, чтобы передавать дальше результаты анализа.

Для того, чтобы определение состояния осуществлялось безупречно даже при очень загрязненной жидкости, может быть предусмотрено, что наряду с всасывающим патрубком 5 для всасывания перекачиваемой жидкости имеется расположенный на стороне всасывания насосной установки 1 подводящий патрубок 13, через который по мере необходимости, например, во время съемки или незадолго перед съемкой с помощью датчика 7 в насос 1 подается прозрачная жидкость, например, прозрачная вода.

На Фиг. 2 показан еще одни вариант выполнения насосной установки 1, при котором указанный датчик 7 расположен в области 14, смещенной назад из проточной камеры 2. Тем самым, датчик 7 находится в контакте с перекачиваемой средой, однако, лучше защищен от абразивного износа, механических ударов из-за содержащихся в среде твердых веществ, а также загрязнений и отложений. Указанная смещенная назад область показана на Фиг. 2 как вогнутость в корпусе насоса. Альтернативно эта смещенная назад область 14 может быть выполнена путем механической обработки, в частности, путем обработки резанием со снятием стружки внутренней стороны корпуса 3 насоса.

На Фиг. 3 показана вертикально установленная насосная установка 1, у которой датчик 7 установлен в крышке 15 для закрывания так называемого отверстия 16 для очистки. Благодаря этому можно отказаться от сверленого отверстия в корпусе 3 насоса.

Разумеется, в крышке 15 может быть предусмотрена смещенная назад область, подобная показанной на Фиг. 2 области 14. Далее, возможно, что показанные на Фиг. 1 и Фиг. 2 насосные установки 1 могут быть выполнены с крышкой 15 согласно Фиг. 3.

Для того, чтобы осветить зону действия датчика 7, может быть предусмотрено не показанное на чертежах осветительное средство в корпусе и/или на корпусе 3 насоса, или на самом датчике 7.

Размещение датчика 7, осветительного средства и/или микронасоса может предусматриваться к тому же в других пригодных для этого местах в корпусе 3 насоса или, соответственно, на корпусе 3 насоса, например, вблизи всасывающего патрубка 5 и/или вблизи напорного патрубка 6. На Фиг. 1 - Фиг. 3 соответственно показана одноступенчатая насосная установка с выходящим в радиальном направлении рабочим колесом 4. Данное изобретение может использоваться, например, также в насосной установке 1, которая выполнена многоступенчатой, и/или снабжена выходящим в осевом или полуосевом направлении рабочим колесом 4.

Подводящий патрубок 14, описанный в связи с Фиг. 1, может также использоваться в других вариантах выполнения насосных установок 1.

Данное изобретение касается насосной установки (1) для транспортировки жидкости, в частности для транспортировки сточных вод или воды для технических целей, причем насосная установка (1) содержит корпус (3) насоса и установленное в корпусе (3) насоса с возможностью вращения вокруг оси (А) вращения рабочее колесо (4) для транспортировки жидкости. Данное изобретение характеризуется тем, что имеется по меньшей мере один датчик (7), в частности 3D-датчик для контроля поверхности рабочего колеса, причем этот по меньшей мере один датчик размещен на корпусе насоса и/или в нем. 2 н. и 12 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Насосная установка (1) для транспортировки жидкости, в частности для транспортировки сточных вод или воды для технических целей, содержащая:

корпус (3) насоса, и

рабочее колесо (4) для транспортировки жидкости, установленное в корпусе (3) насоса с возможностью вращения вокруг оси (A) вращения,

отличающаяся тем, что содержит:

по меньшей мере, один датчик (7), в частности 2D или 3D-датчик для контроля поверхности рабочего колеса (4), причём указанный, по меньшей мере, один датчик (7) установлен на корпусе (3) насоса и/или в нём,

причём датчик (7) предназначен для определения расстояния до рабочего колеса (4) с помощью времяпролетной технологии, с помощью метода разности фаз или с помощью частотно-модулированной незатухающей волны.

2. Насосная установка (1) по п. 1, причём датчик (7) представляет собой оптический датчик, оптический 2D-датчик, оптический 3D-датчик, 2D-ультразвуковой датчик, 3D-ультразвуковой датчик, MIMO-радиолокационный датчик (Multiple-Input Multiple-Output Radarsensor), 2D-лазерный датчик расстояния и/или 3D-лазерный датчик расстояния, предпочтительно по принципу триангуляции.

3. Насосная установка (1) по п. 1 или 2, причём рабочее колесо (4) на своей поверхности снабжено характерным рисунком (11), который при определенном угловом положении рабочего колеса (4) может фиксироваться датчиком (7), предпочтительно при этом рисунок (11) представляет собой 2D-узор или 3D-узор.

4. Насосная установка (1) по п. 1 или 2, причём в корпусе, и/или на корпусе (3) насоса, или на самом датчике (7) предусмотрено осветительное средство, чтобы освещать зону действия датчика (7).

5. Насосная установка (1) по п. 4, причём осветительное средство предназначено для того, чтобы выдавать повторно-кратковременные световые импульсы, причём эти выдаваемые повторно-кратковременно световые импульсы синхронизированы с частотой вращения насоса.

6. Насосная установка (1) по п. 1, содержащая микронасос для промывки поверхности датчика (7) для активного удаления скапливающихся перед поверхностью датчика отходов.

7. Насосная установка (1) по п. 1 или 2, содержащая ультразвуковой микроактуатор для приведения внешнего корпуса, соответственно, поверхности 3D-датчика (7) в ультразвуковое вибрационное движение, чтобы мог разрушиться отложившийся на нём слой загрязнений, или слой загрязнений совсем не смог образоваться.

8. Насосная установка (1) по п. 1 или 2, содержащая всасывающий патрубок (5) для всасывания транспортируемой жидкости, в частности сточных вод или воды для технических целей, и дополнительный подводящий патрубок (14) на стороне всасывания насоса (1) для подачи чистой воды, чтобы, по меньшей мере, кратковременно уменьшать возможную мутность транспортируемой текучей среды в области рабочего колеса (4).

9. Насосная установка (1) по п. 1 или 2, содержащая блок (9) управления, который соединен с датчиком (7) и предназначен для того, чтобы оценивать полученные от датчика (7) данные и на основании этого делать вывод об обнаружении дефекта, в частности забивки, налипания волокнистых веществ, кавитации, механических повреждений и/или вибрации.

10. Способ детектирования забивки насосной установки (1) по любому из предыдущих пунктов, причём в этом способе датчик (7), в частности 2D- или 3D-датчик создает снимки рабочего колеса (4), и полученные датчиком (7) данные о рабочем колесе (4) оцениваются с помощью блока (9) управления, чтобы вынести заключение об обнаружении дефекта, в частности забивки, налипания волокнистых веществ, кавитации, механических повреждений и/или вибрации.

11. Способ по п. 10, причём незадолго до проведения съемки рабочего колеса (4) на стороне всасывания насосной установки (1) добавляется чистая вода, чтобы на момент съёмки уменьшить возможную мутность находящейся в окружении рабочего колеса (4) жидкости.

12. Способ по п. 10 или 11, причём снимки датчика (7) отображают определенную область рабочего колеса (4), которая снабжена характерным рисунком (11), так, чтобы заключение о наличии забивки или о налипании волокнистых веществ сделать легче, поскольку указанный рисунок (11) в таком случае либо совсем нельзя распознать, либо можно, но с трудом.

13. Способ по п. 10 или 11, причём создание снимков синхронизируется с частотой вращения рабочего колеса (4), чтобы с помощью датчика (7) непрерывно контролировать определённый участок или несколько определённых участков рабочего колеса (4), предпочтительно повторно-кратковременным образом.

14. Способ по п. 10 или 11, причём действия обслуживающего персонала насосной установки (1), например включение или выключение насосной установки (1), и/или подтверждение дефекта контролируется с помощью датчика (7), чтобы получать более достоверные сведения о текущем состоянии.