Відцентровий лопасний насос, його робоче колесо та вузел торцьового ущільнення валу насосу

Группа изобретений относится к области машиностроения, а именно - к насосостроению, и может быть использована для усовершенствования конструкции горизонтальных центробежных лопастных насосов для перекачивания жидкостей с различными физико-химическими свойствами в различных отраслях народного хозяйства, преимущественно в свеклосахарном производстве. Надежность таких насосов характеризуется рядом показателей, среди которых выделяют: - величину удельной протечки, т.е. протекания в единицу времени, рабочей жидкости через уплотнение, л/ч; - гарантийный срок, в течение которого величина указанной удельной протечки не превышает заданного критического значения, ч; - наработку (ресурс) на отказ, ч; - ремонтопригодность (трудозатраты на ремонт и техническое обслуживание). Известен центробежный лопастной насос, содержащий корпус со спиральным отводом, всасывающим и нагнетательным патрубками, передней и задней торцовыми стенками, рабочим органом, имеющим вал, рабочее колесо на валу, узел уплотнения вала в корпусе и подшипниковый узел в корпусе, и опорами, и привод [1]. Корпус такого насоса содержит переднюю и заднюю части с фланцами, между которыми размещено уплотнение. При этом во фланцах выполнены отверстия, в которых размещены направляющие, закрепленные в одном из фланцев. Такое выполнение насоса упрощает процесс его сборки и повышает долговечность за счет использования покрытия из износостойкого материал на внутренних рабочих поверхностях. Однако надежность известного насоса недостаточна: а) вследствие значительных протечек через уплотнение вала, а также б) из-за низкой ремонтопригодности - при замене любого из элементов рабочего органа надо отсоединять насос от всасывающего и нагнетательного трубопроводов, демонтировать валовое соединение насоса и двигателя с нарушением центровки валов, а затем разбирать корпус насоса. Кроме того, КПД известного насоса сравнительно низок. Недостатки известной конструкции частично устранены в центробежном лопастном насосе для перекачивания продуктов молочной и сахарной промышленности, который наиболее близок по технической сущности и достигаемому результату к изобретению и содержит корпус со спиральным отводом, всасывающим и нагнетательным патрубками, передней и задней торцовыми стенками, рабочим органом, имеющим вал, рабочее колесо на валу, узел торцевого уплотнения вала в корпусе, подшипниковый узел в корпусе, и опорами, привод в виде соединительной муфты, состоящей из двух полум уфт, при этом корпус подшипникового узла имеет фланец с возможностью взаимодействия с соответствующим ему фланцем, выполненным в корпусе насоса, и кольцевой буртик, фиксирующий заднюю торцевую стенку, установленную в посадочном гнезда, выполненном в корпусе насоса [2]. Указанная конструкция насоса частично устраняет присущие известным конструкциям недостатки. Так, несколько повышен КПД насоса за счет снижения объема жидкости, нерационально вращаемого в межлопастных каналах рабочего колеса, посредством уменьшения радиальной протяженности рабочих лопастей и выполнения лопастей в корпусе насоса. Однако при этом снижаются напор и подача насоса и другие характеристики. Кроме того, надежность указанной конструкции остается низкой вследствие: а) значительных протечек через уплотнение вала; б) недостаточного ресурса из-за сравнительно больших осевы х усилий, передаваемых на вал от рабочего колеса; в) низкой ремонтопригодности, поскольку при замене любого из элементов рабочего органа необходимо отсоединять насос от всасывающего и нагнетательного трубопроводов, демонтировать валовое соединение насоса и двигателя с нарушением центровки валов, а затем полностью разбирать корпус насоса. Таким образом, известная конструкция не обеспечивает возможности быстрой смены рабочего колеса и др. элементов рабочего органа в процессе эксплуатации. Кроме того, КПД известного насоса сравнительно мал и не превышает величины 55% при скорости вращения вала, равной 1450 об/мин, являющейся критической для свеклосахарной отрасли промышленности. Характеристики насоса во многом зависят от конструктивных особенностей рабочего колеса, в частности от формы и величины рабочей поверхности лопасти этого колеса и межлопастных каналов. Известно рабочее колесо центробежного насоса, содержащего ступицу и жестко связанный с ней диск с рабочими лопастями, закрепленными на диске и имеющими выходные кромки, расположенные на наружном диаметре диска, при этом радиальная протяженность рабочих лопастей составляет 0,07-0,19 от наружного диаметра диска [2]. Такое выполнение известного рабочего колеса центробежного насоса обеспечивает возможность исключить затраты энергии на нерациональное вращение большого объема жидкости, находящегося в межлопастных каналах рабочего колеса и тем самым повысить КПД. Однако такое повышение КПД сравнительно невелико и стало возможным лишь за счет уменьшения полезной площади рабочей поверхности лопастей, что вызывает снижение расхода и напора рабочей жидкости. Кроме того, при таком конструктивном выполнении рабочего колеса со сплошным диском, на поверхность которого в осевом направлении действует рабочий поток жидкости, возникает повышенный износ рабочего колеса и рабочего органа в целом за счет больших осевых нагр узок, что уменьшает ресурс и тем самым надежность работы насоса в целом. Указанные недостатки частично устранены в конструкции рабочего колеса, содержащего диск с лопастями, образующими межлопастные каналы, выполненные в виде открытых по периферии выемок в диске и дополнительных межлопастных каналов, выполненных в виде дугообразных выемок в диске, закрытых по периферии и расположенных между каналами, выполненными в виде открытых по периферии выемок [3]. Характерной особенностью указанной конструкции рабочего колеса является существенное снижение осевых нагрузок на рабочий орган насоса вследствие отсутствия сплошного диска в плоскости, ортогональной оси вала. Однако надежность указанного рабочего колеса и насоса в целом недостаточна из-за того, что в местах сочленения лопастей с диском возникают большие рабочие напряжения. Поэтому известная конструкция рабочего колеса работоспособна лишь в ограниченном диапазоне нагрузок, а именно при перекачке маловязких и малоплотных жидкостей и при сравнительно малых скоростях вращения вала. Это в свою очередь вызывает снижение КПД и ухудшение гидравлических характеристик насоса. Одной из наиболее важных характеристик надежности насосов, используемых в свеклосахарной и молочной отраслях промышленности, является величина протекания Q рабочей жидкости через уплотнения насоса, прежде всего и главным образом - через уплотнение вала. На практике этот параметр характеризуют величиной скорости протекания рабочей жидкости через уплотнение. Ниже на рисунке в тексте представлены кривые 1 и 2 временной зависимости протекания Q через, соответственно, уплотнительный узел с мягкой набивкой и узел торцевого уплотнения вала. Для этих кривых Q = f(t) в любой заданный момент времени dQ величина dt характеризует скорость протекания, т.е. массовый расход, рабочей жидкости через уплотнение dQ и графически определяется величиной tg a dt , где a - угол наклона касательной и кривой в заданный момент времени t. Другой важной характеристикой надежности работы узла торцевого уплотнения вала является скорость износа деталей узла, которая определяется конструктивными особенностями этого узла и свойствами применяемых материалов. На упомянутом рисунке этот параметр характеризуется темпом изменения величины расхода рабочей жидкости через уплотнение, т.е. второй производной функции Q = f(t). Из рисунка видно, что скорость протекания (расход) рабочей жидкости через уплотнение: 1) в точке A(f2, Q2) кривой 1 выше, чем в точке B(t4, Q4) кривой 2, т.е. tg a 2 > tg a 4, поскольку при одинаковых величинах протекания Q2 = Q4 расход через узел уплотнения с мягкой набивкой выше, чем через узел торцевого уплотнения, т.к. однако и то же количество рабочей жидкости протекает за меньшее время: t2 t5 < ft 4 - t6; 2) в точке C(t1, Q1) кривой 1 и точке В(t4, Q4) кривой 2 одинакова, т.к. tg a 1 = tga a 4, поскольку a 1 = a 4. Но в связи с тем, что t1 8° нецелесообразно, поскольку возрастают массогабаритные характеристики. Выбор формы задней стенки ребра жесткости 43 из ряда: прямолинейная, L-образная, дугообразная, параболическая, серповидная либо их комбинация, - обеспечивает правильное сочетание массогабаритных и прочностных характеристик с гидравлическими и гидродинамическими показателями. При работе насоса уплотняемая жидкость перетекает со стороны высокого давления, например с периферии кольцевых уплотняющих дисков (далее по тексту - КУД) 48, 49 (фиг.7, 18-24, 27-30) или со стороны центра КУД 48,49 (фиг.25-26,31), на сторону низкого давления. Уплотнение (герметизация) осуществляется за счет прижатия торца сплошного кольцевого контактирующего выступа 54 подвижного диска 48, связанного с вращающимся валом 7, к торцу контактирующего выступа 54' неподвижного диска 49, связанного с корпусом 10 узла торцевого уплотнения вала. Для уплотнения чистых, не содержащих взвесей жидкостей, УТУВ может иметь одну пару кольцевых уплотнительных дисков 48, 49. В средах же с плохой смачивающей способностью, с высокой температурой и/или давлением, в кристаллизующи хся жидкостях, а также содержащих твердые включения, для жидкостей, состав которых вреден для здоровья людей, одной пары КУД недостаточно и поэтому используют по меньшей мере 2 пары подпружиненных КУД 48, 49 - так называемое двойное уплотнение. При этом внутреннее уплотнение разделяет перекачиваемую среду и затворную жидкость, а внешнее - затворную жидкость и атмосферу. Для создания гидравлического затвора, предотвращающего протекание перекачиваемой рабочей жидкости через уплотнение, во внутреннюю полость УТУВ подают затворную жидкость, например воду, под давлением, которое на 0,5-1,0 кГс/см 2 превышает давление в рабочей полости насоса. Чередующиеся по длине окружности сегментные выступы 53 и впадины 52 подвижного КУД 48, связанного с валом 7, обеспечивают дополнительно гидродинамический подпор затворной жидкости и тем самым способствуют герметизации. Кроме того, они обеспечивают при вращении КУД 48 интенсивную подачу затворно-охлаждающей и смазывающей жидкости к торцам сплошного кольцевого выступа 54 диска 48 и, соответственно, выступа 54' диска 49. При этом осуществляется смазка и охлаждение трущи хся торцевых поверхностей КУД 48 и 49, что увеличивает срок их службы и, таким образом, повышает надежность. Оседание взвешенных частиц и продуктов износа на торцевую поверхность КУД 48, 49, а также кристаллизация на них кристаллов, выпадающих из рабочей жидкости, предотвращается пульсирующим потоком, создаваемым при работе насоса движением сегментных выступов 54 с набегающей передней кромкой 55, перед которыми создается повышение давления, а за ним - разрежение. В результате этого возникает радиально направленный на кольцевой выступ 54 пульсирующий поток затворной жидкости, формируемый набегающей поверхности сегментных выступов 53 и предотвращающий осаждение взвесей и образование кристаллов на контактирующи х поверхностях выступов 54, 54' дисков 48, 49, что также способствует увеличению срока службы и повышает надежность. Этот процесс интенсифицируют в случае использования КУД 48, 49 с сегментными выступами 53, выступающими за пределы (габариты) диска (фиг.27-31). При смене/замене вала 7 насоса во время ремонтных работ отсоединяют фланцы 17-18, 23-24 посредством отвертывания стягивающего болта 31 с двумя бобышками 32, 33. отпускают стягивающую ленту 30 и освобождают сегментные прижимы 29. После этого снимают переднюю торцевую стенку 5 с всасывающим патрубком 3 и корпус 12 подшипникового узла 11. Затем освобождают стопорный болт 36 полумуфты 15 и соединительные болты 38, смещают полумуфту 15 по оси в крайнее левое положение, снимают рабочее колесо 8, УТУВ 9 и освобождают корпус 12 подшипникового узла 11. После этого освобождают и заменяют вал 7. Сборку ведут в обратном порядке. Смену/замену рабочего колеса 8, деталей УТУВ 9, подшипникового узла и/или соединительной муфты 15, 16 ведут аналогично. Таким образом, заявленная конструкция обеспечивает сокращение трудозатрат на сборку/разборку. При этом обеспечивается возможность быстрой замены рабочего колеса 8 и за счет этого - регулировка производительности насоса. Это повышает надежность и эффективность насоса. За счет смачивания затворной водой контактирующи х торцевых поверхностей КУД 48, 49 во время ремонтных работ или остановки насоса на них не нарастают кристаллы сахара, если насос используют в свеклосахарной промышленности. Это способствует со хранению в целости торцевого уплотнения вала, что повышает надежность и эффективность насоса. Заявленная конструкция обеспечивает более высокую надежность за счет: - уменьшения скорости протечки (расхода) через уплотнение до величины, не превышающей 30 мл/ч; - увеличение гарантийного срока паспортной скорости протечки (расхода) до 3000 ч, т.е. не сезон сахароварения; - увеличение ресурса работы насоса (продолжительность работы без капитального ремонта) до 8400 ч, т.е. до 3-х сезонов сахароварения; - улучшение ремонтопригодности и сокращения трудозатрат на обслуживание и ремонт; - повышение КПД насоса до 74%; - улучшение массогабаритных характеристик насоса на 20-30%; - снижение шума при работе; - улучшение други х показателей, сведенных в таблицу.