самовсасывающая насосная установка

Формула изобретения

1. Самовсасывающая насосная установка, содержащая центробежный насос, снабженный всасывающим патрубком, и бустерный гидроструйный насос, включающий всасывающий патрубок, корпус, состоящий из цилиндроконического конфузора, горловины и диффузора, подключенного к всасывающему патрубку центробежного насоса, и сопло, установленное в корпусе соосно последнему, отличающаяся тем, что всасывающий патрубок гидроструйного насоса соединен с соплом, причем гидроструйный насос снабжен патрубками подачи рабочей жидкости, каждый из которых выполнен в виде колена и установлен с возможностью поворота вокруг своей оси.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что патрубки подачи рабочей жидкости установлены с обеспечением закрутки рабочей жидкости противоположно направлению вращения рабочего колеса центробежного насоса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к насосостроению и предназначено для улучшения характеристик центробежных самовсасывающих насосов с предвключенными струйными аппаратами и упрощения их регулировки.

Известны самовсасывающие насосные установки (Лямаев Б.Ф. Гидроструйные насосы и установки. - Л.: Машиностроение, 1988. - С.174-182, рис.6.13), в которых предвключенный (бустерный) гидроструйный насос установлен на линии всасывания центробежного насоса. В этих установках благодаря предвключенным гидроструйным насосам достигается повышение вакуумметрической высоты всасывания центробежных насосов, что позволяет работать с нагретыми и перегретыми жидкостями, а также достигать бескавитационных условий работы центробежных насосов, имеющих большую частоту вращения. В известных самовсасывающих насосных установках жидкость, подаваемая гидроструйным насосом, имеет только осевую составляющую скорости, а в центробежном насосе она приобретает окружную скорость, что приводит к снижению КПД насосной установки. Кроме того, в известных самовсасывающих насосных установках исключена возможность такой регулировки предвключенного гидроструйного насоса, которая позволила бы увеличить напор и производительность центробежного насоса.

Наиболее близкой к заявляемой является самовсасывающая насосная установка (МПК ⁷ F 04 D 9/06, пат. РФ №2175406), содержащая корпус с всасывающей и напорной камерами, рабочее колесо с отводом и предвключенный перед колесом струйный аппарат. Струйный аппарат содержит изогнутый диффузор с входом и выходом и сопло. На входе изогнутого диффузора установлена центрирующая втулка, связанная с соплом. Изогнутый диффузор выполнен из симметричных половин, загерметизированных и жестко скрепленных при помощи посадочных поверхностей корпуса насоса и центрирующей втулки. Использование изобретения позволяет повысить КПД, напор и подачу насоса. Однако в известном изобретении не предусмотрена регулировка параметров предвключенного гидроструйного насоса, что не позволяет в каждой конкретной схеме включения насосной установки добиться оптимального режима ее работы. В некоторых случаях отсутствие возможности такой регулировки может и вовсе привести к прекращению подачи жидкости, то есть насосная установка перестанет функционировать как самовсасывающий агрегат.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение инжектирующей способности предвключенного гидроструйного насоса, увеличение напора и КПД, а также обеспечение возможности регулирования этих параметров.

Поставленная задача достигается тем, что в самовсасывающей насосной установке, содержащей центробежный насос, снабженный всасывающим патрубком, и бустерный гидроструйный насос, включающий всасывающий патрубок, корпус, состоящий из цилиндроконического конфузора, горловины и диффузора, подключенного к всасывающему патрубку центробежного насоса, и сопло, установленное в корпусе соосно последнему, согласно изобретению, всасывающий патрубок гидроструйного насоса соединен с соплом, причем гидроструйный насос снабжен патрубками подачи рабочей жидкости, каждый из которых выполнен в виде колена и установлен с возможностью поворота вокруг своей оси, а патрубки подачи рабочей жидкости установлены с обеспечением закрутки рабочей жидкости противоположно направлению вращения рабочего колеса центробежного насоса.

На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемой самовсасывающей насосной установки с одним патрубком подачи рабочей жидкости, на фиг.2 - поперечный разрез установки в плоскости А-А, на фиг.3 - вариант исполнения патрубка подачи рабочей жидкости с возможностью его поворота вокруг своей оси. На фиг.4 и 5 показаны планы скоростей элемента жидкости, находящегося на входной кромке рабочего колеса центробежного насоса, для случаев: фиг.4 - ₁<90°, фиг.5 - ₁>90°. Обозначения на фиг.4 и 5: u₁ - суммарная скорость жидкости, м/с; u_1t - окружная составляющая скорости жидкости, м/с; u_1r - радиальная составляющая скорости жидкости, м/с; u_1отн - относительная скорость жидкости (по отношению к рабочему колесу центробежного насоса 1), м/с; u_1пер - переносная скорость, представляющая собой окружную скорость точки центробежного насоса на данном радиусе r₁ (u_1пep=r ₁), м/с; ₁ - угол закрутки, ₁ - угол наклона касательной к лопатке центробежного насоса 1; - угловая скорость вращения рабочего колеса центробежного насоса 1; индекс "1" соответствует условиям входа жидкости на лопатки центробежного насоса, то есть радиусу r₁ .

Самовсасывающая насосная установка содержит центробежный насос 1 и бустерный гидроструйный насос 2, корпус 3 которого состоит из цилиндроконического конфузора 4, горловины 5 и диффузора 6, подключенного к всасывающему патрубку 7 центробежного насоса 1.

Всасывающий патрубок 8 гидроструйного насоса 2 соединен с установленным в корпусе 3 соплом 9, причем сопло 9 выполнено соосно корпусу 3. Патрубок 10 подачи рабочей жидкости соединен с нагнетательным патрубком 11 центробежного насоса 1 через патрубок 12 посредством линии питания 13 гидроструйного насоса 2, на которой установлен вентиль 14. Трубопровод 15, связывающий всасывающий патрубок 8 с соплом 9, имеет U-образную форму. Патрубок 10 подачи рабочей жидкости выполнен в виде колена и может поворачиваться вокруг своей оси, расположенной в плоскости фиг.1 и фиг.3, так что ось выходного колена 16 патрубка 10, находящегося в конфузоре 4, поворачивают относительно поперечного сечения корпуса 3 и устанавливают в положении, не параллельном оси корпуса 3.

Патрубок 10 подачи рабочей жидкости может быть выполнен поворотным, например, по схеме, показанной на фиг.3. Фланец патрубка 10 зажимается между фланцем 17, жестко соединенным с корпусом 3 гидроструйного насоса, и фланцем 18, соединенным с линией питания 13 (крепежные элементы - болты, гайки и шайбы - условно не показаны). Между фланцами 17, 18 и фланцем патрубка 10 установлены антифрикционные кольца 19, выполненные, например, из фторопласта или капролона; одновременно кольца 19 способствуют повышению герметичности соединения. Основными герметизирующими элементами являются кольца 20, выполненные из эластичного материала, например из твердой резины. Во фланце патрубка 10 предусмотрены глухие отверстия 21, причем их количество предпочтительно на единицу больше количества болтовых отверстий во фланцах 17 и 18. Отверстия 21 предназначены для облегчения поворота патрубка 10 на необходимый угол путем установки в них рычагов в виде металлического прутка и их поворота вокруг оси патрубка 10, показанной на фиг.3. Возможны и иные способы изменения направления выходного колена 16 патрубка 10.

Количество патрубков 10, соединенных параллельно, определяется размерами насоса и требованиями к равномерности распределения скорости рабочего потока, истекающего из патрубков 10.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Перед первым включением насосную установку заполняют жидкостью. При включении привода (на фиг.1 не показан) центробежного насоса 1 начинается вращение рабочего колеса центробежного насоса 1 с угловой скоростью , в нагнетательном патрубке 11 возникает избыточное давление. Рабочая жидкость под давлением через патрубок 12, линию питания 13 и вентиль 14 подается в патрубок 10. Попав в колено 16 патрубка 10, расположенное под некоторым углом к поперечному сечению корпуса 3, жидкость приобретает скорость, направленную под заданным углом к поперечному сечению корпуса 3 гидроструйного насоса 2. Благодаря этому жидкость, поступающая из центробежного насоса 1 в гидроструйный насос 2 через патрубок 10, приобретает вращательное движение вокруг оси корпуса 3. По мере движения по конфузору 4 к горловине 5 окружная составляющая скорости жидкости увеличивается. Кроме того, за счет сужающейся формы конфузора в горловине 5 достигает максимума и осевая составляющая скорости. Таким образом, в зоне входа в горловину 5 и осевая, и окружная составляющие скорости жидкости достигают максимальных значений. В соответствии с законом сохранения энергии давление в этой зоне принимает минимальное значение, то есть на конце сопла 9 возникает большое разрежение. Под действием этого разрежения жидкость через всасывающий патрубок 8 и трубопровод 15 подсасывается в гидроструйный насос 2 и далее поступает в центробежный насос 1 насосной установки.

При плановом или аварийном отключении насосной установки в ней благодаря U-образной форме трубопровода 15 остается рабочая жидкость.

Абсолютное значение скорости жидкости, вытекающей из колена 16 патрубка 10, регулируется вентилем 14, а направление вектора этой скорости изменяется поворотом патрубка 10 относительно своей оси. Поворот патрубка 10 осуществляется путем установки в отверстия 21 рычагов, например, в виде металлического прутка круглого сечения с приложением к этим рычагам вращающего момента относительно оси патрубка 10. При повороте патрубка 10 направление закрутки рабочей жидкости, создаваемое выходным коленом 16 патрубка 10, может меняться в пределах ±180°.

Далее жидкость, пройдя через горловину 5, попадает в диффузор, где происходит плавное снижение и окружной, и осевой компонент скорости. Тем не менее, к всасывающему патрубку 7 центробежного насоса 1 жидкость подходит, обладая ненулевой окружной скоростью. Таким образом, жидкость попадает на лопатки центробежного насоса 1, имея некоторую окружную скорость u_1t (см. фиг.4 и 5). При этом возможны два случая: 1) ₁<90° (фиг.4); 2) ₁>90° (фиг.5). В первом случае направление вектора окружной скорости жидкости u_1t совпадает с направлением вектора переносной скорости u_1пер, во втором случае направление этих векторов противоположно.

Из теории центробежных машин известно (Поляков В.В., Скворцов Л.С. Насосы и вентиляторы. - М.: Стройиздат, 1990. - С.53-60), что теоретический напор идеального центробежного насоса (уравнение Л. Эйлера) равен

где u₂ - суммарная скорость жидкости, м/с;

u_2пep - переносная скорость на радиусе r₂ (u_2пер=r ₂), м/с;

₂ - угол закрутки;

индекс "2" соответствует условиям выхода жидкости с лопаток центробежного насоса, то есть радиусу r₂ (план скоростей на радиусе r₂ аналогичен показанному на фиг.4).

Теоретическая производительность при этом равна

где b₁ - ширина проточной части рабочего колеса центробежного насоса 1 на радиусе r₁.

При безударном входе на лопатки, обычно реализуемом в центробежных насосах, ₁=90°, и тогда напор центробежного насоса равен

а производительность достигает максимума:

В первом случае ( ₁<90°) значение косинуса cos( ₁)>0, тогда как видно из уравнения (1)

то есть теоретический напор насоса уменьшается.

В этом случае теоретическая производительность насоса снижается, так как в соответствии с планом скоростей (фиг.4)

и при любом ₁90° производительность насоса Q меньше максимальной.

Таким образом, при необходимости снижения производительности насосной установки это можно сделать, задавая угол закрутки ₁<90°. Как известно (Поляков В.В., Скворцов Л.С. Насосы и вентиляторы. - М.: Стройиздат, 1990. - С.207-215), КПД насосной установки при этом остается достаточно высоким, в отличие от традиционных способов регулирования, таких как байпассирование и дросселирование.

Во втором случае ( ₁>90°, см. фиг.5) косинус cos( ₁)<0, и из уравнения (1) следует

то есть теоретический напор насоса увеличивается. Это происходит из-за того, что начальный момент импульса жидкости (пропорциональный u_1t), втекающей на лопатки центробежного насоса 1, направлен в сторону, противоположную направлению конечного момент импульса (пропорционального u_2t), и векторная сумма этих моментов импульса больше, чем у моментов импульса, направленных в одну сторону. Более существенное изменение момента импульса приводит к увеличению напора.

В этом случае теоретическая производительность насоса, как следует из уравнений (2) и (6), также меньше максимальной. Однако, если, например, _i=120°, то

то есть снижение производительности составит всего 13,4% по сравнению с максимальной.

Таким образом, при ₁>90°, то есть когда направление вектора окружной составляющей скорости u_1t жидкости на радиусе r ₁ противоположно направлению вектора окружной составляющей скорости u_2t жидкости на радиусе r₂, в предлагаемом устройстве можно заметно увеличить напор при небольшом снижении производительности.

Пример конкретного выполнения. К центробежному насосу с внешним радиусом рабочего колеса r ₂=85 мм подключен бустерный гидроструйный насос по схеме, аналогичной представленной на фиг.1. Гидроструйный насос оборудован тремя патрубками в виде колена для подачи рабочей жидкости, которые могут поворачиваться вокруг своей оси, перпендикулярной к оси корпуса гидроструйного насоса. Внутренний радиус рабочего колеса r₂=40 мм, ширина проточной части рабочего колеса b ₁=20 мм, угол ₂=10°, угловая скорость вращения =303,7 рад/с. Расчеты показывают, что при этих параметрах в случае безударного входа жидкости на лопатки ( _i=90°) теоретический напор центробежного насоса составляет, согласно формуле (1), H₉₀=12м, а теоретическая производительность, в соответствии с формулой (2), равна Q=0,01 м³/c. При тех же параметрах, но для случая закрутки жидкости в сторону, противоположную направлению вращения рабочего колеса, в частности, при _i=120°, при условии сохранения той же теоретической производительности, находим теоретический напор H₁₂₀ =13,5 м, что на 12% выше, чем H₉₀. Такой угол закрутки _i реализован за счет использования патрубков подачи рабочей жидкости в виде колена. Помимо увеличения напора, благодаря закрутке жидкости на 20% повысилось разрежение в зоне входа в горловину 5, а с ней - инжектирующая способность насосной установки в целом. Вследствие увеличения полезного напора при постоянном расходе увеличилась полезная мощность насосной установки, а значит, и ее КПД.

Таким образом, инжектирующая способность предлагаемой самовсасывающей насосной установки увеличивается за счет использования кинетической энергии вращательного движения жидкости, создаваемой за счет патрубков 10 в виде колена и их поворота относительно своей оси. Увеличение напора происходит благодаря выбору величины начального угла закрутки _i, превышающей 90°. Благодаря увеличению напора возрастает полезная мощность, а значит, и КПД. Возможность регулирования инжектирующей способности и напора достигается путем поворота патрубка 10 и изменения сопротивления вентиля 14. При необходимости снижения напора в сетях, обладающих пологой характеристикой, в предлагаемой самовсасывающей насосной установке это можно сделать без заметного снижения КПД путем поворота патрубков 10 подачи рабочей жидкости в положение, когда угол закрутки ₁<90°.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет решить поставленную задачу: повысить инжектирующую способность предвключенного гидроструйного насоса, увеличить напор и КПД, а также обеспечить возможности регулирования этих параметров.