Многоступенчатый центробежный насос с предвключенным (бустерным) устройством
Полезная модель относится к области гидромашиностроения и может быть использована для подачи питательной воды в энергоблоки тепловых и атомных электростанций. Корпус многоступенчатого центробежного насоса - секционного типа с направляющими аппаратами и рабочими колесами. Предвключенное устройство включает предвключенное осевое колесо и лопаточный направляющий аппарат и установлено на входе в насос во входной крышке. Подводящее устройство жидкости в насос выполнено осевым. Подшипник скольжения со стороны входной крышки выполнен на перекачиваемой жидкости и размещен во втулке направляющего аппарата. Предусмотрен вариант, в котором втулка предключенного осевого колеса выполнена профилированной с увеличивающейся от входа к выходу диаметром, а лопастная система предвключенного осевого колеса имеет густоту лопастной решетки на наружном диаметре в интервале 2,0-4,0. Кроме того, лопастная система предвключенного осевого колеса может быть выполнена многорядной, а лопаточная система направляющего аппарата - многокаскадной. Технический результат - повышение всасывающей способности и возможность эксплуатации насоса без дополнительного предвключенного насоса. 3 з.п., 6 ил.
Полезная модель относится к отрасли гидромашиностроения, а именно к питательным центробежным многоступенчатым насосам, в том числе и высокооборотным, и может быть использована для подачи питательной воды в энергоблоки тепловых и атомных электростанций.
Известен многоступенчатый насос с боковым подводом, содержащий направляющие аппараты и рабочие колеса, установленные на валу, опирающемся на подшипники скольжения с принудительной смазкой. Разгрузка осевого усилия ротора осуществляется с помощью разгрузочного поршня и упорного подшипника. Концевые уплотнения - механические торцового типа. Насос обеспечен бустерным устройством, представляющим собой установленный перед ним предвключенный насос, создающий давление на входе в многоступенчатый центробежный насос, достаточное для обеспечения его бескавитационной работы. [Бушзипер П. Концепция конструкции питательных насосов фирмы Sulzer. Вестник Южно-Уральского государственного университета, серия «Машиностроение», выпуск 6. - 
1 (41). - 2005. - С.65-72]. Данная конструкция насоса выбрана в качестве прототипа для заявляемого объекта.
Недостатком рассматриваемого насоса являются большие капитальные и эксплуатационные затраты, так как необходимость установки и использования дополнительного предвключенного насоса увеличивает стоимость как самого объекта, так и его жизненного цикла, а также требует увеличения площадей и вложений для его установки.
В основу полезной модели поставлена задача создания многоступенчатого центробежного насоса, в котором, путем введения новых конструктивных элементов и нового исполнения существующих конструктивных элементов, обеспечиваются повышение всасывающей способности и возможность эксплуатации насоса без дополнительного предвключенного насоса, результатом чего является снижение капитальных и эксплуатационных затрат.
Поставленная задача достигается тем, что в многоступенчатом центробежном насосе, содержащем напорную и входную крышки, корпус секционного типа с направляющими аппаратами и рабочими колесами, установленными на валу, опирающемся на подшипники скольжения, устройство разгрузки осевого усилия, согласно полезной модели:
- на входе в насос во входной крышке размещено бустерное устройство, состоящее из предвключенного осевого колеса с увеличивающимся от входа к выходу диаметром и лопастной системой с густотой лопастной решетки на наружном диаметре в интервале от 2,0 до 4,0, а также с возможностью выполнения лопастной системы колеса многорядной, и направляющего аппарата с возможностью выполнения его лопаточной системы многокаскадной;
- подводящее устройство жидкости в насос выполнено осевым;
- подшипник скольжения со стороны входной крышки размещен во втулке направляющего аппарата входного устройства и выполнен работающим на перекачиваемой жидкости.
Введение в компоновку многоступенчатого центробежного насоса бустерного устройства, размещенного на входе в насос во входной крышке и состоящего из предвключенного осевого колеса и направляющего аппарата, установленного между предвключенным осевым колесом и центробежным рабочим колесом первой ступени, позволяет использовать динамическую составляющую напора предвключенного колеса для увеличения располагаемого кавитационного запаса на входе в центробежное рабочее колесо. При этом также сохраняется высокая экономичность насоса за счет оптимального согласования потока, выходящего из предвключенного осевого колеса, с входным участком лопастной системы центробежного рабочего колеса.
Возможное исполнение втулки предвключенного осевого колеса профилированной с увеличивающимся от входа к выходу диаметром позволяет избежать отрыва потока в лопастной системе предвключенного осевого колеса и, как следствие, повысить экономичность бустерного устройства и избежать снижения экономичности насоса в целом.
Возможное исполнение лопастной системы предвключенного осевого колеса с густотой лопастной решетки на наружном диаметре в интервале от 2,0 до 4,0 обеспечивает максимальный эффект повышения всасывающей способности насоса.
Исполнение лопастной системы предвключенного осевого колеса, имеющего густоту лопастной решетки на наружном диаметре в интервале от 2,0 до 4,0, многорядной позволяет сократить осевые габариты предвключенного осевого колеса при сохранении повышенной густоты его лопастной системы. При этом также увеличивается напор предвключенного осевого колеса и тем самым повышается располагаемый кавитационный запас на входе в центробежное рабочее колесо насоса.
Исполнение лопаточной системы направляющего аппарата бустерного устройства многокаскадной позволяет избежать технологических трудностей, связанных с технологией изготовления закрытых длинных искривленных лопаток, при сохранении значения густоты его лопаточной системы направляющего аппарата, необходимой для предотвращения отрыва потока и обеспечения высокой экономичности бустерного устройства и насоса в целом.
Выполнение подводящего устройства жидкости в насосе осевым, которое, в сравнении с боковым, имеет меньший коэффициент гидравлического сопротивления и обеспечивает минимальную неравномерность распределения скоростей потока на входе в рабочее колесо первой ступени, позволяет дополнительно повысить всасывающую способность многоступенчатого центробежного насоса.
Размещение во втулке направляющего аппарата бустерного устройства гидродинамического или гидростатического подшипника скольжения позволяет отказаться от подшипника на масляной смазке, что дает возможность формирования осевого подвода жидкости, и таким образом дополнительно повысить всасывающую способность и, кроме того, компенсировать негативный эффект увеличения осевых габаритов насоса при введении в его компоновку бустерного устройства, сохраняя осевые габариты многоступенчатого центробежного насоса на уровне прототипа.
Таким образом, использование совокупности приведенных признаков заявляемой полезной модели обеспечивает повышение всасывающей способности и исключает необходимость использования дополнительного предвключенного насоса и как следствие, снижает капитальные и эксплутационные затраты.
Заявляемая полезная модель поясняется рисунками, на которых представлены:
Фиг.1 - многоступенчатый центробежный насос с бустерным устройством, продольный разрез;
Фиг.2 - развертка кольцевого сечения лопастной системы предвключенного осевого колеса на наружном диаметре (однорядная решетка);
Фиг.3 - развертка кольцевого сечения лопастной системы предвключенного осевого колеса на наружном диаметре (двухрядная решетка);
Фиг.4 - развертка кольцевого сечения лопастной системы предвключенного осевого колеса на наружном диаметре (трехрядная решетка);
Фиг.5 - график, показывающий зависимость критического кавитационного коэффициента быстроходности многоступенчатого центробежного насоса от густоты лопастной решетки;
Фиг.6 - развертка кольцевого сечения лопастной системы направлящего аппарата предвключенного устройства на наружном диаметре (однокаскадная решетка);
Фиг.7 - развертка кольцевого сечения лопастной системы направляющего аппарата бустерного устройства на наружном диаметре (двухкаскадная решетка).
Многоступенчатый центробежный насос содержит наружный корпус 1 (фиг.1) с напорной 2 и входной 3 крышками. Внутренний корпус секционного типа (картриджное исполнение как вариант) включает секции 4, центробежные рабочие колеса 5 с направляющими аппаратами 6 и трубу осевого подводящего устройства 7 с направляющим аппаратом бустерного устройства 8. Рабочие колеса 5 установлены на валу 9, опирающемся на подшипник скольжения 10 с принудительной масляной смазкой и гидродинамический либо гидростатический подшипник скольжения 11, работающий на перекачиваемой жидкости и располагаемый во втулке направляющего аппарата бустерного устройства 8. На входе в насос на валу 9 установлено предвключенное осевое колесо 12 с лопастной системой в виде однорядной решетки (фиг.2) или, как вариант, в виде двухрядной или трехрядной решеток (фиг - ы 3, 4). Густота лопастных решеток (фиг - ы 2, 3, 4) выполнена в интервале от 2,0 до 4,0, что повышает всасывающую способность насоса. Это подтверждают результаты обобщения расчетных и экспериментальных исследований, выполненных в ОАО «ВНИИАЭН». Так, на фиг.5 представлен график, показывающий зависимость критического кавитационного коэффициента быстроходности многоступенчатого центробежного насоса с бустерным устройством в виде предвключенного осевого колеса от густоты лопастной решетки последнего. Критический кавитационный коэффициент быстроходности определяется по формуле:
где n - частота вращения насоса, об/мин;
Q - подача насоса, м3/с;
hкр - критический кавитационный запас насоса, соответствующий 3%-му снижению напора, м.
Густота лопастной решетки 
н определяется по формуле:
где z - число лопастей предвключенного осевого колеса;
lн - длина лопасти предвключенного осевого колеса на наружном диаметре, м;
Dн - наружный диаметр предвключенного осевого колеса, м
При значении густоты лопастной решетки в интервале от 2,0 до 4,0 напор предвключенного осевого колеса 12 имеет максимальное значение и, как, следствие, располагаемый кавитационный запас на входе в рабочее колесо 5 первой ступени имеет максимальное значение. При увеличении густоты лопастной решетки свыше 4,0 резко увеличиваются гидравлические потери на трение в межлопастных каналах предвключенного осевого колеса 12, приводящие к падению его напора и, как следствие, к уменьшению располагаемого кавитационного запаса на входе в рабочее колесо 5 первой ступени. Густоты лопастной решетки при значении ее меньше 2,0 недостаточно для обеспечения полного поворота потока в соответствии с кривизной межлопастных каналов предвключенного осевого колеса 12 и, как следствие, располагаемый кавитационный запас на входе в центробежное рабочее колесо 5 первой ступени падает. Таким образом, обеспечение для заданных условий максимального напора предвключенного осевого колеса 12 (максимального располагаемого кавитационного запаса на входе в центробежное колесо 5 первой ступени) предопределяет повышение всасывающей способности многоступенчатого центробежного насоса.
В качестве концевого уплотнения вала 9 со стороны напорной крышки 2 применено механическое уплотнение торцового типа 13. Для разгрузки осевых сил использованы разгрузочный поршень 14 и упорный подшипник сегментного типа 15. Лопаточная система направляющего аппарата бустерного устройства 8 выполнена однокаскадной (фиг.6) или, как вариант, многокаскадной (фиг.7).
Насос работает следующим образом. При вращении вала 9 перекачиваемая жидкость через трубу подводящего устройства 7 при помощи предвключенного осевого колеса 12 поступает в направляющий аппарат входного устройства 8, затем - к рабочему колесу 5 и направляющему аппарату 6 первой ступени, проходит по всем ступеням насоса и из направляющего аппарата 6 последней ступени поступает в камеру отвода и напорный патрубок наружного корпуса 1 и далее - в напорный трубопровод.
Использование предлагаемой полезной модели позволяет повысить всасывающую способность насоса и обеспечить его эксплуатацию без дополнительного насоса.
1. Многоступенчатый центробежный насос с бустерным устройством, содержащий напорную и входную крышки, корпус секционного типа с направляющими аппаратами и рабочими колесами, установленными на валу, опирающемся на подшипники скольжения, отличающийся тем, что бустерное устройство образовано предвключенным осевым колесом и лопаточным направляющим аппаратом и установлено на входе в насос во входной крышке, подводящее устройство жидкости в насос выполнено осевым, а подшипник скольжения со стороны входной крышки выполнен на перекачиваемой жидкости и размещен во втулке направляющего аппарата.
2. Насос по п.1, отличающийся тем, что втулка предвключенного осевого колеса выполнена профилированной с увеличивающимся от входа к выходу диаметром, а лопастная система предвключенного осевого колеса имеет густоту лопастной решетки на наружном диаметре в интервале 2,0-4,0.
3. Насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что лопастная система предвключенного осевого колеса выполнена многорядной.
4. Насос по п.1, отличающийся тем, что лопаточная система направляющего аппарата бустерного устройства выполнена многокаскадной.
