Способ снижения общих потерь в насосах различной конструкции

Изобретение относится к способам формирования поверхностных слоев деталей с заранее заданными свойствами.

Изобретение в области насосов для перекачки жидких и газообразных сред предназначено для насосов, использующихся в объектах, где требуется высокая надежность и минимальные расходы топлива энергетических установок.

Требуемый технический результат - повышение надежности работы насоса, а также снижение стоимости его эксплуатации, достигается путем минимизации механических потерь в парах трения, снижения потерь при обтекании поверхности жидкостями и газами, устранения перетечек рабочего тела конструктивными способами.

Изобретение относится к центробежным, винтовым, шестеренчатым, плунжерным насосам различных модификаций, а также может поэлементно использоваться в других типах насосов.

Известно, что в настоящее время используются традиционные типы насосов, схемы которых не меняются уже длительное время.

Известно [1-4], что в шестеренчатых насосах главными видами потерь являются объемные и механические. При этом объемный кпд находится в пределах 0,80…0,95, а механический - 0,90…0,95.

Известно [1, 4-5], что в винтовых насосах объемный кпд в среднем находится в пределах 0,85…0,96, а механический кпд - в пределах 0,50-0,77, а гидравлические потери малы.

Известно [1, 4, 6], что в центробежных насосах объемный кпд в зависимости от величины насоса и качества изготовления колес изменяется от 0,85 до 0,98, гидравлический кпд - в пределах 0,80…0,96, а механический кпд - 0,85…0,96.

Таким образом, в насосах указанных типов вредные потери мощности составляют от 10 до 30%, что дает возможность существенно поднять их эффективность при снижении величины механических потерь в трущихся парах деталей, при трении рабочего тела о поверхности полостей и арматуры и снижении величин зазоров до конструктивно возможного минимума.

Следует отметить, что решений, обеспечивающих комплексный подход к снижению вредных потерь по всем трем составляющим при анализе патентной информации не выявлено.

Одним из известных способов снижения механических потерь в плунжерных насосах является [7] - Способ получения антифрикционного покрытия на контактирующих поверхностях плунжерных пар топливных насосов. В этом способе получения антифрикционного покрытия на контактирующих поверхностях преимущественно плунжерных пар топливных насосов высокого давления результат обеспечивается путем нанесения антифрикционного состава, содержащего, перфторполиэфирокисло-ту 65-75 мас. % и диспергатор 25-35 мас. %, а нанесение состава осуществляют через рабочую среду - дизельное топливо в течение 1-3 ч при расходе состава 1-7% от массы топлива. Недостатками такого способа являются его применимость только к одной конкретной паре трения плунжер - втулка и только для снижения величины трения в ней.

Развитием этого способа является решение по патенту RU 2 400 533, в котором область применения остается той же, что и в предыдущем случае, антифрикционный состав несколько меняется, а недостатки способа остаются теми же.

В патенте RU 2461736 ротор винтового насоса и способ уменьшения скользящего течения в винтовом насосе [8] содержатся решения по конструктивному улучшению ротора винтового насоса, а способ уменьшения скользящего течения в винтовом насосе, заключается в особом конструктивном исполнении кольцевого уплотнения в пазе ротора, позволяющем компенсировать износы канавок и уплотнения путем поджатия его к валу. Недостатком изобретения является то, что оно относится только к одной детали насоса.

В патенте RU 2495070 лакокрасочная композиция с высокой рассеивающей способностью для получения методом электроосаждения на катоде химстойких износостойких покрытий с повышенной твердостью и антикоррозионной защитой композиция представляет собой лакокрасочную систему, которая содержит следующие компоненты: 100 эпоксиаминного аддукта в качестве связующего, 28-32 пигментной пасты (100%), 16-17 латекса фторкаучука СКФ-264 В (60-70%), 2,5-3,1 порошкового полифениленсульфида, 10-12 дисперсии фторопласта Ф-4ДВ (55%), 0,4 уксусной кислоты (100%) в качестве нейтрализатора, 3,5-4,1 бутиленгликоля, 4,5-5,1 феноксипропанола, 0,0018-0,0021 оксиэтилированного нонилфенола ОП-10, остальное - деминерализованная вода до 1 л. Эпоксиаминный аддукт модифицирован частично блокированным толуилендиизоцианатом. Пигментная паста стабилизирована эпоксиаминным аддуктом. Используемый полифениленсульфид модифицирован графитом и карбидом кремния, предварительно гидрофилизированный оксиэтилированным нонилфенолом.

Изобретение позволяет получить тонкие равномерные по толщине покрытия, обладающие химстойкостью, износостойкостью, повышенной твердостью и антикоррозионной защитой.

Недостатками являются сложность установки для формирования покрытия, малая толщина покрытия - до 25 мкм и отсутствие свойств гидрофобности.

Известна полезная модель 133227 «Подшипник скольжения» в которой подшипник скольжения содержит корпус и вкладыш, выполненный составным из силовых слоистых сегментов, обработанных по внутреннему диаметру в один размер, образующих поверхность трения, при этом слоистые сегменты установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения в радиальном направлении, разделены удерживающими перегородками, закрепленными на корпусе, и снабжены фиксирующими прокладками из эластичного материала, размещенными по торцевым сторонам слоистых сегментов, причем часть силовых сегментов имеет отверстия для подачи перекачиваемой жидкости на поверхность трения. Силовые слоистые сегменты в подшипнике выполнены из антифрикционного углепластика ФУТ, причем армирующая ткань в углепластике расположена перпендикулярно поверхности трения, фиксирующие и регулировочные прокладки выполнены из паронита.

Результатом применения полезной модели на насосе ЦНС 180 (240)-1422, является снижение величины виброскорости до 1,0…3,3 мм/с при допуске 7,1 мм/с.Запас по мощности на трение составил 2,8%. Следов износа на поверхностях вкладышей и вала при наработке 2500 часов не наблюдалось.

Недостатком данного изобретения является то, что оно применяется для подшипника скольжения и не может быть распространено на другие пары трения и узлы, являющиеся источником потерь в насосе.

Таким образом, из описания приведенных аналогов видно, что эти аналоги решают частные задачи повышения эффективности насосов и не дают комплексного решения по уменьшению потерь в насосах.

В связи с этим в качестве прототипа выбрано решение по патенту RU 2495070, где заявляется лакокрасочная композиция с высокой рассеивающей способностью, которая методом электроосаждения на катоде образует химстойкие износостойкие покрытия с повышенной твердостью и антикоррозионной защитой на поверхностях деталей насосов. Композиция представляет собой лакокрасочную систему, которая содержит следующие компоненты: 100 эпоксиаминного аддукта в качестве связующего, 28-32 пигментной пасты (100%), 16-17 латекса фторкаучука СКФ-264 В (60-70%), 2,5-3,1 порошкового полифениленсульфида, 10-12 дисперсии фторопласта Ф-4ДВ (55%), 0,4 уксусной кислоты (100%) в качестве нейтрализатора, 3,5-4,1 бутиленгликоля, 4,5-5,1 феноксипропанола, 0,0018-0,0021 оксиэтилированного но-нилфенола ОП-10, остальное - деминерализованная вода до 1 л. Эпоксиаминный аддукт модифицирован частично блокированным толуилендиизоцианатом. Пигментная паста стабилизирована эпоксиаминным аддуктом. Используемый полифениленсульфид модифицирован графитом и карбидом кремния, предварительно гидрофилизиро-ванный оксиэтилированным нонилфенолом.

Изобретение позволяет получить тонкие равномерные по толщине покрытия, обладающие химстойкостью, износостойкостью, повышенной твердостью и антикоррозионной защитой.

Прототип имеет следующие недостатки:

- сложность установки для формирования покрытия;

- малая толщина покрытия - до 25 мкм, что ограничивает ресурс узлов;

- и отсутствие свойств гидрофобности, что не позволяето снижать гидравлические сопротивления.

Однако в проектировании и изготовлении насосного оборудования остро стоит задача обеспечения существенного повышения эффективности насосов в плане увеличения общего коэффициента полезного действия с устранением всех видов потерь в насосах.

Прототип не может удовлетворить требования максимального снижения объемных, гидравлических и механических потерь насоса.

В основу изобретения поставлена задача создания способа минимизации всех трех составляющих потерь в насосах, при котором общий КПД насоса может быть поднят до физически и конструктивно возможного максимума с соответствующим увеличением параметров надежности, производительности и напора.

Технический результат - увеличение производительности насосов до 1,5 раза и ресурса до 4 раз достигается путем:

- улучшения триботехнических характеристик поверхностных слоев деталей трения;

- снижения сопротивлений обтекания полостей насосов рабочими телами за счет использования материалов, гидрофобных по отношению к рабочему телу;

- снижения величин зазоров между вращающимися деталями насоса и корпусными деталями и сопряжения их по посадкам, величина допуском на которые минимизирует перетечки рабочих тел;

- использования для формирования поверхностного слоя высокоэнергоплотных минеральных материалов природного происхождения, обладающих коэффициентом смачивания рабочим телом, меньшим 1,

Технический результат обеспечивается тем, что в способе минимизации потерь в насосах различных конструкций на поверхности основных деталей насоса формируются покрытия толщиной не менее 50 мкм из высокоэнергоплотных минеральных материалов, обеспечивающие:

1. на поверхностях валов и осей под уплотнения, шеек валов под подшипники скольжения поверхности из материалов, зубчатых передач, имеющих адгезионное число не менее 600 [9], а число интенсивности изнашивания [10] в парах вал - втулка подшипника и вал - уплотнение - не более 5×10^-14;

2. на поверхностях, обтекаемых рабочими телами, таких как поверхности колес, проточных частей корпуса, всасывающих и нагнетающих полостей, покрытия, смачивающие свойства которых характеризуются коэффициентом смачиваемости [11] относительно рабочего тела не более 1;

3. в сочленениях корпус - вращающаяся деталь величину зазора, с целью недопущения перетечек между полостями насоса назначают по посадке с учетом тепловых расширений деталей и их деформации под нагрузкой, а на поверхностях контакта подвижной и неподвижной детали образуют покрытие с адгезионным числом не менее 500, числом интенсивности изнашивания не более 5×10^-14 и коэффициентом смачивания не более 0,8.

Эффект устранения потерь в насосе и рост его эксплуатационных характеристик достигается за счет следующих факторов:

1. Снижения коэффициентов трения в подшипниках, парах вал - уплотнения, парах вращающаяся деталь - корпус, зубчатых парах и снижения интенсивности изнашивания поверхностей в этих парах..

2. Снижения гидравлических сопротивлений при обтекании поверхностей в насосе рабочим телом за счет гидрофобности покрытия обтекаемых поверхностей.

3. Минимизации зазоров в сопряжениях подвижная деталь - корпус, сокращающих перетечки и проведения мероприятий по снижению сил трения в этих парах при контактах деталей.

Примеры конкретной реализации на насосах, прошедших период плановой эксплуатации. Пример 1. Центробежный насос ЦНС 180 (300) 1050 НГДУ Гремиха Проведены мероприятия по заявляемому решению. После 2-х лет эксплуатации зафиксировано увеличение общего КПД на 2%, увеличение ресурса наработки с 1200 часов до 4200 часов, производительность увеличена со 180 м³/час до 300 м³/час.

Пример 2. Центробежный насос ЦНС 63 (100) 1400 НГДУ Воткинск. Проведены мероприятия по заявляемому решению. После 2-х лет эксплуатации зафиксировано увеличение общего КПД: до 7%, увеличение ресурса наработки с 2000 часов до 5000 часов, производительность увеличена с 63 м³/час до 150 м³/час.

Пример 3 Базовый насос ЦНС 180-1400 и получил характеристики Q=350 м³/час с напором 1000 м при сохранении мощности электродвигателя 1250 кВт, что позволило повысить общий КПД с 72%. до 82%; при этом экономия электроэнергии при увеличение КПД на 10% составила около 125 кВт в час (при времени работы за год 8000 час).

Приведенные примеры показывают, что заявленный способ позволяет снять общие потери в насосных агрегатах и повысить их эффективность в несколько раз при неизменных нормах их конструирования, что вызывает ряд эффектов в эксплуатации в виде снижения расхода электроэнергии на величину высвобождающейся полезной мощности и общих затрат на ремонты, чего не достигается во многих других способах снижения потерь в насосах.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.

1. Будов В.М. Судовые насосы: Справочник. - Л.: Судостроение, 1988. 432 с.

2 Дурнов П.И. Насосы. Вентиляторы. Компрессоры. Киев - Одесса: Вища школа, 1985, 264 с.

3 Рыбкин Е.А., Усов А.А. Шестеренные насосы для металлорежущих станков. М.: МАШГИЗ, 1960, 189 с.

4. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов/ Т.М. Башта, С.С.Руднев, Б.Б. Некрасов и др. 4-е издание, стереотипное - М: «Издательский дом Альянс», 2010. -423 с.

5 Пыж О.А., Харитонов Е.С., Егорова П.Б. Судовые винтовые насосы. Л.: Судостроение, 1969, 195 с.

6. Ржебаева Н.К., Ржебаев Э.Е. Расчет и конструирование центробежных насосов: Учебное пособие. - Сумы: Изд-во СумГУ, 2009. - 220 с.

7 RU 2391369 Способ получения антифрикционного покрытия на контактирующих поверхностях плунжерных пар топливных насосов.

8 RU 2461736 Ротор винтового насоса и способ уменьшения скользящего течения в винтовом насосе.

9. Лазарев С.Ю. Новая методика количественной оценки адгезионной способности минералов и других твердых тел. Обогащение руд 2001 №6. С. 13-17.

10 Лазарев С.Ю., Токманев С.Б., Хмелевская В.Б. К вопросу о критериях выбора природных минеральных материалов и других веществ для покрытий разного назначения. //Металлообработка 2006 №3. С. 29-35.

II. Зуев В.В. Энергоплотность, свойства минералов и энергетическое строение Земли. СПб Наука 1995 128 с.

Способ изготовления насоса для энергетических установок, имеющего поверхности, обтекаемые жидкостью или газом, плунжерные пары, уплотнения, зубчатые или червячные передачи, сопряжения колеса с неподвижным корпусом, заключающийся в том, что на поверхностях деталей насоса формируют покрытия толщиной не менее 50 мкм из высокоэнергоплотных минеральных материалов, при этом на поверхности деталей насоса в виде валов и осей под уплотнения, шеек валов под подшипники скольжения и зубчатых передач формируют покрытия из упомянутых материалов, имеющие адгезионное число не менее 600, на поверхности деталей насоса в парах вал - втулка подшипника и вал - уплотнение - покрытия, имеющие число интенсивности изнашивания не более 5×10^-14, на поверхностях деталей насоса, обтекаемых рабочими телами, в виде колес, проточных частей корпуса, всасывающих и нагнетающих полостей - покрытия, смачивающие свойства которых имеют коэффициент смачиваемости не более 1, на поверхностях контакта деталей насоса в виде подвижной и неподвижной деталей - покрытия с адгезионным числом не менее 500, числом интенсивности изнашивания не более 5×10^-14 и коэффициентом смачиваемости не более 0,8, а в сочленениях корпус - вращающаяся деталь обеспечивают зазор по посадке, величину которого определяют с учетом тепловых расширений указанных деталей сочленений и их деформации под нагрузкой.