Отчет о патентных исследованиях

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет»

ФГБОУ ВО «КубГТУ»

ОТЧЕТ

о патентно-информационных исследованиях по теме:

«Рабочее колесо центробежного насоса»

Выполнил:

ст. гр. 00-НМ-ЭЭ0

Иванов И.И.

Проверил:

Копелевич Л.Е.

Краснодар, 20__ г.

Содержание

		Стр.
Определения, обозначения и сокращения……………………………………..		4
Общие данные об объекте исследования………………………………………		5
Основная часть………………………………………………………………...		6
Заключение……………………………………………………………………….		12
Приложение А – Задание №1 на проведение патентных исследований……..		13
Приложение Б – Регламент поиска №1…………………………………………		14
Приложение В – Отчет о поиске………………………………………………..		16

Общие данные об объекте исследования

Дата начала работы 12.06.2017 г._ Дата окончания работы 01.09.2017 г.

Целью патентных исследований, является проведение поиска информации, относящейся к:

- изучению способов повышения эксплуатационных характеристик, надежности и ресурса рабочего колесо центробежного насоса;

- получению информации об интересующих технических решениях или технологиях с целью оценки возможности последующего патентования.

Объекты патентного исследования:

- рабочее колесо центробежного насоса с высокими эксплуатационными свойствами

- способы изготовления рабочего колеса центробежного насоса.

Основная часть

В патенте США 3246605 раскрыт роторный насос, содержащий кожух, имеющий впуски с противоположных осевых боковых сторон, составной ротор, имеющий центральный диск с лопастями, идущими к противоположным сторонам диска, открытым к соответствующим впускам. Каждая лопасть имеет наклонный ковш вдоль ее свободной стороны. Ковши направлены вперед, то есть в направлении вращения, чтобы выполнять функцию ковшей. Флюид выталкивается через различные выпуски в улитку.

В публикации ФРГ Gebrauchsmuster G8811026 раскрыта турбина для перемешивания вспененного материала в реакционном сосуде. Турбина имеет центральную ступицу для установки на валу, диск и множество смесителей, установленных со смещением друг от друга по окружности на диске. Каждый из смесителей имеет U-образный, открытый вперед корпус. Стороны корпуса идут тангенциально в периферийном направлении, причем стороны сходятся в радиальном внешнем направлении. Ширина между сторонами является постоянной в тангенциальном направлении при одном и том же радиусе, и сужается в радиальном направлении.

Представленные выше технические решения не позволяют создать рабочий напор, позволяющий устранять или по меньшей мере ослаблять возможную утечку или рециркуляцию от внешнего, имеющего высокое давление, периферийного выпуска рабочего колеса радиально внутрь, в пространство между рабочим колесом и кожухом.

Известно рабочее колесо центробежного насоса, состоящее из ведущего и покрывного дисков с расположенными между ними цилиндрическими лопастями с неизменным по ширине лопасти углом установки ее на входе в рабочее колесо. При этом, диаметр входа в рабочее колесо определяется зависимостью , где Q - подача насоса; V0 - скорость входа потока в рабочее колесо; dвт - диаметр втулки рабочего колеса на входе; π - 3,14 (А.К.Михайлов, В.В. Малюшенко, «Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование». М., Машиностроение 1977, рисунок 14, на стр.27-30).

При использовании данной конструкции рабочего колеса в насосах, работающих на различных режимах, не обеспечивается постоянство угла входа потока по всей ширине лопастей рабочего колеса, в результате чего на отдельных участках лопастей может возникнуть местная кавитация, ухудшающая в целом антикавитационные свойства рабочего колеса. Известно рабочее колесо центробежного насоса, состоящее из ведущего и покрывного дисков с расположенными между ними лопастями, угол установки которых на входе в рабочее колесо по покрывному диску составляет: где β1 - угол установки лопастей на входе в рабочее колесо по ведущему диску и средней линии тока, а δ - угол между касательной к покрывному диску у входной кромки лопастей и плоскостью, перпендикулярной к оси вращения рабочего колеса. (А.И.Степанов «Центробежные и осевые насосы», ГНТИМЛ. Москва 1960, фигуры 6.3 и 6.4 на стр.98). В данном решении углы установки лопастей на входе в рабочее колесо по покрывному диску, зависящие от угла установки лопастей по ведущему диску, улучшают условия входа потока на эти лопасти, что, соответственно, улучшает антикавитационные качества рабочего. колеса. Вместе с тем, поскольку такая установка лопастей не связана с характерными для различных режимов работы насоса параметрами, такими как коэффициент входа потока в рабочее колесо и отношение подачи к частоте вращения, улучшение антикавитационных качеств рабочего колеса будет незначительным.

В патенте на полезную модель предложено рабочее колесо центробежного насоса, содержащее ведущий и покрывной диски с расположенными между ними лопастями, отличающееся тем, что диаметр D входа в рабочее колесо и угол β_1л установки лопастей на входе в рабочее колесо по покрывному диску выполнены в зависимости от значения коэффициента K₀ входа потока в рабочее колесо, выбранного из диапазона значений K₀=3,5-6,5 исходя из заданных условий работы насоса, и определены соотношениями:   , и   , где Q - подача насоса; n - частота вращения рабочего колеса; d_вт - диаметр втулки рабочего колеса на входе. Данное рабочее колесо позволяет во время работы насоса на заданном режиме исключить возможность возникновения кавитационных явлений, но оно характеризуется небольшим ресурсом использования, обусловленным низкими прочностными характеристиками, а именно низкой коррозийной стойкостью при контакте с агрессивной средой.

Зульцер Пумпен Аг в патенте на изобретение №2392499 предлагает исключить возможность повреждения элементов насоса при производительностях больше чем оптимальная рабочая точка путем обеспечения уравновешивания давления по разные стороны рабочего колеса без падения давления в уплотнительном пространстве ниже давления, преобладающего впереди рабочего колеса центробежного насоса. Данную проблему не смогли устранить в патентах DE 1453730 А, 30.04.1970 и DE 1453730 А, 30.04.1970.

Рабочее колесо центробежного насоса, содержащее лопатки, имеющие искривление в одной плоскости [CN 2204344, дата приоритета 02.08.1993 г., дата публикации: 02.08.1995 г., МПК: F04D 07/04], рабочее колесо центробежного насоса, содержащее лопатки, искривленные в одной плоскости [CN 205779755, дата приоритета 19.05.2016 г., дата публикации 07.12.2016 г., МПК: F04D 13/06] и рабочее колесо центробежного насоса, содержащее искривленные в одной плоскости лопатки, имеющие угол между касательной к выходной кромке лопатки и касательной к окружности рабочего колеса от 15 до 27° [CN 204152837, дата приоритета: 15.10.2014 г., дата публикации 11.02.2015 г., МПК: F04D 29/24] можно охарактеризовать общим недостатком, который заключается в том, что жидкость на выходе из рабочего колеса движется с малой скоростью вследствие того, что угол между касательной к выходной кромке лопатки и касательной к окружности рабочего колеса имеет малую величину, при этом увеличение этого угла вызывает гидродинамические потери и снижает КПД рабочего колеса, что в конечном итоге в значительной степени снижает эксплуатационные характеристики центробежного насоса.

Известно рабочее колесо центробежного насоса, содержащее основной диск со ступицей и выполненные на его лицевой поверхности лопасти, выполненные криволинейными загнутыми назад, причем в основном диске в пространстве между входными участками лопастей выполнены сквозные отверстия (см. патент US №5224821, кл. F01D 5/14, опубл. 06.07.1993). Однако выполнение наружной задней поверхности основного диска гладкой не позволяет в полной мере использовать возможность уменьшить осевую силу, возникающую при работе рабочего колеса в составе центробежного насоса.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является рабочее колесо центробежного насоса, содержащее основной диск со ступицей, покрывной диск и размещенные между ними лопасти, выполненные криволинейными загнутыми назад, причем в основном диске в пространстве между входными участками лопастей выполнены сквозные отверстия, а с наружной стороны на основном диске выполнен кольцевой коаксиально охватывающий выступающий из основного диска участок ступицы бурт (см. патент US №5628616, кл. F04D 29/22, опубл. 13.05.1997).

Однако выполнение рабочего колеса со сквозными отверстиями, оси которых расположены параллельно оси рабочего колеса, не позволяет создать равномерный градиент давления с наружной стороны основного диска, что снижает возможность уменьшения осевой силы, которая возникает на рабочем колесе при работе центробежного насоса.

Известно техническое решение (патент №RU2628681) в котором рабочее колесо выполнено литым с отклонением по шагу лопастей на их входном участке не более 2 мм и на выходном участке не более 3 мм, наружная поверхность основного диска, расположенная между выступающим из основного диска участком ступицы и кольцевым буртом, выполнена криволинейной с образованием части торовой поверхности, плавно сопряженной со стороны меньшего диаметра со ступицей и со стороны большего диаметра с внутренней цилиндрической поверхностью кольцевого бурта, причем ось каждого сквозного отверстия наклонена к оси рабочего колеса под углом 33°±5°, внутренний диаметр кольцевого бурта составляет от 0,59 до 0,61 от диаметра основного диска рабочего колеса, сквозные отверстия расположены по окружности, диаметр которой составляет от 0,37 до 0,38 от диаметра основного диска рабочего колеса, при этом между основным и покрывным дисками расположено 7 лопастей, диаметр основного диска составляет от диаметра покрывного диска от 0,96 до 0,98, а диаметр покрывного диска рабочего колеса составляет от 233 мм до 230 мм. Выполнение рабочего колеса с указанными выше параметрами позволяет снизить гидравлические потери при сообщении указанного выше входного участка проточной части рабочего колеса с пространством за основным диском рабочего колеса и тем самым уменьшить величину осевой силы, которая возникает при работе рабочего колеса в составе центробежного насоса, но данный насос обладает низким сроком эксплуатации.

На повышение КПД направлено техническое решение, описанное в патенте на полезную модель №139036, которое характеризуется тем, что разность внешнего диаметра дисков и диаметра выходных кромок лопаток не более 1/14 и не менее 1/20 внешнего диаметра дисков. Данное решение не позволяет повысить срок эксплуатации насоса.

Известно рабочее колесо погружного центробежного насоса, содержащее основной диск с рабочими лопатками, покрывной диск, металлический диск, размещенный между основным и покрывным диском и жестко соединенный с ними, при этом основной и покрывной диски выполнены из композиционного полимерного материала (см. патент RU №2352823, МПК F04D 29/22). Недостатком данного способа является то, что диаметры ступеней определяются и ограничиваются диаметром скважины. Технологически сложное изготовление деталей ступени и соответственно высокая себестоимость.

Существует шнек центробежного насоса, состоящий из втулки и изогнутых лопаток [US2015044026, дата публикации: 12.02.2015 г. МПК: F04D 29/44]. Его недостатком является низкая жесткость шнека центробежного насоса, из-за чего в процессе эксплуатации шнека в режиме развитой кавитации под постоянным воздействием перепада давления перекачиваемой среды, возникающего между напорной и тыльной сторонами шнека, может происходить деформация, ускоренный износ, разрушение лопаток шнека и выход шнека из строя, что в значительной степени снижает надежность центробежного насоса, а также низкая степень устойчивости к абразивному износу.

Обеспечить высокую всасывающую способность насоса с величиной критического кавитационного коэффициента быстроходности Скр от 1100 и более при коэффициенте входа в рабочее колесо kвх от 4,5 до 4,6 и сохранении высокого КПД насоса за счет оптимизации геометрических размеров лопастной системы на входном участке пространственных лопастей рабочего колеса с коэффициентом быстроходности от 80 до 200 позволяет рабочее колесо центробежного насоса, содержащее основной и покрывающий диски и расположенные между ними пространственные лопасти, у лопастей входные кромки в плане выполнены вытянутыми относительно периферийной и втулочной поверхностей покрывающего и основного дисков, соответственно, таким образом, что максимальный угол охвата лопасти на входной кромке превышает углы ее охвата на периферийной и втулочной поверхностях на 5÷15°, а нижняя точка входной кромки расположена на расстоянии 0,3÷0,5 (D0-Dвт)/2 от D0, где D0 - диаметр входной воронки рабочего колеса, Dem -диаметр втулки рабочего колеса, причем входная кромка в плане скруглена по меньшей мере двумя радиусами, при этом угол атаки лопасти Δβ1 со стороны основного диска составляет 6÷10°, а со стороны покрывающего диска составляет 0÷2,5° (Патент RU №2491448). Заявленные соотношения на входном участке пространственной лопасти выведены на основании теоретического анализа имеющейся информации по влиянию входных условий рабочего колеса на кавитацию и результатов экспериментов, проведенных во ВНИИАЭН. Соотношения выбирались для обеспечения коэффициента входа в рабочее колесо kвх, составляющем от 4,5 до 4,6, что соответствует определенному диаметру входной воронки рабочего колеса, для которого характерны плавность и устойчивость течения потока на входе в рабочее колесо, малые утечки в уплотнении рабочего колеса. Но при всех достоинствах, данное рабочее колесо центробежного насоса обладает низким сроком эксплуатации, в виду низкой устойчивости к коррозийному воздействию агрессивных сред.

Существует центробежное рабочее колесо, выбранное в качестве ближайшего аналога и содержащее выполненный заодно со ступицей ведущий диск, покрывной диск с центральным входным отверстием и размещенное между ведущим и покрывным диском четное число лопаток (Бобков А.В. Центробежные насосы систем терморегулирования космических аппаратов. Владивосток, Дальнаука, 2003, с.129, рис.5.8в). Применение уплотнения по торцовой поверхности покрывного диска упрощает конструкцию и снижает осевой габарит. Его недостатком являются значительные дисковые потери на трение по наружным поверхностям основного и покрывного дисков из-за их большой поверхности, а также нескомпенсированная осевая сила, возникающая при работе колеса из-за разности эпюр давления по наружным поверхностям основного и покрывного дисков. Известные методы борьбы с этой силой, как, например, выполнение разгрузочных отверстий в стенке ведущего диска, могут снизить значение этой силы, но не позволяют достигнуть полной осевой разгрузки, что отмечено в (Бобков А.В. Центробежные насосы систем терморегулирования космических аппаратов. Владивосток, Дальнаука, 2003, с.208, 209, рис.7.16). Другим недостатком центробежного рабочего колеса является его низкая технологичность, вызванная необходимостью получения замкнутых полостей между дисками и сторонами лопаток.

В патенте RU №2427726 предложено для снижения дисковых потерь на трение, компенсации осевого усилия на рабочем колесе при его работе, а также повышения технологичности его изготовления и устранения ограничения на минимальную толщину лопаток, в центробежном рабочем колесе, содержащем выполненный заодно со ступицей ведущий диск, покрывной диск с центральным входным отверстием и размещенное между ведущим и покрывным диском четное число лопаток с напорной и тыльной сторонами, а также входной и выходной кромками, согласно изобретению ведущий и покрывной диски выполнены заодно с лопатками, на покрывном диске выполнены осесимметрично расположенные прорези, ограниченные напорной стороной каждой четной лопатки и ближайшей к этой стороне тыльной стороной соседней лопатки, наружным диаметром покрывного диска и диаметром входного отверстия, а на ведущем диске выполнены осесимметрично расположенные прорези, ограниченные напорной стороной каждой нечетной лопатки и ближайшей к этой стороне тыльной стороной соседней лопатки, наружным диаметром ведущего диска и внутренним контуром, отстоящим от оси рабочего колеса не далее радиуса пересечения входных кромок лопаток с внутренней поверхностью ведущего диска.

Этот же заявитель с целью повышения надежности центробежного рабочего колеса и обеспечения достоверности его контроля в производстве, предлагает выполнять наружнаяую поверхность ведущего диска цилиндрической за одно целое с наружной поверхностью вторых частей лопаток, покрывной диск со стороны, обращенной к ведущему диску, снабжен цилиндрической стенкой, внутренний диаметр которой равен наружному диаметру ведущего диска, и на цилиндрической стенке выполнены осесимметричные замкнутые прорези по числу лопаток, при этом первые части лопаток образованы перемычками в стенке между прорезями, и цилиндрическая стенка покрывного диска на участке между своим торцем и прорезями соединена со стенкой ведущего диска штифтами (Патент RU №2618372).

В патенте RU №2522134 автора предлагают расширить область использования центробежного рабочего колеса, за счет выполнения колеса с любым как четным, так и нечетным числом лопаток.

На повышение коррозионной стойкости направлено техническое решение, описанное в патенте №2533605, заключающееся в том, что центробежном рабочем колесе, содержащем единый со ступицей ведущий диск, покрывной диск с центральным входным отверстием и размещенные между ведущим и покрывным диском не менее трех осесимметрично расположенных лопаток, согласно изобретению, каждая лопатка выполнена составной из двух частей, при этом первая часть каждой лопатки выполнена заодно с покрывным диском и размещена внутри сосной покрывному диску первой поверхности вращения, а вторая часть каждой лопатки выполнена заодно с ведущим диском и размещена снаружи второй поверхности вращения, охватывающей первую поверхность вращения, каждая из указанных поверхностей выполнена двухступенчатой, при этом ступени с большим диаметром обеих поверхностей прилегают своими краями к ведущему диску, а ступени меньшего диаметра прилегают своими краями к покрывному диску, ступени меньшего диаметра обеих поверхностей имеют одинаковые номинальные диаметры, и осевые размеры ступеней меньшего и большего диаметров первой поверхности вращения равны номинальным осевым размерам ступеней меньшего и большего диаметров второй поверхности вращения соответственно, при этом оба диска установлены с фиксацией их взаимного углового положения. Из представленного описания видно, что коррозийную стойкость повышают за счет конструктивного изменения насоса, но это не дает достаточной стойкости.

Высокой производительностью и низкой коррозийной стойкостью характеризуется рабочее колесо промежуточной ступени центробежного насоса (Патент RU №156941), которое содержит ведущий диск, покрывной диск и расположенные между ними лопатки, причем покрывной диск снабжен дополнительным уплотнением в виде кольцевого выступа, концентричного внутреннему выступу основного уплотнения и образующего вместе с основным уплотнением разгрузочную камеру, при этом в плоскости перпендикулярной оси рабочего колеса линия соединяющая входную и выходную кромки лопатки рабочего колеса наклонена к проходящей через выходную кромку лопатки рабочего колеса касательной к наружной окружности рабочего колеса под углом превышающим на 30°-45° угол выхода лопатки рабочего колеса, а максимальное расстояние от линии соединяющей входную и выходную кромки лопатки рабочего колеса до лопатки в направлении перпендикулярном к указанной выше линии составляет от 0,15 до 0,25 от длины линии соединяющей входную и выходную кромки лопатки рабочего колеса.

Одним из способов повышения эксплуатационных свойств центробежного насоса является нанесение различных упрочняющих покрытий на рабочее колесо насоса. Одним из таких является техническое решение, описанное в патенте №2450167, в котором с целью повышения КПД насоса без изменения конструкции путем модернизации изначально эксплуатирующегося рабочего колеса или замены его на усовершенствованное рабочее колесо. Указанная цель достигается использованием рабочего колеса центробежного насоса, содержащего ведущий и ведомый диски и лопастную систему, имеющего покрытие из гидрофобного материала только на внешней поверхности ведомого диска, при этом гидрофобным материалом может являться фторопласт или поверхностно-активное вещество, например октадециламин. Для изготовления рабочего колеса согласно изобретению может быть использовано изначально эксплуатирующееся рабочее колесо.

Кроме того, известна конструкция рабочего колеса (патент РФ на полезную модель РФ №2605487, дата публикации 20.12.2016 г.), которая имеет лопатки, первый закрывающий диск и присоединенный посредством сварки к первому закрывающему диску второй закрывающий диск, при этом каждая лопатка имеет область вершины, в которой она контактирует со вторым закрывающим диском, и, по меньшей мере, одна лопатка из всех лопаток на первом участке области вершины имеет сварное соединение со вторым закрывающим диском, причем, по меньшей мере, один второй участок области вершины свободен от сварного соединения, один из закрывающих дисков изготовлен из светопроницаемого материала, а другой из закрывающих дисков изготовлен, по меньшей мере, частично из светопоглощающего материала. Недостатком описанных конструкций является низкая стойкость к отложению механических примесей, в том числе солей, на лопастях рабочего колеса в процессе эксплуатации, связанной с наличием облоя или наплывов в местах сборки и дефектов, возникающих при их удалении.

В рабочем колесе лопастного насоса (Патент RU №160402), содержащем покрывной диск, снабженный защитным кольцом, закрепленным от проворачивания и осевого смещения при помощи одного или более фиксирующего элемента, согласно полезной модели, в защитном кольце выполнен один или более шпоночный паз, в каждом из которых установлен фиксирующий элемент, выполненный в виде шпонки с выступом, размещенным в выполненном в покрывном диске ответном радиальном углублении для фиксации кольца от проворачивания, при этом шпонка установлена с выступанием за торец защитного кольца с возможностью загибания ее выступающей части для фиксации кольца от осевого смещения. С целью упрощения проведения монтажных и ремонтных работ сопрягающиеся поверхности покрывного диска и защитного кольца выполнены ступенчатыми. Для повышения технологичности изготовления радиальное углубление покрывного диска выполнено в виде круглого отверстия, а ответный выступ на шпонке выполнен в виде стержня круглого поперечного сечения. С целью упрощения технологии изготовления круглое отверстие покрывного диска выполнено сквозным. При этом, для обеспечения возможности использования рабочего колеса в лопастных насосах различного исполнения защитное кольцо может быть закреплено снаружи покрывного диска, в котором для этого выполнен ступенчатый посадочный поясок, или закреплено внутри покрывного диска, в котором для этого выполнена ступенчатая посадочная проточка. Для предотвращения искрообразования при работе колеса в составе лопастного насоса, перекачивающего горючие жидкости (нефть, бензин, углеводороды и т.п), защитное кольцо выполнено из медного сплава. В целях снижения абразивного износа колеса при его работе в составе лопастного насоса, перекачивающего абразивсодержащие жидкости, защитное кольцо выполнено из износостойкого материала, например, закаленной стали.

Повысить надежность и долговечность центробежного насоса для добычи нефти при работе в сложных условиях за счет повышения триботехнических характеристик узла трения рабочего колеса и стойкости опорной шайбы к разбуханию в среде пластовой жидкости без увеличения твердости материала шайбы при одновременном обеспечении стойкости рабочего колеса и опорной шайбы к коррозии и солеотложениям, позволяет рабочее колесо скважинного многоступенчатого центробежного насоса для добычи нефти (Патент RU №2355917), обеспечивающее достижение указанного выше технического результата, включает в себя ступицу, ведущий и ведомый диски, а также размещенные между ними лопасти. Ведущий и/или ведомый диск выполнен с кольцевым пазом, в котором размещена опорная шайба рабочего колеса, выполненная из материала, твердость поверхности которого меньше твердости поверхности материала рабочего колеса. При этом в отличие от прототипа на поверхность рабочего колеса, а также на наружную поверхность опорной шайбы нанесено покрытие из антифрикционного полимерного материала, обеспечивающего защиту поверхности рабочего колеса и опорной шайбы от коррозии и солеотложений, при этом покрытие нанесено таким образом, чтобы обеспечить защиту всех поверхностей опорной шайбы от доступа пластовой жидкости.

В публикации заявки на патент Германии DE 4015331 A1 описано рабочее колесо, имеющее только одну лопасть. Однолопастное колесо, которое изготовлено способом литья, образует канал между кожухом передней крышки, кожухом задней крышки и лопастью, причем поперечное сечение этого канала уменьшается от входа однолопастного колеса к выходу. На первых 180° угла поворота засасывающая сторона образует полукруг, который расположен концентрически относительно оси вращения. Однолопастное рабочее колесо сконструировано таким образом, что предотвращает раннее образование пузырьков и, следовательно, возникновение кавитации. Кромка лопасти имеет очень большой радиус кривизны. Этот спрямленный участок предотвращает накопление длинноволокнистых компонентов.

В отличие от однолопастных колес, рабочие колеса, имеющие множество лопастей, отличаются высоким коэффициентом полезного действия. Однако на рабочие колеса этого типа также накладываются особые требования относительно предотвращения накопления твердых компонентов в тракте перекачки. В многолопастных рабочих колесах должны быть реализованы особые меры во избежание засорения.