RU2754880C1

RU2754880C1 - Фиксатор насосного подшипника

Info

Publication number: RU2754880C1
Application number: RU2020141193A
Authority: RU
Inventors: Гуннар ГАБА
Original assignee: Грундфос Холдинг А/С
Priority date: 2020-01-17
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2021-09-08
Also published as: CN113137396A; CN113137396B; US20210222699A1; EP3851677A1

Abstract

Группа изобретений относится к фиксатору (29) насосного подшипника для насоса влажного хода, причем фиксатор (29) насосного подшипника содержит радиально внутреннюю секцию (49), радиальный подшипник (37) с внутренней поверхностью (41) скольжения, выполненной с возможностью обеспечения смазочной пленки между поверхностью (41) скольжения и роторным валом (13) насоса (1), причем радиальный подшипник (37) установлен в радиально внутреннюю секцию (49), и радиально внешнюю секцию (51), продолжающуюся радиально наружу от секции (49). Секция (49) ограничивает по меньшей мере один первый аксиальный флюидный канал (45) для обеспечения первого пути (F1) флюидного потока в первом аксиальном направлении потока. По меньшей мере один канал (45) расположен на первом радиальном расстоянии (D1) от роторной оси (R), причем расстояние (D1) больше, чем радиус (D0) поверхности (41) скольжения. Секция (51) ограничивает по меньшей мере один второй аксиальный флюидный канал (47) для обеспечения возможности пути (F2) флюидного потока во втором аксиальном направлении потока через по меньшей мере один канал (47), причем по меньшей мере один канал (47) расположен на втором радиальном расстоянии (D2) от роторной оси (R). Расстояние (D2) больше, чем расстояние (D1). Второе аксиальное направление потока противоположно первому аксиальному направлению потока. Изобретения направлены на снижение риска блокировки насоса известковыми осаждениями и фрикционных потерь и износа из-за магнетизма, накопленного на роторе. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

[01] Настоящее изобретение относится в целом к фиксаторам насосных подшипников, т.е. фиксаторам насосных подшипников, обычно используемым в насосах влажного хода (способных работать со смазкой), в частности, в управляемых по скорости центробежных насосах влажного хода.

[02] Центробежные насосы влажного хода обычно содержат роторный кожух, отделяющий ротор с постоянным магнитом влажного хода от сухого статора. Ротор приводит в движение лопастное (рабочее) колесо, расположенное в корпусе насоса. Ротор обычно установлен на валу ротора, который имеет возможность вращения в по меньшей мере одном радиальном подшипнике. Радиальный подшипник обычно удерживается по окружности и центрируется в насосе с помощью фиксатора насосного подшипника, иногда упоминаемого как опорная плита или диск. Фиксатор насосного подшипника имеет центральное отверстие, в которое подшипник запрессовывается в осевом направлении во время изготовления или сборки.

[03] Документы DE 26 39 541 A1, DE 2100 345 A1, DE 197 48 866 A1 или WO 2008/058639 A1 all описывают фиксаторы насосных подшипников с отверстиями для заполнения роторной камеры, ограничиваемой роторным кожухом, текучей средой (флюидом) для обеспечения влажного хода ротора.

[04] DE 197 48 866 A1 и WO 2008/058639 A1 описывают дополнительный путь потока через полый роторный вал, в частности, чтобы дегазировать роторную камеру.

[05] EP 3 425 221 B1 описывает фиксатор насосного подшипника с осевым флюидным каналом, расположенным между внутренней секцией и насосным подшипником.

[06] Все из известных насосов постоянно демонстрировали две проблемы. Во-первых, когда насос не работает, вследствие разностей температуры и теплового расширения флюида, флюид протекает аксиально вдоль смазочной пленки между роторным валом и радиальным подшипником, когда насос не работает. Иными словами, имеется “дыхание (всасывание и выпуск) флюида” через смазочную пленку. Это дыхание вызывает осаждение и седиментацию известкового налета между роторным валом и радиальным подшипником, что увеличивает риск блокирования роторного вала для следующего пуска насоса. Во-вторых, во время работы насоса, существует значительный поток флюида, вызванный значительными разностями давления, из камеры лопастного колеса через отверстия подшипникового фиксатора в роторную камеру и затем через полый роторный вал обратно в камеру лопастного колеса. Этот значительный поток вводит магнетит, т.е. магнитные оксиды железа во флюиде, в роторную камеру. Магнетит притягивается постоянными магнитами ротора и со временем накапливается на роторе. Накопленный магнетит формирует абразивный порошок, который значительно увеличивает фрикционные потери в насосе и ускоряет износ роторного кожуха.

[07] В отличие от известных фиксаторов насосных подшипников, варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают фиксатор насосного подшипника, который, во-первых, значительно снижает риск блокировки насоса известковыми осаждениями, и во-вторых, значительно снижает риск фрикционных потерь и износа из-за магнетита, накопленного на роторе.

[08] В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, обеспечен фиксатор насосного подшипника насоса влажного хода, причем фиксатор насосного подшипника содержит:

- радиально внутреннюю секцию,

- радиальный подшипник с внутренней поверхностью скольжения, сконфигурированной, чтобы обеспечивать возможность смазочной пленки между внутренней поверхностью скольжения между внутренней поверхностью скольжения и роторным валом насоса, причем радиальный подшипник установлен в радиально внутреннюю секцию, и

- радиально внешняя секция, продолжающаяся радиально наружу от внутренней секции,

причем радиально внутренняя секция ограничивает по меньшей мере один первый осевой (аксиальный) флюидный канал для обеспечения возможности флюидного потока в первом аксиальном направлении потока, причем аксиальный флюидный канал расположен на первом радиальном расстоянии от роторной оси, причем первое радиальное расстояние больше, чем радиус D0 внутренней поверхности скольжения,

причем радиально внешняя секция ограничивает по меньшей мере один второй аксиальный флюидный канал для обеспечения возможности флюидного потока во втором аксиальном направлении потока через по меньшей мере один второй аксиальный флюидный канал, причем по меньшей мере один второй аксиальный флюидный канал расположен на втором радиальном расстоянии от роторной оси, причем второе радиальное расстояние больше, чем первое радиальное расстояние, и причем второе аксиальное направление потока противоположно первому аксиальному направлению потока.

[09] В отличие от фиксаторов насосных подшипников, известных из предшествующего уровня техники, фиксатор насосного подшипника, описанный здесь, обеспечивает кольцевой поток из роторной камеры насоса в камеру лопастного колеса насоса через первый аксиальный флюидный канал(ы) и обратно из камеры лопастного колеса в роторную камеру через второй аксиальный флюидный канал(ы). При этом кольцевой поток не проходит ротор, и меньше магнетита накапливается на роторе во время работы насоса, т.е. магнетит покидает роторную камеру, прежде чем он достигнет ротора. Кроме того, имеется меньший аксиальный поток вдоль смазочной пленки между роторным валом и радиальным подшипником, когда насос не работает, поскольку флюид следует пути наименьшего сопротивления через первый и второй аксиальный флюидный канал(ы). Кольцевой поток через первый аксиальный флюидный канал и второй аксиальный флюидный канал может возбуждаться эффектом насоса (турбины) Тесла между вращающимся лопастным колесом насоса и статическим фиксатором насосного подшипника, при этом давление в камере лопастного колеса выше во втором аксиальном флюидном канале, чем в первом аксиальном флюидном канале.

[10] Опционально, радиально внутренняя секция может содержать поверхность внутренней секции для контакта посадкой с натягом с по существу цилиндрической радиальной внешней поверхностью радиального подшипника, причем форма поверхности внутренней секции ограничивает по меньшей мере один первый аксиальный флюидный канал, расположенный между внутренней секцией и радиальным подшипником. При этом первый аксиальный флюидный канал(ы) может быть расположен по возможности радиально внутри без какой-либо обработки самого радиального подшипника. В принципе, было бы возможно расположить первые аксиальные флюидные каналы в самом радиальном подшипнике, но это был бы более сложный процесс, так как радиальный подшипник предпочтительно является керамическим. Проще придать форму внутренней и внешней секции фиксатора подшипника, которые предпочтительно являются металлическими.

[11] Опционально, радиально внешняя секция может ограничивать n≥2 вторых аксиальных флюидных каналов, распределенных в n-кратной вращательной симметрии. Аналогично, радиально внутренняя секция может ограничивать m≥2 первых аксиальных флюидных каналов, распределенных в m-кратной вращательной симметрии. При этом риск асимметричного распределения потока может быть снижен.

[12] Опционально, по меньшей мере один первый аксиальный флюидный канал может быть аксиально смещен относительно по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала. Термин “смещен” должен включать полное смещение или частичное смещение, причем частичное смещение означает частичное перекрытие в осевом направлении между первым аксиальным флюидным каналом(ами) и вторым аксиальным флюидным каналом(ами). Предпочтительно, смещение является полным, т.е. аксиальное смещение, измеренное от аксиальных центров первого и второго аксиального флюидного канала, соответственно, больше, чем половина аксиальной протяженности по меньшей мере одного первого аксиального флюидного канала.

[13] Опционально, полная площадь А поперечного сечения всех из по меньшей мере одного первого аксиального флюидного канала(ов) может быть больше, чем 0,5 квадратных миллиметров. При этом первый аксиальный флюидный канал(ы) достаточно велик, чтобы обеспечивать путь потока со значительно меньшим сопротивлением, чем у смазочной пленки между радиальным подшипником и роторным валом. Например, полная площадь А поперечного сечения всех из по меньшей мере одного первого аксиального флюидного канала(ов) может быть в 10 или более раз больше, чем площадь поперечного сечения смазочной пленки между радиальным подшипником и роторным валом. Со ссылкой на площадь поперечного сечения смазочной пленки, имеющей толщину C, полная площадь А поперечного сечения может удовлетворять формуле

Таким образом, поток вдоль смазочной пленки между радиальным подшипником и роторным валом, вызывающий оседание и седиментацию известкового налета, минимизируется.

[14] Опционально, полная площадь В поперечного сечения всех из по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала(ов) может быть больше, чем 0,5 квадратных миллиметров. Аналогично полной площади А поперечного сечения всех из по меньшей мере одного первого аксиального флюидного канала(ов), выгодно обеспечить достаточный поток через второй аксиальный флюидный канал(ы). Например, со ссылкой на площадь поперечного сечения смазочной пленки, имеющей толщину C, полная площадь В поперечного сечения может удовлетворять формуле

[15] Опционально, полная площадь поперечного сечения всех из по меньшей мере одного первого аксиального флюидного канала и/или полная площадь поперечного сечения всех из по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала может быть в 10 или более раз больше, чем площадь поперечного сечения зазора, имеющего толщину C, т.е.

и/или

Это особенно выгодно, чтобы обеспечить альтернативный путь потока низкого сопротивления для флюида, чтобы эффективно обойти смазочную пленку.

[16] Опционально, максимальная радиальная протяженность по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала может составлять менее 300 микрон. Большая радиальная протяженность ввела бы риск вхождения более крупных частиц в роторную камеру через второй аксиальный флюидный канал(ы). Максимальная радиальная протяженность 300 микрон обеспечивает достаточный фильтрующий эффект, чтобы предотвращать попадание более крупных частиц в роторную камеру. В предпочтительном варианте осуществления, радиальная протяженность по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала составляет около 250 микрон.

[17] Опционально, количество m по меньшей мере одного первого аксиального флюидного канала(ов) может быть больше, чем количество n по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала(ов). Так как вторые аксиальные флюидные каналы расположены радиально дальше наружу, каждый из них может быть больше, чем один из первых аксиальных флюидных каналов, так что полные площади А и В поперечного сечения могут находиться в одном и том же диапазоне. Например, ширина каждого из m=6 первых аксиальных щелевых флюидных каналов и n=4 вторых аксиальных флюидных щелевых каналов может быть порядка, например, 250 микрон, в то время как длина дуги вторых аксиальных флюидных щелевых каналов может быть около 10 мм по сравнению с длиной около 4 мм первых вторых аксиальных щелевых флюидных каналов. Такие размеры приводят к площади А поперечного сечения, равной 6 квадратных миллиметров и площади В поперечного сечения, равной примерно 10 квадратных миллиметров. В отличие от этого, зазор или смазочная пленка с толщиной 13,25 микрон для роторного вала диаметром 10 мм имеет площадь поперечного сечения ниже 0,5 квадратных миллиметров.

[18] Опционально, каждый из по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала(ов) может быть сформирован как дугообразная щель, имеющая радиус дуги по существу равный второму радиальному расстоянию. Это предпочтительно, чтобы достичь определенной площади поперечного сечения на каждый второй аксиальный флюидный канал, оставаясь в пределах максимальной радиальной протяженности для фильтрации более крупных частиц. Радиальная протяженность соответствует ширине щели(ей).

[19] Опционально, каждая дугообразная щель может иметь протяженность от 0,05 до 0,5 радиан. Это соответствует длине щели(ей). Нижний предел предпочтительно 0,05 радиан показал возможность достижения достаточной площади поперечного сечения на каждый второй аксиальный флюидный канал. Второй предел предпочтительно 0,5 радиан может зависеть от количества n щелей и пределов структурной целостности фиксатора насосного подшипника.

[20] Опционально, поверхность внутренней секции может содержать по меньшей мере один первый участок и по меньшей мере один второй участок в окружном направлении, причем по меньшей мере один первый участок имеет первый радиус, и по меньшей мере один второй участок имеет второй радиус, который больше, чем первый радиус, так что по меньшей мере первый участок ограничивает по меньшей мере один контактный участок для запрессовки в по существу цилиндрическую радиальную внешнюю поверхность радиального подшипника, и таким образом, что по меньшей мере один второй участок ограничивает по меньшей мере один первый аксиальный флюидный канал, расположенный между внутренней секцией и радиальным подшипником. Такая “волнообразная” и/или “зубчатая” форма поверхности внутренней секции является удобным и эффективным путем определения первого аксиального флюидного канала(ов).

[21] В соответствии с вторым аспектом настоящего изобретения, обеспечен насос, содержащий ранее описанный фиксатор насосного подшипника, причем насос представляет собой центробежный насос влажного хода, содержащий

- синхронный двигатель с постоянным магнитом (PMSM),

- роторный вал, расположенный в радиальном подшипнике фиксатора насосного подшипника с зазором к внутренней поверхности скольжения радиального подшипника для обеспечения смазочной пленки, и

- лопастное колесо, установленное на валу ротора.

[22] Если имеется значительный поток вдоль постоянных магнитов в роторе двигателя, Fe⁺⁺-ионы, растворенные во флюиде, осаждаются на роторе как магнетит (Fe₃O₄), который накапливается в форме абразивного порошка на роторе, поскольку он притягивается постоянными магнитами. Этот абразивный порошок размалывается на роторном кожухе и увеличивает фрикционные потери и износ роторного кожуха. Насос, описанный здесь, препятствует потоку вдоль постоянных магнитов в роторе двигателя, с одной стороны, и избегает накопления известкового налета на внутренней поверхности скольжения радиального подшипника, с другой стороны.

[23] Опционально, аксиальное расстояние от лопастного колеса до внешней секции фиксатора насосного подшипника, измеренное у внешнего радиуса лопастного колеса, составляет менее 2,0 миллиметров, предпочтительно менее 1,5 миллиметров. Такое малое расстояние облегчает действие эффекта насоса Тесла для возбуждения кольцевого потока через первый и второй аксиальный флюидный канал(ы).

[24] Опционально, внешний радиус лопастного колеса меньше, чем второе радиальное расстояние от по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала до роторной оси. При этом достигается максимальная разность давлений между первым и вторым аксиальным флюидным каналом(ами) для наиболее эффективного возбуждения кольцевого потока через первый и второй аксиальный флюидный канал(ы).

[25] Опционально, полная площадь поперечного сечения всех из по меньшей мере одного первого аксиального флюидного канала и/или полная площадь поперечного сечения всех из по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала может быть в 10 или более раз больше, чем площадь поперечного сечения зазора. Это, в частности, полезно для обеспечения альтернативного пути потока низкого сопротивления для флюида, чтобы эффективно обходить смазочную пленку в зазоре.

[26] Опционально, насос может содержать роторный кожух, причем фиксатор насосного подшипника расположен аксиально между роторным кожухом и лопастным колесом, причем роторный кожух и фиксатор насосного подшипника ограничивают внешние границы роторной камеры, причем аксиальное расстояние от роторного кожуха до по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала в радиально внешней секции фиксатора насосного подшипника больше, чем аксиальное расстояние от лопастного колеса до внешней секции фиксатора насосного подшипника, измеренное у внешнего радиуса лопастного колеса. Это обеспечивает достаточно большой путь потока в роторной камере между роторным кожухом и фиксатором насосного подшипника.

[27] В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения, предложен способ работы центробежного насоса влажного хода, содержащего синхронный двигатель с постоянным магнитом (PMSM), причем способ содержит этапы:

- обеспечения, когда двигатель работает, первого пути потока из роторной камеры в камеру лопастного колеса через по меньшей мере один первый аксиальный флюидный канал, ограничиваемый радиально внутренней секцией фиксатора насосного подшипника насоса, и

- обеспечения, когда двигатель работает, второго пути потока из камеры лопастного колеса в роторную камеру через по меньшей мере один второй аксиальный флюидный канал, ограничиваемый радиально внешней секцией фиксатора насосного подшипника.

[28] Опционально, кольцевой поток из роторной камеры в камеру лопастного колеса вдоль первого пути потока и из камеры лопастного колеса обратно в роторную камеру вдоль второго пути потока может возбуждаться эффектом насоса Тесла между лопастным колесом и фиксатором насосного подшипника, когда двигатель работает.

[29] Опционально, способ может дополнительно содержать этапы:

- обеспечения, когда двигатель остановлен, третьего пути потока из роторной камеры в камеру лопастного колеса через внутренний канал роторного вала, проходящий между вторым аксиальным концом вала и первым аксиальным концом вала, причем первый аксиальный конец вала расположен в камере лопастного колеса, и второй аксиальный конец вала расположен в роторной камере, и

- обеспечения, когда двигатель остановлен, четвертого пути потока из камеры лопастного колеса в роторную камеру через по меньшей мере один первый аксиальный флюидный канал.

[30] Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны далее на примере со ссылкой на чертежи, которые показывают следующее:

Фиг. 1 - продольный вид в сечении варианта осуществления насоса в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 2 - продольный вид в сечении насоса, как показано на фиг. 1, без корпуса насоса;

Фиг. 3a - вид сверху варианта осуществления фиксатора насосного подшипника в соответствии с настоящим изобретением с детальными видами первого аксиального канала и второго аксиального канала;

Фиг. 3b - вид в сечении фиксатора насосного подшипника по плоскости C-C, как показано на фиг. 3a;

Фиг. 4a - продольный вид в сечении насоса, как показано на фиг. 1, со стрелками, указывающими пути потока во время работы насоса; и

Фиг. 4b - продольный вид в сечении насоса, как показано на фиг. 1, со стрелками, указывающими пути потока, когда насос не работает.

[31] Фиг. 1 показывает центробежный насос 1 влажного хода, который обычно используется для циркуляции воды в домашних нагревательных системах. Насос 1 содержит корпус 3 насоса, имеющий всасывающий впуск 5 и напорный выпуск 7. Всасывающий впуск 5 и напорный выпуск 7 по существу выровнены коаксиально вдоль оси x. Насос 1 дополнительно содержит корпус 9 двигателя и корпус 11 электроники. Корпус 9 двигателя и корпус 11 электроники по существу выровнены коаксиально вдоль оси z, которая проходит перпендикулярно x-оси. Корпус 9 двигателя прикреплен к корпусу 3 насоса, и корпус 11 электроники прикреплен к корпусу 9 двигателя. Насос 1 дополнительно содержит роторный вал 13, проходящий вдоль x-оси и ограничивающий роторную ось R, проходящую вдоль z-оси. Корпус 9 двигателя окружает синхронный двигатель с постоянным магнитом (PMSM) 15, содержащий статор 17 и ротор 19. Ротор 19 закреплен на роторном валу 13 и имеет возможность вращения вокруг роторной оси R. Корпус 11 электроники содержит электронику для управления двигателем 15.

[32] Роторный вал 13 содержит первый аксиальный конец 21 вала, выступающий вовне корпуса 9 двигателя, и второй аксиальный конец 23 вала, расположенный в корпусе 9 двигателя. Лопастное колесо 25 установлено на первом аксиальном конце 21 вала и расположено в камере 27 лопастного колеса, образованной корпусом 3 насоса. Граница камеры 27 лопастного колеса в направлении корпуса 9 двигателя ограничивается фиксатором 29 насосного подшипника.

[33] Корпус 9 двигателя содержит сухую область 31 и влажную область в форме роторной камеры 33. Статор 17 двигателя 15 расположен в сухой области 31, в то время как ротор 19 и роторный вала 13 расположены во влажной области, т.е. роторной камере 33. Роторная камера 33 отделена от сухой области 31 роторным кожухом 35.

[34] Роторный вал 13 аксиально выровнен посредством двух радиальных подшипников, т.е. первого радиального подшипника 37 и второго радиального подшипника 39. Первый радиальный подшипник 37 фиксируется фиксатором 29 насосного подшипника и расположен рядом с лопастным колесом 25. Второй радиальный подшипник 39 расположен рядом с вторым аксиальным концом 23 вала. Ротор 19 расположен между первым радиальным подшипником 37 и вторым радиальным подшипником 39. Первый радиальный подшипник 37 содержит внутреннюю поверхность 41 скольжения с зазором относительно роторного вала 13, чтобы обеспечивать антифрикционную смазочную пленку между внутренней поверхностью скольжения 41 и роторным валом 13. Аналогично, второй радиальный подшипник содержит внутреннюю поверхность скольжения. Первый радиальный подшипник дополнительно содержит кольцевую поверхность 43 скольжения, обращенную от корпуса 3 насоса. Тем самым, первый радиальный подшипник 37 также служит аксиальным подшипником для вращающихся частей насоса 1.

[35] Следует отметить, что существует зазор менее чем 20 микрон между внешним диаметром роторного вала 13 и внутренней поверхностью скольжения 41 радиального подшипника 37. Такой зазор обеспечивает смазочную пленку, создаваемую накачиваемым флюидом, для снижения фрикционных потерь в насосе 1. Полная площадь поперечного сечения смазочной пленки может быть менее 0,5 mm². Флюидный поток вдоль смазочной пленки нежелателен, в частности, когда насос не работает, потому что такой поток вызывает осаждение и седиментацию известкового налета между роторным валом 13 и первым радиальным подшипником 37, что повышает риск блокирования роторного вала 13 для следующего пуска насоса.

[36] Чтобы снизить риск флюидного потока вдоль смазочной пленки, фиксатор 29 насосного подшипника ограничивает особые альтернативные аксиальные флюидные каналы 45, 47, которые служат в качестве байпаса или шунта. Фиксатор 29 насосного подшипника содержит радиально внутреннюю секцию 49, в которую запрессован первый радиальный подшипник 37. Кроме того, фиксатор 29 насосного подшипника содержит радиально внешнюю секцию 51, продолжающуюся радиально наружу от внутренней секции 49. Радиально внутренняя секция 49 ограничивает первые аксиальные флюидные каналы 45, где она контактирует с первым радиальным подшипником 37. Как показано на фиг. 2, это означает, что первые аксиальные флюидные каналы 45 расположены на первом радиальном расстоянии D1 от роторной оси R, причем первое радиальное расстояние D1 по существу соответствует внешнему радиусу первого радиального подшипника 37. Важно отметить, что первое радиальное расстояние D1 больше, чем радиус D0 внутренней поверхности скольжения 41 первого радиального подшипника 37. Радиально внешняя секция 51 фиксатора 29 насосного подшипника ограничивает вторые аксиальные флюидные каналы 47 в форме щелей. Вторые аксиальные флюидные каналы 47 расположены на втором радиальном расстоянии D2 от роторной оси R, причем второе радиальное расстояние D2 больше, чем первое радиальное расстояние D1. Следует отметить, что внешний радиус D3 лопастного колеса 25 больше, чем первое радиальное расстояние D1, но меньше, чем второе радиальное расстояние D2, т.е. D0<D1<D3<D2.

[37] Как показано на фиг. 2, имеется аксиальное расстояние H меньше 2,0 мм, предпочтительно 1,5 мм, между лопастным колесом 25 и радиально внешней секцией 51 фиксатора 29 насосного подшипника, измеренное у внешнего радиуса D3 лопастного колеса 25. Такое малое аксиальное расстояние H, в частности, полезно для обеспечения эффекта насоса Тесла между лопастным колесом 25 и фиксатором 29 насосного подшипника, так что имеет место меньшее давление в первых аксиальных флюидных каналах 45, чем во вторых аксиальных флюидных каналах 47. Этот дифференциал давления возбуждает кольцевой поток, как показано на фиг. 4a, когда насос работает. Направление потока через второй аксиальный флюидный канал 47 из камеры лопастного колеса 27 в роторную камеру 33 противоположно направлению потока через первый аксиальный флюидный канал 45 из роторной камеры 33 в камеру 27 лопастного колеса. Этот кольцевой поток, в частности, полезен для снижения риска накопления магнетита на роторе 19, поскольку магнетит покидает роторную камеру 33 через первые аксиальные флюидные каналы 45, прежде чем он достигнет ротора 19.

[38] Фиг. 3a показывает фиксатор 29 насосного подшипника более детально. Можно видеть, что радиально внутренняя секция 49 фиксатора 29 насосного подшипника является “зубчатой” в радиальном направлении, формируя шесть “зубцов” в области контакта с первым радиальным подшипником 37. Каждый из зубцов формирует первый аксиальный флюидный канал 45 между радиально внутренней секцией 49 и первым радиальным подшипником 37. Иными словами, радиально внутренняя секция 49 содержит поверхность 53 внутренней секции для контакта посадкой с натягом с по существу цилиндрической радиальной внешней поверхностью 55 первого радиального подшипника 37. Форма поверхности 53 внутренней секции ограничивает первые аксиальные флюидные каналы 45, расположенные между внутренней секцией 49 и первым радиальным подшипником 37. Поверхность 53 внутренней секции содержит шесть первых участков 57 и шесть вторых участков 59 в окружном направлении. Первые участки 57 имеют первый радиус r1, и вторые участки 59 имеют второй радиус r2, больший, чем первый радиус r1, т.е. r1<r2, так что первые участки 57 ограничивают участки контакта посадкой с натягом с по существу цилиндрической радиальной внешней поверхностью 55 первого радиального подшипника 37, и вторые участки 59 ограничивают первые аксиальные флюидные каналы 45. Первые участки 57 и вторые участки 59 равномерно распределены в окружном направлении в шестикратной вращательной симметрии. Первые аксиальные флюидные каналы 45 сформированы как дугообразные щели с шириной, т.е. r2-r1, меньше 300 микрон, и длиной L1 дуги больше 0,1 радиан.

[39] Полная площадь А поперечного сечения m=6 первых аксиальных флюидных каналов 45 может быть аппроксимирована посредством

, в то время как полная площадь В поперечного сечения n=4 вторых аксиальных флюидных каналов 47 может быть аппроксимирована посредством

Полные площади А и В поперечного сечения, каждая, в 10 или более раз больше, чем полная площадь поперечного сечения смазочной пленки между радиальным подшипником 37 и роторным валом 13. При этом аксиальный поток вдоль смазочной пленки существенно минимизирован.

[40] Четыре вторых аксиальных флюидных канала 47 сформированы как дугообразные щели, вырезанные в радиально внешней секции 51 фиксатора 29 насосного подшипника, причем щели имеют радиус дуги по существу равный второму радиальному расстоянию D2 между вторыми аксиальными флюидными каналами 47 и роторной осью R. Аналогично первым аксиальным флюидным каналам 45, ширина вторых аксиальных флюидных каналов 47, т.е. их максимальная радиальная протяженность E2, составляет менее 3000 микрон. Это особенно полезно, чтобы препятствовать прохождению более крупных частиц в роторную камеру 33 через вторые аксиальные флюидные каналы 47. Длина L2 дуги вторых аксиальных флюидных каналов 47 может составлять от 0,05 до 0,5 радиан. Аналогично первым аксиальным флюидным каналам 45, четыре вторых аксиальных флюидных канала 47 равномерно распределены в четырехкратной вращательной симметрии относительно роторной оси R.

[41] Способ в соответствии с настоящим изобретением описан со ссылками на фиг. 4a, b, где фиг. 4a показывает преобладающий кольцевой поток, когда насос 1 работает. Этот кольцевой поток возбуждается эффектом насоса Тесла между лопастным колесом 25 и фиксатором 29 насосного подшипника, имеющими малое аксиальное расстояние H меньше 2,0 мм друг от друга. Кольцевой поток содержит первый путь F1 потока в первом аксиальном направлении потока из роторной камеры 33 к лопастному колесу 29 через первые аксиальные флюидные каналы 45. Кроме того, кольцевой поток содержит второй путь F2 потока во втором аксиальном направлении потока, противоположном первому аксиальному направлению потока из камеры 27 лопастного колеса через вторые аксиальные флюидные каналы 47 в роторную камеру 33.

[42] Следует отметить, что роторный вал 13 в этом примере является полым, чтобы ограничивать третий путь F3 потока от второго аксиального конца 23 вала к первому аксиальному концу 21 вала, т.е. из роторной камеры 33 в камеру 27 лопастного колеса. Третий путь F3 потока не является частью кольцевого потока, показанного на фиг. 4a, когда насос работает, но используется для дегазации роторной камеры 33, когда насос остановлен, как показано на фиг. 4b. Фактически, поток вдоль третьего пути F3 потока во время работы насоса должен быть по возможности минимизирован, поскольку такой поток снижает эффективность насоса. Поэтому третий путь F3 потока имеет очень узкое место (горлышко) 61 у первого аксиального конца вала 21 с очень малым отверстием менее 0,05 мм² в камеру 27 лопастного колеса. Этого достаточно для дегазации роторной камеры 33. Однако, вследствие низкого давления в центре лопастного колеса 25, значительный поток вдоль третьего пути F3 потока является проблемой в предшествующем уровне техники, где он переносит магнетит в роторную камеру 33, который накапливается на роторе 19 и увеличивает фрикционные потери и износ роторного кожуха 35. Кольцевой поток с первым путем F1 потока и вторым путем F2 потока через первые аксиальные каналы 45 потока и вторые аксиальные каналы 47 потока, соответственно, значительно снижают поток вдоль третьего пути F3 потока, когда насос работает. Фактически, третий путь F3 потока больше не требуется совсем для насоса в соответствии с настоящим изобретением, поскольку роторная камера 33 может дегазироваться через первые флюидные каналы 45 и вторые флюидные каналы 47.

[43] Когда насос остановлен, как показано на фиг. 4b, может иметь место поток “дыхания” (впуска и выпуска), вследствие теплового расширения флюида, посредством первого пути F1 потока и/или второго пути F2 потока через первые флюидные каналы 45 и/или вторые флюидные каналы 47, соответственно. Такой поток “дыхания” может, например, возбуждаться разностью температур флюида между двумя аксиальными концами 21, 23 вала. Флюид в камере 27 лопастного колеса может иметь другую температуру по сравнению с флюидом на втором аксиальном конце 23 вала, так что флюид течет из роторной камеры 33 в камеру 27 лопастного колеса и обратно. Первые аксиальные флюидные каналы 45 обеспечивают первый путь F1 потока и/или четвертый путь F4 потока из камеры 27 лопастного колеса в роторную камеру 33, т.е. в противоположном направлении по сравнению с первым путем F1 потока, когда насос работает. При этом, как поток вдоль смазочной пленки между первым радиальным подшипником 37 и роторным валом 13, так и поток вдоль третьего пути F3 потока минимизируется, так как альтернативные пути F1, F4 и/или F2 потока обеспечивают путь потока с меньшим сопротивлением. Таким образом, риск блокировки роторного вала вследствие осаждения и седиментации известкового налета в смазочной пленке в течение длительного нерабочего периода насоса, например, в летние периоды, когда нагревание не требуется, значительно снижается. Кроме того, роторная камера 33 может быть дегазирована посредством пути F1, F2 и/или F2 потока.

[44] В вышеизложенном описании, если упоминаются числа или элементы, которые имеют известные, очевидные или предсказуемые эквиваленты, то такие эквиваленты включаются в описание, как если бы они быть отдельно изложены. Ссылка должна делаться на формулу изобретения, чтобы ограничивать истинный объем настоящего изобретения, которая должна интерпретироваться так, чтобы охватывать все такие эквиваленты. Также, читателю должно быть понятно, что числа или признаки изобретения, которые описаны как опциональные, предпочтительные, выгодные, удобные или тому подобные, являются опциональными и не ограничивают объем независимых пунктов формулы изобретения.

[45] Вышеописанные варианты осуществления должны пониматься как иллюстративные примеры изобретения. Следует понимать, что любой признак, описанный в отношении любого одного варианта осуществления, может использоваться один или в комбинации с другими описанными признаками и может также использоваться в комбинации с одним или несколькими признаками любого другого из вариантов осуществления или любой комбинации любого другого из вариантов осуществления. Хотя был показан и описан по меньшей мере один примерный вариант осуществления, следует иметь в виду, что другие модификации, подстановки и альтернативы являются очевидными специалисту в данной области техники и могут изменяться без отклонения от сущности предмета, описанного в настоящем документе, и настоящая заявка подразумевается включающей любые адаптации и вариации конкретных вариантов осуществления, описанных здесь.

[46] Кроме того, термин "содержащий" не исключает других элементов или этапов, и формы единственного числа не исключают множественного числа. Кроме того, характеристики или этапы, которые были описаны со ссылкой на один из вышеизложенных примерных вариантов осуществления, могут также использоваться в комбинации с другими характеристиками или этапами других примерных вариантов осуществления, описанных выше. Этапы способа могут применяться в любом порядке или параллельно и могут составлять часть или более детальную версию другого этапа способа. Следует понимать, что в пределах объема основанного на этом патенте, все такие модификации рациональным и надлежащим образом входят в объем вклада в уровень техники. Такие модификации, подстановки и альтернативы могут выполняться без отклонения от сущности и объема изобретения, что должно ограничиваться из приложенных пунктов формулы изобретения и их законных эквивалентов.

[47] Перечень ссылочных позиций:

1 насос

3 корпус насоса

5 впуск всасывания

7 выпуск нагнетания

9 корпус двигателя

11 корпус электроники

13 роторный вал

15 двигатель

17 статор

19 ротор

21 первый аксиальный конец вала

23 второй аксиальный конец вала

25 лопастное колесо

27 камера лопастного колеса

29 фиксатор насосного подшипника

31 сухая область корпуса двигателя

33 роторная камера

35 роторный кожух

37 первый радиальный подшипник

39 второй радиальный подшипник

41 внутренняя поверхность скольжения первого радиального подшипника

43 кольцевая поверхность скольжения первого радиального подшипника

45 первый аксиальный флюидный канал(ы)

47 второй аксиальный флюидный канал(ы)

49 радиально внутренняя секция фиксатора насосного подшипника

51 радиально внешняя секция фиксатора насосного подшипника

53 поверхность внутренней секции

55 радиально внешняя поверхность первого радиального подшипника

57 первые участки

59 вторые участки

61 узкое место

R ось ротора

H аксиальное расстояние

E1 максимальная радиальная протяженность первых аксиальных флюидных каналов

E2 максимальная радиальная протяженность вторых аксиальных флюидных каналов

D0 внутренний радиус первого радиального подшипника

D1 первое радиальное расстояние

D2 второе радиальное расстояние

D3 внешний радиус лопастного колеса

F1 первый путь потока

F2 второй путь потока

F3 третий путь потока

F4 четвертый путь потока

r1 первый радиус

r2 второй радиус

L1 длина дуги первых аксиальных флюидных каналов

L2 длина дуги вторых аксиальных флюидных каналов

A полная площадь поперечного сечения первых аксиальных флюидных каналов

B полная площадь поперечного сечения вторых аксиальных флюидных каналов

m количество первых аксиальных флюидных каналов

n количество вторых аксиальных флюидных каналов

Claims

1. Фиксатор (29) насосного подшипника насоса (1) влажного хода, причем фиксатор (29) насосного подшипника содержит

- радиально внутреннюю секцию (49),

- радиальный подшипник (37) с внутренней поверхностью (41) скольжения, выполненной с возможностью обеспечения смазочной пленки между внутренней поверхностью (41) скольжения и роторным валом (13) насоса (1), причем радиальный подшипник (37) установлен в радиально внутреннюю секцию (49), и

- радиально внешнюю секцию (51), продолжающуюся радиально наружу от внутренней секции (49),

при этом радиально внутренняя секция (49) ограничивает по меньшей мере один первый аксиальный флюидный канал (45) для обеспечения первого пути (F1) флюидного потока в первом аксиальном направлении потока, причем по меньшей мере один первый аксиальный флюидный канал (45) расположен на первом радиальном расстоянии (D1) от роторной оси (R), причем первое радиальное расстояние (D1) больше, чем радиус (D0) внутренней поверхности (41) скольжения,

при этом радиально внешняя секция (51) ограничивает по меньшей мере один второй аксиальный флюидный канал (47) для обеспечения пути (F2) флюидного потока во втором аксиальном направлении потока через по меньшей мере один второй аксиальный флюидный канал (47), причем по меньшей мере один второй аксиальный флюидный канал (47) расположен на втором радиальном расстоянии (D2) от роторной оси (R), причем второе радиальное расстояние (D2) больше, чем первое радиальное расстояние (D1), и причем второе аксиальное направление потока противоположно первому аксиальному направлению потока.

2. Фиксатор (29) насосного подшипника по п. 1, причем радиально внутренняя секция (49) содержит поверхность (53) внутренней секции для контакта посадкой с натягом с по существу цилиндрической радиальной внешней поверхностью (55) радиального подшипника (37), причем форма поверхности внутренней секции (53) ограничивает по меньшей мере один первый аксиальный флюидный канал (45), расположенный между внутренней секцией (49) и радиальным подшипником (37).

3. Фиксатор (29) насосного подшипника по любому из предыдущих пунктов, причем радиально внешняя секция (51) ограничивает n≥2 вторых аксиальных флюидных каналов (47), распределенных в n-кратной вращательной симметрии.

4. Фиксатор (29) насосного подшипника по любому из предыдущих пунктов, причем по меньшей мере один первый аксиальный флюидный канал (45) аксиально смещен относительно по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала (47).

5. Фиксатор (29) насосного подшипника по любому из предыдущих пунктов, причем полная площадь (А) поперечного сечения всех из по меньшей мере одного первого аксиального флюидного канала и/или полная площадь (В) поперечного сечения всех из по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала может быть в 10 или более раз больше, чем площадь поперечного сечения смазочной пленки.

6. Фиксатор (29) насосного подшипника по любому из предыдущих пунктов, причем полная площадь (А) поперечного сечения всех из по меньшей мере одного первого аксиального флюидного канала(ов) (45) больше чем 0,5 квадратных миллиметров.

7. Фиксатор (29) насосного подшипника по любому из предыдущих пунктов, причем полная площадь (В) поперечного сечения всех из по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала(ов) (47) больше чем 0,5 квадратных миллиметров.

8. Фиксатор (29) насосного подшипника по любому из предыдущих пунктов, причем максимальная радиальная протяженность (E2) по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала (47) меньше 300 микрон.

9. Фиксатор (29) насосного подшипника по любому из предыдущих пунктов, причем количество (m) по меньшей мере одного первого аксиального флюидного канала(ов) (45) больше, чем количество (n) по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала(ов) (47).

10. Фиксатор (29) насосного подшипника по любому из предыдущих пунктов, причем каждый из по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала (47) сформирован как дугообразная щель, имеющая радиус дуги, по существу равный второму радиальному расстоянию (D2).

11. Фиксатор (29) насосного подшипника по п. 10, причем каждая дугообразная щель простирается на 0,05 до 0,5 радиан.

12. Фиксатор (29) насосного подшипника по любому из предыдущих пунктов, причем поверхность (53) внутренней секции содержит по меньшей мере один первый участок (57) и по меньшей мере один второй участок (59) в окружном направлении, причем по меньшей мере один первый участок (57) имеет первый радиус (r1), и по меньшей мере один второй участок (59) имеет второй радиус (r2), который больше, чем первый радиус (r1), так что по меньшей мере первый участок (57) ограничивает по меньшей мере один участок контакта посадкой с натягом с по существу цилиндрической радиальной внешней поверхностью (55) радиального подшипника (37), и так что по меньшей мере один второй участок (59) ограничивает по меньшей мере один первый аксиальный флюидный канал (45), расположенный между внутренней секцией (49) и радиальным подшипником (37).

13. Фиксатор (29) насосного подшипника по любому из предыдущих пунктов, причем радиальный подшипник (37) или внутренняя поверхность (41) скольжения являются керамическими.

14. Насос (1), содержащий фиксатор (29) насосного подшипника по любому из предыдущих пунктов, причем насос (1) представляет собой центробежный насос влажного хода, содержащий

- синхронный двигатель с постоянным магнитом (PMSM) (15),

- роторный вал (13), расположенный в радиальном подшипнике (37) фиксатора (29) насосного подшипника с зазором относительно внутренней поверхности (41) скольжения радиального подшипника (37) для обеспечения смазочной пленки, и

- лопастное колесо (25), установленное на роторном валу (13).

15. Насос (1) по п. 14, причем аксиальное расстояние (H) лопастного колеса (25) до радиально внешней секции (51) фиксатора (29) насосного подшипника, измеренное у внешнего радиуса (D3) лопастного колеса (25), меньше 2,0 миллиметров, предпочтительно меньше 1,5 миллиметров.

16. Насос (1) по п. 14 или 15, причем внешний радиус (D3) лопастного колеса (25) меньше, чем второе радиальное расстояние (D2) по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала (47) до роторной оси (R).

17. Насос (1) по любому из пп. 14-16, причем полная площадь (А) поперечного сечения всех из по меньшей мере одного первого аксиального флюидного канала и/или полная площадь (В) поперечного сечения всех из по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала может быть в 10 или более раз больше, чем площадь поперечного сечения зазора.

18. Насос (1) по любому из пп. 14-17, содержащий роторный кожух (35), причем фиксатор (29) насосного подшипника расположен аксиально между роторным кожухом (35) и лопастным колесом (25), причем роторный кожух (35) и фиксатор (29) насосного подшипника ограничивают внешние границы роторной камеры (33), причем аксиальное расстояние роторного кожуха (35) до по меньшей мере одного второго аксиального флюидного канала (47) в радиально внешней секции (51) фиксатора (29) насосного подшипника больше, чем аксиальное расстояние (H) лопастного колеса (25) до радиально внешней секции (51) фиксатора (29) насосного подшипника, измеренное у внешнего радиуса (D3) лопастного колеса (25).

19. Способ работы центробежного насоса (1) влажного хода, содержащего синхронный двигатель с постоянным магнитом (PMSM) (15), причем способ включает в себя этапы, на которых:

- обеспечивают, когда двигатель работает, первый путь (F1) потока из роторной камеры (33) в камеру (27) лопастного колеса через по меньшей мере один первый аксиальный флюидный канал (45), ограничиваемый радиально внутренней секцией (49) фиксатора (29) насосного подшипника насоса (1), и

- обеспечивают, когда двигатель работает, второй путь (F2) потока из камеры (27) лопастного колеса в роторную камеру (33) через по меньшей мере один второй аксиальный флюидный канал (47), ограничиваемый радиально внешней секцией (51) фиксатора (29) насосного подшипника.

20. Способ по п. 19, причем кольцевой поток из роторной камеры (33) в камеру (27) лопастного колеса вдоль первого пути (F1) потока и из камеры (27) лопастного колеса обратно в роторную камеру (33) вдоль второго пути (F2) потока возбуждается эффектом насоса Тесла между лопастным колесом (25) и фиксатором (29) насосного подшипника, когда двигатель работает.

21. Способ по п. 19 или 20, дополнительно включающий в себя этапы, на которых

- обеспечивают, когда двигатель остановлен, третий путь (F3) потока из роторной камеры (33) в камеру (27) лопастного колеса через внутренний канал роторного вала, проходящий между вторым аксиальным концом (23) вала и первым аксиальным концом (21) вала, причем второй аксиальный конец (23) вала расположен в роторной камере (33), и первый аксиальный конец (21) вала расположен в камере (27) лопастного колеса, и

- обеспечивают, когда двигатель остановлен, четвертый путь (F4) потока из камеры (27) лопастного колеса в роторную камеру (33) через по меньшей мере один первый аксиальный флюидный канал (45).