Гидравлическое оборудование

 

Изобретение относится к гидравлическому оборудованию, такому как центробежный или подобный насос, обеспечивающему поддержание постоянной скорости потока независимо от сопротивления труб. Гидравлическое оборудование для выработки давления путем вращения рабочего колеса с помощью двигателя содержит преобразователь частоты для подачи электроэнергии на двигатель, детектор для определения частоты и величины тока и программу для предварительного определения зависимости между частотой и величиной тока и сравнения их значений при реальной работе со значениями, предварительно определенными программой. Преобразователь частоты выполнен с возможностью изменения частоты, вырабатываемой преобразователем частоты, для приближения рабочей точки гидравлического оборудования к значению, определенному программой. Изобретение направлено на создание оборудования, которое не требует специальных средств и обеспечивает постоянную скорость потока независимо от изменения сопротивления труб. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к гидравлическому оборудованию и, в частности, к гидравлическому оборудованию, которое включает в себя центробежный насос, устроенный для легкого обеспечения характеристик потока с постоянной скоростью, подходящих для циркуляционного насоса, и насос осевого потока, устроенный для легкого обеспечения характеристик насоса с постоянным напором, подходящих для водяного подающего насоса.

До сих пор центробежные насосы использовались в качестве циркуляционных насосов холодной или горячей воды в нагревательных или охлаждающих приложениях. Важно принять во внимание в таких нагревательных или охлаждающих приложениях следующие факторы: 1. Даже если известна требуемая скорость потока, скорость потока жидкости требуется регулировать на месте посредством клапана, поскольку существует небольшая разница между рассчитанной потерей за счет труб и реальной потерей за счет труб. В этом случае поток жидкости испытывает потерю энергии, соразмерную потере, вызванной клапаном.

2. Когда потеря за счет труб увеличивается из-за старения трубы, либо из-за засорения клапана, вызванного побочной причиной, скорость потока уменьшается. Поэтому необходимо периодически регулировать скорость потока клапаном или тому подобным.

3. Поскольку на месте обычно нет доступного средства для измерения скорости потока, необходимо узнавать давление с помощью манометра или подобного приспособления и оценивать скорость потока на основании характеристической кривой насоса. Однако этот процесс имеет низкую точность.

Традиционно применяются следующие методы решения вышеназванных проблем (см., например, патент США 5387855): 1. Сигнал от электромагнитного измерителя скорости потока обрабатывается управляющей консолью, и происходит управление открыванием электромагнитного клапана. Поскольку этот процесс дорог и сопровождается потерей за счет клапана, его энергосберегающий эффект мал.

2. Сигнал от электромагнитного измерителя скорости потока отправляется в частотный преобразователь для того, чтобы насос действовал с разными скоростями. Этот процесс дает энергосберегающий эффект, но дорог.

3. Насос содержит вращающуюся кнопку выбора скорости, которая используется для изменения характеристик скорости-напора насоса, а также для подбора требуемой скорости потока, в комбинации с клапаном. Этот процесс эффективен для снижения потери энергии из-за вызванного клапаном сопротивления, но неэффективен для стабилизации потока скорости. Если существует увеличение в потерях за счет труб, то скорость потока нужно регулировать каждый раз, когда потеря за счет труб возрастает.

В виду вышеназванных проблем целью настоящего изобретения является обеспечение такого гидравлического оборудования, как центробежный насос или подобного оборудования, которое не требует специальных средств и все время обеспечивает постоянную скорость потока независимо от изменений в вызванном трубами сопротивлении.

Другой целью настоящего изобретения является обеспечение такого гидравлического оборудования, как насос осевого потока, который вырабатывает постоянный напор даже тогда, когда скорость потока изменяется, и пригоден для использования в качестве водяного подающего насоса.

Для достижения вышеназванной цели в соответствии с настоящим изобретением предусматривается гидравлическое оборудование для выработки давления путем вращения рабочего колеса с помощью двигателя, содержащее преобразователь частоты для подачи электроэнергии к двигателю, детектор для детектирования частоты и величины тока и программу для определения заранее зависимости между частотой и величиной тока, причем частота и величина тока в реальной работе сравниваются со специальной программой, а частота, вырабатываемая преобразователем частоты, изменяется так, чтобы рабочая точка гидравлического оборудования приближалась к специальной программе.

Согласно одному из аспектов настоящего изобретения гидравлическое оборудование относится к такому типу, в котором мощность вала возрастает, когда скорость потока возрастает при постоянной скорости вращения, а скоростью потока гидравлического оборудования управляют так, чтобы поддерживать ее практически постоянной даже тогда, когда изменяется вырабатываемое давление.

Согласно одному из аспектов настоящего изобретения гидравлическое оборудование относится к такому типу, в котором мощность вала уменьшается, когда скорость потока возрастает при постоянной скорости вращения, а вырабатываемым давлением управляют так, чтобы поддерживать его практически постоянным даже тогда, когда изменяется скорость потока.

Согласно одному из аспектов настоящего изобретения частота (Гц) и величина тока (А) связаны однозначной функцией и запрограммированы.

Например, зависимость представляется формулой А=К Гцⁿ, где К и n - положительные константы. Преобразователь частоты содержит средство для изменения значений К и n.

В соответствии с настоящим изобретением предусматривается также насосная установка, содержащая центробежный насос, приводимый во вращение трехфазным индуктивным двигателем, преобразователь частоты для подачи электроэнергии к трехфазному индуктивному двигателю, детектор, предусмотренный в преобразователе частоты для детектирования частоты и величины тока, и программу для определения зависимости между частотой и величиной тока, хранящуюся в преобразователе частоты, при этом частота и величина тока в реальной работе сравниваются со специальной программой и частота, вырабатываемая преобразователем частоты, изменяется так, чтобы рабочая точка насоса находилась ближе к специальной программе, а скоростью потока управляют так, чтобы она была практически постоянной даже тогда, когда напор насоса изменяется.

Согласно одному из аспектов настоящего изобретения насосная установка имеет функцию для перемножения времени, выданного из преобразователя частоты, на значение постоянной скорости потока, чтобы тем самым рассчитать скорость потока. Преобразователь частоты имеет индикатор скорости потока.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена зависимость между отношением скорости потока и отношением напора насоса при постоянной скорости потока; на фиг.2 - то же при постоянном напоре насоса; на фиг.3 - один из вариантов конструктивного выполнения насосной установки, поперечный разрез; на фиг.4 - функциональная схема преобразователя частоты и на фиг.5 - фрагмент I(b) на фиг.1 в увеличенном масштабе.

Ниже описывается выполнение гидравлического оборудования согласно настоящему изобретению.

Фиг. 1 и 5 являются диаграммами, показывающими основную концепцию гидравлического оборудования согласно настоящему изобретению. Фиг.1 является диаграммой, показывающей соотношение между скоростью (Q) потока и напором (Н) центробежного насоса, являющегося примером гидравлического оборудования, а фиг.5 является диаграммой, показывающей в большем масштабе ограниченный окружностью участок I(b) на фиг.1. На фиг.1 горизонтальная ось представляет собой коэффициент скорости потока, а вертикальная ось представляет собой коэффициент напора насоса. Двигатель для приведения в действие центробежного насоса содержит инвертор и несколько кнопок (средство выбора) для выбора желательной скорости потока. Двигатель, к примеру, содержит трехфазный индуктивный двигатель.

На фиг.1 и 5 предполагается, что в памяти сохраняются следующие два набора частоты (Гц) и величины тока (А (ампер)) инвертора: Кнопка А: А=0,001•Гц² - коэффициент скорости потока 0,7.

Кнопка Б: А=0,0014•Гц² - коэффициент скорости потока 1,0.

Предположим теперь, что выбирается кнопка Б.

В это время труба проявляет свойства согласно кривой 2 гидравлического сопротивления по фиг.1.

Когда насос приведен в действие, он работает на частоте 100 Гц (6000 об/мин), которая была ранее запомнена. Рабочая точка находится в точке α1 пересечения (100 Гц - 15 А) кривой скорости-напора и кривой 2 гидравлического сопротивления. В этой точке величина тока больше, чем запомненная величина тока А=0,0014•Гц² (А=0,0014•100²=14 А), что означает, что величина тока чрезмерно велика для частоты 100 Гц.

Затем инвертор замедляет насос, чтобы приравнять ток величине А= 0,0014•Гц², то есть насос действует на сниженной частоте.

Предполагается, что в результате этого замедления насос работает на частоте 90 Гц. Рабочая точка теперь находится в точке β1 пересечения (90 Гц - 10 А) кривой скорости-напора и кривой 2 гидравлического сопротивления. В этой рабочей точке величина тока меньше, чем запомненная величина тока А= 0,0014•Гц² (А=0,0014•90²=11,34 А), что означает, что величина тока чрезмерно мала для частоты 90 Гц.

Затем инвертор ускоряет насос, чтобы приравнять ток величине А= 0,0014•Гц², то есть насос действует на увеличенной частоте.

В результате насос работает в точке γ1, в которой А=0,0014•95²≅12,5 А (95 Гц - 12,5 А).

Следовательно, насос работает при скорости потока выбранной кнопки Б. В соответствии с этим процессом насос осуществляет работу при постоянной скорости потока с минимальной величиной требуемой потребляемой энергии, независимо от величины и изменений сопротивления, вызываемого трубами. Таким образом, этот процесс оптимален для циркуляционного насоса.

Правильная точка δ, представляющая реально необходимые скорость потока и напор насоса, на фиг.1 является рабочей точкой, в которой подается наиболее подходящее количество тепла, когда насос используется для циркуляции горячей воды. Эта точка может слегка отклоняться от рассчитанного рабочего количества тепла из-за того, что в расчеты вводится допустимая погрешность.

Для решения вышеназванной проблемы может использоваться больше типов (например, около 8 типов вместо двух типов А и Б, показанных на фиг.1), которые могут выбираться для инвертора посредством кнопки выбора скорости потока.

Вышеприведенное описание относится к примеру центробежного насоса, в котором мощность вала (потребляемая электрическая мощность и величина тока) увеличивается при увеличении скорости потока при постоянной скорости вращения (постоянной частоте (Гц)).

График, изображенный на фиг.2, является диаграммой, показывающей процесс управления при постоянном давлении насосом осевого потока, в котором мощность вала уменьшается при увеличении скорости потока при постоянной скорости вращения (постоянной частоте (Гц)). На фиг. 2 горизонтальная ось представляет коэффициент скорости потока, а вертикальная ось представляет коэффициент напора насоса.

На фиг.2 предполагается, что в памяти сохраняется следующий один (А) набор частоты (Гц) и силы тока (А (ампер)) инвертора: А=0,0012•Гц² - коэффициент скорости потока 0,75.

Труба проявляет свойства согласно кривой 1 гидравлического сопротивления по фиг.2.

Когда насос приведен в действие, он работает на частоте 100 Гц (6000 об/мин), которая была ранее запомнена. Рабочая точка находится в точке α2 пересечения (100 Гц - 14 А) кривой скорости-напора и кривой 1 гидравлического сопротивления. В этой рабочей точке величина тока больше, чем запомненная величина тока А=0,0012•Гц² (А=0,0012•100²=12 А), что означает, что величина тока чрезмерно велика для частоты 100 Гц.

Затем инвертор замедляет насос, чтобы приравнять ток величине А= 0,0012•Гц², то есть насос действует на меньшей частоте.

Предполагается, что насос осуществляет работу на частоте 90 Гц в результате этого замедления. Рабочая точка теперь находится в точке β2 пересечения (90 Гц - 9 А) кривой скорости - напора и кривой 2 сопротивления. В этой рабочей точке величина тока меньше, чем запомненная величина тока А= 0,0012•Гц² (А= 0,0012•90²= 9,72), что означает, что величина тока чрезмерно мала для частоты 90 Гц.

Затем инвертор ускоряет насос, чтобы приравнять ток величине А= 0,0012•Гц², то есть насос осуществляет работу на большей частоте.

В результате насос работает в реальной рабочей точке, в которой А= 0,0012•95²= 11 А (95 Гц - 11 А), то есть с выбранным давлением. В соответствии с этим процессом насос осуществляет работу при постоянном давлении (напоре насоса) с минимальным количеством требуемой потребляемой электроэнергии, независимо от величины и изменений сопротивления, вызываемого трубами. Таким образом, этот процесс оптимален для водяного подающего насоса.

В соответствии с настоящим изобретением, как показано на фиг.1, 5 и 2, пользователю не нужно иметь специальных вспомогательных приспособлений и выполнять какие-либо действия, такие как действия для регулирования каких-либо клапанов, поскольку сам насос способен поддерживать скорость потока или давление на постоянном уровне без использования электромагнитного прибора для измерения потока или манометра (или датчика давления).

На фиг.3 изображен один из вариантов конструктивного выполнения насосной установки, пригодный для воплощения настоящего изобретения. Эта насосная установка содержит насос полнокольцевого потока с герметичным двигателем, в котором перемещаемая жидкость протекает вокруг двигателя.

Насос полнокольцевого потока с герметичным двигателем в соответствии с проиллюстрированным выполнением содержит насосный кожух 1, размещенный в насосном кожухе 1 герметичный двигатель 6 и рабочее колесо 8, зафиксированное на конце основного вала 7 герметичного двигателя 6. Кожух 1 насоса содержит наружный стакан 2 насосного кожуха и всасывающий кожух 3 и выпускной кожух 4, которые присоединены соответственно к противоположным концам наружного стакана 2 насосного кожуха 1. Всасывающий кожух 3 соединяется с наружным стаканом 2 насосного кожуха 1 посредством сварки, а выпускной кожух 4 соединен с наружным стаканом 2 насосного кожуха 1 посредством фланцев 61 и 62. Каждый из наружного стакана 2 насосного кожуха 1, всасывающего кожуха 3 и выпускного кожуха 4 выполнен из листового металла, такого как нержавеющая сталь.

Герметичный двигатель 6 содержит статор 13, наружный стакан 14 корпуса двигателя, расположенный вокруг статора 13, пару боковых пластин 15 и 16 корпуса двигателя, приваренных к противоположным открытым концам наружного стакана 14 корпуса двигателя, и оболочку 17, вставленную в статор 13 и приваренную к боковым пластинам 15 и 16 корпуса двигателя. Ротор 18, располагающийся с возможностью вращения в статоре 13, закреплен горячей посадкой на основном валу 7. Кольцевое пространство (канал для прохода потока) 40 определяется между наружным стаканом 14 корпуса двигателя и наружным стаканом 2 насосного кожуха. Инвертор (преобразователь частоты) F фиксировано устанавливается на внешней поверхности наружного стакана 2 насосного кожуха 1, который ограничивает подлежащую прокачиванию жидкость вокруг двигателя. Инвертор F заключен в кожух 20, который включает в себя индикатор скорости потока и кнопку выбора скорости потока.

Направляющий элемент 11 для направления жидкости по радиусу внутрь удерживается боковой пластиной 15 корпуса двигателя герметичного двигателя 6. Рабочее колесо располагается во внутреннем кожухе 12, который зафиксирован на направляющем элементе 11. Уплотняющий элемент 13 расположен вокруг направляющего элемента 11.

Прокладочное кольцо 51 установлено на внутреннем конце направляющего элемента 11 и удерживается в скользящем контакте с передней поверхностью (входным отверстием) рабочего колеса 8. Внутренний кожух 12 практически имеет форму купола и накрывает конец основного вала 7 насоса с герметичным двигателем 6. Внутренний кожух 12 имеет направляющее устройство 12а, содержащее направляющие лопасти или улитку для направления жидкости, выпускаемой из рабочего колеса 8. Внутренний кожух 12 имеет также вентиляционное отверстие 12b, находящееся на его дистальном конце.

Используемые подшипники содержат плоские подшипники, изготовленные из карбида кремния, и все подшипники располагаются в пространстве между ротором 18 двигателя и рабочим колесом 8. Эти подшипники смазываются жидкостью, с которой работает насос.

Обойма 21 подшипников изготовлена из литой нержавеющей стали. Стационарные радиальные подшипники 22 и 23 установлены горячей посадкой на противоположные в осевом направлении концы обоймы 21 подшипников, а от вращения их предотвращает синтетическая смола, введенная с их внешних кольцевых поверхностей. Стационарные радиальные подшипники 22 и 23 имеют осевые концы, находящиеся в скользящем контакте с соответствующими вращающимися упорными подшипниками 24 и 25. Вращающиеся упорные подшипники 24 и 25 и вращающиеся радиальные подшипники 26 и 27 фиксировано установлены на основном валу 7 посредством стопорной гайки 29 рабочего колеса с рабочим колесом 8 и размерной втулкой 28, расположенными между подшипниками и этой гайкой.

Ниже будет кратко описано действие насоса полнокольцевого потока с герметичным двигателем, показанного на фиг.3. Жидкость, вытягиваемая из всасывающего кожуха 3, течет в кольцевой проход 40 потока, определяемый между наружным стаканом 14 корпуса двигателя и наружным стаканом 2 насосного кожуха, проходит через кольцевой проход 40 потока и направляется на рабочее колесо 8 направляющим элементом 11. Жидкость, выпускаемая из рабочего колеса 8, течет через направляющее устройство 12а и выводится из выпускного кожуха.

Выполнение преобразователя частоты по настоящему изобретению будет описано ниже со ссылкой на фиг.4. На фиг.4 гидравлическое оборудование, такое как насос, обозначено буквой М, а преобразователь частоты обозначен буквой F. Если в преобразователь F частоты подается трехфазный переменный ток, то преобразователь F частоты включает в себя секцию преобразователя, содержащую выпрямляющую цепь 41 для преобразования переменного тока в постоянный ток и сглаживающий конденсатор 42 для сглаживания выпрямленного напряжения, и трехфазный инвертор 43 для преобразования постоянного тока в переменный ток. К секции преобразователя подсоединены вспомогательный источник 44 питания и детектор 45 напряжения, детектирующий напряжение постоянного тока секции преобразователя. Преобразователь частоты F имеет также контроллер 46, который хранит соотношение между вырабатываемыми частотами и величинами тока. Контроллер 46 выдает сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для возбуждения трехфазного инвертора 43.

Детектирующий ток датчик 48 соединен с выходным выводом трехфазного инвертора 43. Ток, детектируемый детектирующим ток датчиком 48, преобразуется детектором 47 тока в сигнал, подаваемый в контроллер 46. Трехфазный инвертор 43 имеет выходные выводы, соединенные с двигателем 6, который связан с датчиком 49 температуры.

Контроллер 46 содержит постоянно запоминающее устройство (ПЗУ), которое хранит функцию для определения вырабатываемой частоты и тока, центральный процессор для сравнения сигнала от детектора 47 тока со установками, хранимыми в ПЗУ, выполнения арифметических операций и выдачи сигнала ШИМ, и управляющую интегральную схему (ИС).

Преобразователь F частоты содержит контроллер 46 и может хранить время, которое выдал преобразователь частоты. Если насос действует в соответствии с вышеописанным процессом управления с постоянной скоростью потока, то преобразователь F частоты способен время от времени детектировать скорость потока жидкости, подаваемой насосом. Преобразователь F частоты имеет также вычисляющую функцию. Таким образом, преобразователь F частоты может показывать интегрированную скорость потока в дополнение к измеряемой время от времени скорости потока. Поэтому насосная установка может использоваться как прибор для измерения скорости потока.

Более того, с помощью функции памяти преобразователя F частоты насосная установка может автоматически работать для выполнения задачи доставки определенного количества (например, 1 м³) воды за каждый определенный период времени (например, 24 часа) в течение определенного количества следующих друг за другом дней (например, 5 дней), остановки выполнения этой задачи на определенное количество следующих друг за другом дней (например, 2 дня) и выполнения этой задачи в течение определенного количества следующих друг за другом дней (например, 5 дней). Этот процесс пригоден для ограничения подачи воды за день в целях экономии воды и имеет то преимущество, что он может автоматически подавать воду без необходимости в каких-либо специальных приспособлениях.

Как описано выше, настоящее изобретение обеспечивает гидравлическое оборудование, такое как центробежный насос, который не требует специальных приспособлений, но может все время подавать жидкость со стабильной скоростью, независимо от изменений в вызванном трубами сопротивлении.

Согласно настоящему изобретению обеспечивается также такое гидравлическое оборудование, как насос осевого потока, способное вырабатывать постоянный напор насоса независимо от изменений в скорости потока.

Настоящее изобретение предпочтительно применимо к гидравлическому насосу, в том числе центробежному насосу, который может легко обеспечивать характеристики потока с постоянной скоростью, подходящие для циркуляционного насоса, и насосу осевого потока, который может легко обеспечивать постоянные характеристики насоса с постоянным напором, подходящие для водяного подающего насоса.

Формула изобретения

1. Гидравлическое оборудование для выработки давления путем вращения рабочего колеса с помощью двигателя, содержащее преобразователь частоты для подачи электроэнергии на двигатель, детектор для детектирования частоты и величины тока и программу для предварительного определения зависимости между частотой и величиной тока и сравнения частоты и величины тока при реальной работе со значениями, предварительно определенными программой, а преобразователь частоты выполнен с возможностью изменения частоты, вырабатываемой упомянутым преобразователем частоты, для приближения рабочей точки гидравлического оборудования к значению, определенному программой.

2. Гидравлическое оборудование по п. 1, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью увеличения мощности вала при увеличении скорости потока при постоянной скорости вращения и с возможностью управления скоростью потока гидравлического оборудования для поддержания ее постоянной даже тогда, когда изменяется вырабатываемое давление.

3. Гидравлическое оборудование по п. 1, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью уменьшения мощности вала при увеличении скорости потока при постоянной скорости вращения и с возможностью управления вырабатываемым давлением для поддержания его практически постоянным даже тогда, когда изменяется скорость потока.

4. Гидравлическое оборудование по п. 1, отличающееся тем, что частота (Гц) и величина тока (А) связаны между собой однозначной функцией и запрограммированы.

5. Гидравлическое оборудование по п. 4, отличающееся тем, что зависимость между частотой (Гц) и величиной тока (А) определяется из выражения А= К Гцⁿ, где К и n - положительные константы.

6. Гидравлическое оборудование по п. 5, отличающееся тем, что преобразователь частоты выполнен со средством для изменения значений К и n.

7. Насосная установка, содержащая центробежный насос, приводимый в действие трехфазным индуктивным двигателем, преобразователь частоты для подачи электроэнергии на трехфазный индуктивный двигатель, расположенный в преобразователе частоты детектор для детектирования частоты и величины тока и хранимую преобразователем частоты программу для определения зависимости между частотой и величиной тока и сравнения частоты и величины тока при реальной работе со значениями, определенными программой, а преобразователь частоты выполнен с возможностью изменения частоты, вырабатываемой им, для приближения рабочей точки насоса к значению, определенному программой, и с возможностью управления скоростью потока для поддержания ее практически постоянной даже тогда, когда изменяется напор упомянутого насоса.

8. Насосная установка по п. 7, отличающаяся тем, что она имеет функцию для перемножения времени, выданного из упомянутого преобразователя частоты, на величину постоянной скорости потока для вычисления скорости потока.

9. Насосная установка по п. 8, отличающаяся тем, что преобразователь частоты содержит индикатор для скорости потока.

10. Насосная установка по п. 8, отличающаяся тем, что преобразователь частоты выполнен с функцией памяти для обеспечения автоматической работы насосной установки при выполнении задачи по доставке определенного количества воды за каждый определенный период времени в течение нескольких следующих друг за другом дней, остановки выполнения этой задачи на определенное количество следующих друг за другом дней и выполнения этой задачи в течение определенного количества следующих друг за другом дней.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5