Разгрузочное устройство центробежного насоса для уравновешивания осевой силы

 

Изобретение относится к гидромашиностроению, более конкретно к центробежным насосам, но может использоваться и в других устройствах, где требуется работа гидростатического упорного подшипника как в гидростатическом режиме, так и в режиме скольжения. В разгрузочном устройстве на пяте и подпятнике сформированы поверхности вращения, соприкасающиеся также, как и поверхности щелевого торцевого уплотнения между собой при полном сближении пяты с подпятником. Эти поверхности отделены от уплотняющих кольцевым каналом, который сообщен с центральным районом каналами. Для обеспечения смазки и охлаждения дополнительных поверхностей часть каналов или все могут быть выполнены открытыми относительно этих поверхностей. Поперечные сечения открытых каналов выполнены суживающимися к поверхности. При достаточных поперечных сечениях каналов размещение в разгрузочной камере дополнительных опорных поверхностей не приведет к снижению грузоподъемности устройства при работе в гидростатическом режиме, но повысит надежность и долговечность устройства при работе в режиме скольжения за счет увеличения площади контакта. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к гидромашиностроению, более конкретно к центробежным насосам. Изобретение может использоваться и в других устройствах, где требуется работа гидростатического упорного подшипника как в гидростатическом режиме, так и в режиме скольжения.

В процессе работы центробежного насоса возникают осевые силы, действующие на рабочие колеса. В крупных многоступенчатых насосах осевые силы могут достигать нескольких десятков тонн. Для восприятия осевой силы полностью или частично широко используется гидравлическое разгрузочное устройство [1], принятое в качестве прототипа при описании изобретения.

Устройство состоит из гидропяты (разгрузочного диска), скрепленной с валом, и подпятника, закрепленного на корпусе насоса. Между торцами пяты и подпятника размещена разгрузочная камера, ограниченная щелевым торцевым уплотнением в виде поверхностей вращения (плоских, ступенчатых, сферических и др.).

Разгрузочная камера сообщена с зоной высокого давления и посредством торцевой щели с зоной низкого. За счет перепада давлений, действующих на внутреннюю (прилегающую к подпятнику) торцевую поверхность пяты и наружную, формируется сила, уравновешивающая осевую силу, действующую на рабочие колеса.

Максимальное давление формируется в разгрузочной камере и оно практически постоянно по ее объему. Давление в кольцевой щели падает от давления на входе, равного давлению в разгрузочной камере, до давления на выходе, равного давлению в "зоне низкого давления". Зазор (щель) между уплотняющими поверхностями саморегулируется. От надежности и долговечности данного устройства в значительной мере зависит надежность и долговечность насоса.

Надежность и долговечность самого устройства определяется в основном функционированием при переходных режимах.

В этих случаях, например, при пуске, возможны соприкосновения гидропяты и подпятника в районе торцевого уплотнения и работа устройства в режиме скольжения, включая скольжение в условиях полужидкостной или граничной смазки, что связано с большими удельными нагрузками.

По причине больших удельных нагрузок и скоростей скольжения возможно возникновение задиров и соответственно нарушение эквидистантности уплотняющих поверхностей, в результате чего местное соприкосновение (в местах задиров) пяты и подпятника может иметь место и при номинальных режимах. Наличие задиров и нарушение эквидистантности, кроме увеличения потерь на трение, снижения надежности и долговечности устройства, будет приводить к возникновению нецентральных сил, которые будут нагружать дополнительно подшипники и изгибать вал, что также будет способствовать снижению надежности и долговечности насоса.

Снизить отрицательные последствия при соприкосновении гидропяты с подпятником возможно за счет увеличения площади соприкосновения (контакта) поверхностей торцевого уплотнения. Увеличение площади торцевого уплотнения будет приводить при работе устройства в режиме скольжения к снижению удельной нагрузки на поверхность контакта (Р) и параметра PV (V - скорость скольжения в месте контакта), влияющих на работоспособность пары трения. Однако такое решение наряду с положительным эффектом приведет к необходимости увеличения подачи через разгрузочное устройство и соответственно увеличению потерь (снижению КПД), так как увеличение площади торцевого уплотнения приведет к снижению эффективности (грузоподъемности) разгрузочного устройства, а также может привести к неустойчивости его работы в гидростатическом режиме.

Задачей данного изобретения является повышение надежности и долговечности разгрузочного устройства центробежного насоса при его работе в режиме скольжения за счет увеличения площади контакта без снижения его характеристик при работе в гидростатическом режиме.

Для решения данной задачи в разгрузочной камере на пяте и подпятнике сформированы поверхности вращения, также соприкасающиеся при полном сближении пяты с подпятником и отделенные от поверхностей торцевого щелевого уплотнения кольцевым каналом, сообщенным каналами с центральным районом. Эти поверхности наряду с поверхностями торцевого щелевого уплотнения будут выполнять роль опорных при соприкосновении пяты с подпятником.

При достаточных поперечных сечениях каналов размещение в разгрузочной камере опорных поверхностей не приведет к заметному изменению распределения гидравлического давления в разгрузочной камере и торцевой щели и соответственно не приведет к изменению (снижению) грузоподъемности устройства при его работе в гидростатическом режиме.

Для улучшения смазки и охлаждения дополнительных поверхностей все или часть каналов, сообщающих кольцевой канал с центральным районом, предлагается сделать открытыми.

Однако наличие открытых каналов (включая кольцевой) уменьшает площадь поверхностей контакта, увеличивая тем самым на них удельную нагрузку.

С целью снижения потерь площади контакта за счет наличия открытых каналов предлагается выполнять их суживающимися к поверхности при сохранении требуемых площадей их поперечных сечений.

Предлагаемое изобретение может использоваться и с торцевыми щелевыми уплотнениями, где приняты дополнительные меры повышения их работоспособности, например, [4, 5, 6, 7, 8].

На фиг. 1 изображен продольный разрез разгрузочного устройства, на фиг. 2 - сечение А-А.

Устройство содержит (см. фиг. 1, 2) гидропяту 1, скрепленную с валом 2, подпятник 3, закрепленный на корпусе насоса 4. На гидропяте и соответственно на подпятнике размещены уплотняющие поверхности торцевого щелевого уплотнения 5 и дополнительные опорные поверхности 6 в разгрузочной камере. Дополнительные опорные поверхности 6 отделены от уплотняющих 5 кольцевым каналом 7, сообщенным с центральным районом открытыми 8 и закрытыми 9 каналами.

Устройство работает следующим образом. При номинальном режиме, когда гидростатическая сила уравновешивает осевую силу, прижимающую гидропяту 1 к подпятнику 3, между гидропятой и подпятником образуется саморегулируемый зазор, и жидкость из центральной части будет течь к кольцевому каналу 7 главным образом по каналам 8, 9 и вытекать через зазор между уплотняющимися поверхностями 5. Работа устройства в этом случае практически не отличается от работы прототипа.

При переходных режимах, когда гидростатическая сила меньше прижимающей, и гидропята 1 с подпятником 3 соприкасаются, устройство будет работать как упорный подшипник скольжения (верчения), частично разгруженный гидростатической силой. При этом нагрузка будет распределяться не только на уплотняющие поверхности 5 как у прототипа, но и на дополнительные поверхности 6 в разгрузочной камере, что приведет к снижению удельных нагрузок. Благодаря открытым каналам 8 дополнительные поверхности 6 будут смачиваться перекачиваемой жидкостью, что обеспечит их смазку и охлаждение.

Литература 1. В. П. Попов. Водоотливные установки. Москва, Недра, 1980 г., стр.48, прототип.

2. А.И. Степанов. Центробежные и осевые насосы. Москва, 1960 г.

3. В. М. Черкасский. Насосы, вентиляторы, компрессоры. Москва, Энергия, 1997 г.

4. SU 1143882.

5. SU 1343114.

6. SU 1344952.

7. SU 1435839.

8. SU 207735.

Формула изобретения

1. Разгрузочное устройство центробежного насоса для уравновешивания осевой силы, содержащее гидропяту, скрепленную с валом, и установленный в корпусе подпятник, образующие своими торцами щелевое торцевое уплотнение в виде поверхностей вращения, соприкасающихся при полном сближении пяты с подпятником, и разгрузочную камеру, сообщенную с зоной высокого давления и посредством торцевой щели - с зоной низкого, отличающееся тем, что в разгрузочной камере на пяте и подпятнике сформированы поверхности вращения, также соприкасающиеся при полном сближении гидропяты с подпятником и отделенные от поверхностей торцевого щелевого уплотнения кольцевым каналом, сообщенным каналами с центральным районом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поперечные сечения открытых каналов выполнены суживающимися к поверхности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2