Горизонтальный центробежный насос (варианты)

 

Изобретение относится к насосостроению, в частности к многоступенчатым центробежным насосам для закачки воды в пласт на нефтяных промыслах, у которых рабочие колеса имеют лопатки треугольной формы. Насос состоит из корпуса, крышек, входного и выходного патрубков, вала. На вал насажены рабочие колеса, находящиеся между направляющим аппаратом и разделительным диском. В теле рабочего колеса, на участке расположения лопаток, согласно первому варианту выполнены наклонные каналы, а согласно второму варианту - радиальные каналы, сообщающие между собой пазухи рабочего колеса. Наклонные каналы расположены под острым углом к плоскости ведущего диска в направлении его вращения. Ось симметрии радиальных каналов выполнена выпуклой в сторону вращения рабочего колеса. Жидкость из пазухи между рабочим колесом и направляющим аппаратом, где давление больше, по наклонным или радиальным каналам перетекает в пазуху между рабочим колесом и разделительным диском, отчего давление там повышается, что в итоге приводит к управлению осевых сил, действующих на рабочее колесо. Это позволит снизить объемные потери и повысить КПД, упростить конструкцию и повысить надежность. 2 с.п.ф-лы. 8 ил.

Изобретение относится к области насосостроения, в частности к многоступенчатым насосам высокого давления для закачки воды в пласт на нефтяных промыслах, и найдет применение в центробежных насосах, у которых рабочие колеса имеют лопатки треугольной формы.

Известны центробежные насосы, в которых осевые силы уравновешены (частично) гидравлическим способом, например, консольный многоступенчатый насос фирмы Ледерле (ФРГ), состоящий из фланцевого корпуса, аппаратов и рабочих колес, насаженных на консольный участок вала и имеющих двухсторонние опоры в направляющих аппаратах. В рабочих колесах со стороны нагнетания в зоне, охваченной его центрирующим пояском, выполнены отверстия (1).

К недостаткам насоса относятся - большие объемные потери, вследствие перетока жидкости из зоны всасывания последующего рабочего колеса в зону всасывания предыдущего рабочего колеса через щель между ступицей рабочего колеса и центрирующей опорой направляющего аппарата; - недостаточная универсальность, его использование оправдано в насосах с небольшим напором и значительной подачей.

Известен также насос (спиральный), состоящий из 2-х групп секций, где входные воронки рабочих колес обращены в противоположные стороны (2).

Недостатки насоса - высокая трудоемкость изготовления, вследствие больших габаритов и масс узлов насоса, обусловленная в большей степени необходимостью передачи потока перекачиваемой жидкости из одной группы секций в другую группу; - высокая трудоемкость проведения ремонтных работ, связанная с большой массой узлов, сложностью уплотнения разъемов, не имеющих тел вращения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является насос типа ЦНС, который нашел применение в системе ППД (поддержание пластового давления) для закачки воды в пласты на нефтяных промыслах (3).

Он состоит из корпуса, входной и выходной фланцевых крышек с патрубками для подвода и отвода жидкости, вала, установленного на подшипниках качения ступеней, каждая из которых состоит из направляющего аппарата, рабочего колеса и разделительного диска, пазух между разделительным диском, рабочим колесом и направляющим аппаратом. В камере нагнетательной крышки расположены опорный диск и гидравлическая пята, насаженная на вал для уравновешивания осевых сил, возникающих при работе насоса. Вся конструкция стягивается шпильками.

К недостаткам данной конструкции относятся - большие объемные потери, обусловленные перетоками жидкости через зазор между гидропятой и опорным диском (до 10% объема) во всасывающую полость насоса; - интенсивный износ гидропяты и опорного диска из-за сухого трения, имеющего место на переходных режимах; - с увеличением наружного диаметра рабочего колеса резко повышаются габаритные размеры разгрузочного устройства. Это, в свою очередь, приводит к еще большим затратам энергии на трение и перетокам жидкости из области высокого давления в область низкого давления; - неприемлемость применения подобной конструкции разгрузочного устройства в насосах малой производительности (до 1000 м³/сут) ввиду того, что доля объемных потерь значительно возрастает и резко возрастают осевые усилия, доходящие до десятков тонн.

Задачей изобретения является - снижение объемных потерь и, следовательно, повышение КПД;
- упрощение конструкции и повышение надежности;
- расширение универсальности применения.

Указанная задача решается описываемым насосом (его вариантами), включающим корпус, входную и выходную крышки с патрубками для подвода и отвода жидкости, вал, ступени насоса, каждая из которых состоит из рабочего колеса, направляющего аппарата и разделительного диска, пазух между разделительным диском и рабочим колесом, рабочим колесом и направляющим аппаратом.

Новым согласно варианту 1 является то, что пазухи каждой ступени сообщены между собой наклонными каналами, выполненными в теле рабочего колеса на участке расположения лопаток по окружности, проходящей вблизи мест сопряжения их выпуклых поверхностей, причем угол наклона канала к плоскости ведущего диска рабочего колеса в направлении его вращения выполнен острым, а входной и выходной участки канала плавно углублены по окружности в тело ведущего и ведомого дисков до сопряжения со стенками канала.

Новым согласно варианту 2 является то, что пазухи каждой ступени сообщены между собой радиальными каналами, выполненными в теле рабочего колеса на участке расположения лопаток с выпуклой осью симметрии в сторону вращения рабочего колеса, причем входной и выходной участки каждого канала расположены по окружности, входной по направлению вращения, а выходной против вращения рабочего колеса и обращены первый - в сторону нагнетания, а второй - в сторону всасывания и плавно сопряжены с радиальным участком канала.

На фиг. 1 изображен продольный разрез предлагаемого насоса (вариант N 2); на фиг. 2 - рабочее колесо в плане с наклонными сообщающими пазухи каналами; на фиг. 3 - рабочее колесо в плане с радиальными сообщающими пазухи каналами; на фиг. 4 - развертка канала по А-А на фиг. 2; на фиг. 5, 6 и 7 - разрезы по Б-Б, В-В, и Г-Г на фиг. 3; на фиг. 8 - ступень центробежного насоса с эпюрой распределения давления в пазухах рабочей ступени:
а) в пазухе 21
б) в пазухе 22.

Насос состоит из корпуса 1 (фиг. 1), крышек 2 и 3, входного 4 и выходного 5 патрубков, вала 6, на который насажены рабочие колеса 7, находящиеся между направляющим аппаратом 8 и разделительным диском 9. На концах вала 6 со стороны нагнетания установлен упорный подшипник скольжения 10. Со стороны привода насос снабжен уплотнением 11.

Вариант N 1.

В теле рабочего колеса 7 (фиг. 2 и 4) на участках расположения лопаток 12 выполнены наклонные каналы 13 по окружности, проходящей вблизи мест сопряжения выпуклых поверхностей лопаток с острым углом наклона к торцовой плоскости ведущего диска 14 в направлении его вращения. Входные 15 и выходные 16 участки каналов 13 плавно углублены в тело ведущего 14 и ведомого 17 дисков рабочего колеса 7 и плавно сопряжены со стенками канала 13. Данный вариант используется в насосах, в которых неуравновешенные силы имеют небольшую величину.

Вариант N 2.

В теле рабочего колеса 7 (фиг. 3, 5, 6 и 7) на участках расположения лопаток 12 выполнены радиальные каналы 18 с выпуклой осью симметрии в сторону вращения рабочего колеса 70. Входной участок 19 канала 18 обращен в сторону нагнетания и расположен ближе к центру, а выходной участок 20 обращен в сторону всасывания и расположен ближе к периферии. И входной и выходной участки каналов расположены по окружности, входной по направлению вращения, а выходной против вращения рабочего колеса и обращены первый в сторону нагнетания, а второй - в сторону всасывания и плавно сопряжены с радиальным участком канала.

Между разделительным диском 9 и рабочим колесом 7 находится пазуха 21, а между рабочим колесом 7 и направляющим аппаратом 8 - пазуха 22. Этот вариант используется в насосах, в которых неуравновешенные силы составляют значительную величину.

Насос работает следующим образом.

Жидкость поступает в первое рабочее колесо 7 через входной патрубок 4, откуда выбрасывается в каналы направляющего аппарата 8, а из него во всасывающую полость последующего (второго) колеса 7 и т.д. В пазухах 21 и 22 жидкость приобретает вращательное и поступательное движение. Поступательное движение в пазухе 21 направлено от периферии к центру, а в пазухе 22 - от центра к периферии. Действие вращающегося и поступательного потоков в пазухах 21 и 22 приводит к разуравниванию осевых сил с результирующей силой, направленной в сторону всасывания. Это наглядно видно на фиг. 8, где
P₁ - давление на диаметре опоры рабочего колеса со стороны всасывания при отсутствии щели;
P₂ - давление на выходе из рабочего колеса в пазухах 21 и 22;
P₃ - давление на диаметре опоры рабочего колеса со стороны всасывания при наличии щели;
P₄ - давление на диаметре опоры рабочего колеса в пазухе 21 при наличии в лопатках рабочего колеса наклонных или радиальных каналов;
P₁¹ - давление на диаметре опоры рабочего колеса со стороны нагнетания в пазухе 22 при отсутствии щели;
P₃¹ - давление на диаметре опоры рабочего колеса со стороны нагнетания в пазухе 22 при наличии щели.

Сплошными линиями показаны эпюры распределения давления в пазухах 21 и 22 при отсутствии утечек, т.е. при отсутствии щели между опорным участком рабочего колеса 7 и опорой разделительного диска 9, а также при отсутствии щели между ступицей рабочего колеса 7 и опорой направляющего аппарата 8. На практике же всегда имеют место щели и, следовательно, переток жидкости из пазухи 21 во всасывающую воронку рабочего колеса 7, а также переток жидкости из всасывающей воронки последующего рабочего колеса 7 в пазуху 22 первой ступени (предыдущей). Под влиянием утечек эпюра распределения давления меняется, что представлено на фиг. 8 пунктирными линиями.

Для того, чтобы уравнять осевые силы с обеих сторон рабочего колеса необходимо повысить давление в пазухе со стороны всасывания. Это достигается в предлагаемом насосе путем переброски части потока жидкости из пазухи 22 в пазуху 21 с помощью наклонных каналов 13 (вариант N 1), или радиальных каналов 18 (вариант N 2), выполненных в лопатках рабочих колес. Причем согласно варианту N 2 переброска части жидкости осуществляется с приданием ей дополнительного давления за счет центробежных сил. При этом в пазухе 21 происходит повышение давления. На фиг. 8a оно обозначено штрих пунктирной линией. Как видно из этой фигуры площадь эпюры увеличивается, т.е. общее давление в пазухе 21 приближается к давлению в пазухе 22 и, следовательно, происходит уравнивание осевых сил, действующих на рабочее колесо с обеих сторон. Разгрузка последующих колес происходит идентичным образом.

Благодаря созданию условий, обеспечивающих повышение давления в пазухе рабочего колеса со стороны всасывания и резкому уменьшению перетоков жидкости за счет исключения разгрузочного устройства, в предлагаемом насосе снижаются объемные потери примерно на 10% и, следовательно, повышается КПД. Упрощается конструкция насоса за счет исключения разгрузочного устройства и поэтому повышается его надежность. Этому способствует то, что гидравлическое уравнивание осевых сил осуществляется в каждой ступени насоса. Последнее обстоятельство делает предлагаемый насос универсальным, т.е. насосы с такой гидравлической разгрузкой могут применяться везде, где требуется уравнивание осевых сил.

Использованная информация
1. Аналог А. Н.Михайлов и В.В.Малюшенко. Лопастные насосы. М.Машиностроение. 1977 (стр. 239, рис. 130).

2. Аналог. Источник тот же (стр. 236, рис. 127).

3. Прототип. Источник тот же (стр. 237, рис. 128).

Формула изобретения

1. Горизонтальный центробежный насос, включающий корпус, входную и выходную крышки с патрубками для подвода и отвода жидкости, вал, ступени насоса, каждая из которых состоит из рабочего колеса, направляющего аппарата и разделительного диска, пазух между разделительным диском и рабочим колесом, рабочим колесом и направляющим аппаратом, отличающийся тем, что пазухи каждой ступени сообщены между собой наклонными каналами, выполненными в теле рабочего колеса на участке расположения лопаток по окружности, проходящей вблизи мест сопряжения их выпуклых поверхностей, причем угол наклона канала к плоскости ведущего диска рабочего колеса в направлении его вращения выполнен острым, а входной и выходной участки канала плавно углублены по окружности в тело ведущего и ведомого дисков до сопряжения со стенками канала.

2. Горизонтальный центробежный насос, включающий корпус, входную и выходную крышки с патрубками для подвода и отвода жидкости, вал, ступени насоса, каждая из которых состоит из рабочего колеса, направляющего аппарата и разделительного диска, пазух между разделительным диском и рабочим колесом, рабочим колесом и направляющим аппаратом, отличающийся тем, что пазухи каждой ступени сообщены между собой радиальными каналами, выполненными в теле рабочего колеса на участке расположения лопаток и имеющими выпуклую в сторону вращения рабочего колеса ось симметрии, причем входной и выходной участки каждого канала расположены по окружности: входной - по направлению вращения, а выходной - против вращения рабочего колеса и обращены первый - в сторону нагнетания, а второй - в сторону всасывания и плавно сопряжены с радиальным участком канала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8