Горизонтальный центробежный насос

 

Изобретение относится к насосостроению, в частности к многоступенчатым центробежным насосам для закачки воды в пласт на нефтяных промыслах. Насос состоит из корпуса, крышек, входного и выходного патрубков, вала, рабочих колес, направляющих аппаратов, разделительных дисков. В последних со стороны, обращенной к колесу, выполнены закрытые каналы, соединяющие периферийную зону пазухи с центральной зоной. Входной участок канала и выходной плавно углублены в тело диска, первый по окружности в направлении вращения рабочего колеса, а второй по окружности, но в обратном направлению вращения рабочего колеса. Вращающийся поток давит на жидкость, находящуюся в каналах, из которых она выходит в центральную зону пазухи с давлением, приблизительно равным давлению на периферии рабочего колеса. В итоге происходит уравнивание осевых сил, действующих на рабочее колесо. Использование изобретения позволяет снизить объемные потери, упростить конструкцию и повысить надежность. 6 ил.

Изобретение относится к области насосостроения, в частности к многоступенчатым насосам высокого давления для закачки воды в пласты на нефтяных промыслах. Оно может быть использовано и в других центробежных насосах, где требуется разгрузка осевых сил, появляющихся при работе насоса.

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 их 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, пазухи между разделительным диском и рабочим колесом. 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, 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, пазухи между разделительным диском и рабочим колесом.

Новым является то, что в разделительных дисках со стороны, обращенной к колесу, выполнены закрытые криволинейные каналы, соединяющие периферийную зону пазухи с центральной, входные (периферийные) участки которых плавно углублены в тело диска по окружности в направлении вращения рабочего колеса, а выходные - плавно углублены в тело диска по окружности в направлении, противоположном вращению рабочего колеса, причем ось симметрии каналов выполнена выпуклой кривой в сторону вращения рабочего колеса, а выходные участки каналов размещены на диаметре, меньшем среднего диаметра рабочего колеса.

На фиг. 1 изображен продольный разрез предлагаемого насоса.

На фиг. 2 - разделительный диск в плане, разрез А-А фиг 1.

На фиг. 3, 4, 5 - соответственно разрезы по Б-Б, В-В и Г-Г фиг. 2.

На фиг. 6 - ступень центробежного насоса с эпюрой распределения давления в пазухах рабочей ступени:
а) в пазухе 13
б) в пазухе 17.

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 конце вала 6 со стороны нагнетания установлен упорный подшипник скольжения 10. Со стороны привода насос снабжен уплотнением 11.

В разделительном диске 9 со стороны всасывания выполнены закрытые каналы 12, соединяющие периферийную зону пазухи 13 с центральной зоной. Входной участок 14 (фиг. 2) канала 12 плавно углублен в тело диска 9 по окружности в направлении вращения рабочего колеса. Выходной участок 15 канала 12 также плавно углублен в тело диска 9 по окружности, но в обратном направлении вращения рабочего колеса. Закрытый участок 16 канала 12 выполнен криволинейным с выпуклой осью симметрии в сторону вращения рабочего колеса. Со стороны нагнетания между рабочим колесом и направляющим аппаратом имеется пазуха 17. Выходные участки каналов 12 размещены на диаметре, меньшем среднего диаметра рабочего колеса.

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 13 и 17 жидкость приобретает вращательное и поступательное движение. Поступательное движение в пазухе 13 направлено от периферии к центру, а в пазухе 17 - от центра к периферии. Действие вращающегося и поступательного потоков в пазухах 13 и 17 приводит к разуравниванию осевых сил с результирующей силой, направленной в сторону всасывания. Это наглядно видно на фиг. 6, где
P₁ - давление на диаметре опоры рабочего колеса со стороны всасывания при отсутствии щели;
P₂ - давление на выходе из рабочего колеса в пазухах 13 и 17;
P₃ - давление на диаметре опоры рабочего колеса со стороны всасывания при наличии щели;
P₄ - давление на диаметре опоры рабочего колеса в пазухе 13 при наличии каналов в разделительном диске;
P₁¹ - давление на диаметре опоры рабочего колеса со стороны нагнетания в пазухе 17 при отсутствии щели;
P₃¹ - давление на диаметре опоры рабочего колеса со стороны нагнетания в пазухе 17 при наличии щели.

Сплошными линиями показаны эпюры распределения давления в пазухах 13 и 17 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 13 во всасывающую воронку рабочего колеса 7, а также переток жидкости из всасывающей воронки последующего рабочего колеса 7 в пазуху 17 первой ступени (предыдущей). Под влиянием утечек эпюра распределения давления меняется, что представлено на фиг. 6 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 с помощью каналов, выполненных в разделительном диске 9. Вращающийся поток давит на жидкость, находящуюся в каналах 12, из которых она выходит в центральную зону пазухи 13 с давлением, приблизительно равным давлению (P₂) на периферии рабочего колеса, которое распространяется на всю зону пазухи 13. Это будет повышенное давление и на фиг. 6a оно обозначено штрихпунктирной линией. Как видно из этой фигуры площадь эпюры увеличивается, т.е. общее давление в пазухе 13 приближается к давлению в пазухе 17 и, следовательно, происходит уравнивание осевых сил, действующих на рабочее колесо с обеих сторон. Разгрузка последующих колес происходит идентичным путем.

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.К. 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

Горизонтальный центробежный насос, содержащий 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, пазухи между разделительным диском и рабочим колесом, отличающийся тем, что в разделительных дисках со стороны, обращенной к колесу, выполнены закрытые криволинейные каналы, соединяющие периферийную зону пазухи с центральной, входные (периферийные) участки которых плавно углублены в тело диска по окружности в направлении вращения рабочего колеса, а выходные плавно углублены в тело диска по окружности в направлении, противоположном вращению рабочего колеса, причем ось симметрии каналов выполнена выпуклой в сторону вращения рабочего колеса, а выходные участки каналов размещены на диаметре, меньшем среднего диаметра рабочего колеса.

РИСУНКИ

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