Конструктивный ряд вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в нефтяной и др. отраслях промышленности. Конструктивный ряд вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов (ЭНА) содержит однотипные вертикальные нефтяные ЭНА с одинаковой производительностью и с дифференцированным от насоса (Н) к Н напором, а также с адекватной мощностью электродвигателя. Каждый ЭНА содержит последовательно соединенные с электродвигателем сверху вниз - основной Н, трансмиссию, бустер и заборную трубу. Основной Н содержит вал ротора и не менее чем одну напорную секцию с крыльчаткой и направляющим аппаратом, подводящий канал, секцию отвода. В корпусе бустера размещен шнек с валом, на котором закреплена втулка с многозаходной крыльчаткой. Обтекаемая поверхность втулки имеет форму ундулоида. Втулка содержит на входе антикавитационный участок и переходный участок с радиусом, возрастающем по ходу потока до радиуса выходного участка. Крыльчатка бустера выполнена с многоступенчатым возрастанием по ходу потока в геометрической прогрессии количества и числа заходности спиральных лопаток шнека. Напорные секции последовательно соединены в основном Н по потоку с возможностью передачи в каждую последующую секцию и/или на выход в напорную линию давления, суммированного с давлением, создаваемым в каждой из предыдущих секций. Общее число напорных секций принято не менее определяемого отношением заданного напора Н к напору, создаваемому одной секцией. Изобретение направлено на разработку ряда ЭНА с повышенной стабильностью и долговечностью работы при увеличении КПД и снижении энергоемкости перекачивания любых видов нефтесодержащих сред, в том числе в безкавитационных режимах. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к насосостроению, а именно к вертикальным нефтяным электронасосным агрегатам. и может быть использовано в нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности.

Известен вертикальный химический электронасосный агрегат для перекачивания агрессивных сред, содержащий электродвигатель, сопряженный с ним шнекоцентробежный насос, снабженный всасывающим и выходным патрубками. С целью повышения антикавитационных показателей насоса всасывающий патрубок содержит подкачивающий шнек, закрепленный на валу шнекоцентробежного насоса (RU 2006122670 А, опубл. 10.01.2008).

Известен шнекоцентробежный насос, содержащий корпус, установленный в нем направляющий аппарат и подвижно на передней и задней подшипниковых опорах ротор, включающий шнековый преднасос и центробежные колеса, имеющие втулки и диски, в которых вблизи втулки выполнены сквозные отверстия. В дисках с обеих сторон выполнены каналы, равномерно распределенные по окружности и ограниченные крышками. Передняя опора ротора выполнена в виде подшипника качения, внутренняя обойма которого прочно скреплена с наружными кромками шнека (RU 2252337 С2, опубл. 20.05.2005).

Известен вертикальный шнеково-центробежный насос, содержащий корпус с установленными в нем центробежным рабочим колесом и предвключенным шнеком, размещенным внутри нижней части удлиненной трубы, консольно закрепленной к центральной всасывающей части корпуса. Колесо и шнек соединены между собой удлиненной трансмиссией. На всасывающем участке трубы выполнен один или более обратных клапанов, например, в виде расположенных выше предвключенного шнека окон, снабженных нормально закрытыми лепестковыми упругими элементами, выполненных с возможностью открытия за счет давления разрежения перекачиваемой жидкости при ее полном заполнении вращающегося центробежного рабочего колеса (RU 2305208 С1, опубл. 27.08.2007).

Недостатками известных технических решений являются относительно невысокие надежность и долговечность работы и обусловленные конструктивными решениями невысокие гидродинамические характеристики, что приводит к повышенному износу рабочих узлов и снижению КПД насосов в процессе эксплуатации.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке конструктивного ряда вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов с повышенной стабильностью и долговечностью работы при увеличении КПД и снижении энергоемкости перекачивания любых видов нефтесодержащих жидкостей от товарной нефти и нефтепродуктов до сырой и обводненной нефти с высоким содержанием воды, а также твердых дискретных частиц, в том числе с перекачиванием указанных сред в безкавитационных режимах.

Поставленная задача решается тем, что конструктивный ряд вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов согласно изобретению содержит предназначенные для перекачивания из безнапорных емкостей в напорные магистрали жидкой среды, преимущественно типа товарной нефти, нефтепродуктов, газоконденсата или обводненной нефти, однотипные вертикальные нефтяные электронасосные агрегаты с одинаковой производительностью по объему перекачиваемой среды и с дифференцированным от насоса к насосу в диапазоне от минимума до максимума напором перекачиваемой среды, а также с адекватной мощностью приводного устройства, предпочтительно имеющего корпус и вал ротора асинхронного электродвигателя, при этом каждый агрегат из указанного конструктивного ряда содержит последовательно соединенные с электродвигателем и между собой корпусами и валами роторов, ориентированные в рабочем положении сверху вниз - основной, предпочтительно, центробежный насос, трансмиссию, бустер и заборную трубу; при этом вал ротора электродвигателя оснащен присоединительной полумуфтой; основной насос содержит снабженный опорным фланцем корпус, состоящий из имеющих открытые на проток полости не менее чем одной напорной секции с крыльчаткой и направляющим аппаратом, подводящего канала, секции отвода с образованием полостями указанных секций и подводящим каналом проточной полости насоса и заключенный в корпус ротор с валом; трансмиссия содержит не менее одной, предпочтительно, не менее двух секций, каждую с двумя концевыми и соединительным корпусами, в которых с опиранием на подшипники установлен вал, заключенный в неподвижную оболочку - разделительную трубу с образованием между последней и упомянутыми корпусами проточной полости для перекачиваемой среды; бустер содержит корпус, размещенное в корпусе рабочее колесо в виде шнека с валом, на котором закреплена втулка с многозаходной крыльчаткой, гидродинамически сопряженной с закрепленным в корпусе спрямляющим аппаратом с образованием совместно с корпусом бустера проточной полости, при этом обтекаемая поверхность втулки и ограниченная ею сторона проточной полости имеют форму тела вращения - ундулоида с вогнуто-выпуклой образующей, а втулка содержит на входе антикавитационный участок, дополненный переходным участком с радиусом, возрастающем по ходу потока до радиуса выходного участка и до обеспечения практически бесступенчатого перехода упомянутой кольцевой полости шнека в кольцевую полость на участке спрямляющего аппарата, а многозаходная крыльчатка выполнена с многоступенчатым возрастанием по ходу потока в геометрической прогрессии количества и числа заходности спиральных лопаток шнека, причем бустер, трансмиссия и основной насос последовательно соосно сообщены валами роторов с валом ротора электродвигателя с образованием валопровода с возможностью синхронного вращения с валом электродвигателя и передачи крутящего момента роторам основного насоса и бустера, а путем соединения упомянутых проточных полостей насоса, трансмиссии, бустера и заборной трубы в электронасосном агрегате образован единый проточный тракт, кроме того, упомянутые напорные секции последовательно соединены в насосе по потоку перекачиваемой среды с возможностью передачи в каждую последующую секцию и/или на выход в напорную линию давления, суммированного с давлением, создаваемым в каждой из предыдущих секций, а общее число напорных секций в насосе принято не менее определяемого отношением заданного напора насоса к напору, создаваемому одной секцией.

При этом крыльчатка каждой напорной секции может быть выполнена в виде рабочего колеса, включающего диск, снабженный с заходной стороны спирально изогнутыми в плане лопатками, разделенными межлопаточными каналами, активный объем динамического заполнения которых перекачиваемой средой выполнен с возможностью выброса на проток за один оборот рабочего колеса не менее 1,4·10^-5 м³/об.

Крыльчатка шнека бустера может быть выполнена на входе трехзаходной, а на выходе двенадцатизаходной, при этом входные лопатки пролонгированы на всю длину шнека, а выходные дополнены тремя лопатками второй ступени и шестью лопатками третьей ступени, осевая длина последних в проекции на радиально-осевую плоскость составляет не более 17%, а лопаток второй ступени не более 35% осевой длины шнека, считая от условной выходной плоскости, нормальной к оси шнека.

Примыкающая к бустеру снизу заборная труба может быть снабжена защитной сеткой или, по меньшей мере, защитной сеткой-фильтром.

Каждая секция трансмиссии может иметь протяженную трубчатую форму, выполнена с возможностью встречной передачи крутящего момента от электродвигателя к бустеру и транспортирования перекачиваемой среды от заборной трубы через бустер и трансмиссию в основной насос.

Каждая сборная секция трансмиссии может быть принята одной из двух длин, отличающихся одна от другой не менее чем на длину бустера.

Основной насос может содержать верхнюю и нижнюю подшипниковые опоры и узел уплотнения, расположенный между верхней подшипниковой опорой и секцией отвода.

Электродвигатель может быть выполнен асинхронным взрывозащищенным мощностью от 5 до 150 кВт, напряжением 380/660 В и с частотой оборотов n=50 с^-1 (3000 об/мин)±50%.

Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, состоит в разработке конструктивного ряда вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов с повышенной стабильностью и долговечностью работы при увеличении КПД и снижении энергоемкости перекачивания любых видов нефтесодержащих жидкостей от товарной нефти и нефтепродуктов до сырой и обводненной нефти с высоким содержанием воды, а также твердых дискретных частиц, в том числе с перекачиванием указанных сред в безкавитационных режимах, что достигается за счет разработанных в изобретении технических решений секционированного насоса, позволяющего варьировать в широких пределах достигаемый напор перекачиваемой жидкой среды, а также оригинальных компактных полифункционально исполненных сборных секций трансмиссии и найденной в изобретении антикавитационной композиции вала ротора, втулки со ступенчато многозаходной крыльчаткой и проточной полости бустера.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

На фиг.1 изображен вертикальный нефтяной электронасосный агрегат, вид спереди;

На фиг.2 - основной центробежный насос, вертикальный разрез;

На фиг.3 - трансмиссия, вертикальный разрез;

На фиг.4 - бустер, вертикальный разрез;

На фиг.5 - крыльчатка основного насоса в изометрии.

Конструктивный ряд вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов содержит предназначенные для перекачивания из безнапорных емкостей в напорные магистрали жидкой среды, преимущественно типа товарной нефти, нефтепродуктов, газоконденсата или обводненной нефти, однотипные вертикальные нефтяные электронасосные агрегаты 1 с одинаковой производительностью по объему перекачиваемой среды и с дифференцированным от насоса к насосу в диапазоне от минимума до максимума напором перекачиваемой среды, а также с адекватной мощностью приводного устройства. Приводное устройство имеет корпус 2 и вал 3 ротора асинхронного электродвигателя 4. Вал 3 ротора электродвигателя 4 оснащен присоединительной полумуфтой 5.

Каждый агрегат 1 из указанного конструктивного ряда содержит последовательно соединенные с электродвигателем 4 и между собой корпусами и валами роторов, ориентированные в рабочем положении сверху вниз - основной, предпочтительно, центробежный насос 6, трансмиссию 7, бустер 8 и заборную трубу 9.

Основной насос 6 содержит снабженный опорным фланцем 10 корпус 11, состоящий из имеющих открытые на проток полости не менее чем одной напорной секции 12 с крыльчаткой 13 и направляющим аппаратом 14, подводящего канала 15, секции 16 отвода с образованием полостями указанных секций и подводящим каналом проточной полости 17 насоса и заключенный в корпус 11 ротор с валом 18.

Трансмиссия 7 содержит не менее одной, предпочтительно не менее двух секций 19, каждую с двумя концевыми корпусами 20 и соединительным корпусом 21, в которых с опиранием на подшипники установлен вал 22, заключенный в неподвижную оболочку - разделительную трубу 23 с образованием между последней и упомянутыми корпусами проточной полости 24 для перекачиваемой среды.

Бустер 8 содержит корпус 25, размещенное в корпусе рабочее колесо в виде шнека 26 с валом 27. На валу27 закреплена втулка 28 с многозаходной крыльчаткой 29, гидродинамически сопряженной с закрепленным в корпусе спрямляющим аппаратом 30 с образованием совместно с корпусом 25 бустера проточной полости 31. Обтекаемая поверхность втулки 28 и ограниченная ею сторона проточной полости 31 имеют форму тела вращения - ундулоида с вогнуто-выпуклой образующей. Втулка 28 содержит на входе антикавитационный участок 32, дополненный переходным участком 33 с радиусом, возрастающем по ходу потока до радиуса выходного участка 34 и до обеспечения практически бесступенчатого перехода последнего и упомянутой кольцевой полости шнека 26 в кольцевую полость на участке спрямляющего аппарата 30. Многозаходная крыльчатка 29 выполнена с многоступенчатым возрастанием по ходу потока в геометрической прогрессии количества и числа заходности спиральных лопаток 35 шнека 26.

Бустер 8, трансмиссия 7 и основной насос 6 последовательно соосно сообщены валами роторов 27, 22, 18 с валом 3 ротора электродвигателя 4 с образованием валопровода с возможностью синхронного вращения с валом электродвигателя и передачи крутящего момента роторам основного насоса и бустера. Путем соединения упомянутых проточных полостей 17, 24, 31 соответственно насоса 6, трансмиссии 7, бустера 8 и заборной трубы 9 в электронасосном агрегате образован единый проточный тракт.

Напорные секции 12 основного насоса 6 последовательно соединены в насосе по потоку перекачиваемой среды с возможностью передачи в каждую последующую секцию и/или на выход в напорную линию давления, суммированного с давлением, создаваемым в каждой из предыдущих секций. Общее число напорных секций 12 в насосе принято не менее определяемого отношением заданного напора насоса к напору, создаваемому одной секцией.

Крыльчатка 13 каждой напорной секции 12 выполнена в виде рабочего колеса, включающего диск 36, снабженный с заходной стороны спирально изогнутыми в плане лопатками 37, разделенными межлопаточными каналами 38, активный объем динамического заполнения которых перекачиваемой средой выполнен с возможностью выброса на проток за один оборот рабочего колеса не менее 1,4·10^-5 м³ /об.

Крыльчатка 29 шнека 26 бустера 8 выполнена на входе трехзаходной, а на выходе двенадцатизаходной. Входные лопатки пролонгированы на всю длину шнека 26, а выходные дополнены тремя лопатками второй ступени и шестью лопатками третьей ступени. Осевая длина лопаток третьей ступени в проекции на радиально-осевую плоскость составляет не более 17%, а лопаток второй ступени не более 35% осевой длины шнека, считая от условной выходной плоскости, нормальной к оси шнека.

Примыкающая к бустеру 8 снизу заборная труба 9 снабжена защитной сеткой или, по меньшей мере, защитной сеткой-фильтром.

Каждая секция 19 трансмиссии 7 имеет протяженную трубчатую форму, выполнена с возможностью встречной передачи крутящего момента от электродвигателя 4 к бустеру 8 и транспортирования перекачиваемой среды от заборной трубы 9 через бустер 8 и трансмиссию 7 в насос 6.

Каждая сборная секция 19 трансмиссии 7 принята одной из двух длин, отличающихся одна от другой не менее чем на длину бустера 8.

Основной насос 6 содержит верхнюю и нижнюю подшипниковые опоры 39 и 40 и узел 41 уплотнения, расположенный между верхней подшипниковой опорой 39 и секцией 16 отвода.

Электродвигатель 4 выполнен асинхронным взрывозащищенным мощностью от 5 до 150 кВт, напряжением 380/660 В и с частотой оборотов n=50 с^-1 (3000 об/мин)±50%.

Работа осуществляется следующим образом.

При включении электродвигателя 4 крутящий момент по валопроводу поступает на вал 18 ротора основного насоса 6, на вал 22 ротора трансмиссии 7 и на вал 27 ротора бустера 8, приводя в движение крыльчатку 29 шнека 26. В последнюю через заборную трубу 9 поступает перекачиваемая среда - товарная нефть, нефтепродукты, газоконденсат или обводненная нефть, и последовательно обтекая антикавитационный, переходный и выходной участки 32, 33 и 34 втулки 28 шнека 26 и каналы спрямляющего аппарата 30, поток приобретает упорядоченный характер и поступает в проточную полость 24 трансмиссии 7 с давлением, созданным в бустере 6. Затем перекачиваемая среда проходит через последовательные участки проточной полости 24 трансмиссии 7 и поступает в напорные секции 12 основного центробежного насоса 6, приобретая в каждой ступенчатое повышение давления, суммарно возрастающее при входе в секцию 16 отвода пропорционально числу напорных секций 12.

Таким образом, разработанные в изобретении технические решения секционированного насоса, а также компактных полифункционально исполненных сборных секций трансмиссии и найденной в изобретении антикавитационной композиции вала ротора, втулки со ступенчато многозаходной крыльчаткой и проточной полости бустера, позволяют варьировать в широких пределах достигаемый напор перекачиваемой жидкой среды.

1. Конструктивный ряд вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов, характеризующийся тем, что содержит предназначенные для перекачивания из безнапорных емкостей в напорные магистрали жидкой среды, преимущественно, типа товарной нефти, нефтепродуктов, газоконденсата или обводненной нефти, однотипные вертикальные нефтяные электронасосные агрегаты с одинаковой производительностью по объему перекачиваемой среды и с дифференцированным от насоса к насосу в диапазоне от минимума до максимума напором перекачиваемой среды, а также с адекватной мощностью приводного устройства, предпочтительно, имеющего корпус и вал ротора асинхронного электродвигателя, при этом каждый агрегат из указанного конструктивного ряда содержит последовательно соединенные с электродвигателем и между собой корпусами и валами роторов, ориентированные в рабочем положении сверху вниз - основной, предпочтительно, центробежный насос, трансмиссию, бустер и заборную трубу; при этом вал ротора электродвигателя оснащен присоединительной полумуфтой; основной насос содержит снабженный опорным фланцем корпус, состоящий из имеющих открытые на проток полости не менее чем одной напорной секции с крыльчаткой и направляющим аппаратом, подводящего канала, секции отвода с образованием полостями указанных секций и подводящим каналом проточной полости насоса и заключенный в корпус ротор с валом; трансмиссия содержит не менее одной, предпочтительно не менее двух, секций, каждую с двумя концевыми и соединительным корпусами, в которых с опиранием на подшипники установлен вал, заключенный в неподвижную оболочку - разделительную трубу с образованием между последней и упомянутыми корпусами проточной полости для перекачиваемой среды; бустер содержит корпус, размещенное в корпусе рабочее колесо в виде шнека с валом, на котором закреплена втулка с многозаходной крыльчаткой, гидродинамически сопряженной с закрепленным в корпусе спрямляющим аппаратом с образованием совместно с корпусом бустера проточной полости, при этом обтекаемая поверхность втулки и ограниченная ею сторона проточной полости имеют форму тела вращения - ундулоида с вогнуто-выпуклой образующей, а втулка содержит на входе антикавитационный участок, дополненный переходным участком с радиусом, возрастающим по ходу потока до радиуса выходного участка и до обеспечения практически бесступенчатого перехода упомянутой кольцевой полости шнека в кольцевую полость на участке спрямляющего аппарата, а многозаходная крыльчатка выполнена с многоступенчатым возрастанием по ходу потока в геометрической прогрессии количества и числа заходности спиральных лопаток шнека, причем бустер, трансмиссия и основной насос последовательно соосно сообщены валами роторов с валом ротора электродвигателя с образованием валопровода с возможностью синхронного вращения с валом электродвигателя и передачи крутящего момента роторам основного насоса и бустера, а путем соединения упомянутых проточных полостей насоса, трансмиссии, бустера и заборной трубы в электронасосном агрегате образован единый проточный тракт, кроме того, упомянутые напорные секции последовательно соединены в насосе по потоку перекачиваемой среды с возможностью передачи в каждую последующую секцию и/или на выход в напорную линию давления, суммированного с давлением, создаваемым в каждой из предыдущих секций, а общее число напорных секций в насосе принято не менее определяемого отношением заданного напора насоса к напору, создаваемому одной секцией.

2. Конструктивный ряд вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов по п.1, отличающийся тем, что крыльчатка каждой напорной секции выполнена в виде рабочего колеса, включающего диск, снабженный с заходной стороны спирально изогнутыми в плане лопатками, разделенными межлопаточными каналами, активный объем динамического заполнения которых перекачиваемой средой выполнен с возможностью выброса на проток за один оборот рабочего колеса не менее 1,4·10^-5 м³/об.

3. Конструктивный ряд вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов по п.1, отличающийся тем, что крыльчатка шнека бустера выполнена на входе трехзаходной, а на выходе двенадцатизаходной, при этом входные лопатки пролонгированы на всю длину шнека, а выходные дополнены тремя лопатками второй ступени и шестью лопатками третьей ступени, осевая длина последних в проекции на радиально-осевую плоскость составляет не более 17%, а лопаток второй ступени не более 35% осевой длины шнека, считая от условной выходной плоскости, нормальной к оси шнека.

4. Конструктивный ряд вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов по п.1, отличающийся тем, что примыкающая к бустеру снизу заборная труба снабжена защитной сеткой или, по меньшей мере, защитной сеткой-фильтром.

5. Конструктивный ряд вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов по п.1, отличающийся тем, что каждая секция трансмиссии имеет протяженную трубчатую форму, выполнена с возможностью встречной передачи крутящего момента от электродвигателя к бустеру и транспортирования перекачиваемой среды от заборной трубы через бустер и трансмиссию в основной насос.

6. Конструктивный ряд вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов по п.1, отличающийся тем, что каждая сборная секция трансмиссии принята одной из двух длин, отличающихся одна от другой не менее чем на длину бустера.

7. Конструктивный ряд вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов по п.1, отличающийся тем, что основной насос содержит верхнюю и нижнюю подшипниковые опоры и узел уплотнения, расположенный между верхней подшипниковой опорой и секцией отвода.

8. Конструктивный ряд вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов по п.1, отличающийся тем, что электродвигатель выполнен асинхронным взрывозащищенным мощностью от 5 до 150 кВт, напряжением 380/660 В и с частотой оборотов n=50 с^-1 (3000 об/мин)±50%.