Магистральный электронасосный агрегат с креплениями к раме с использованием подводимых опор и способ улучшения характеристик агрегата

Изобретение относится к электронасосным агрегатам, в частности, с магистральными горизонтальными центробежными насосами. Агрегат содержит магистральный насос и электродвигатель, смонтированные на раме. Их валы соединены муфтой со съемным промежуточным валом. Крепления насоса и электродвигателя к общей или раздельным рамам выполнены с использованием регулируемых по высоте и самоустанавливающихся по углу высокоточных подводимых опор. Крепежные поверхности «лап» насоса подняты на уровень общей центральной оси подводящего и отводящего патрубков насоса. Валы насоса и электродвигателя соединены посредством компенсирующей сдвоенной муфты с гибкими дисками. Изобретение направлено на создание магистрального электронасосного агрегата с улучшенными технико-экономическими характеристиками, конкретно с пониженными шумом и вибрациями, повышенными надежностью, ресурсом и КПД. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к электронасосным агрегатам, в частности, с магистральными нефтяными горизонтальными центробежными насосами.

Уровень техники

Известна рама вибродемпфирующая фундаментная насосного агрегата (патент РФ №103584, МПК F04D 29/00, опубл. 20.04.2011, патентообладатель - ООО «НКМЗ»), содержащая самоустанавливающиеся монтажные элементы (или в терминологии, более правильной по сути, - подводимые опоры) между установочными поверхностями рамы и «лапами» агрегата.

Однако рассмотрена только рама насосного агрегата, а не весь электронасосный агрегат, состоящий из горизонтального центробежного насоса, приводного электродвигателя, валы которых соединены муфтой, и одной общей или двух раздельных рам (называемых фундаментными или монтажными) с подводимыми опорами под «лапы» насоса и электродвигателя, поэтому не учтены особенности взаимодействия перечисленных основных составляющих агрегата.

Также известен центробежный электронасосный агрегат (патент РФ №95043, МПК F04D 1/00, F16D 3/50, опубл. 10.06.2010), в котором насос и электродвигатель смонтированы на общей фундаментной плите (раме), их валы соединены упругой муфтой, между полумуфтами которой установлен съемный проставок (или промежуточный вал) для производства сборки-разборки агрегата без снятия с фундаментной плиты электродвигателя в условиях жесткой связи (обычно сварного соединения) корпуса насоса с подводящим и отводящим трубопроводами.

В агрегате рассмотрен только вопрос о съемном проставке муфты для сборки-разборки насоса агрегата без снятия электродвигателя с плиты, что, по мнению авторов, позволит не нарушать соосность валов рабочего колеса и электродвигателя, и, следовательно, позволит избежать преждевременного износа подшипников, перегрева электродвигателя, повышения шума и вибрации. При этом ничего не говорится о другом вопросе, также критически важном для обеспечения соосности валов насоса и электродвигателя, - жестких беззазорных креплениях насоса и электродвигателя на общей фундаментной плите (раме), по-видимому, сразу же считая эти крепления идеальными.

Однако в комплексной постановке задачи обеспечения соосности валов электронасосного агрегата во избежание преждевременного износа подшипников, перегрева электродвигателя, повышения шума и вибрации необходимо одновременно учитывать вопросы жестких беззазорных креплений насоса и электродвигателя на одной общей или двух раздельных рамах и разборности компенсирующей муфты.

В качестве аналога способа улучшения характеристик агрегата посредством его высококачественной сборки на раме с учетом различных альтернатив известен способ монтажа турбокомпрессорного агрегата (патент РФ №2263247, МПК F16M 5/00, F16M 9/00, F01D 25/28, опубл. 27.10.2005), состоящего из турбокомпрессорной группы (функционального аналога насоса) и нагнетателя (функционального аналога электродвигателя), а также их рам (установочной и транспортно-технологической) с опорными поверхностями. Недостатки указанного способа - использование сложных и трудоемких приемов сборки и установки агрегата на рамы и применение пригоночных прокладок (или пластин мерной толщины).

Также и существующие традиционные способы монтажа и выверки соосности валов магистральных насосных агрегатов основаны на изменении положения опорных «лап» с помощью металлических пластин мерной толщины. Такие пластины имеют следующие недостатки: - невозможность точной выверки из-за мерной толщины пластин; - низкая жесткость пакета пластин (как правило, используют две и более пластин); - невозможность нивелировать угловые перекосы между оборудованием и основанием, что вызывает дополнительные несоосность, вибрации валов насоса и двигателя и перегрев подшипников; - дорогостоящая механическая обработка основания (рамы). Неизбежными отрицательными следствиями при этом являются не только увеличение энергопотерь и продолжительности монтажных работ, но и сокращение ресурса или межремонтного пробега электродвигателей и насосов. Традиционные способы регулировки занимают много времени и не могут в течение срока службы агрегата обеспечить требования по точности установки и возможность монтажа в сжатые сроки.

Раскрытие изобретения

Главной общей задачей предлагаемого изобретения является создание магистрального электронасосного агрегата с улучшенными технико-экономическими характеристиками, конкретно с пониженными шумом и вибрациями, повышенными надежностью, ресурсом и КПД посредством ряда объединенных единым изобретательским замыслом конструктивных и технологических усовершенствований в местах креплений насоса и электродвигателя к общей или раздельным рамам агрегата в совокупности с применением оригинальной, монтируемой между валами насоса и электродвигателя с возможностью оперативного демонтажа компенсирующей сдвоенной муфты посредством съема промежуточного вала.

Технический эффект достигается тем, что:

1) магистральный электронасосный агрегат содержит магистральный насос и электродвигатель, смонтированные на раме, их валы соединены муфтой со съемным промежуточным валом.

При этом:

2) применены регулируемые по высоте и самоустанавливающиеся по углу высокоточные подводимые опоры при практически беззазорной жесткой установке насоса и электродвигателя на общей или раздельных рамах;

3) крепежные поверхности «лап» насоса подняты на уровень общей центральной оси подводящего и отводящего патрубков насоса для исключения образования (при практическом обнулении величин результирующих плеч) результирующих опрокидывающих моментов вокруг центральных осей подводящего и отводящего патрубков насоса от воздействия потоков перекачиваемой жидкости в патрубках на крепления «лап» насоса к раме, при этом также произойдет разгрузка сварных швов (или фланцевых креплений) патрубков и трубопроводов;

4) также использована оригинальная сдвоенная муфта с гибкими дисками, компенсирующая неизбежные монтажные и эксплуатационные погрешности соединения валов насоса и электродвигателя.

Высокоточная подводимая опора состоит из трех шайб, две нижние шайбы соединены резьбой, позволяющей менять высоту подводимой опоры, средняя и верхняя шайбы имеют сопрягаемые сферические поверхности с одинаковым радиусом кривизны, эти сферические поверхности в совместном соединении позволяют практически беззазорно соединять непараллельные поверхности соединяемых деталей и компенсировать угловое отклонение между ними; все шайбы имеют общее осевое отверстие под монтажный болт с гайкой для окончательного прижима болтом одной детали к другой через общее сквозное отверстие в опоре и обеих деталях, в данном случае - «лапы» к раме. У двух нижних шайб есть несквозные радиальные отверстия для возможности использования рычагов при регулировке высоты опоры.

Компенсирующая сдвоенная муфта состоит из комбинации двух одинаковых муфт, соединенных промежуточным полым валом. В каждой муфте между ее двумя полумуфтами установлен гибкий упрочненный стальной диск (или комплект (пакет) дисков). Для разгрузки дисков в муфтах установлены сферические шарниры в виде сферических двухрядных подшипников качения. Каждая из двух муфт содержит одинаковое четное количество зажимных креплений комплектов дисков. Противоположно направленные втулки креплений расположены на фланцах полумуфт через одну, равномерно и на едином радиальном расстоянии от общей центральной оси вращения муфт и валов, причем противоположно направленные зажимные крепления комплектов гибких дисков обеих муфт являются соосными.

Способ улучшения характеристик магистрального электронасосного агрегата посредством монтажа агрегата включает монтаж насоса и электродвигателя на общей или раздельных рамах с помощью регулируемых высокоточных подводимых опор в следующей последовательности приемов: - установка общей рамы или отдельных рам на фундаменте, выверка горизонтальности их опорных поверхностей в двух уровнях и окончательное закрепление рам на фундаменте; - примерочная установка насоса и/или электродвигателя на общей раме или отдельных рамах на подводимых опорах; - сверление общих сквозных отверстий в опорах, «лапах» и соответствующих посадочных поверхностях рамы и предварительная установка монтажных болтов в сделанных сквозных отверстиях, - сварное или фланцевое соединение патрубков насоса с трубопроводами; - регулировка и окончательная установка всех подводимых опор под насосом и электродвигателем с одновременным использованием лазерного прибора точной выверки соосности валов насоса и электродвигателя; - окончательная затяжка монтажных болтов опор; - соединение соосно выставленных валов насоса и электродвигателя посредством монтажа компенсирующей сдвоенной муфты с промежуточным валом.

Перечень чертежей

Фиг.1 - общий вид сбоку электронасосного агрегата с подводимыми опорами.

Фиг.2 - вид насоса с присоединенными трубопроводами и с подводимыми опорами между надставкой рамы и «лапами» насоса.

Фиг.3 - вид модернизированного магистрального насоса в изометрии.

Фиг.4 - подводимая опора в боковом разрезе в увеличенном масштабе.

Фиг.5 - продольный разрез компенсирующей муфты с гибкими дисками.

Осуществление изобретения

Позиции в сквозной нумерации на фигурах: 1 - насос; 2 - электродвигатель; 3 - компенсирующая сдвоенная муфта; 4 - рама; 5 - надставка рамы; 6 - «лапы» насоса; 7 - патрубки насоса с присоединенными трубопроводами; 8 - подводимые опоры; 9 - верхняя шайба подводимой опоры со сферической опорной поверхностью (основанием); 10 - промежуточная вворачиваемая резьбовая шайба с ответной сферической поверхностью; 11 - нижняя шайба с ответным резьбовым отверстием; 12 - первая и вторая одинаковые муфты сдвоенной муфты; 13 - гибкие диски муфт; 14 - крепления гибких дисков к фланцам муфт; 15 - сферические шарниры-подшипники муфт; 16 - съемный промежуточный вал между муфтами.

Наличие «мягкой лапы» - четвертой точки контакта корпуса насоса (а у электродвигателя с 6 «лапами» - с 3 «мягкими лапами») с рамой - практически неизбежно из геометрии плоскости. Кроме этого плоскости опорных поверхностей платиков на раме и «лапах» на корпусе насоса наклонены относительно друг друга, что еще дополнительно усугубляется напряженными состояниями неидеальных соединений (как правило, сварных) патрубков насоса с трубопроводами. Все это снижает качество прижатия корпуса насоса к раме. Посадка на раму в итоге получается нежесткой, что приводит к возбуждению дополнительных вибраций в процессе эксплуатации электронасосного агрегата, что отрицательно сказывается на усилении шума вокруг работающего агрегата, на преждевременном износе его подшипниковых узлов, повышенном температурном режиме работы. Погрешности изготовления установочных поверхностей и нежесткий стык соединения «мягких лап» с рамой снижает точность установки валов агрегата. В результате возникает несоосность. Под несоосностью понимается линейное и (или) угловое смещение осей валов. Вал ротора, уплотнения и подшипники при этом дополнительно нагружаются радиальными и осевыми силами и изгибающими моментами, зависящими от величины и вида расцентровки валов. Несоосность вызывает перераспределение нагрузки на отдельные подшипники, и тем самым влияет на вибрацию агрегата. При этом перегрузка опор может привести к авариям подшипника. При перераспределении нагрузок на подшипники, изменяются критические частоты вращения, а следовательно, и появляется возможность повышенных резонансных вибраций. Несоосность валов является причиной более 50% отказов вращающихся механизмов, приводя к увеличению времени простоев оборудования и повышению стоимости его эксплуатации. Несоосность также вызывает увеличение нагрузки на отдельные детали агрегата, ускоряя их износ и повышая потребление энергии.

Предлагаемая к использованию в агрегате высокоточная подводимая опора состоит из трех шайб, две нижние шайбы соединены резьбой, позволяющей менять высоту подводимой опоры, средняя и верхняя шайбы имеют сопрягаемые сферические поверхности с одинаковым радиусом кривизны, эти сферические поверхности в совместном соединении позволяют практически беззазорно соединять непараллельные поверхности соединяемых деталей и компенсировать угловое отклонение между ними; все шайбы имеют общее осевое отверстие под монтажный болт с гайкой для окончательного прижима болтом одной детали к другой через общее сквозное отверстие в опоре, «лапе» и раме. У двух нижних шайб есть несквозные радиальные отверстия для возможности использования рычагов при регулировке высоты опоры.

Эта самовыравнивающаяся конструкция приспособлена для устранения угловой несоосности, возникающей между монтируемыми поверхностями. Элементы компенсируют до 4° перекоса между машиной и рамой без дорогостоящей обработки основания или дополнительной работы по установке полимерных прокладок. Самовыравнивание в комбинации с корректировкой высоты позволяет исключить опасность появления «мягкой лапы» от момента монтажа и в течение всего жизненного цикла оборудования. Низкопрофильные подводимые опоры являются экономичным решением для проведения ремонтных работ с неподвижно закрепленными машинами, для установки которых ранее использовались другие виды опор. Все детали подводимой опоры выполнены с высокой степенью точности и из высокопрочных сталей. Преимуществом подводимых опор является отсутствие старения, как в случае использования резиновых или полимерных прокладок. Это исключает возникновение рассогласования оборудования, характерного при использовании других опор, и обеспечивает регулируемость в течение всего срока службы агрегата. Применение регулируемых по высоте, самоустанавливающихся по углу и многократно используемых подводимых опор позволяет повысить производительность и точность монтажа и выверки насосных агрегатов без кардинального изменения конструкции самого агрегата.

Для выверки соосности соединяемых валов насоса и электродвигателя можно использовать серийно выпускаемый, специализированный для этой задачи лазерный бесконтактный измерительный прибор фирмы SKF (Швеция).

После выверки соосности валов их соединяют муфтой. В оригинальной компенсирующей сдвоенной муфте комбинация двух одинаковых муфт, соединенных промежуточным полым валом, позволяет соединять валы насоса и приводного двигателя (электродвигателя), неизбежно имеющие появляющиеся в процессе монтажа и эксплуатации агрегата погрешности расположения валов не только угловые, но и радиальные. Ответственной деталью каждой муфты является гибкий стальной диск (или комплект (пакет) дисков), испытывающий циклические деформации изгиба и кручения при наличии углового смещения полумуфт вращающейся муфты. Однако при соединении двух таких муфт промежуточным полым валом образуется сдвоенная муфта, у которой, помимо угловой, появляется также и радиальная податливость, которая, например, допускает радиальные смещения валов двигателя и насоса относительно друг друга. Для разгрузки тонких упрочненных стальных гибких дисков предусмотрены сферические шарниры (или шарнирные опоры) (в виде сферических двухрядных подшипников качения), установленных в муфтах. Эти шарниры призваны разгружать гибкий диск муфты от дополнительных нагрузок, вызванных дисбалансом (неуравновешенностью) промежуточного полого вала, соединяющего муфты. Также для равномерности и одинаковости передаваемых нагрузок на диски каждая из двух муфт содержит одинаковое четное количество зажимных креплений комплектов дисков. Крепления состоят из высокопрочных резьбовых втулок с ответными зажимными винтами и зажимными шайбами. Одна половина втулок креплений запрессована во фланце одной полумуфты и направлена сквозь соответствующие отверстия комплекта гибкого диска в соответствующие отверстия фланца второй полумуфты для резьбовых соединений с соответствующими винтами зажимных креплений, а вторая половина втулок - наоборот: запрессована во фланце второй полумуфты и направлена сквозь соответствующие отверстия комплекта гибкого диска в соответствующие отверстия фланца первой полумуфты для резьбовых соединений с соответствующими винтами зажимных креплений. Противоположно направленные втулки креплений расположены на фланцах полумуфт через одну, равномерно и на едином радиальном расстоянии от общей центральной оси вращения муфт и валов, причем противоположно направленные зажимные крепления комплектов гибких дисков обеих муфт являются соосными.

Способ улучшения характеристик агрегата (в первую очередь вибрационных и шумовых) посредством высокоточного и максимально беззазорного монтажа агрегата включает следующую последовательность приемов: - установка общей рамы или отдельных рам на фундаменте, выверка горизонтальности их опорных поверхностей в двух уровнях и окончательное закрепление рам на фундаменте; - примерочная (или «наживная») установка насоса и/или электродвигателя на общей раме или отдельных рамах на подводимых опорах; - сверление общих сквозных отверстий в опорах, «лапах» и соответствующих посадочных поверхностях рамы и предварительная установка монтажных болтов в сделанных сквозных отверстиях, - сварное или фланцевое соединение патрубков насоса с трубопроводами; - регулировка и окончательная установка всех подводимых опор под насосом и электродвигателем с одновременным использованием лазерного прибора точной выверки соосности валов насоса и электродвигателя; - окончательная затяжка монтажных болтов опор; - соединение соосно выставленных и отстоящих друг от друга на нужное для установки муфты расстояние валов насоса и электродвигателя посредством монтажа компенсирующей сдвоенной муфты: сначала одна муфта на один вал, потом вторая на второй вал и в конце между ними установка промежуточного вал с соединением его фланцев с фланцами муфт.

Окончательную установку подводимых опор и окончательную затяжку монтажных болтов производят динамометрическими рычагами и ключами до расчетных значений моментов затяжки, зависящих от размеров деталей.

В результате беззазорная установка «лап» насоса и электродвигателя на общую раму или отдельные рамы с использованием подводимых опор с полным устранением эффекта «мягких лап» позволит существенно повысить жесткость сопряжения корпуса насоса и электродвигателя с рамой, а в совокупности с применением компенсирующей муфты повысит соосность валов насоса и электродвигателя, что положительно повлияет на снижение вибраций, шума, температурном режиме работы подшипниковых узлов электронасосного агрегата.

В заключение описания отметим, что предварительные испытания опытных образцов модернизированных ООО «НКМЗ» магистральных насосных агрегатов с насосами типа НМПП 1250…10000 и экспертные оценки дали следующие относительные величины влияния применения предлагаемых подводимых опор и компенсирующей муфты на снижение вибраций насоса электронасосного агрегата, представленные в таблице.

1. Магистральный электронасосный агрегат, содержащий магистральный насос и электродвигатель, смонтированные на раме, их валы соединены муфтой со съемным промежуточным валом, отличающийся тем, что крепления насоса и электродвигателя к общей или раздельным рамам выполнены с использованием регулируемых по высоте и самоустанавливающихся по углу высокоточных подводимых опор, крепежные поверхности «лап» насоса подняты на уровень общей центральной оси подводящего и отводящего патрубков насоса, также применена компенсирующая сдвоенная муфта с гибкими дисками.

2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что высокоточная подводимая опора состоит из трех шайб, две нижние шайбы соединены резьбой, позволяющей менять высоту подводимой опоры, средняя и верхняя шайбы имеют сопрягаемые сферические поверхности с одинаковым радиусом кривизны; все шайбы имеют общее осевое отверстие под монтажный болт с гайкой для окончательного прижима «лапы» к раме болтом с гайкой через общее сквозное отверстие; у двух нижних шайб есть несквозные радиальные отверстия для возможности использования рычагов при регулировке высоты опоры.

3. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что компенсирующая сдвоенная муфта состоит из комбинации двух одинаковых муфт, соединенных промежуточным полым валом, в каждой муфте между ее двумя полумуфтами установлен гибкий упрочненный стальной диск (или комплект (пакет) дисков), для разгрузки дисков в муфтах установлены сферические шарниры в виде сферических двухрядных подшипников качения, каждая из двух муфт содержит одинаковое четное количество зажимных креплений комплектов дисков, противоположно направленные втулки креплений расположены на фланцах полумуфт через одну, равномерно и на едином радиальном расстоянии от общей центральной оси вращения муфт и валов, причем противоположно направленные зажимные крепления комплектов гибких дисков обеих муфт являются соосными.

4. Способ улучшения характеристик агрегата по п.1 посредством монтажа агрегата, включающий монтаж насоса и электродвигателя на общей или раздельных рамах с креплениями к раме с использованием регулируемых высокоточных подводимых опор, включающий следующую последовательность приемов: установку общей рамы или отдельных рам на фундаменте, выверку горизонтальности их опорных поверхностей в двух уровнях и окончательное закрепление рам на фундаменте; примерочную установку насоса и/или электродвигателя на общей раме или отдельных рамах на подводимых опорах; сверление общих сквозных отверстий в опорах, «лапах» и соответствующих посадочных поверхностях рамы и предварительная установка монтажных болтов в сделанных сквозных отверстиях, сварное или фланцевое соединение патрубков насоса с трубопроводами; регулировку и окончательную установку всех подводимых опор под насосом и электродвигателем с одновременным использованием лазерного прибора точной выверки соосности валов насоса и электродвигателя; окончательную затяжку монтажных болтов опор; соединение соосно выставленных и отстоящих друг от друга валов насоса и электродвигателя посредством монтажа компенсирующей сдвоенной муфты с промежуточным валом.