Многоступенчатый центробежный насос

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к конструкциям многоступенчатых центробежных насосов, и может быть использована для перекачивания жидких сред, в том числе сред, обладающих высокой вязкостью, на объектах трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов, в химической, нефтехимической, нефтедобывающей промышленности и других отраслях промышленности.
Известны насосы ЦНС по ГОСТ 34183-2017, которые находят применение во многих отраслях промышленности. Известны различные конструкции насосов [Насосы АЭС: Справочное пособие/ П.Н. Пак, А.Я. Белоусов, А.И. Тимшин и др.; Под общ. Ред. П.Н. Пака. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 328 с.: ил.]. Насосы - секционные, с односторонним расположением рабочих колес. Насосы ЦНС имеют в конструкции комплект секций с направляющими аппаратами, крышки всасывания и нагнетания, которые соединяются между собой стяжными болтами, образуя корпус насоса. К крышкам корпуса крепятся корпуса подшипников. Для восприятия осевых сил используется гидравлическая пята. При этом к насосам типа ЦНС предъявляются достаточно высокие требования в части допускаемого кавитационного запаса (до 4 м).
3
2
Недостатком данной конструкции является низкая частота вращения (1500 об/мин) насосов ЦНС с подачами 300 м/ч и более, а также применение в конструкции направляющих аппаратов, которые имеют в своем составе большое количество каналов с относительно малой площадью сечения. Низкая частота вращения (низкая угловая скорость) в соответствии с исследованиями приводит к большему снижению КПД при работе на вязких жидкостях из-за более низкого числа Рейнольдса Re=r·ω/ν, где r - радиус рабочего колеса, ω - угловая скорость, ν - кинематическая вязкость перекачиваемой жидкости. В то же время узкие сечения каналов направляющем аппарате также негативно влияют на энергоэффективность насоса, так как в этом случае Re=V·Dг/ν для отдельно взятого канала снижается из-за небольшой величины его гидравлического диаметра Dг [Суханов Д.Я. Работа лопастных насосов на вязких жидкостях. - М.: Машгиз, 1952. - 34 с.].
h
b
Известен многоступенчатый центробежный насос [RU 121318 U1, «Многоступенчатый центробежный насос», МПК F04D 1/06, опубл. 20.10.2012], содержащий входную и напорную крышки, корпус в виде пакета секций с направляющими аппаратами, имеющими диффузорные каналы, и установленными на валу рабочими колесами, отличающийся тем, что в направляющих аппаратах промежуточных ступеней угол расширения угла ϕ диффузорных каналов в радиальном направлении выполнен в интервале от 4 до 8°, а угол расширения ϕ диффузорных каналов в осевом направлении - в интервале от 6 до 11°.
Недостатком данного насоса, как и в предыдущем является малая ширина каналов направляющего аппарата, вследствие их относительно большого количества (7 каналов), что приводит к увеличению гидравлических потерь в направляющем аппарате при перекачивании вязких жидкостей.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является повышение КПД при перекачивании вязких жидкостей, например, нефти.
Техническая задача достигается тем, что многоступенчатый центробежный насос, согласно полезной модели, включает секции с корпусными деталями, соединенные с секциями насоса шпильками, расположенные на валу смонтированного в подшипниковых опорах насоса направляющие аппараты, рабочее колесо первой ступени и рабочие колеса промежуточных ступеней; при этом направляющий аппарат содержит четыре лопасти, рабочие колеса первой и промежуточных ступеней содержат по шесть лопастей, рабочее колесо первой ступени состоит из двух рядов, включающих три лопасти в основном ряду и три лопасти во вспомогательном; диаметр входа в рабочее колесо первой ступени равен 185 мм, а диаметр рабочих колес промежуточных ступеней -154 мм.
На фиг. 1 представлен общий вид многоступенчатого центробежного насоса.
На фиг. 2 разрез А-А, рабочее колесо первой ступени 3 (покрывной диск условно не показан)
Многоступенчатый центробежный насос (фиг. 1, 2), состоит из секций, включающих корпуса секций 1, направляющие аппараты 2, рабочее колесо первой ступени 3 и рабочие колеса промежуточных ступеней 4, установленных на валу насоса 5, смонтированного в подшипниковых опорах 6, а также из корпусных деталей 7, 8, которые стягиваются совместно с секциями насоса шпильками 9, при этом вал, рабочее колесо первой ступени и рабочие колеса промежуточных ступеней вращаются с частотой от 2900 до 6000 об/мин, количество лопастей направляющего аппарата равно четырем, а количество лопастей рабочих колес первой ступени и промежуточных ступеней равно шести. Рабочее колесо первой ступени имеет расширенный вход по отношению к рабочим колесам промежуточных ступеней и двухрядную лопастную решетку, состоящую из основного и вспомогательного ряда лопастей, при этом количество лопастей в каждом ряду составляет 1/2 от общего количества лопастей рабочего колеса первой ступени. Рабочие колеса промежуточных ступеней имеют однорядную лопастную решетку.
Существенными признаками предлагаемой полезной модели являются:количество лопастей направляющего аппарата, равное четырем, количество лопастей рабочих колес первой ступени и промежуточных ступеней, равное шести, а рабочее колесо первой ступени имеет расширенный по отношению к рабочим колесам промежуточных ступеней вход и двухрядную лопастную решетку, состоящую из основного и вспомогательного ряда лопастей, при этом количество лопастей в каждом ряде составляет 1/2 от общего количества лопастей рабочего колеса первой ступени. Рабочие колеса промежуточных ступеней имеют однорядную лопастную решетку.
Пример: насос по предлагаемой полезной модели имеет 4 лопасти направляющего аппарата и 6 лопастей рабочих колес первой и промежуточных ступеней, а диаметр входа в рабочее колесо первой ступени расширен до 185 мм по сравнению с 154 мм у рабочих колес промежуточных ступеней. Рабочее колесо первой ступени имеет 3 лопасти в основном ряду и 3 лопасти во вспомогательном ряду.
Расширенный вход и двухрядная лопастная решетка рабочего колеса первой ступени позволяют насосу работать на повышенной частоте вращения от 2900 до 6000 об/мин без увеличения допускаемого кавитационного запаса, выполнение количества лопастей - 4 лопасти направляющего аппарата и 6 лопастей рабочих колес первой и промежуточных ступеней приводит к увеличению их площади и снижению гидравлических потерь за счет увеличения числа Рейнольдса Re=V·Dг/ν. Сочетание 4/6 для количества лопастей направляющих аппаратов и рабочих колес является допустимым в соответствии с учебным пособием МГТУ им. Н.Э. Баумана [Кузнецов А.В., Панаиотти С.С., Савельев А.И. Автоматизированное проектирование многоступенчатого центробежного насоса / Учебное пособие. - Калуга, 2013. - 170 с., ил. 54.] с точки зрения обеспечения приемлемой виброактивности насоса. При этом, в соответствии с указанным источником, количество лопастей - 4 лопасти является минимально допустимым для направляющих аппаратов, а количество лопастей - 6 лопастей является минимально допустимым значением из ряда 6, 10, 14 допустимых значений для рабочих колес, предназначенных для работы с направляющими аппаратами, имеющими 4 лопасти.
Таким образом обеспечивается оптимальное количество лопастей как с точки зрения снижения гидравлических потерь в рабочих колесах и направляющих аппаратах при перекачивании вязких жидкостей, так и с точки зрения исключения недопустимых значений вибрации насоса.
Указанные свойства позволяют полезной модели достигать более высокой энергоэффективности при перекачивании вязких жидкостей, например, нефти.
Полезная модель работает следующим образом:
Вращение вала насоса 5 приводит во вращение рабочее колеса первой ступени 3 и рабочие колеса промежуточных ступеней 4. Рабочее колесо первой ступени захватывает перекачиваемую жидкость и подает ее к следующей ступени, при этом, вследствие наличия расширенного входа скорость течения жидкости в рабочем колесе первой ступени ниже чем в рабочих колесах промежуточных ступеней, а наличие двухрядной лопастной решетки приводит к тому, что на входе в рабочее колесо первой ступени имеется только 3 кромки лопаток, что также позволяет получить низкий кавитационный запас. После рабочего колеса первой ступени жидкость попадает в направляющий аппарат 2, который снижает скорость течения жидкости и переводит поток к рабочему колесу промежуточной ступени, при этом большая площадь сечения каналов за счет малого количества лопастей направляющего аппарата и рабочего колеса первой ступени обеспечивает снижение гидравлических потерь, особенно на вязких жидкостях. Промежуточные ступени насоса работают аналогичным образом. В последней ступени насоса поток жидкости после направляющего аппарата поступает в каналы корпуса 8 и далее - к потребителю (на фигуре не показано).
Таким образом, в результате использования заявляемой полезной модели обеспечивается технический результат, заключающийся в увеличении экономичности (КПД) насоса, особенно при перекачивании вязких жидкостей.
Стендовые испытания показали, что КПД указанных образцов на 3…4% превосходит КПД насосов типа ЦНС.