НАСОС НЕФТЯНОЙ МАГИСТРАЛЬНЫЙ С ОДНОЗАВИТКОВЫМ ОТВОДОМ И НАПРАВЛЯЮЩИМ АППАРАТОМ

Полезная модель относится к насосостроению, конкретно к насосам магистральным для нефти и нефтепродуктов в части конструкции спирального отвода и направляющего аппарата.
Из уровня техники известен центробежный насос с двухзавитковым спиральным отводом внешний и внутренний витки разделены языком (RU 2449173 С1, опубл. 27.04.2012). Такая конструкция достаточно распространена, поскольку обеспечивает эффективную компенсацию радиальных усилий на рабочее колесо. Недостатком этой конструкции является то, что она рассчитана на номинальный режим работы насоса, а при работе насоса в режимах, отличных от номинального, возникают различия скоростей потока над и под языком, в результате чего структура потока искажается, возникают вихри, приводящие к снижению КПД и являющиеся причиной повышения вибрации. Еще одним ее недостатком является технологическая сложность изготовления двухзавиткового отвода, погрешность размеров и расположения которого существенно ухудшает КПД и вибрационные показатели насоса, в том числе и в номинальном режиме работы.
Известна конструкция центробежного насоса с двухзавитковым отводом, язык которого выполнен в виде разделительной перегородки и вставки, при этом вставка выполнена в виде профилированной пластины, состоящей из двух частей, и крепится к разделительной перегородке винтами (RU 12441 U1, опубл. 10.01.2000). Недостаток данной конструкции заключается в сложности крепления и потенциальной сложности контроля, ненадежности и недолговечности винтового соединения при вибрации во время работы насоса, а также при перекачивании среды с агрессивными компонентами.
Известна конструкция центробежного насоса спиральный, отвод которого выполнен в виде отдельной самостоятельной детали (RU 2616328 C1, опубл. 14.04.2017). Это позволяет использовать специально изготовленный отвод, рассчитанный для требуемого режима работы насоса. Недостатком такой конструкции является сложность изготовления и обеспечения герметичности мест сопряжения сменных отводов с корпусом, что практически исключает возможность ее использования для насосов, перекачивающих нефть и нефтепродукты.
Известна конструкция двухзавиткового отвода центробежного насоса, в которой установленный в канале направляющий аппарат сопряжен с языками отвода (RU 165532 U1, опубл. 20.10.2016). Наличие направляющего аппарата позволяет стабилизировать и обеспечить расчетные углы выхода потока в отвод в широком интервале рабочего диапазона подач. Недостатком конструкции является технологическая сложность сопряжения направляющего аппарата и языков отвода, недостаточная точность изготовления сопрягаемых элементов значительно понизит КПД и увеличит вибрацию насоса, в том числе и в номинальном режиме работы.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является конструкция центробежного насоса с рабочим колесом двустороннего входа, содержащего полуспиральный подвод и спиральный отвод, отличающегося тем, что за рабочим колесом установлен направляющий аппарат (RU 57393 U1, опубл. 17.04.2006). Направляющий аппарат выполнен в четырех вариантах исполнения, что обеспечивает широкие возможности применения для разных режимов работы, при этом для снижения уровня вибрации насоса, вызванной гидродинамическими силами, все варианты исполнения выполнены многолопаточными, число лопаток направляющего аппарата больше числа лопаток рабочего колеса. Недостатком конструкции является повышение гидравлического сопротивления направляющего аппарата вследствие большого количества лопаток, а также усложнение доступа в межлопаточные каналы.
Задача полезной модели заключается в повышении энергоэффективности и снижении вибрации в рабочем диапазоне подач насоса, повышении надежности и долговечности насоса при обеспечении простоты и технологичности конструкции установленного в насосе направляющего аппарата и спирального однозавиткового отвода.
Технический результат, настоящей полезной модели, заключается в повышении КПД насоса, снижении действующих на ротор радиальных сил и уменьшении вибрационных нагрузок.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в насосе нефтяном, магистральном, центробежном, горизонтальном, одноступенчатом, межопорном, с рабочим колесом двустороннего входа, спиральный отвод выполнен однозавитковым, при этом совместно с рабочим колесом установлен сменный направляющий аппарат, число лопаток которого меньше числа лопаток рабочего колеса при этом лопатки направляющего аппарата выполнены так, что угол охвата каждой лопатки ϕ составляет 110-150°, при этом выходной угол установки лопаток направляющего аппарата β между проекцией касательной линии к окружности, описанной по наружному диаметру лопаток направляющего аппарата, и проекцией условной касательной линии к рабочей поверхности на выходном участке лопатки направляющего аппарата, спроецированного на условную среднюю плоскость направляющего аппарата, составляет 10-30°.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен насос, продольный разрез; на фиг.2 – узел А на фиг.1; на фиг.3 - узел Б на фиг.1.
Позициями на чертеже обозначены:
1 - корпус;
2 - крышка;
3 - ротор с рабочим колесом;
4 - лопатка рабочего колеса;
5 - направляющий аппарат;
6 - лопатка направляющего аппарата;
7 - однозавитковый отвод;
8 - фланцевый разъем;
9 - язык;
10 - напорный патрубок.
Насос нефтяной магистральный выполнен центробежным, горизонтальным, одноступенчатым, межопорным, состоит из корпуса 1 и крышки 2, в которых установлен ротор с рабочим колесом 3 и направляющий аппарат 5, и внутренние полости которых формируют канал спирального однозавиткового отвода 7 при соединении корпуса и крышки по фланцевому разъему 8, ограниченного сечением под языком 9, где отвод сопрягается с напорным патрубком 10. Лопатки рабочего колеса 4 обеспечивают расчетный угол входа потока перекачиваемой жидкости на лопатки направляющего аппарата 6 в номинальном режиме работы насоса, однако и в режимах, отличных от номинального, при условиях отличных от расчетных, лопатки направляющего аппарата 6 способствуют обеспечению равномерной структуры поля скоростей потока при выходе в канал отвода 7 по всей его окружности, в районе языка 9 и в напорном патрубке 10, при этом сочетание числа лопаток рабочего колеса 4 и лопаток направляющего аппарата 6 рассчитано так, чтобы не являться источником возникновения вибрации с лопаточной и кратной ей частотой.
Лопатки направляющего аппарата в проекции на условную среднюю плоскость, нормальную к оси вращения ротора насоса, отклонены в сторону вектора потока в отводе, при этом система криволинейных лопаток размещается по окружному закону распределения. Образованная лопатками направляющего аппарата внутренняя окружность имеет диаметр, превышающий диаметр рабочего колеса, что необходимо для образования технологического зазора, обеспечивающего выравнивания давления в полости между выходной частью рабочего колеса и входными кромками лопаток направляющего аппарата, а также для обеспечения возможности технологической заменяемости рабочих колес разных диаметров при универсальном сохранении размеров корпуса насоса. Межлопаточные каналы направляющего аппарата, образованные смежными лопатками, выполнены расширяющимися к выходу при минимальном количестве лопаток, формирующих таким образом проходное сечение, требуемое для обеспечения расходно-напорных характеристик насоса. Угол охвата каждой лопатки направляющего аппарата ϕ может составлять от 110° до 150°, а выходной угол установки лопаток направляющего аппарата β от 10° до 30°, выраженный в виде углового параметра проекций касательной линии к окружности, описанной по наружному диаметру лопаток направляющего аппарата, и проекции условной касательной линии к рабочей поверхности на выходном участке лопатки направляющего аппарата, спроецированного на условную среднюю плоскость направляющего аппарата.
Спиральный отвод выполнен однозавитковым с формированием единого потока перекачиваемой жидкости с равномерным распределением градиента площади сечений от языка спиральной части отвода до последнего поперечного сечения спирали корпуса, расположенного на границе перехода спирального отвода с напорным патрубком, для обеспечения равномерного распределения градиента давления по стенкам спиральной части отвода насоса, при этом диффузорный напорный патрубок, в который переходит спиральный отвод, имеет тангенциально расположенную ось к спиральной части отвода для равномерного распределения потока по всей длине патрубка в номинальном и частичных режимах работы насоса.
Работа насоса нефтяного магистрального с однозавитковым отводом и направляющим аппаратом осуществляется следующим образом.
Для обеспечения номинального или частичного режима работы в насос устанавливаются рассчитанные для этого режима ротор и направляющий аппарат с углом охвата каждой лопатки ϕ, равным 110-150°, в результате чего при работе насоса обеспечиваются расчетные углы входа потока перекачиваемой жидкости на рабочее колесо и углы выхода потока из рабочего колеса, после которого поток перекачиваемой жидкости попадает в межлопаточные каналы направляющего аппарата, где формируется равномерная структура поля скоростей потока по всей его окружности при выходе в канал отвода, чем достигается минимизация потерь энергии потока и обеспечиваются допускаемые значения радиального усилия на ротор. При этом даже в случае изменения режима работы насоса и соответствующего отклонения угла выхода потока из рабочего колеса от расчетного, вследствие достаточно больших значений угла охвата каждой лопатки направляющего аппарата структура поля скоростей потока в межлопаточных каналах максимально выравнивается и обеспечивается приближение к расчетным условиям выхода потока из направляющего аппарата по всей окружности канала отвода и далее в напорный патрубок.
Таким образом, расчетные параметры течения перекачиваемой жидкости обеспечиваются при любом режиме во всем рабочем диапазоне подач насоса, что и позволяет достичь повышения КПД и уменьшить вибрацию насоса при обеспечении допускаемых значений действующей на рабочее колесо результирующей радиальной силы.