НАСОС

Полезная модель относится к области производства насосов и может найти применение при создании гидравлических машин, насосов, вентиляторов, компрессоров, а также для перекачки многофазных сред при добыче нефти и газа.
Известен насос, содержащий входной и выходной каналы, обойму с выполненными в ней канавками в виде многозаходной винтовой нарезки, приводной вал с установленным на нем ротором, состоящим из секций, последовательно одна за другой установленных на приводном валу, а каждая секция содержит установленные на приводном валу разделительный диск и лопастное колесо, межлопастные каналы которого выполнены с возможностью сообщения через канавки винтовой нарезки в обойме с межлопастными каналами колеса в последующей секции (RU 57389, 2006 г.).
Недостатком известного технического решения является снижение эффективности рабочего процесса при увеличении скорости вращения ротора в условиях перекачки газожидкостных смесей.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является насос, содержащий обойму с входным и выходным каналами и с выполненными в ней канавками в виде многозаходной винтовой нарезки, приводной вал с установленным на нем ротором, состоящим из установленных последовательно одна за другой на приводном валу секций, каждая из которых содержит установленные на приводном валу разделительный диск и лопастные колеса, межлопастные каналы которых выполнены с возможностью сообщения через канавки винтовой нарезки в обойме с межлопастными каналами колеса в последующей секции, а в секциях ротора каждое последующее лопастное колесо установлено с угловым смещением относительно предыдущего лопастного колеса с образованием многозаходных винтовых каналов (RU 185434, 2018 г.).
Недостатком известного технического решения является относительно узкий диапазон регулирования частоты вращения ротора, поскольку наблюдается снижение эффективности рабочего процесса при увеличении скорости вращения ротора в условиях перекачки газожидкостных смесей. С увеличением скорости вращения ротора процесс сепарации развивается более интенсивно, что приводит к частичному разделению газожидкостной смеси на жидкую фракцию и на газовую фракцию, и в центральной части ротора начинает скапливаться газ. При этом в зоне, наиболее удаленной от оси вращения ротора начинает скапливаться жидкая фракция, что приводит к снижению эффективности насосного рабочего процесса, вплоть до срыва перекачки при нарастании скорости вращения ротора.
Технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение эффективности работы насоса при перекачке газожидкостных смесей и расширение области практического применения.
Указанная проблема решается тем, что в насосе, содержащем обойму с входным и выходным каналами и с выполненными в ней канавками в виде многозаходной винтовой нарезки, приводной вал с установленным на нем ротором, состоящим из установленных последовательно одна за другой на приводном валу секций, каждая из которых содержит установленные на приводном валу разделительный диск и лопастные колеса, межлопастные каналы которых выполнены с возможностью сообщения через канавки винтовой нарезки в обойме с межлопастными каналами колеса в последующей секции, в секциях ротора каждое последующее лопастное колесо установлено с угловым смещением относительно предыдущего лопастного колеса с образованием многозаходных винтовых каналов, согласно полезной модели, каждая секция ротора оснащена, по меньшей мере, одним дополнительным лопастным колесом с диаметром, большим диаметра основных лопастных колес, расположенным перед разделительным диском и размещенным в выполненной на внутренней поверхности обоймы цилиндрической проточке с глубиной канавки, меньшей глубины канавок винтовой нарезки, выполненных на внутренней поверхности обоймы.
В предпочтительном варианте исполнения насоса диаметр дополнительных лопастных колес больше диаметра основных лопастных колес в 1,1-1,3 раза, а глубина канавок цилиндрических проточек, выполненных на внутренней поверхности обоймы, для размещения дополнительных лопастных колес, меньше глубины канавок на обойме в виде многозаходной винтовой нарезки в 0,2-0,5 раза.
Достигаемый технический результат заключается в активизации процесса диспергирования газожидкостной смеси в рабочей камере насоса за счет формирования дополнительных вихрей в зоне, наиболее удаленной от оси вращения ротора, предотвращая разделение газожидкостной смеси на составляющие фракции, непропорциональное изменение скорости процесса диспергирования и скорости процесса сепарации в газожидкостной смеси в полости рабочей камеры насоса.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема заявляемого насоса, на фиг. 2 - схема трехсекционного ротора, установленного на приводном валу, на фиг. 3 показан приводной вал, на фиг. 4 - лопастное колесо, на фиг. 5 представлен разделительный диск, на фиг. 6 - две спиральные шпонки, на фиг. 7 показана обойма, на фиг. 8 - дополнительное лопастное колесо, на фиг. 9 - продольный разрез насоса, на фиг. 10 отображена схема, иллюстрирующая расположение цилиндрических проточек, выполненных на внутренней поверхности обоймы, для размещения дополнительных лопастных колес с уменьшенной глубиной канавки винтовой нарезки, стрелками показаны дополнительные вихри в зоне перехода жидкости от основных лопастных колес к дополнительным лопастным колесам с увеличенным диаметром.
Насос содержит входной 1 и выходной 2 каналы в обойме 3, в которой выполнены канавки 4 в виде многозаходной винтовой нарезки с глубиной канавки H1, приводной вал 5 с установленным на нем ротором 6. Ротор 6 состоит из секций, последовательно одна за другой установленных на приводном валу 5. На фиг. 2 показан трехсекционный ротор 6, установленный на приводном валу 5. На приводном валу 5 выполнена спиральная канавка 7 под шпоночное соединение. Каждая секция ротора содержит установленные на приводном валу 5 лопастные колеса 8 с диаметром d1. Между лопастями колеса 8 образуются межлопастные каналы 9, ограниченные диаметром d1, которые выполнены с возможностью сообщения через канавки 4 винтовой нарезки в обойме 3 с межлопастными каналами колеса 8 в последующей секции ротора. В представленном примере каждая секция ротора содержит двадцать два лопастных колеса 8. В секции ротора каждое последующее лопастное колесо 8 установлено с угловым смещением относительно предыдущего лопастного колеса 8, с образованием многозаходных винтовых каналов 10 в секции ротора. Позиционирование каждого лопастного колеса 8 на приводном валу 5 обеспечивается за счет спиральной шпонки 11, установленной на приводном валу 5 в спиральной канавке 7. Канавка 7 на валу 5 под винтовую шпонку 11 имеет винтовую нарезку противоположного направления, по отношению к нарезке в обойме 3 под винтовые канавки 4. Каждая секция ротора содержит разделительный диск 12. Перед разделительным диском образуются вихри 13, показанные стрелками на фиг. 10.
Каждая секция ротора оснащена, по меньшей мере, одним дополнительным лопастным колесом 14 с увеличенным диаметром d2, расположенным перед разделительным диском 12, а на внутренней поверхности обоймы 3 выполнены цилиндрические проточки 15 для размещения дополнительного лопастного колеса 14 с уменьшенной глубиной канавки винтовой нарезки Н2 на участке цилиндрической проточки 15.
Количество дополнительных лопастных колес 14 в составе секций ротора выбирается исходя из условий эксплуатации насоса и с учетом состава перекачиваемой среды.
В ходе экспериментальных исследований установлено, что оптимальная длина цилиндрической проточки 15 составляет 15-20% от длины обоймы 3, а оптимальные соотношения диаметров лопастных колес и глубины канавок многозаходной винтовой нарезки составляют: d2/d1 в диапазоне от 1,1 до 1,3 и Н2/Н1 в диапазоне от 0,2 до 0,5.
Указанные оптимальные параметры обеспечивают образование в зоне перехода жидкости от лопастных колес 8 с диаметром d1 к дополнительному лопастному колесу 14 с увеличенным диаметром d2 дополнительных вихрей 16, которые формируются в результате увеличенного диаметра дополнительного лопастного колеса 14. Дополнительные вихри 16 показаны стрелками на фиг. 10.
Насос работает следующим образом.
При вращении ротора 6 и, соответственно, лопастных колес 8 с диаметром d1, в жидкости, заполняющей все межлопастные каналы 9, развиваются центробежные силы. Эти силы вызывают непрерывное движение жидкости (или газожидкостной смеси) из межлопастных каналов 9 в винтовые канавки 4 глубиной H1 обоймы 3, в направлении от центра ротора 6 к его периферии. Ввиду неразрывности течения жидкость непрерывно втекает в меж лопастные каналы 9 из винтовых канавок 4. Таким образом, в каждой секции ротора формируется вихревое течение, обеспечивающее передачу энергии от каждого лопастного колеса 8 потоку жидкости. Жидкость с повышенной энергией выносится вихревым потоком в спиральные канавки 4 обоймы 3 и вытесняется далее из насоса через выходной канал 2. Разделительные диски 12 препятствуют обратному течению жидкости из области высокого давления в область низкого давления. Ввиду неразрывности течения через входной канал 1 в насос непрерывно поступает жидкость (или газожидкостная смесь).
Как уже указывалось, позиционирование каждого лопастного колеса 8 на приводном валу 5 обеспечивается за счет спиральной шпонки 11 установленной на приводном валу 5. Канавка 7 на валу 5 под винтовую шпонку 11 имеет винтовую нарезку противоположного направления, по отношению к нарезке в обойме 3 под винтовые канавки 4.
В процессе работы насоса газ скапливается в центральной части ротора 6. Разделительный диск 12 препятствует переходу газовой среды от секции к секции перед ним образуются вихри 13, которые способствуют перемешиванию среды.
Дополнительное лопастное колесо 14 с увеличенным диаметром d2 располагается в обойме 3 на участках цилиндрической проточки 15 с уменьшенной глубиной канавки винтовой нарезки Н2. В зоне перехода жидкости от лопастных колес 8 с диаметром d1 к дополнительному лопастному колесу 14 с увеличенным диаметром d2 образуются дополнительные вихри 16, которые перемешивают газ с жидкостью, усиливая процесс диспергирования перекачиваемой газожидкостной смеси.
Дополнительные вихри 16 обеспечивают усиление процесса диспергирования газожидкостной смеси в многозаходных винтовых каналах 10 в каждой секции ротора 6 и одновременно обеспечивают ослабление процесса сепарации газожидкостной смеси, не допуская разделения газожидкостной смеси на жидкую и газовую фазу. При этом повышается эффективность работы насоса при перекачке газожидкостной смеси, поскольку пузырьки газа равномерно распределены по объему жидкой фазы, что благоприятно отражается на процессе передачи энергии от ротора 6 к перекачиваемой среде.
При увеличении скорости вращения ротора 6, достигается пропорциональное и одновременное увеличение скорости процесса диспергирования и скорости процесса сепарации в газожидкостной смеси, в полости рабочей камеры насоса. С увеличением скорости вращения ротора 6 процесс диспергирования развивается уже более интенсивно, что предотвращает частичное разделение газожидкостной смеси на жидкую фракцию и на газовую фракцию, в центральной части ротора 6, за счет сепарации. При этом в зоне, наиболее удаленной от оси вращения ротора 6 предотвращается скапливание жидкой фракции, что приводит к повышению эффективности насосного рабочего процесса, и предотвращению срывов перекачки газожидкостной смеси при нарастании скорости вращения ротора 6.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение эффективности работы насоса при увеличении скорости вращения ротора насоса в условиях перекачки газожидкостных смесей. Это позволяет расширить область практического применения новых насосов за счет расширения диапазона регулирования по частоте вращения ротора насоса.