Многофазный лопастной насос
MULTIPHASE VANE PUMP

Изобретение относится к лопаточным машинам, а именно к конструкции многофазных лопаточных насосов, предназначенных для перекачки нефтепродуктов и газожидкостных смесей, например продукции нефтяных скважин, в том числе в режиме компрессора.
Известен шнеко-центробежный насос, состоящий из подвода с входным патрубком, предвключенного осевого колеса, центробежного колеса, спирального сборника на выходе центробежного колеса, конического диффузора, выходного патрубка, уплотнительных элементов с «плавающими» кольцами, уплотнительного элемента с импеллером (Высокооборотные лопаточные насосы // Под ред. д-ра техн. наук Б.В. Овсянникова и д-ра техн. наук В.Ф. Чебаевского. - М.: Машиностроение, 1975. - 336 с.).
Основным недостатком шнеко-центробежного насоса является ограничение по содержанию свободного газа в перекачиваемой жидкости - не более 30÷34%.
Известен компрессор, содержащий корпус, в котором установлен ротор, имеющий упорный подшипник с колодками, установленными на упругих пластинах. Компрессор также имеет устройство для разгрузки упорного подшипника от осевых усилий, включающее разгрузочный поршень и полость, сообщенную с полостью всасывания компрессора с помощью посредством линии с регулирующим клапаном. В подшипнике установлен датчик для измерения прогиба упругих пластин (а.с. SU 903570, МПК F01D 3/04, F01D 25/16, F01D 29/04, опубл. 07.02.1982 г.).
Основным недостатком известной конструкции является большая погрешность регулирования усилия, приходящегося на подшипник, из-за влияния разброса механических характеристик материала пластин, воздействия теплового расширения на конструкцию, влияющую на прогиб пластин, а также сложность отладки системы регулирования в условиях эксплуатации.
Известен насос для транспортировки текучей среды с изменяющейся вязкостью (патент RU 2703164, МПК F04D 7/02, F04D 29/041, опубл. 16.10.2019 г.), который может быть выполнен в виде многофазного насоса. Насос имеет корпус с входом и выходом для текучей среды, которая подлежит транспортировке, а также, по меньшей мере, одно лопастное колесо для перемещения текучей среды от входа к выходу, причем лопастное колесо размещено на вращающемся валу, а также балансировочный барабан для снятия осевого давления. Балансировочный барабан содержит ротор, жестко соединенный с возможностью вращения с валом, причем ротор имеет сторону высокого давления и сторону низкого давления. Статор, неподвижный по отношению к корпусу, и разгрузочный канал, который проходит между ротором и статором от стороны высокого давления к стороне низкого давления ротора. При этом дополнительно выполнен возвратный канал, который соединяет сторону низкого давления ротора с входом. Кроме того, выполнен по меньшей мере один промежуточный канал, который открывается в разгрузочный канал между стороной высокого давления и стороной низкого давления ротора, при этом выполнен блокирующий элемент для воздействия на поток через промежуточный канал.
Недостатком аналога является инерционность системы разгрузки с управлением потока, проходящего через рабочий зазор между балансировочным барабаном и статором, с помощью блокирующего устройства (например - электроприводного клапана) в условиях эксплуатации, отличительной особенностью которой является сильная пульсация давления в потоке. Такие условия всегда имеют место при перекачке газожидкостных смесей и смеси жидких взаимонерастворимых сред с разной плотностью (Гужов А.И. - Совместный сбор и транспорт нефти и газа. - М.: Недра, 1973-280 с.).
Известны гелико-осевые многофазные насосы (https://sulzer.nt-rt.ru/images/manuals/mnogofru.pdf).
Известен многофазный насос https://www.sulzer.com/-/media/files/products/pumps/multiphase-pumps/brochures/mpp_high_performance_multi_phase_pump_e00601.ashx?la=ru-ru).
Принято за прототип.
Указанный насос содержит наружный корпус в виде трубы с приемным и выходным патрубками, внутренний корпус с горизонтальным разъемом, перфорированный цилиндрический участок на входе в гелико-осевую многоступенчастую проточную часть, состоящую из статора с направляющими аппаратами и надроторными кольцами во внутреннем корпусе и из ротора с имеющими цилиндрическую проточку по внешнему диаметру лопастей рабочими колесами на валу, опирающемся на радиальные подшипники скольжения в корпусах передней опоры - со стороны приемного патрубка, и задней опоры - со стороны выкидного патрубка, которые отделены от гелико-осевой проточной части концевыми уплотнениями, а один из концов вала выполнен под установку полумуфты привода, при этом ротор зафиксирован в осевом направлении самоустанавливающимся сегментным упорным подшипником скольжения, корпус которого крепится к корпусу задней опоры.
Недостатки прототипа заключаются в следующем:
1. Большое гидравлическое сопротивление перфорированного цилиндрического участка на входе в проточную часть насоса.
2. Недостаточная всасывающая способность рабочего колеса первой ступени вследствие недостаточности мер по предотвращению закрутки потока на входе проточной части насоса.
3. Недостаточная надежность упорного подшипника скольжения с самоустанавливающимися сегментами из-за больших окружных скоростей по поверхностям трения скольжения (около 70 м/с), большие затраты на эксплуатацию и поддержание эффективности упорного подшипника скольжения и связанных с этим подшипником систем хранения, подготовки.
4. Высокая себестоимость насоса из-за нетехнологичности наружного и внутреннего корпусов насоса и отсутствия возможности их применения для насосов других типоразмеров по подаче и напору.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является создание многофазного лопастного насоса, лишенного недостатков аналогов, обладающего улучшенными антикавитационными характеристиками, повышенной энергетической эффективностью, надежностью и технологичностью изготовления, соответственно, повышенным ресурсом и сроком работы.
Технический результат - повышение надежности и эффективности работы многофазного лопастного насоса.
В отличие от прототипа
Проблема решается, а технический результат достигается многофазным лопастным насосом с горизонтальной осью, содержащим корпус с приемным и выкидным патрубками, гелико-осевую многоступенчатую проточную часть корпуса, состоящую из статора с направляющими аппаратами и надроторными кольцами и из ротора с рабочими колесами, имеющими цилиндрическую проточку по внешнему диаметру лопастей, при этом рабочие колеса установлены на валу, опирающемся на радиальные подшипники скольжения в корпусах передней и задней опор со стороны приемного и выкидного патрубка соответственно, причем указанные опоры отделены от гелико-осевой проточной части концевыми уплотнениями, а один из концов вала выполнен под установку полумуфты привода.  корпус выполнен составным и включает входной корпус с приемным патрубком, выходной корпус с выкидным патрубком и расположенные между указанными корпусами секции в виде колец, при этом корпуса и секции стянуты по периферии, причем секции в виде колец выполнены с фланцами по внутреннему диаметру для каждой ступени проточной части, к которым закреплены направляющие аппараты и надроторные уплотнительные кольца с осевыми разъемами, а в проточной части входного корпуса расположены отделенная от проточной части корпусом полость гидрозатвора, в которой расположено соответствующее концевое уплотнение, и кольцо проставки для подвода потока к лопастям рабочего колеса первой ступени, при этом проточная часть входного корпуса выполнена с плавным переходом от приемного патрубка в кольцевое пространство подвода, имеющее, как минимум, одно радиальное ребро, установленное по направлению потока, а в окружном направлении ось ребра расположена под углом 200-250° от оси приемного патрубка по направлению вращения ротора насоса, причем стык кольца проставки с уплотнительным кольцом первой ступени выполнен с большим диаметром по уплотнительному кольцу и меньшим соответственно по проставке, кроме того, насос включает систему разгрузки, состоящую из полости разгрузки и смонтированных на валу ротора кольца торцового импеллера и разгрузочного барабана, расположенного в кольцевом пространстве выходного корпуса и имеющего запрессованную втулку разгрузки, формирующую с барабаном щелевое уплотнение, причем полость разгрузки образована корпусом разгрузки, закрепленным к выходному корпусу со стороны задней опоры ротора, и соединена с полостью гидрозатвора и далее с проточной частью входного корпуса посредством как минимум одного вспомогательго трубопровода, а торцы лопастей на рабочем колесе первой ступени имеют проточку по конусу с уменьшением наружного диаметра лопастей от входного к выходному сечению при постоянном размере втулки рабочего колеса, при этом в состав задней опоры ротора для фиксации ротора в осевом направлении входит «плавающий» узел радиально - упорных или упорных подшипников качения в отдельном корпусе, прикрепленном к корпусу задней опоры ротора.
В частных случаях:
- корпус полости гидрозатвора имеет плавный переход от поверхности проточной части входного корпуса, а по отношению к проточной части втулочной поверхности диска рабочего колеса первой ступени переход выполнен ступенчатым в сторону занижения входного проточного диаметра диска рабочего колеса и с плавным заходом за счет скругления угла на входном торце диска, при этом полость гидрозатвора сообщена с проточной частью посредством щелевого уплотнения, образованного корпусом полости гидрозатвора и втулкой гидрозатвора на роторе;
- кольцо проставки выполнено отдельно от входного корпуса в виде самостоятельной детали, отделенной от проточной части, при этом со стороны проточной части имеет плавный переход к конусной поверхности уплотнительного кольца первой ступени, а стык кольца проставки с уплотнительным кольцом первой ступени выполнен ступенчатым, то есть величина диаметра кольца проставки меньше диаметра данного уплотнительного кольца на 0,8…1,6 мм и более, с плавным выходом на проточную поверхность уплотнительного кольца, то есть величина диаметра кольца проставки на стыке с уплотнительным кольцом первой ступени гарантированно меньше диаметра уплотнительного кольца первой ступени, причем указанный стык выполнен с зазором;
- для уплотнения вала насоса выполнены торцовые уплотнения двойные или тандемного типа, установленные на входном корпусе и корпусе разгрузки соответственно;
- корпус передней опоры ротора со стороны входа установлен на полуфланце кронштейна входного корпуса, а корпус задней опоры ротора со стороны выхода смонтирован на полуфланце корпуса разгрузки;
- уплотнительное кольцо первой ступени, охватывающее рабочее колесо первой ступени, выполнено конусным с обеспечением радиального зазора по торцам лопастей рабочего колеса;
- подшипниковый узел состоит из внешнего корпуса, который герметично закреплен к корпусу передней опоры ротора, образуя с полостью задней опоры ротора единую полость, а внутри цилиндрического проема внешнего корпуса с зазором установлен корпус подшипников качения с герметичной крышкой, причем данный зазор со стороны торцов уплотнен резиновыми кольцами, подшипники качения по внешнему диаметру установлены в корпусе, они же по посадочному внутреннему диаметру посажены и закреплены на единой втулке, которая с радиальным зазором посажена на шип вала со стороны выхода и зафиксирована в осевом и окружном направлениях при помощи гайки и шпоночного соединения соответственно, при этом взаимная осевая фиксация корпуса подшипников качения и наружного корпуса выполнена при помощи закрепленного на наружном корпусе кронштейна и центрального болта, опирающегося в кронштейн и ввернутого в герметичную крышку корпуса подшипников качения, причем подшипники скольжения снабжены масляными кольцами;
- над торцами лопаток рабочих колес в случае, когда наружный диаметр кольца торцового импеллера меньше диаметра торцов лопастей рабочих колес ротора, установлены неразъемные надроторные уплотнительные кольца;
- «плавающий» узел радиально - упорных или упорных подшипников качения в корпусе зафиксирован в осевом направлении центральным болтом, опирающимся в жестко закрепленный кронштейн и ввернутым в герметичную крышку корпуса подшипников качения, а для отслеживания остаточного осевого усилия на роторе на цилиндрическом участке указанного центрального болта установлено измерительное устройство в виде первичного датчика пьезометрирования;
- корпуса и секции стянуты по периферии шпильками, расположенными вне проточной части.
Технический результат достигается представленной совокупностью существенных признаков.
Графический материал содержит одно из возможных исполнений многофазного лопастного насоса, отвечающее сущности настоящего изобретения:
фиг. 1 - вид на насос со стороны привода (входной корпус);
фиг. 2 - вид на насос со стороны привода (выходной корпус);
фиг. 3 - продольный разрез насоса по А-А;
фиг. 4 (вид Б) - увеличенный масштаб продольного разреза входного корпуса (проточной части);
фиг. 5 (сечение В-В) - вход насоса в плоскости, поперечной оси вращения и по оси приемного патрубка в увеличенном масштабе;
фиг. 6 (вид Ф) - вход в рабочее колесо первой ступени проточной части в увеличенном масштабе;
фиг. 7 (вид К) - узел радиально-упорных подшипников в увеличенном масштабе с пьезоэлектрическим измерителем осевого усилия на роторе;
фиг. 8 (сечение Ц-Ц) - вход в нижний вспомогательный трубопровод (трубку разгрузки) в сечении, перпендикулярном оси вращения, в увеличенном масштабе;
фиг. 9 (а, б) - показаны треугольники скоростей потока на входе в лопасти рабочего колеса 1-й ступени, а) - осевой вход потока, б) - поток, закрученный по направлению вращения рабочего колеса 1-й ступени ротора.
На фигурах обозначено:
1 - входной корпус
2 - опорные лапы входного корпуса
3 - приемный патрубок
4 - выходной корпус
5 - опорные лапы выходного корпуса
6 - выкидной патрубок
7 и 8 - вспомогательные трубопроводы (трубки разгрузки) для соединения полости разгрузки с проточной частью входной части корпуса
9 - корпус гидрозатвора
10 - втулка гидрозатвора
11 - кольцо проставки для формирования подвода потока к лопастям рабочего колеса (РК) первой ступени
12 - секция кольцевого сечения первой ступени
13 - надроторное кольцо РК первой ступени
14 - направляющий аппарат первой ступени
15 - секция промежуточной ступени
16 - надроторное кольцо промежуточной ступени
17 - направляющий аппарат промежуточной ступени
18 - секция последней ступени
19 - надроторное кольцо секции 18
20 - направляющий аппарат последней ступени
21 - втулка разгрузки, запрессованная в выходной корпус 4
22 - корпус разгрузки
23 и 24 - торцовые уплотнения тандемного типа для уплотнения вала насоса
25 и 26 - верхняя и нижняя половина корпуса подшипника насоса соответственно со стороны входа и выхода
27 - радиальный подшипник скольжения
28 - масляные кольца
29 - штуцер для подачи масла от внешней масляной системы
30 - наружный корпус узла радиально-упорных подшипников качения
31 - корпус подшипника качения
32 - упорный подшипник качения
33 - форсунки подачи масла
34 - втулка
35 - шайба упорная регулировочная
36 - втулка подшипников
37 - гайка втулки 36
38 - контровка гайки
39 - корпус корпуса подшипников
40 - силовой болт
41 - кронштейн
42 - первичный датчик тензометрирования
43 - вал для установки рабочих колес
44 - шпонка под полумуфту привода насоса
45 - рабочее колесо первой ступени
46 - рабочие колеса промежуточных ступеней
47 - рабочее колесо последней ступени
48 - барабан разгрузки
49 и 50 - резьбовые штуцеры
51 и 52 - штуцеры
53 - силовые шпильки
54 - гайки
55 - фланец отводящей трубы
56 - штуцер для подачи масла,
57 - регулировочные шайбы
58 и 59 - крепеж для фиксации корпуса подшипников
60 - втулки межступенчатых щелевых уплотнений
61 - торцовый импеллер
62 - гайка для затягивания на валу кольца торцового импеллера 61
63 - резиновые уплотнения корпусов 31 подшипников качения
64 - шпонка от проворота втулки 36 подшипников.
Кроме того, на чертежах обозначено:
П - проточная часть входного корпуса 1;
Ч - два отверстия в теле входного корпуса 1;
Г- полость гидрозатвора;
И - полость разгрузки;
Б1 - проточная поверхность корпуса 9 гидрозатвора;
R1 - радиус скругления фаски на входе втулки РК;
R2 - радиус скругления фаски на входе надроторного кольца;
М - редан на входе втулки рабочего колеса;
Г1 - зазор между торцовыми поверхностями РК и корпуса 9 гидрозатвора, обеспечивающий компенсацию тепловых расширений деталей насоса;
Ж - размер, позволяющий проводить монтаж и демонтаж насоса без задевания трубкой разгрузки 8 деталей и сборочных единиц агрегата;
Л - редан на входе надроторного кольца;
Д1 - зазор между торцовыми поверхностями надротоного кольца 13 и кольца проставки 11, обеспечивающий компенсацию тепловых расширений деталей насоса;
С, Ш, Щ - фланцевое болтовое соединение по плоскому осевому разъему направляющих аппаратов 14, 17 и 20 соответственно;
У - выфрезеровка по дуге радиусом R3, заканчивающаяся выступом В1;
Э и Ы - резьбовые отверстия центровочных штифтов к полуфланцу кронштейна входного корпуса;
Ю и Я - резьбовые отверстия к полуфланцу кронштейна корпуса 22 разгрузки.
Заявляемый насос работает следующим образом.
Последовательность монтажа.
На стапель монтируется входной корпус 1 в сборе с установленным корпусом 9 гидрозатвора. Приемный патрубок 3 плавно переходит в кольцевое пространство проточной части, в котором выполнено как минимум одно радиальное ребро, установленное по направлению потока, причем выходная кромка ребра предпочтительно должна находиться по отношению к рабочему колесу первой ступени на расстоянии не менее двух - трех высот входной кромки лопасти колеса, допускается скос выходной кромки ребра со стороны оси насоса, а в окружном направлении ось ребра находится предпочтительно под углом около 225° от оси приемного патрубка по направлению вращения ротора насоса. Входной корпус 1 имеет два отверстия и, соответственно, два резьбовых штуцера для присоединения вспомогательных трубопроводов (трубок разгрузки), а также фланцевое соединение болтами с корпусом гидрозатвора.
Со стороны привалочной плоскости входного корпуса 1 последовательно устанавливаются:
- кольцо проставки 11 с плотным прижатием к привалочной плоскости входного корпуса (кольцо проставки может быть выполнено отдельно от входного корпуса в виде самостоятельной детали, как на фиг. 3 поз. 11);
- отбалансированный ротор с валом 43 и установленными на нем втулкой 10 гидрозатвора, рабочими колесами 45, 46 и 47, втулками 60 межступенчатых уплотнений с резиновыми уплотнениями по валу, кольца торцового импеллера 61 и барабана разгрузки 48, затянутых на валу гайкой 62 с последующей контровкой, при этом вал 43 монтируется на технологические опоры соосно крышке входной части 1 и кольцу проставки 11; система разгрузки состоит из смонтированных на валу ротора кольца торцового импеллера 61, барабана 48 и запрессованной в выходной крышке втулки разгрузки, формирующей с барабаном щелевое уплотнение, утечки которого во время работы насоса сбрасываются в полость разгрузки, образованную корпусом разгрузки;
- секция 12 первой ступени с плотным прижатием к привалочной плоскости кольца проставки 11, к которой крепят болтовым соединением уплотнительное кольцо 13 и направляющий аппарат 14 первой ступени, при этом плоский осевой разъем на направляющих аппаратах монтируется с поворотом на 90° по отношению к разъему уже установленного уплотнительного кольца 13, причем стыки горизонтальных разъемов уплотнительного кольца 13 и направляющего аппарата 14 первой ступени покрывают перед сборкой герметиком; над торцами лопаток рабочих колес в случае, когда наружный диаметр кольца торцового импеллера меньше диаметра торцов лопастей рабочих колес ротора, установлены неразъемные уплотнительные кольца;
- положение секции 12 первой ступени фиксируется технологическим домкратом, при этом за счет регулирования по вертикали обеспечивается равномерность зазоров в окружном направлении между торцами лопастей рабочего колеса 45 первой ступени и уплотнительным кольцом 13, и по межступенчатому уплотнению первой ступени;
- проверяется и при необходимости выставляется положение ротора в осевом направлении по зазору между торцами рабочего колеса 45 первой ступени и уплотнительным кольцом 13, при этом фиксируется и заносится в сопроводительную документацию размер А1 от торца вала 43 со стороны привода до торца кронштейна на входной части 1 корпуса (см. фиг. 3);
- аналогично сборке секции 12 первой ступени выполняется монтаж секций 15 промежуточных ступеней с уплотнительными кольцами 16 и направляющими аппаратами 17 промежуточных ступеней, и секции 18 последней ступени с уплотнительным кольцом 19 и направляющим аппаратом 20 последней ступени;
- к секции 18 последней ступени вплотную приставляется и прижимается соотвествующей привалочной поверхностью выходная часть 4 корпуса, которая должна быть установлена на стапеле и прижата к нему;
- секция каждой ступени в сборе включает собственно секцию в виде стального кольца, к которому с внутренней стороны крепятся при помощи фланцевого соединения уплотнительное кольцо и направляющий аппарат, полукольца которых состыкованы по плоскому осевому разъему, причем направляющий аппарат монтируется с поворотом на 90° по отношению к плоскому разъему уже установленного уплотнительного кольца; на рабочих поверхностях уплотнительных колец нанесено износостойкое покрытие, а стыки плоских осевых разъемов уплотнительных колец и направляющих аппаратов перед окончательной сборкой могут покрываться герметиком;
- устанавливаются шпильки 53 и затягиваются гайками 54 на момент, указанный в конструкторской документации на насос. В процессе сборки должны контролироваться и обеспечиваться с помощью домкратов зазор между втулкой разгрузки 21 и барабаном 48, и плавность без заеданий проворачивание ротора на технологических опорах. После окончательной затяжки гаек 54 технологические домкраты отводятся, проверяется размер А1;
- монтируются торцовые уплотнения 23 и 24, прижатие контакных колец которых прослабляется на время дальнейшего монтажа насоса;
- устанавливаются нижние половины 26 корпусов подшипников со стороны входа и выхода насоса, заводятся масляные кольца 28 и нижние половины подшипников скольжения 27, поверхности которых смзываются технологической смазкой. Вал ротора ставится на собственные подшипники скольжения 27, при отсутствии проворачивания ротора осуществляется предварительная центрация ротора за счет нивелировки положения корпусов половин 26 подшипников насоса регулирировочными болтами, установленными в резьбовые отверстия Ы, Э, Ю, Я; подшипниковый узел состоит из внешнего корпуса, который герметично крепится к корпусу передней опоры ротора, образуя с полостью задней опоры ротора единую полость, а внутри цилиндрического проема внешнего корпуса с зазором установлен корпус подшипников качения с герметичной крышкой, причем данный зазор со стороны торцов уплотнен резиновыми кольцами, что позволяет за счет упругой радиальной подвижки компенсировать перекосы вала, кроме этого, в корпус подшипников качения подается масло для смазки и охлаждения подшипников, которое затем самотеком удаляется через полость задней опоры ротора, и кроме того, что подшипники качения по внешнему диаметру установлены в корпусе, они же по посадочному внутреннему диаметру посажены и закреплены на единой втулке, которая с радиальным зазором садится на шип вала со стороны выхода и фиксируется в осевом и окружном направлениях при помощи гайки и шпоночного соединения соответственно, а что касается взаимной осевой фиксации корпуса подшипников качения и наружного корпуса, то она выполнена при помощи закрепленного на наружном корпусе кронштейна и центрального болта, опирающегося в кронштейн и ввернутого в герметичную крышку корпуса подшипников качения;
- проверяются и при необходимости дорабатываются зазоры в подшиниках скольжения, устанавливаются верхние половины 25 корпусов подшипников со стороны входа и выхода насоса. Выполняется доцентровка ротора с целью обеспечения легкости вращения за счет нивелировки положения половин 26 корпусов подшипников насоса регулирировочными болтами, технологические опоры отводятся; на цилиндрическом участке центрального болта, опирающегося в кронштейн и ввернутого в герметичную крышку корпуса подшипников качения для отслеживания остаточного осевого усилия на роторе установлено измерительное устройство (например, в виде первичного датчика пьезометрирования, сигнал которого задействован в системе автоматизированного управления, например, для блокировки работы насоса по уставке в случае превышении допустимого значения сигнала остаточного осевого усилия на роторе);
- после завершения регулировки положения ротора корпуса подшипников фиксируются штифтами и крепежом 58 и 59, регулирировочные болты демонтируются, монтируются верхние крышки корпусов опор ротора, торцовые уплотнения 23 и 24 приводятся в рабочее состояние. Проводится подготовка и проведение предварительных или приемо-сдаточных испытаний насоса.
В условиях эксплуатации насоса процессы останова и пуска насоса, как правило, автоматизированы, однако, изначальный пуск насоса в эксплуатацию сопровождается пуско-наладочными работами, и связанными с ними проверками работоспособности всех систем насосного агрегата, включая систему автоматизированного управления.
Заявляемый насос приводится в движение от электродвигателя через муфты привода, повышающий редуктор, или без редуктора в случае применения высокооборотного двигателя.
В процессе работы на вход насоса подается тот или иной продукт нефтепереработки, а в случае перекачки газожидкостной смеси (далее - ГЖС) - предварительно подготовленная ГЖС в части сглаживания пульсаций и содержания свободного газа (далее именуемые перекачиваемой средой). В насосе перекачиваемая среда проходит от патрубка 3 в кольцевую зону П входного корпуса 1, перераспределяется по всему объему П и, благодаря установке направленного вдоль оси радиального ребра, оказывается на входе рабочего колеса 45 первой ступени с минимальной окружной составляющей абсолютной скорости потока. Коническая форма периферии лопастей рабочего колеса первой и ступенчатое исполнение переходов от кольца проставки 11 к уплотнительному кольцу 12 с плавным заходом, а также плавные переходы от корпуса 9 гидрозатвора к втулочной поверхности диска рабочего колеса 45 первой ступени способствуют минимизации гидравлических потерь.
При вращении ротора насоса механическая энергия преобразуется в гидравлическую посредством рабочих колес 45, 46 и 47, а также совместно работающих с ними направляющих аппартов 14, 17 и 20. При этом в межлопаточных каналах рабочих колес и направляющих аппаратов насоса за счет гидродинамических процессов повышается давление перекачиваемой среды. Перекачиваемая среда под давлением, с осевой и окружной составляющей абсолютной скорости, под воздействием реакции от кольца торцового импеллера 61 направляется в кольцевое пространство и выкидной патрубок 6 корпуса 4, отчасти - в разгрузочное устройство, и прежде всего в зазор между втулкой 21 разгрузки и корпусом 22 разгрузки.
В процессе эксплуатации с повышением давления перекачиваемой среды растут динамическое сопротивление перекачиваемой среды, приходящееся на лопасти рабочих колес, и перепад давления на элементах ротора насоса, которые вызывают появление осевой силы на роторе, передаваемой на вал 43. Для компенсации основной части осевой силы в насосе применено устройство разгрузки барабанного типа (см. фиг. 3), состоящего из втулки 21 разгрузки, барабана 22, полости разгрузки И, соединенной полостью гидроразгрузки Г трубками разгрузки 7 и 8, и отверстиями Ч в теле входной крышки части корпуса 1, и далее - посредством щелевого уплотнения Б1 с полостью П проточной части входного корпуса.
Примененное разгрузочное устройство барабанного типа является типовым решением среди известных динамических насосов и обеспечивает работу в условиях парообразования, на ГЖС и газе, обеспечивает разгрузку практически на всех режимах, при этом полная разгрузка осевой силы на роторе имеет место на одном из выбранных режимов, например, на номинальном или максимальном. Для уравновешивания остаточной осевой сил в заявляемом насосе используют упорный подшипник, остаточная осевая сила передается валом 43 к узлу радиально-упорных подшипников качения 32, узел которых выполнен «плавающим».
Применение предлагаемого устройства имеет следующие преимущества:
1. Позволяет уменьшить потери напора в подводе из-за снижения гидравлического сопротивления путем перехода от двухкорпусной схемы насоса - прототипа на секционную и замены перфорированного цилиндра на входной корпус 1 с приемным фланцевым патрубком 3, плавно переходящим проточной частью в кольцевое пространство Г подвода, имеющее, как минимум, одно радиальное ребро Р, установленное по направлению потока, а в окружном направлении ось ребра Р находится под углом 200÷250° от оси входного патрубка Н по направлению вращения ротора насоса.
подв.
вх
1
вх
подв.
подв.
1
подв.
0
1
0
1
подв.
2
Подвод насоса подобен конструкции, которая рекомендована для осевых насосов (Высокооборотные лопаточные насосы. - Под ред. д-ра техн. наук Б.В. Овсянникова и д-ра техн. наук В.Ф. Чебаевского. - М.: Машиностроение, 1975. - 336 с.), при этом потери энергии в подводе L с патрубком диаметром D, отнесенные к скорости потока с в сечении (0,3÷0,4)⋅D, составят L=ξ ⋅ с/2 (там же на с. 21), где коэффициент сопротивления подвода ξ=0,75÷1. Для сравнения гидравлическое сопротивление перфорированного цилиндра можно оценить по гидравлическим сопротивлениям аналогичных элементов (решетки, сетки и др.), которые устанавливают на входе труб в качестве фильтров и прочего (Горлин С.М. - Экспериментальная аэромеханика. - Учеб. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1970. - 423 с.), при этом потери напора элементах зависят от отношения F/F=0,25÷0,30, где F - площадь живого сечения перфорации, а F - сечение внутреннего диаметра перфорированного участка цилиндра, коэффициент сопротивления перфорированного участка составит ξ=10÷7 (там же с. 417, рис. Х16). Таким образом, потери энергии потока в подводе, в заявляемом насосе, будут уменьшены в 7÷14 раз.
1z
2. В предложенной конструкции насоса закрутка потока на входе предотвращается установкой ребра в продольном направлении проточной части. Закрутка потока на входе осевого колеса нецелесообразна (Высокооборотные лопаточные насосы. - Под ред. д-ра техн. наук Б.В. Овсянникова и д-ра техн. наук В.Ф. Чебаевского. - М.: Машиностроение, 1975. - 336 с., с. 166), так анализ треугольников скоростей на входе осевого колеса для случая с закруткой потока («а» на Фиг. 9) и осевым входом («б» на Фиг. 9) показывает, что для поддержания одной и той же подачи, то есть осевой составляющей скорости с=Сonst, для схемы «а» с закруткой потока требуется повышение числа оборотов ротора. Этим объясняется влияние закрутки потока на срывные кавитационные характеристики и соотвествующее ограничение по всасывающей способности. В центробежных насосах для нефтяной промышленности для повышения всасывающей способности рабочие колеса 1-й ступени выполнены с расширенной площадью входа (Михайлов А.К., Малюшенко В.В. - Конструкция и расчет центробежных насосов высокого давления. - М.: Машиностроение, 1974. - с. 276-277).
Всасывающая способность динамических насосов тесно связана со срывными кавитационными характеристиками. Исследования шнеко-центробежных насосов показали, что экспериментальные точки, полученные при испытании на газожидкостной смеси, хорошо осредняются экспериментальной зависимостью, полученной при испытаниях того же насоса на однофазной жидкости (Высокооборотные лопаточные насосы. - Под ред. д-ра техн. наук Б.В. Овсянникова и д-ра техн. наук В.Ф. Чебаевского. - М.: Машиностроение, 1975. - 336 с., с. 250-251). Антикавитационные свойства шнеко-центробежного насоса определяются предвключенным шнеком, являющимся осевой ступенью, поэтому кавитационные характеристики для гелико-осевого насоса могут быть определены по результатам испытаний на однофазной жидкости. Положительный эффект от применения первой ступени с расширенной площадью входа на нефтяных центробежных насосах также может быть использован в осевых ступенях (там же, с. 38). Для выравнивания поля скоростей за рабочим колесо первой ступени насоса в предлагаемом изобретении колесо выполнено с проточкой по конусу с уменьшением наружного диаметра лопастей от входного к выходному сечению при постоянном размере втулки - это также согласуется с рекомендациям (там же, с. 38), а для снижения отрицательного влияния обратных токов на колесе 45 первой ступени выполнен ступенчатый стык кольца проставки 11 с уплотнительным кольцом 13 первой ступени, выполненный с большим диаметром по уплотнительному кольцу 13 и меньшим соответственно по кольцу проставки 11.
3. Сравнительная расчетная оценка технико-энергетической эффективности систем уравновешивания осевых сил, возникающих при работе многофазного лопастного насоса, а именно упорного подшипника скольжения насоса - прототипа переменного направления действия (далее - вариант 1) с одной стороны, и альтернативного технического решения настоящего изобретения, включающего применение устройства разгрузки барабанного типа совместно с узлом радиально-упорных подшипников качения (далее - вариант 2) с другой стороны, при одинаковых осевой нагрузке и частоте вращения ротора насоса показала следующие результаты:
а) по энергетической эффективности:
- основная доля потерь мощности в варианте 1 приходится на преодоление сопротивления вращению диска упорного подшипника скольжения с самоустанавливающимися сегментами со смазочным вязким слоем на рабочих поверхностях, доля этих потерь составляет более 90% с учетом затрат энергии на охлаждение смазочного масла, остальные потери мощности относятся к прокачке и подаче смазочного масла в/на упорный подшипник скольжения;
- основная доля потерь мощности в варианте 2 приходится на утечки перекачиваемой насосом среды через рабочий зазор барабана 48 устройства разгрузки (см. Фиг. 3), полость И которой соединена с полостью гидрозатвора Г и входом насоса при помощи трубок разгрузки 7 и 8, а также преодоление сопротивления вязкости указанных утечек вращению барабана 48, при этом суммарная доля мощности указанных потерь составляет около 85% с учетом случая перекачки жидкости вязкостью около 25 сСт при местном повышении температуры не выше разрешенной (в случае перекачки среды с содержанием паров и свободного газа потери на преодоление сопротивления вязкости утечек вращению барабана резко падают), кроме того, потери мощности на привод узла радиально-упоных подшипников качения, прокачке и подаче смазки составят около 15%,
- в целом, общие потери мощности гелико-осевого насоса в варианте 1 - с упорным подшипником скольжения и в варианте 2 - с устройством разгрузки барабанного типа, совместно применяемого с узлом радиально-упорных подшипников качения, не имеют больших отличий;
б) по надежности:
- в варианте 1 при числе оборотов ротора насоса окружная скорость на внешнем радиусе 140 мм упорного подшипника скольжения равна 73,3 м/с, сравнение этого значения окружной скорости с допустимым значением по ГОСТ 1320-74 «Баббиты оловянные и свинцовые. Технические условия» показал превышение расчетного значения от допустимого (≤50 м/с) на 50%;
- в варианте 2 расчет на долговечность радиально-упорного подшипника качения 176220 ГОСТ 8995-75 показал, что полученное значение 170554 ч >> 40000 ч, причем последнее значение является минимально допустимым (Горлин С.М. - Экспериментальная аэромеханика. - Учеб. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1970. - 423 с.), при этом максимально число оборотов на гелико-осевом насосе составляет 5000 об/мин, причем это значение для радиально-упорного подшипника качения 176220 согласно ГОСТ 8995-75 не превышает допустимого значения и удовлетворяет требованиям применения в условиях переменного направления осевых усилий.
Указанные оценки технико-энергетической эффективности систем уравновешивания осевых сил проведены на основе методик: Чернавский С.А. - Подшипники скольжения. - М.: Госиздат, 1963, 244 с., с. 221-229; Скубачевский Г.С. - Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1981, 550 с., с. 467-472.
Согласно результатам расчетов видно, что наиболее предпочтительным вариантом системы уравновешивания осевых сил для многофазного лопастного насоса является вариант применения устройства разгрузки барабанного типа совместно с узлом радиально-упорных подшипников качения.
Заявляемая конструкция позволяет уменьшить потери напора в подводе из-за снижения гидравлического сопротивления на входе в гелико-осевую проточную часть путем перехода от двухкорпусной схемы насоса - прототипа на секционную, что позволяет отказаться от перфорированного цилиндра (в прототипе), а входной корпус с приемным фланцевым патрубком выполнить с проставкой и с плавным переходом в кольцевое пространство подвода, имеющее, как минимум, одно радиальное ребро. Установка ребра, как описано, предотвращает закрутку потока на входе в проточную часть рабочего колеса первой ступени. Кроме того, для выравнивания поля скоростей потока и снижения отрицательного влияния обратных токов торцы лопастей на рабочем колесе первой ступени имеют проточку по конусу с уменьшением наружного диаметра лопастей от входного к выходному сечению при постоянном размере втулки, при этом стык кольца проставки с уплотнительным кольцом первой ступени выполнен с большим диаметром по уплотнительному кольцу и меньшим соответственно по кольцу проставки. Перечисленные осробенности позволяют улучшить антикавитационные характеристики и снизить энергозатраты при работе насоса.
Кроме того, многофазный лопастной насос, в отличие от прототипа, включает устройство разгрузки барабанного типа совместно с “плавающим” узлом радиально-упорных подшипников качения (например, книга Подшипники качения. Справочник-каталог. - Под ред. В.Н. Нарышкина и Р.В. Коросташевского. - М.: Машиностроение, 1984, 280 с., с. 89) для компенсации основной части остаточной после устройства разгрузки осевой силы, воспринимающим осевую силу переменного направления и фиксирующим ротор в осевом направлении, что ведет к повышению надежности системы уравновешивания осевых сил ротора, так как отсутствуют поверхности скольжения на упорном подшипнике, которой применен на прототипе. При этом также снижется расход масла на охлаждение подшипников в целом.
Таким образом, заявляемый насос обеспечивает надежность и эффективность работы по перекачке нефтепродуктов и газожидкостных смесей.