ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС
RADIAL-FLOW PUMP

Изобретение относится к насосостроению, а именно к конструкциям центробежных насосов.
Известен центробежный насос с двухвитковым спиральным отводом, содержащий внутренний виток, имеющий спиральный и диффузорный каналы, и внешний виток, имеющий спиральный и обводной каналы. Обводной канал состоит из диффузорного участка, участка с постоянной площадью проходного сечения и конфузорного участка (SU 1178958 A, опубл. 15.09.1985).
Известен центробежный насос, содержащий рабочее колесо с лопатками и двухвитковый отвод. Внутренний виток состоит из последовательно расположенных спирального, диффузорного и обводного каналов. Площадь входного сечения обводного канала выбрана равной площади выходного сечения спирального канала внутреннего витка. Площади входных сечений общего и внутреннего спиральных каналов равны (SU 1298427 A1, опубл. 23.03.1987).
Известен центробежный насос с рабочим колесом двустороннего входа, содержащий полуспиральный подвод и спиральный отвод, образованные полостями в крышке и корпусе, подшипники скольжения, торцевое уплотнение вала. За рабочим колесом установлен направляющий аппарат (RU 57393 U1, опубл. 10.10.2006).
Недостатками известных решений являются относительно невысокая эффективность выравнивания потоков жидкости, значительные гидравлические потери во внешнем и внутреннем витках отвода, что в целом приводит к недостаточной разгрузке от радиальных сил рабочего колеса центробежного насоса.
Известен направляющий аппарат центробежного насоса, выполненного в виде кольца с внутренней цилиндрической поверхностью и имеющего равномерно расположенные по окружности каналы от внутреннего к внешнему контуру кольца, входная часть которых выполнена цилиндрической, а выходная часть в виде цилиндрической или расширяющейся поверхности, например конической, при этом выходная часть каналов с внутренней стороны кольца снабжена криволинейным скосом, образованным вращением дуги окружности вокруг оси, расположенной параллельно и эксцентрично оси кольца, а не менее трех точек (в начале, конце и середине скоса в сечении симметрии кольца) лежат на логарифмической спирали, центр которой находится на оси кольца (RU 2103560 C1, опубл. 27.01.1998).
Недостатком известного решения является сложность конструкции, трудоемкость изготовления и повышенное гидравлическое сопротивление, что снижает КПД насоса.
Задача, решаемая изобретением, заключается в улучшении гидродинамических и энергетических характеристик насоса, повышении КПД, надежности и долговечности насоса при снижении энергозатрат на работу насоса по перекачиванию жидких сред.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемый центробежный насос согласно изобретению содержит корпус, в котором смонтированы ротор в виде вала с рабочим колесом и направляющий аппарат, при этом корпус выполнен со спиральным отводом, включающим два витка - внешний и внутренний, каждый из которых имеет входной спиральный и выходной диффузорный участки, последовательно соединенные между собой во внутреннем витке и через обводной участок во внешнем, начальное поперечное сечение внешнего витка выполнено первым по ходу закрутки спирали, а внутреннего витка - вторым, расположено за первым со смещением по спирали и совмещено в радиально-осевой плоскости ротора с начальным сечением обводного участка внешнего витка, при этом сумма площадей их начального поперечного сечения равна площади выходного сечения спирального участка внешнего витка, а сумма аналогичных площадей начальных поперечных сечений внешнего витка и смежного с ним диффузорного участка внутреннего витка равна площади выходного поперечного сечения спирального участка внутреннего витка, причем внешний и внутренний витки разделены внутриотводной стенкой, которая в зоне разделения участков обводного внешнего и спирального внутреннего из указанных витков выполнена спирально-цилиндрической, а в зоне смежных диффузорных участков делит их площади поперечного сечения на входе в соотношении
Д1
Д2
F:F=1,5±0,15
Д1
Д2
В1
В2
где F и F - площадь начального сечения диффузорного участка соответственно внешнего и внутреннего витков, с последующим плавным выравниванием указанного поперечного сечения до соотношения на выходе F=F,
где
В1
Д1
B2
Д2
F>F, F>F
B1
B2
F и F - площади выходного сечения диффузорного участка соответственно внешнего и внутреннего витков, кроме того, рабочее колесо выполнено, предпочтительно, двухвходным, а направляющий аппарат содержит кольцевую платформу с очерченным по окружности внешним и круглоцилиндрическим внутренним контурами с диаметром последнего, превышающим диаметр рабочего колеса, и систему равномерно размещенных с многозаходной спиральной закруткой на указанной платформе под углом к ее поверхности и плавно расширяющихся к внешнему контуру тонкостенных лопаток с образованием между ними диффузорных каналов с цилиндрически очерченными скошенными меньшим входным и большим выходным раструбами, при этом конфигурация внешней и внутренней боковых поверхностей в сечении по высоте лопатки очерчена разноцентровыми радиусами, центры которых равномерно разнесены с угловым смещением, предпочтительно, по двум окружностям, отдельным для центров радиусов каждой из указанных поверхностей, причем длина радиуса внешней из указанных боковых поверхностей принята меньшей радиуса внутренней поверхности, а длина последнего принята меньшей диаметра кольцевой платформы, предпочтительно, не превышающей диаметр внутреннего створа последней, причем общее число, частота расположения по окружности на платформе и угол спиральной закрутки лопаток, определяющие ширину в свету диффузорных каналов, приняты с соблюдением условия, при котором угловая ширина проекции каждой лопатки на условную осевую цилиндрическую поверхность направляющего аппарата частично перекрыта соответственно входным и выходным участками аналогичных проекций не более чем двух смежных лопаток.
При этом центробежный насос выполнен горизонтальным, одноступенчатым, корпус насоса выполнен разъемным, содержит крышку, проточную часть, включающую всасывающую и напорную полости с разделяющим их рабочим колесом по ходу потока перекачиваемой жидкости, например нефти, а также входной и выходной патрубки, упомянутый двухвитковый спиральный отвод, а рабочее колесо установлено на валу ротора с горизонтальной осью вращения, расположенной в плоскости, нормальной векторам потока у внешних границ входного и выходного патрубков, которые расположены ниже плоскости разъема.
Центробежный насос может быть снабжен двумя узлами торцевых уплотнений вала и подшипниковыми узлами, включающими размещенные с двух сторон от рабочего колеса два гидродинамических подшипника скольжения для восприятия радиальной нагрузки ротора и сдвоенным радиально-упорным подшипником качения для восприятия остаточного осевого усилия, действующего на ротор.
Гидродинамические подшипники скольжения могут быть снабжены системой принудительной смазки, преимущественно, перекачиваемой насосом жидкостью.
Направляющий аппарат соосно с валом может быть неподвижно установлен в корпусе насоса между выходом из рабочего колеса и напорной полостью по ходу движения перекачиваемого потока, причем радиальная ширина упомянутой кольцевой платформы направляющего аппарата и проекции лопаток на условную осевую плоскость ротора принята практически перекрывающей с обеспечением вращения колеса разницу между радиальными размерами условной осесимметричной контурной окружности, охватывающей указанное рабочее колесо, и аналогичной окружности с радиусом, равным минимальному радиальному расстоянию от оси ротора до ближайшей точки каждого из витков упомянутого двухвиткового отвода при вариабельном изменении конструкции диаметра рабочего колеса и универсальном сохранении размеров корпуса и отвода насоса.
Корпус и крышка могут быть выполнены, предпочтительно, литыми из стали, а патрубки - под приварку к трубопроводам и направлены горизонтально, перпендикулярно оси насоса.
Центробежный насос может быть оснащен датчиками контроля температуры подшипников скольжения и температуры нефти на выходном патрубке, вибродатчиками подшипниковых узлов, не менее чем одним датчиком контроля осевых смещений ротора и датчиком контроля частоты вращения ротора.
Вал ротора с одной стороны может быть удлинен консольным концевиком для соединения с электроприводом.
Конструкция насоса может быть выполнена обеспечивающей возможность замены торцевых уплотнений без демонтажа корпусов подшипниковых опор.
3
Центробежный насос может быть предназначен для магистральной перекачки нефти и выполнен с возможностью подачи нефти, в том числе в диапазоне от 3000 до 8500 м/ч при обеспечении напора от 200 до 280 м.
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, заключается в энергоэкономичной стабилизации перекачиваемого потока за счет снижения турбулентности потоков в насосе на стадии перехода из рабочего колеса в направляющий аппарат и в двухвитковую систему отвода с переходом на выходе в диффузорные участки, имеющие конфигурацию проточной части, усиливающую осевую направленность выходного потока перекачиваемой жидкости, что обеспечивает повышение КПД насоса, снижение энергозатрат на работу насоса, повышение надежности и ресурса работы предлагаемого насоса.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 показан центробежный насос, продольный разрез;
на фиг.2 - корпус центробежного насоса с двухвитковым отводом (повернут на 90°), продольный разрез.
на фиг.3 - корпус центробежного насоса с двухвитковым отводом и направляющим аппаратом (повернут на 90°), продольный разрез,
на фиг.4 - направляющий аппарат, поперечный разрез.
Центробежный насос содержит корпус 1, в котором смонтированы ротор в виде вала 2 с рабочим колесом 3 и направляющий аппарат 4. Корпус 1 выполнен со спиральным отводом, включающим два витка 5 и 6 внешний и внутренний соответственно. Внутренний виток 6 имеет последовательно соединенные между собой входной спиральный участок 7 и выходной диффузорный участок 8. Внешний виток 5, входной спиральный участок 9 и выходной диффузорный участок 10 соединены между собой через обводной участок 11. Начальное поперечное сечение внешнего витка 5 выполнено первым по ходу закрутки спирали, а внутреннего витка 6 - вторым, расположено за первым со смещением по спирали и совмещено в радиально-осевой плоскости ротора с начальным сечением обводного участка 11 внешнего витка 5. Сумма площадей их начального поперечного сечения равна площади выходного сечения спирального участка 9 внешнего витка 5, а сумма аналогичных площадей начальных поперечных сечений внешнего витка 5 и смежного с ним диффузорного участка 8 внутреннего витка 6 равна площади выходного поперечного сечения спирального участка 7 внутреннего витка 6.
Внешний и внутренний витки 5 и 6 разделены внутриотводной стенкой 12. Внутриотводная стенка 12 в зоне разделения обводного участка 11 внешнего витка 5 и спирального участка 7 внутреннего витка 6 выполнена спирально-цилиндрической, а в зоне смежных диффузорных участков 8, 10 делит их площади поперечного сечения на входе в соотношении
Д1
Д2
F:F=1,5±0,15
Д1
Д2
где F и F - площадь начального сечения диффузорного участка соответственно внешнего и внутреннего витков, с последующим плавным выравниванием указанного поперечного сечения до соотношения на выходе
B1
B2
F=F,
где
B1
Д1
B2
Д2
F>F, F>F,
B1
B2
F и F - площадь выходного сечения диффузорного участка соответственно внешнего и внутреннего витков,
C1
C2
F и F - площадь начального сечения спирального участка соответственно внешнего и внутреннего витков.
Рабочее колесо 3 выполнено, предпочтительно, двухвходным.
наруж. лопатки
вн. лопатки
наруж. лопатки
вн. лопатки
1
2
N
1
2
N
Направляющий аппарат 4 содержит кольцевую платформу 13 с очерченным по окружности внешним и круглоцилиндрическим внутренним контурами с диаметром последнего, превышающим диаметр рабочего колеса 3, и систему равномерно размещенных с многозаходной спиральной закруткой на указанной платформе 13 под углом к ее поверхности и плавно расширяющихся к внешнему контуру тонкостенных лопаток 14 с образованием между ними диффузорных каналов 15 с цилиндрически очерченными скошенными меньшим входным и большим выходным раструбами. Конфигурация внешней и внутренней боковых поверхностей в сечении по высоте лопатки 14 очерчена разноцентровыми радиусами, центры которых равномерно разнесены с угловым смещением α, предпочтительно, по двум окружностям, отдельным для центров радиусов каждой из указанных поверхностей (фиг.4, где R - радиус внешней описывающей профиль лопатки дуги; R - радиус внутренней описывающей профиль лопатки дуги; А - точка расположения центра дуги R; В - точка расположения центра дуги R; RА - радиус окружности, на которой расположены точки A, А… A; RB - радиус окружности, на которой расположены точки B, B… В).
Длина радиуса внешней из указанных боковых поверхностей принята меньшей радиуса внутренней поверхности, а длина последнего принята меньшей диаметра кольцевой платформы 13, предпочтительно, не превышающей диаметр внутреннего створа последней. Общее число, частота расположения по окружности на платформе 13 и угол спиральной закрутки лопаток 14, определяющие ширину в свету диффузорных каналов 15, приняты с соблюдением условия, при котором угловая ширина проекции каждой лопатки 14 на условную осевую цилиндрическую поверхность направляющего аппарата 4 частично перекрыта соответственно входным и выходным участками аналогичных проекций не более чем двух смежных лопаток 14.
Центробежный насос выполнен горизонтальным, одноступенчатым. Корпус 1 насоса выполнен разъемным, содержит крышку 16, проточную часть, включающую всасывающую и напорную полости 17 и 18 соответственно с разделяющим их рабочим колесом 3 по ходу потока перекачиваемой жидкости, например нефти, а также входной и выходной патрубки 19 и 20 и упомянутый двухвитковый спиральный отвод. Рабочее колесо 3 установлено на валу 2 ротора с горизонтальной осью вращения, расположенной в плоскости, нормальной векторам потока у внешних границ входного и выходного патрубков 19 и 20, которые расположены ниже плоскости разъема.
Центробежный насос снабжен двумя узлами торцевых уплотнений 21 вала 2 и подшипниковыми узлами, включающими размещенные с двух сторон от рабочего колеса 3 два гидродинамических подшипника 22 скольжения для восприятия радиальной нагрузки ротора и сдвоенным радиально-упорным подшипником 23 качения для восприятия остаточного осевого усилия, действующего на ротор.
Гидродинамические подшипники 22 скольжения снабжены системой принудительной смазки, преимущественно, перекачиваемой насосом жидкостью.
Направляющий аппарат 4 соосно с валом 2 неподвижно установлен в корпусе 1 насоса между выходом из рабочего колеса 3 и напорной полостью 18 по ходу движения перекачиваемого потока. Радиальная ширина упомянутой кольцевой платформы 13 направляющего аппарата 4 и проекции лопаток 14 на условную осевую плоскость ротора принята практически перекрывающей с обеспечением вращения колеса разницу между радиальными размерами условной осесимметричной контурной окружности, охватывающей указанное рабочее колесо 3, и аналогичной окружностью, равной минимальному радиальному расстоянию от оси ротора до ближайшей точки каждого из витков 5, 6 упомянутого двухвиткового отвода при вариабельном изменении конструкции диаметра рабочего колеса 3 и универсальном сохранении размеров корпуса 1 и отвода насоса.
Корпус 1 и крышка 16 выполнены, предпочтительно, литыми из стали, а патрубки 19, 20 - под приварку к трубопроводам и направлены горизонтально, перпендикулярно оси насоса.
Центробежный насос оснащен датчиками контроля температуры подшипников 22 скольжения и температуры нефти на выходном патрубке 20, вибродатчиками подшипниковых узлов, не менее чем одним датчиком контроля осевых смещений ротора и датчиком контроля частоты вращения ротора (не показаны).
Вал 2 ротора с одной стороны удлинен консольным концевиком 24 для соединения с электроприводом.
Конструкция насоса выполнена обеспечивающей возможность замены торцевых уплотнений 21 без демонтажа корпусов подшипниковых опор.
3
Центробежный насос предназначен для магистральной перекачки нефти и выполнен с возможностью подачи нефти, в том числе в диапазоне от 3000 до 8500 м/ч при обеспечении напора от 200 до 280 м.
Работу центробежного насоса осуществляют следующим образом.
При включении насоса обеспечивают вращение ротора, рабочее колесо 3 которого нагнетает перекачиваемую жидкость, например нефть, из всасывающей полости 14 в напорную полость 15.
Далее перекачиваемую жидкость из напорной полости 7 через направляющий аппарат 4 подают в витки 5 и 6 двухвиткового отвода, где пропускают с выравнивающим снижением скоростей и детурбулизацией потоков через последовательную систему спиральных участков 7, 9, обводного участка 11 и диффузорных участков 8, 10 двухвитковой части корпуса 1 насоса, обеспечивая максимальное выравнивание скоростей на выходе из диффузорных участков 8, 10. При этом существенно снижаются гидравлические потери при выходе жидкости в нагнетательную линию и радиальные силы, действующие на рабочее колесо 3 центробежного насоса, что особенно актуально для крупных, например, магистральных нефтяных насосов с точки зрения повышения их ресурса работы.
Таким образом, за счет оптимизации конструкции проточной части корпуса центробежного насоса и направляющего аппарата обеспечивается максимально полное выравнивание потоков жидкости в двухвитковом отводе, что позволяет существенно снизить гидравлические потери во внешнем и внутреннем витках отвода и в целом обеспечить эффективную разгрузку от радиальных сил рабочего колеса центробежного насоса, повышая КПД насоса.