Разгрузочное устройство центробежного секционного насоса с геометрически замкнутыми наклонными несущими поверхностями
UNLOADING DEVICE OF A CENTRIFUGAL SECTIONAL PUMP WITH GEOMETRICALLY CLOSED INCLINED BEARING SURFACES

Изобретение относится к насосостроению, в частности к разгрузочным устройствам для уравновешивания осевых сил роторов центробежных секционных насосов для перекачки нефти, нефтяной эмульсии и пластовой воды.
В процессе работы центробежного секционного насоса на ротор агрегата действует осевое усилие, которое смещает вал с рабочими колесами насоса в сторону всасывающего трубопровода. Для уравновешивания осевого усилия, действующего на ротор в центробежных секционных насосах, применяется разгрузочное устройство, которое обеспечивает равновесие ротора при запуске и работе насоса. С износом разгрузочных колец ротор насоса постепенно смещается в сторону всасывающего трубопровода. Превышение предельно допустимой величины осевого смещения ротора во время работы центробежного секционного насоса по причине высокого износа разгрузочных колец может привести к затиранию передних дисков рабочих колес о направляющие аппараты с последующим образованием сквозных отверстий в передних дисках рабочих колес и снижению КПД насосного агрегата. Также процесс запуска центробежного секционного насоса нередко сопровождается перегревом узла разгрузочного устройства по причине сухого трения плоских рабочих поверхностей разгрузочных колец, что приводит к охрупчиванию металла, повышению интенсивности и неравномерности износа разгрузочных колец.
Для повышения износостойкости колец узла разгрузочного устройства предлагалось изготовление разгрузочных колец из легированных сталей, проводить термообработку, наносить на рабочую поверхность износостойкие покрытия, но указанные мероприятия не приносили значительного эффекта и оказывались дорогостоящими.
Известно гидравлическое разгрузочное устройство [А.с. №1492092 СССР, МПК F04D 29/04, опубл., 07.07.1989], содержащее корпус насоса с крышкой, размещенные в корпусе вал, опорную пяту, закрепленную с радиальными и осевым зазорами относительно корпуса на упругом основании, выполненном в виде кольца. В крышке напротив периферийного участка пяты выполнен кольцевой выступ. На валу установлен разгрузочный диск, образующий с пятой торцевую щель во время работы насоса. Установка пяты на упругом основании обеспечивает равномерность торцевого зазора в окружном направлении.
К недостаткам известного устройства следует отнести невозможность обеспечения стабильных свойств материала упругого основания во время работы устройства при повышенных температурах, имеющего место при запуске насоса при недостаточном количестве перекачиваемой жидкости внутри насоса.
Известно гидравлическое разгрузочное устройство с податливым упорным кольцом, содержащее щелевой зазор, образованный выступами диска разгрузки и корпуса насоса [А.с. №1569435 СССР, МПК F04D 29/04, опубл. 07.06.1990]. Выступ образуется сопряжением упругого кольца с жестким предохранительным кольцом. Вследствие деформации упругого кольца торцевая щель принимает форму конфузора, что увеличивает несущую способность узла гидравлической разгрузки. Предполагается возможность контакта выступа разгрузочного диска с жестким предохранительным кольцом в нерасчетных режимах работы насоса, что исключает работу упругого кольца в режиме сухого трения.
К недостаткам известного устройства следует отнести неустойчивость данной системы уравновешивания осевых сил ротора по причине наличия в разгрузочной камере упругого элемента, вызывающего при работе устройства колебание торцевого зазора.
Для восприятия осевого усилия ротора центробежного многоступенчатого секционного насоса может быть использовано разгрузочное устройство центробежного насоса для уравновешивания осевой силы [Пат. №2165038 РФ, МПК F04D 29/04,опубл. 10.04.2001]. Устройство содержит скрепленную с валом гидропятуи закрепленный на корпусе насоса подпятник. На гидропяте и на подпятнике размещены дополнительные опорные поверхности в разгрузочной камере и уплотняющие поверхности торцевого щелевого уплотнения. Уплотняющие поверхности щелевого уплотнения отделены кольцевым каналом от дополнительных опорных поверхностей. Кольцевой канал сообщен с открытым районом, а также с открытыми и закрытыми каналами.
При номинальном режиме работы насоса между гидропятой и подпятником образуется саморегулируемый зазор. Из центральной части жидкость течет по кольцевому каналу, главным образом по открытым и закрытым каналам и выходит через зазор между уплотняющими поверхностями.
При переходных режимах работы устройство работает как опорный подшипник скольжения, частично разгруженный гидростатической силой. Осевая нагрузка распределяется на уплотняющие поверхности и на дополнительные поверхности в разгрузочной камере. Наличие открытых каналов обеспечивает смачивание дополнительных поверхностей перекачиваемой жидкостью, что обеспечивает их смазку и охлаждение.
Недостатком данного устройства является его низкие долговечность и надежность ввиду отсутствия на рабочей поверхности пяты наклонных участков, что не позволит при переходных режимах работы насоса создать клиновой захват и существенно снизить силу трения между контактирующими поверхностями, сведя потери мощности на трение к минимуму, обеспечив, тем самым, полноценное охлаждение контактируемых поверхностей.
Для уравновешивания осевой силы ротора может быть использовано гидравлическое разгрузочное устройство центробежного секционного многоступенчатого насоса с наклонными несущими поверхностями, использованное в качестве прототипа при описании изобретения [Полезная модель №204236 РФ, МПК F04D 29/04,опубл. 17.05.2021].
Эффективность использования указанной модели заключается в снижении потерь на трение и в обеспечении гидродинамического режима работы контактируемых поверхностей пар трения разгрузочных колец, что позволяет предотвратить контактное взаимодействие разгрузочных колец в режиме износа схватыванием во время запуска насоса.
Разгрузочное устройство центробежного многоступенчатого насоса включает корпус, закрепленный на роторе вращающийся разгрузочный диск с подвижным разгрузочным кольцом плоской формы рабочей поверхности, и ответным разгрузочным кольцом, жестко закрепленным на крышке нагнетания. Рабочая поверхность ответного разгрузочного кольца разделена на сегментные плоские участки, необходимые для восприятия осевой силы ротора, сквозные радиальные канавки и сквозные скосы под углом к плоской поверхности, которые создают в опоре непрерывно возобновляемый смазочный слой.
Смазочный клин из перекачиваемой нефтяной эмульсии образуется посредством разделения рабочей поверхности неподвижного кольца сквозными радиальными канавками и скосами отдельных ее частей по всей ширине кольца. Образование гидродинамического давления в клиновом зазоре происходит посредством увлечения нефтяной эмульсии в данный зазор из радиальных канавок при вращательном движении подвижного разгрузочного кольца относительно неподвижного, за счет чего рабочие поверхности разгрузочных колец будут работать в режиме жидкостного трения, что обеспечит их полноценную смазку и охлаждение.
К недостаткам данного устройства следует отнести недостаточную прочность устройства вследствие уменьшения площади опорной поверхности из-за сквозных наклонных участков и сквозных радиальных проточек, а также повышенные гидравлические потери в разгрузочной камере по причине наличия на неподвижном разгрузочном кольце сквозных радиальных канавок и отдельных наклонных поверхностей, скошенных по всей ширине неподвижного разгрузочного кольца.
Задачей изобретения является повышение долговечности и надежности разгрузочного узла центробежного секционного насоса при гидродинамическом режиме работы пар трения за счет образования смазочного клина между рабочими поверхностями разгрузочных колец, работающих в одной паре трения, а также обеспечение равномерного распределения контактных давлений на рабочих поверхностях разгрузочных колец с целью обеспечения равномерного изнашивания разгрузочных колец в процессе запуска и эксплуатации насоса.
Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в обеспечении оптимального температурного режима работы разгрузочного устройства и снижении потерь на трение контактируемых рабочих поверхностей разгрузочных колец посредством предотвращения взаимодействия разгрузочных колец в режиме износа схватыванием и обеспечения равномерного изнашивания разгрузочных колец при гидродинамическом режиме их работы.
Поставленная задача достигается за счет того, что разгрузочное устройство центробежного секционного насоса с непрерывно возобновляемым смазочным слоем, включающее корпус, установленный в нем закрепленный на роторе разгрузочный диск с подвижным разгрузочным кольцом плоской формы рабочей поверхности, и жестко закрепленным на крышке нагнетания ответным разгрузочным кольцом, согласно предлагаемому техническому решению, рабочая торцевая поверхность ответного разгрузочного кольца разделена геометрически замкнутыми скосами, отделенными от полости разгрузочной камеры сплошными перегородками и глухими радиальными проточками, соединяющими разгрузочную камеру с полостями, образованными замкнутыми наклонными участками ответного разгрузочного кольца и плоской рабочей поверхностью подвижного кольца для подачи перекачиваемой жидкости из полости разгрузочной камеры в область с геометрически замкнутыми наклонными участками.
Согласно предлагаемому изобретению, разгрузочное устройство центробежного секционного насоса включает корпус, закрепленный на роторе насоса разгрузочный диск с подвижным разгрузочным кольцом плоской формы рабочей поверхности, и жестко закрепленным на крышке нагнетания ответным разгрузочным кольцом. Полость между подвижным и ответным разгрузочными кольцами образует разгрузочную камеру.
Новым является то, что рабочая торцевая поверхность ответного разгрузочного кольца разделена отдельными геометрически замкнутыми скосами под углом к плоской поверхности, предназначенными для образования непрерывно возобновляемого смазочного клинового зазора между подвижным и ответным разгрузочным кольцом, и радиальными проточками, соединяющими разгрузочную камеру с полостями, образованными замкнутыми наклонными участками ответного разгрузочного кольца и плоской рабочей поверхностью подвижного кольца, и предназначенными для подачи перекачиваемой жидкости из полости разгрузочной камеры в область с геометрически замкнутыми наклонными участками.
Образование в опоре непрерывно возобновляемого смазочного слоя достигается установкой клинового зазора между рабочими поверхностями подвижной и неподвижной частями устройства, что позволяет обеспечить полноценное охлаждение и требуемую несущую способность разгрузочного узла.
Смазочный клин из перекачиваемой жидкости образуется посредством разделения рабочей поверхности ответного кольца глухими скосами под углом к плоской поверхности. Образование гидродинамического давления в клиновом зазоре происходит за счет увлечения перекачиваемой жидкости в данный зазор из полостей, образованных пространством между геометрически замкнутыми скосами ответного кольца и плоской поверхностью подвижного разгрузочного кольца. Сплошные перегородки, отделяющие полость разгрузочной камеры от геометрически замкнутых наклонных участков ответного кольца на внутреннем диаметре рабочей поверхности разгрузочных колец, создают дополнительные опорные поверхности, что позволит снизить нагруженность осевой опоры, равномерно распределить рабочие нагрузки в контактных поверхностях разгрузочных колец и обеспечить их равномерное изнашивание.
На фигуре 1 изображено разгрузочное устройство, на фигуре 2 представлено ответное разгрузочное кольцо.
Разгрузочное устройство состоит из корпуса 1 насоса с размещенным в нем валом 2. На валу закреплен разгрузочный диск 3. На разгрузочном диске 3 закреплено разгрузочное кольцо 4 с плоской рабочей поверхностью. На напорной крышке гидравлической машины неподвижно закреплено ответное разгрузочное кольцо 5, плоская рабочая поверхность которого разделена глухими скосами под углом к плоской поверхности. В корпусе напорной крышки установлена втулка разгрузки 6, образуя с установленной на валу насоса дистанционной втулкой 7 радиальную щель 8. Между рабочими поверхностями двух разгрузочных колец образуется торцевая щель 9 с непрерывно возобновляемым смазочным слоем 10. Разгрузочная камера 11 образована внутренней полостью межкольцевого пространства.
c
н
Рабочая поверхность ответного разгрузочного кольца (фиг. 2) включает плоскую поверхность 12, которая разделена геометрически замкнутыми наклонными участками 13 с радиусом закругления R длиной каждого наклонного участка l под углом α к плоской поверхности и радиальными проточками 14 шириной s. Причем кривизна наружной стенки наклонной поверхности определяется величиной наружного диаметра наклонных участков - окружностью диаметром D, центр которой совпадает с центром разгрузочного кольца наружным диаметром D. Сплошные перегородки 15 толщиной m отделяют полости геометрически замкнутых наклонных участков 13 от полости разгрузочной камеры 11 и являются дополнительными опорными поверхностями при взаимном контакте двух разгрузочных колец, работающих в одной паре трения.
Предлагаемое разгрузочное устройство работает следующим образом. При работе насоса часть перекачиваемой жидкости из последней ступени поступает в разгрузочную камеру 11 через кольцевой зазор 8 между втулкой разгрузки 6 и дистанционной втулкой 7 (фиг. 1). При движении вращающегося подвижного разгрузочного кольца 4 относительно неподвижно закрепленного ответного кольца 5 перекачиваемая жидкость поступает из разгрузочной камеры 11 через радиальные проточки 14 (фиг. 2) между плоской поверхностью 12 ответного кольца и сплошными перегородками 15 в область с наклонными участками рабочей поверхности 13, откуда увлекается на плоскую рабочую поверхность 12, создавая гидродинамическое давление в образуемом жидкостном клине с обеспечением непрерывно возобновляемого смазочного слоя 10.
Давление перекачиваемой жидкости на подвижное кольцо 4 и разгрузочный диск 3 смещает ротор насоса в сторону нагнетания. Торцевой зазор 9 между кольцами 4 и 5 увеличивается при смещении ротора в сторону нагнетания, а давление в разгрузочной камере 11 снижается до тех пор, пока создаваемое им усилие не будет уравновешено осевым усилием, действующим в сторону всасывания. Работа устройства в этом случае аналогична работе прототипа.
При переходных режимах работы насоса, когда величина осевой силы ротора превышает величину силы давления в разгрузочной камере, плоские участки 12 рабочей поверхности ответного кольца 5 соприкасаются с плоской рабочей поверхностью подвижного кольца 4, устройство будет частично разгружено гидростатическим давлением, образуемым непрерывно возобновляемым смазочным слоем между взаимодействующими поверхностями разгрузочных колец. Благодаря наклонным участкам 13, расположенных под углом к плоской поверхности 12, плоские рабочие поверхности разгрузочных колец будут работать в режиме жидкостного трения, что обеспечит их полноценную смазку и охлаждение, а сплошные перегородки 15 позволят создать дополнительные опорные поверхности в осевой опере и равномерно распределить нагрузку на рабочих поверхностях двух разгрузочных колец, работающих в одной паре трения.