Погружной насос для перекачивания низкотемпературных жидкостей

Настоящая полезная модель относится к области машиностроения, а именно насосостроения, и предназначена для использования при перекачивании сжиженных газов, например сжиженного природного газа.
Погружные насосы, а именно погружные насосы для перекачивания сжиженного газа, были изобретены в 1960-х годах XX в. Их изобретение часто связывают с именем инженера и предпринимателя Дж. К. Картера (патент США № 3369715, МПК F04D 29/60; F04D 9/00, дата публикации - 20.02.1968). К настоящему времени такие насосы получили весьма широкое распространение.
В конструкции таких насосов вертикальный ротор, как правило, содержит цельный вал и является общим для насоса и приводного электродвигателя, и закрепляется в шарикоподшипниках, смазываемых перекачиваемым сжиженным газом. Данные погружные насосы известны, в частности, из заявки США US 2019/085858 A1 (МПК F04D 29/059; F04D 29/40, дата публикации - 21.03.2019), а также близкого решения по патенту КНР CN 209800276 U (МПК F01D 25/22 F04D 1/00 F04D 13/06, дата публикации - 17.12.2019).
Технической проблемой погружных насосов для перекачивания сжиженного газа с шарикоподшипниками, смазываемыми перекачиваемым сжиженным газом, является их ограниченный ресурс. Следствием этого недостатка является необходимость в относительно частых остановках насосов для проведения технического обслуживания или ремонта насоса с заменой шарикоподшипников.
Наиболее близким к предлагаемому решению является погружной насос для перекачивания низкотемпературных жидкостей, например, сжиженного газа, вертикальный вал ротора которого также является общим для насоса и приводного электродвигателя и также закреплен в верхнем и нижнем шарикоподшипниках в области электродвигателя, но нижний конец вала которого опирается на гидростатический подшипник, питание которого осуществляется с напора перекачиваемого сжиженного газа (см., например, заявку на патент Японии № JPH 04334792 A, МПК F04D 29/04, 29/46, дата публикации - 20.11.1992). Данная конструкция насоса частично решает проблемы вышеуказанной конструкции, однако имеет и собственные технические недостатки:
Во-первых, шарикоподшипники электродвигателя постоянно находятся в работе как при пуске и останове насоса, так и при нормальной эксплуатации, что вызывает их износ и сокращает межремонтный срок эксплуатации насоса.
Во-вторых, гидростатический подшипник при пуске и останове насоса не создает достаточного радиального усилия и может быть поврежден при соприкосновении с ним вала.
В свою очередь техническим результатом применения предлагаемой полезной модели является увеличение срока эксплуатации как гидростатического подшипника, так и шарикоподшипников и, следовательно, насосного агрегата в целом.
Технический результат достигается тем, что применяемые шарикоподшипники, имеющие ограниченный ресурс, в качестве основных опор ротора не применяются, и данную задачу выполняют гидростатические подшипники. Радиальные гидростатические подшипники обеспечивают в узле жидкостное и граничное трение и тем самым предотвращают контакт между вращающимися и неподвижными элементами, что исключает износ элементов трибосопряжения при нормальной работе.
В то же время, так как питание гидростатических подшипников осуществляется перекачиваемым сжиженным газом, несущий слой жидкости в зазоре радиальных гидростатических подшипников на режимах пуска и останова насоса практически отсутствует. Для предотвращения отказа радиальных гидростатических подшипников применяются страховочный шарикоподшипник и резервные подшипники, воспринимающие нагрузки в данных режимах. Смазка страховочного шарикоподшипника при этом осуществляется перекачиваемым сжиженным газом и практически не зависит от фактического расхода во внутренней части насоса. После стабилизации режима работы насоса страховочный подшипник выходит из контакта с валом, за счёт вывешивания вала в результате действия системы гидравлической разгрузки. Возникающие затем радиальные и осевые нагрузки в полном объёме воспринимаются радиальными гидростатическими подшипниками и системой гидравлической разгрузки соответственно. Страховочный подшипник при этом нагрузок не несет. Дополнительно радиальные гидростатические подшипники предохраняются от повреждения за счёт использования резервных подшипников скольжения, предотвращающих контакт вала и корпусов радиальных гидростатических подшипников, и имеющих рабочий зазор меньшей величины, чем в радиальном гидростатическом подшипнике.
Указанная совокупность признаков не является известной из уровня техники и проявляет новые свойства, заключающиеся в повышении ресурса опор ротора и снижении частоты остановок насоса на техническое обслуживание или ремонт, так как радиальные гидростатические подшипники фактически не подвержены износу, а страховочный шарикоподшипник работает под нагрузкой только на режимах пуска и останова насоса. Соответственно, он вырабатывает свой ресурс значительно позднее, чем при использовании шарикоподшипников в качестве основных опор, и при соблюдении условий эксплуатации не требует замены в течение всего срока службы насоса.
Полезная модель поясняется фиг. 1, фиг. 2а и фиг. 2б, где на фиг. 1 показан насос в разрезе, а на фиг. 2а и 2б - выносные виды подшипниковых узлов, показанных на фиг. 1.
Погружной насос для перекачивания низкотемпературных жидкостей 1 содержит подвод 2, расположенный в нижней части насоса 1, рабочие ступени 3а (последняя ступень) и 3, включающие рабочие колёса 4а (принадлежит первой ступени) и 4 и направляющие аппараты 5, причем указанные рабочие колеса располагаются на роторе 6, включающем также втулку 7, электродвигателя 8, расположенного в полости 9, таким образом, что перед рабочим колесом первой ступени 4а установлен шнек 10, и систему гидравлической разгрузки 11 осевой силы, включающую один или более автономный контур 12. Кроме того, насос 1 содержит корпус 12 подшипника и крышку 13 с выполненными в них каналами 14а и 14б и кольцевыми проточками 15а и 15б, и радиальные гидростатические подшипники 16а и 16б содержащие, в свою очередь, дроссели 17, установленные с применением разъемного соединения, камеры 18 и резервные подшипники 19а и 19б из антифрикционного материала, и образующие подшипниковые зазоры 20а и 20б, причем вышеуказанные резервные подшипники 19а и 19б формируют зазоры 21а и 21б соответственно меньшие, чем зазоры 20а и 20б. В крышке 12, кроме вышеперечисленного, присутствует страховочный подшипник 22 с установленной в нем конусной втулкой 23 с поверхностью, соответствующей втулке 7.
Полезная модель работает следующим образом.
Сжиженный газ поступает в насос 1, проходя через подвод 2. Напор сообщается перекачиваемой жидкости в рабочих ступенях 3а и 3 посредством шнека 10, рабочих колёс 4а и 4 и направляющих аппаратов 5 за счёт вращения ротора 6 в электродвигателе 8. Выброс сжиженного газа из насоса 1 с сообщённым ему напором осуществляется непосредственно с последней рабочей ступени 3а.
Часть сжиженного газа при работе насоса отбирается от основного потока через каналы 14а, 14б в корпусе 12 подшипника и крышке 13 насоса и поступает в соответствующие кольцевые проточки 15а и 15б. Далее сжиженный газ проходит через дроссели 17, установленные с применением разъемного соединения, в камеры 18, распределённые по внутренней поверхности радиальных гидростатических подшипников 16а и 16б, откуда поступает в подшипниковые зазоры 20а и 20б. Смещение ротора 6 от центрального положения изменяет распределение давлений в зазорах 20а и 20б, вызывая в зоне уменьшения зазора локальное повышение давления, возвращающее ротор 6 в исходное положение. Таким образом, в подшипниковых зазорах 20а и 20б в нормальных условиях всегда присутствует сплошная плёнка из перекачиваемого сжиженного газа, разделяющая поверхности ротора 6 и неподвижных элементов 16а, 16б, 19а и 19б. Затем поток жидкости из камер 18 направляется к периферийной части радиальных гидростатических подшипников 16а и 16б, где установлены резервные подшипники скольжения 19а и 197б, представляющие собой втулки, выполненные из антифрикционного материала и формирующие зазоры 21а и 21б, причем зазоры 21а и 21б имеют меньшую величину, чем зазоры 20а и 20б, обеспечиваемые радиальными гидростатическими подшипниками 16а и 16б, что в случае работы насоса на режимах пуска и останова приводит к износу легкозаменяемых резервных подшипников скольжения 19а и 19б и предохраняет технически более сложные радиальные гидростатические подшипники 16а и 16б соответственно. Далее сжиженный газ сбрасывается в полость 9 электродвигателя.
Для обеспечения работы системы гидравлической разгрузки 11 осевой силы происходит дополнительный отбор сжиженного газа после сообщения ему напора в последней ступени 3а. После прокачки через систему разгрузки 11 сжиженный газ также поступает в полость 9 электродвигателя. Жидкость из полости электродвигателя через автономный контур 12 возвращается на всас насоса 1.
При низких значениях напора, имеющих место при запуске насоса 1 и его останове, система гидравлической разгрузки осевой силы 11 неактивна и ротор 6 под действием силы тяжести находится в нижнем положении. В свою очередь в нижнем положении втулка 7 ротора 6 с конусной поверхностью находится в контакте с конусной втулкой 23, установленной в страховочном подшипнике 22. За счёт возникающей при их контакте плотной конусной посадки обеспечивается свободное вращение вала 6 в страховочном подшипнике 22.