МАГИСТРАЛЬНЫЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ОДНОСТУПЕНЧАТЫЙ НАСОС ДВУХСТОРОННЕГО ВХОДА

Полезная модель относится к нефтяным магистральным насосам и может быть использована для перекачки нефти по магистральным трубопроводом, а также в других отраслях промышленности для перекачки различных жидкостей.
Нефтяные магистральные насосы имеют, как правило, большую мощность и, соответственно, потребляют много энергии. Отсюда даже незначительное повышение КПД насоса на 1,0-1,5% может давать существенный экономический эффект. Кроме того, указанные насосы должны обладать высокой надежностью, поскольку простой магистрального оборудования связан с большими экономическими потерями. Вследствие этого возникает необходимость в повышении КПД и эксплуатационной надежности насоса, а также в увеличении его срока службы.
Известен горизонтальный центробежный одноступенчатый насос с рабочим колесом двухстороннего входа, предназначенный для подачи воды в системах водоснабжения и охлаждения АЭС (патент RU 99547, приоритет от 31.03.2010). Насос содержит корпус, полуспиральный подвод и спиральный отвод, рабочее колесо двустороннего входа с щелевыми уплотнениями, установленное на валу, опирающемся на подшипники качения, и торцевые уплотнения вала. Данный насос позволяет снизить утечки перекачиваемой воды, но не минимизирует их в достаточной степени и не предназначен для использования в качестве магистральных нефтяных насосов.
Известен горизонтальный центробежный одноступенчатый насос с рабочим колесом двухстороннего входа, предназначенный для транспортирования по магистральным трубопроводам нефти (патент RU 106680, приоритет от 26.10.2010). Насос содержит корпус, полуспиральный подвод и спиральный отвод, рабочее колесо двустороннего входа с щелевыми уплотнениями, установленное на валу, опирающимся на подшипники качения, и торцевые уплотнения вала. Для уменьшения гидравлических потерей и снижения протечек перекачиваемой среды при аварийном разрушении пары трения торцевых уплотнений вала механические торцевые упорные подшипники выполнены патронного типа с дополнительным уплотнением со стороны атмосферы, имеющим возможность радиального перемещения в корпусной детали, а сдвоенные радиально-упорные подшипники установлены с зазором между наружной обоймой и корпусом подшипника. Использование указанных и ряда других технических решений позволяет увеличить экономичность, надежность и долговечность насоса, но не позволяет повысить объемный КПД насоса.
2
Наиболее близким аналогом к заявленному насосу, выбранным в качестве прототипа, является магистральный горизонтальный центробежный одноступенчатый насос двухстороннего входа, содержащий корпус с двумя полуспиральными подводами и двухспиральным отводом, вал, установленный в подшипниках качения, закрепленных на консольных опорах снаружи корпуса, торцевые уплотнения вала и установленное на валу лопастное рабочее колесо с щелевыми уплотнениями (патент RU 2484305, приоритет от 09.12.2011). Рабочее колесо, опорные подшипники и торцевые уплотнения вала закреплены на валу посредством цанговых зажимных устройств. При этом вал установлен в подшипниках качения двух типов: сферического двухрядного роликового подшипника и «плавающего» тороидального роликоподшипника. Как следует из описания патента (стр. 5 описания, Фиг. 4) в конструкции насоса использовано щелевое уплотнение рабочего колеса. Указанные уплотнения относятся к наиболее простым и надежным типам уплотнений, применяемых для уменьшения перетекания жидкости из области повышенного давления в область всасывания с внешней стороны рабочего колеса. Однако щелевые уплотнения применяют в основном в низконапорных насосах, т.к. они удовлетворительно работают при давлениях до 50 кгс/см. При больших давлениях более эффективно применение торцевых уплотнений рабочего колеса, однако они обладают слишком большой чувствительностью к твердым частицам, содержащимся в перекачиваемой жидкости, что вызывает быстрый износ уплотнений и необходимость их замены. Данная конструкция насоса позволяет повысить КПД и надежность насоса за счет уменьшения вибраций вала, сохранения постоянства размеров осевых зазоров вала и рабочего колеса относительно корпуса, щелевых уплотнений рабочего колеса и посадочных отверстий для подшипниковых узлов, но не позволяет минимизировать уменьшение объемного КПД насоса за счет перетекания жидкости из области повышенного давления в область всасывания с внешней стороны рабочего колеса.
Технической задачей заявленной полезной модели является повышение КПД и надежности насоса за счет минимизации перетекания жидкости из области повышенного давления в область всасывания с внешней стороны рабочего колеса.
Поставленная задача решается тем, что в известном магистральном горизонтальном центробежном одноступенчатом насосе двухстороннего входа, содержащим корпус с двумя полуспиральными подводами и двухспиральным отводом, вал, установленный в подшипниках качения, закрепленных на консольных опорах снаружи корпуса, торцевые уплотнения вала и установленное на валу лопастное рабочее колесо с щелевыми уплотнениями, при этом рабочее колесо, опорные подшипники и торцевые уплотнения вала установлены на валу посредством цанговых зажимных устройств, новым является то, что уплотнение рабочего колеса выполнено комбинированным и включает две фасонные втулки, одна из которых неподвижно закреплена на рабочем колесе и выполнена со ступенчатым уменьшением внутреннего диаметра, а другая выполнена подпружиненной и установлена на внутренней поверхности корпуса посредством шпилек с возможностью смещения в осевом направления для создания пары трения с втулкой, закрепленной на рабочем колесе, и образования неразгруженного торцевого уплотнения рабочего колеса, при этом внешняя и внутренняя поверхность втулки, установленной на рабочем колесе, совместно с внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью втулки, установленной на внутренней поверхности корпуса, образуют двухщелевое уплотнение рабочего колеса, расположенное перед обращенными друг к другу торцевыми поверхностями втулок, на каждой из которых закреплены контактирующие друг с другом кольца пары трения.
Выполнение уплотнения рабочего колеса комбинированным, в виде последовательно расположенных между областью повышенного давления и областью всасывания с внешней стороны рабочего колеса, двухщелевого уплотнения рабочего колеса и торцевого уплотнения позволяет минимизировать перетекание жидкости между указанными областями и повысить объемный КПД насоса, а также увеличить надежность торцевого уплотнения и, соответственно, насоса.
Наличие двухщелевого уплотнения рабочего колеса позволяет увеличить длину щели и, соответственно, уменьшить напор в щели и вероятность попадания абразивных частиц в зону контакта колец пары трения торцевого уплотнения, а также обеспечить защиту торцевого уплотнения в случае резкого повышения давления на выходе рабочего колеса, т.е. функционировать в качестве гидравлического демпфера.
Выполнение уплотнения рабочего колеса в виде двух фасонных втулок, одна из которых неподвижно закреплена на рабочем колесе и выполнена со ступенчатым уменьшением внутреннего диаметра, а другая выполнена подпружиненной и установлена на внутренней поверхности корпуса посредством шпилек с возможностью смещения в осевом направления для создания пары трения с втулкой, закрепленной на рабочем колесе, и образования неразгруженного торцевого уплотнения рабочего колеса, при этом внешняя и внутренняя поверхность втулки, установленной на рабочем колесе, совместно с внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью втулки, установленной на внутренней поверхности корпуса, образуют двухщелевое уплотнение рабочего колеса, позволяет упростить конструкцию комбинированного уплотнения за счет использования многофункциональных элементов и обеспечить постоянство размеров осевых зазоров рабочего колеса относительно корпуса и щелевых уплотнений рабочего колеса.
Сущность настоящей полезной модели иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг. 1 - общий боковой разрез насоса;
Фиг. 2 - вид проточной части насоса в продольном сечении;
Фиг. 3 - комбинированное уплотнение рабочего колеса, вид А;
Фиг. 4 - комбинированное уплотнение рабочего колеса, вид Б;
Магистральный горизонтальный центробежный одноступенчатый насос двухстороннего входа, содержит корпус 1 с двумя полуспиральными подводами 2 и двухспиральным отводом 3, вал 4, установленный в подшипниках качения 5, закрепленных на консольных опорах 6 снаружи корпуса 1, торцевые уплотнения 7 вала 4 и установленное на валу лопастное рабочее колесо 8 с комбинированными уплотнениями 9. Рабочее колесо 8, опорные подшипники 5 и торцевые уплотнения 7 вала 4 установлены на валу посредством цанговых зажимных устройств 10. При этом посадочные отверстия под опорные подшипники 5, торцевые уплотнения 7, и комбинированные уплотнения 9 расточены с одного установа борштанги на расточном станке. Комбинированное уплотнения 9 включает две фасонные втулки 11, 12, одна из которых 11 неподвижно закреплена на рабочем колесе 8 и выполнена со ступенчатым уменьшением внутреннего диаметра, а другая 12 выполнена подпружиненной. Пружины 13 равномерно размещены по периметру втулки 12. Втулка 12 установлена на внутренней поверхности корпуса 1 посредством шпилек 14 с возможностью смещения в осевом направления для создания пары трения с втулкой И, закрепленной на рабочем колесе 8, и образования неразгруженного торцевого уплотнения 15 рабочего колеса 8, при этом внешняя и внутренняя поверхность втулки 11, установленной на рабочем колесе 8, совместно с внутренней поверхностью корпуса 1 и внешней поверхностью втулки 12, установленной на внутренней поверхности корпуса 1, образуют двухщелевое уплотнение 16 рабочего колеса 8, расположенное перед обращенными друг к другу торцевыми поверхностями втулок 11, 12, на каждой из которых закреплены контактирующие друг с другом кольца 17, 18 пары трения. Уплотнение неподвижных относительно друг друга деталей уплотнения 9 осуществляется с помощью уплотнительных резиновых колец круглого сечения 19. Для образования гидравлически неразгруженного торцевого уплотнения размеры втулки 12 и контактных поверхностей колец 17, 18 подбирают таким образом, чтобы коэффициент уравновешивания К, определяемый из соотношения
1
2
1
2
K=P/P=P/P, был ≥1, где:
K - коэффициент уравновешивания;
1
2
P - давление жидкости на аксиально подвижную втулку, кгс/см;
2
2
P - давление в контактной поверхности пары трения, кгс/см;
1
2
F - площадь аксиально подвижной втулки, подвергающейся давлению жидкости, мм;
2
2
F - площадь контактной поверхности пары трения, мм.
, где:
1
2
d, d - наружный и внутренний диаметры торцевой поверхности аксиально подвижной втулки, подвергающейся давлению жидкости, мм;
, где
н
вн
d, d, - наружный и внутренний диаметры контактной поверхности торцевого уплотнения, мм.
При этом, силу трения, ввиду ее незначительности, в данном расчете можно не учитывать. Также не учитывается действие пружины, поскольку уплотнение является гидравлически неразгруженным и усилие от действия пружины используется только в момент пуска и остановки насоса, т.е. не учитывается далее ввиду разгруженности пружины при подаче давления. При отсутствии давления в насосе пружины 13 прижимают аксиально подвижную втулку 12 к неподвижной втулке 11, установленной в рабочем колесе 8, и обеспечивают отсутствие перетекания жидкости через уплотнение 15. После подачи давления прижим обеспечивается за счет давления жидкости. Для обеспечения нормальной работы уплотнения 15 его параметры выбирают с учетом получения коэффициент уравновешивания в пределах K=1,1-1,2. Увеличение давления сверх указанных пределов не целесообразно, поскольку переток жидкости меняется незначительно, а увеличение контактного давления в области контактной поверхности колец 17, 18 приводят к повышенному тепловыделению и ускоренному износу уплотнения 15.
Применение предлагаемого магистрального горизонтального центробежного одноступенчатого насоса двухстороннего входа позволяет увеличить объемный КПД насоса на 1-2% и, соответственно, повысить суммарный КПД насоса, обеспечить высокую эксплуатационную надежность насоса, а также уменьшить издержки на его обслуживание и ремонт.