ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ОДНОСТУПЕНЧАТЫЙ НАСОС
CENTRIFUGAL SINGLE-STAGE PUMP

Изобретение относится к области гидромашиностроения, а именно к центробежным, одноступенчатым насосам для перекачивания жидкостей, используемых в тепловой и атомной энергетике, водоснабжении, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, нефтяном трубопроводном транспорте и других областях промышленности.
Известен центробежный одноступенчатый насос, содержащий корпус с полуспиральными каналами подвода рабочей жидкости к рабочему колесу и спиральным отводом из него и само рабочее колесо, выполненное двустороннего входа (патент №110808, опубл. 27.11.2011).
Центробежные насосы двухстороннего входа со спиральным отводом широко используется на магистральных трубопроводах, подтверждая собственную высокую экономичность и надежность при номинальных подачах. Вместе с тем, технология ввода в действие и эксплуатация магистральных трубопроводов требуют изменения подачи насосов. Так, на первом этапе эксплуатации перекачивание нефти зачастую проводится при подаче, составляющей менее половины от номинальной, а на втором этапе - примерно две трети от номинальной подачи. Для эффективной работы насоса установленное в нем рабочее колесо должно быть рассчитано на оптимальную подачу. В этой связи для обеспечения максимально эффективной работы насоса при его различных подачах рабочее колесо выполняется сменным. В существующих магистральных насосах предусмотрены основной и сменные роторы с рабочими колесами двустороннего входа (двухпоточные рабочие колеса). Так, например, при уменьшенных подачах в один и тот же корпус насоса устанавливается двухпоточное рабочее колесо меньшего размера, чем для номинальной подачи. Замена рабочих колес приводит к повышению экономичности и надежности по сравнению с работой насоса с основным ротором на этих режимах.
Вместе с тем, сменные двухпоточные рабочие колеса с параметрами, соответствующими коэффициенту быстроходности Ns менее 120, из-за сниженного теоретически возможного гидравлического КПД не обеспечивают достаточного повышения экономичности работы насоса.
Кроме того, для определенных условий работы насоса при его некоторых заданных параметрах требуется применение двухпоточных рабочих колес с очень низким коэффициентом быстроходности Ns. Вместе с тем, рабочие колеса с низким Ns имеют узкие проходные сечения каналов, что усложняет выполнение отливки колеса и требует применение дорогостоящих технологий. Также рабочие колеса с низким Ns имеют малый кпд.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение экономичности центробежного одноступенчатого насоса двухстороннего входа на магистральных трубопроводах, эксплуатируемого при низких подачах рабочей среды, за счет повышения КПД сменного рабочего колеса насоса.
Задача решается тем, что в центробежном одноступенчатом насосе, содержащем корпус с полуспиральными каналами подвода и спиральным каналом отвода рабочей жидкости и установленное в нем сменное рабочее колесо, последнее выполнено однопоточным с сообщением его проточной части только с одним из полуспиральных каналов подвода рабочей жидкости, причем в другом полуспиральном канале подвода рабочей жидкости установлен уплотняющий элемент, образующий вместе с корпусом щелевое уплотнение, симметричное щелевому уплотнению, образованному между покрывным диском рабочего колеса и корпусом, при этом за рабочим колесом установлено выходное направляющее устройство.
Уплотняющий элемент может быть выполнен в виде диска или в виде кольцевого пояска, соединенного с основным диском рабочего колеса, а выходное направляющее устройство может быть выполнено либо в виде лопаточного направляющего аппарата, например в виде двухканальной спиральной вставки, либо в виде безлопаточного диффузора. При этом либо уплотняющий элемент в виде диска, либо само рабочее колесо со стороны кольцевого пояска могут быть выполнены с разгрузочными отверстиями.
Выполнение сменного рабочего колеса однопоточным с сообщением его проточной части только с одним из полуспиральных каналов подвода рабочей жидкости, позволяет повысить КПД рабочего колеса, особенно с параметрами, соответствующими коэффициенту быстроходности, лежащему в диапазоне Ns=70÷120, за счет использования конструкции, наиболее оптимальной для данных условий работы насоса.
Установка в другом полуспиральном канале подвода рабочей жидкости уплотняющего элемента, образующего вместе с корпусом щелевое уплотнение, симметричное щелевому уплотнению, образованному между покрывным диском рабочего колеса и корпусом, позволяет организовать симметрично расположенные щелевые уплотнения, разгружающие ротор от остаточной осевой силы. Выполнение уплотняющего элемента возможно как в виде отдельной детали, преимущественно диска, так и в виде выполненного совместно с рабочим колесом кольцевого пояска. Выполнение разгрузочных отверстий на диске или на самом рабочем колесе также способствуют разгрузке ротора от остаточной осевой силы.
Установка за рабочим колесом выходного направляющего устройства позволяет минимизировать потери в рабочих характеристиках насоса (преобразование кинетической энергии в потенциальную с наименьшими потерями в отводе насоса) и произвести согласование потока на выходе из рабочего колеса.
В качестве выходного направляющего устройства может использоваться лопаточный направляющий аппарат(двухканальная спиральная вставка) или безлопаточный диффузор.
Изобретение поясняется графически, где на фиг. 1 представлен схематичный продольный разрез насоса с уплотняющим элементом в виде кольцевого пояска и с лопаточным направляющим аппаратом на выходе из рабочего колеса; на фиг. 2 представлен схематичный продольный разрез насоса с уплотняющим элементом в виде диска и с безлопаточным диффузором на выходе из рабочего колеса.
Центробежный одноступенчатый насос содержит корпус 1 с двумя каналами 2 и 3 подвода рабочей жидкости и спиральным каналом 4 отвода. В корпусе 1 установлен сменный ротор с рабочим колесом 5. Проточная часть рабочего колеса 5 сообщена только с одним из каналов подвода рабочей жидкости, например, каналом 2. В канале 3 установлен уплотняющий элемент 6, образующий вместе с корпусом (а именно с уплотнительным кольцом 7 в корпусе 1) щелевое уплотнение, которое является симметричным щелевому уплотнению, образованному между покрывным диском рабочего колеса 5 и корпусом 1 (а именно, уплотняющим кольцом 8 в корпусе 1). Уплотняющий элемент 6 может быть выполнен в виде кольцевого пояска (см. фиг. 1), который может быть выполнен вместе с основным диском рабочего колеса, как его элемент, или в виде диска (см. фиг. 2), выполненного в виде отдельной детали.
Однопоточное рабочее колесо 5 спроектировано таким образом, что обеспечивает согласование его выходной части со спиральным отводом 4. Для максимально эффективного преобразования энергии в отводе 4, в зависимости от требуемого напора, характеристик рабочего колеса одностороннего входа и конструктивных особенностей самого отвода 4, за рабочим колесом 5 установлено выходное направляющее устройство, которое может быть выполнено в виде лопаточного направляющего аппарата 9, например в виде двухканальной спиральной вставки (фиг. 1), сопрягающейся с языками спирального отвода 4 и обеспечивающей безударное течение потока во всем выходном канале без существенного снижения гидравлического напора. Выходное направляющее устройство может быть также выполнено в виде безлопаточного диффузора (фиг. 2), выполненного в виде дисков 10.
Поскольку изначально при номинальных подачах насоса в нем используется рабочее колесо двухстороннего входа корпус 1 насоса содержит два канала 2 и 3 подвода рабочей жидкости к рабочему колесу. При установке однопоточного рабочего колеса 5, сообщенного с каналом 2 подвода рабочей жидкости, во втором канале 3 устанавливается уплотняющий элемент 6 с целью образования симметричных щелевых уплотнений рабочего колеса насоса 5. Это позволяет разгрузить ротор от остаточной осевой силы. Разгрузке ротора также могут способствовать разгрузочные отверстия 11, выполненные на рабочем колесе 5 (фиг. 1).
3
Как известно, рабочие колеса имеют свой максимальный гидравлический КПД при коэффициенте быстроходности (Ns), находящемся в диапазоне диапазоне 120-180 (см. А.И. Степанов. Цетробежные и осевые насосы. Теория, конструирование и применение / А.И. Степанов [пер. с англ. инж. М.Я. Лейферова и к.т.н. М.В. Поликовского]; [под ред. д.т.н. проф. В.И. Поликовского]. - Москва, Гос. НТИ Машиностроительной л-ры, 1960, стр. 82, фиг. 1.5.). Таким образом, если требуемые параметры сменного ротора соответствуют коэффициенту быстроходности меньше 120, то КПД рабочего колеса падает, причем, чем меньше коэффициент быстроходности, тем меньше значение КПД. Кроме того, рабочие колеса с низким Ns имеют узкие проходные сечения каналов, что усложняет выполнение отливки колеса и требует применение дорогостоящих технологий. Так, например, для насоса с подачей - 650 м/ч, напором - 260 м и частотой вращения - 3000 об/мин. коэффициент быстроходности двухпоточного рабочего колеса составляет Ns=51. Коэффициент быстроходности однопоточного колеса для данных параметров значительно выше и входит в диапазон Ns=70÷120.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить экономичность работы центробежных насосов с двухсторонним входом, использующих на номинальных режимах своей работы двухпоточные рабочие колеса, на режимах со сниженной подачей, за счет обеспечения возможности установки на данных режимах работы насоса однопоточного рабочего колеса.