НАСОС С СИСТЕМОЙ СМАЗКИ ПОДШИПНИКА
PUMP WITH BEARING LUBRICATION SYSTEM

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее описание относится к усовершенствованиям насосов. Более конкретно описание относится к роторным насосам динамического типа, содержащим одно или более рабочих колес, расположенных в корпусе, и включающих в себя подшипники, поддерживающие рабочие колеса с возможностью вращения в корпусе.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Роторные насосы динамического типа используются в различных сферах применения для передачи энергии технологической текучей среде посредством одного или более вращающихся рабочих колес.
[0003] Как известно специалистам в данной области, динамические насосы или роторные насосы динамического типа представляют собой устройства, в которых текучая среда находится под давлением за счет передачи кинетической энергии, обычно от вращающегося элемента, такого как рабочее колесо, к текучей среде, обрабатываемой посредством насоса.
[0004] Некоторые насосы предназначены для обработки многофазной текучей среды, содержащей жидкую фазу и газообразную фазу. Некоторые насосы включают в себя встроенные электрические двигатели, которые вращают каждое рабочее колесо и которые могут быть выполнены с возможностью управления скоростью вращения каждого рабочего колеса независимо от других рабочих колес насоса, например, для адаптации скорости вращения к фактическому соотношению газ/жидкость на каждой ступени насоса. Варианты осуществления многофазных насосов со встроенными электрическими двигателями описаны, например, в патенте США US2017/0159665.
[0005] Рабочие колеса насоса поддерживаются на неподвижном валу с помощью подшипников, например поликристаллических алмазных (ПКА) подшипников, которые снабжены сегментами подшипников, выполненными из синтетического алмаза или включающими его. Подшипники требуют непрерывной смазки для уменьшения трения и отвода тепла от них. Предусмотрены сложные контуры смазки подшипников для обеспечения циркуляции смазывающего вещества через подшипники рабочих колес насоса. Для обеспечения циркуляции смазывающей текучей среды в контуре смазки и через подшипники требуется внешний насос подачи смазывающего вещества. Контуры смазки усложняют роторные насосы динамического типа, увеличивают стоимость и размеры насосов и могут снижать доступность насоса, поскольку контур смазки и соответствующие насосы подачи смазочных веществ могут выходить из строя.
[0006] Таким образом, существует потребность в более простых и менее дорогих системах для смазки подшипников в насосе, в частности в роторном насосе динамического типа, со встроенными электрическими двигателями, обеспечивающими вращение рабочих колес.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] В соответствии с одним аспектом настоящего описания предложен роторный насос динамического типа, имеющий корпус, в котором размещены статорная часть и по меньшей мере одно рабочее колесо. Рабочее колесо поддерживается на по меньшей мере одном подшипнике для вращения в корпусе. Канал для технологической текучей среды проходит через статорную часть и рабочее колесо насоса. Дополнительно предусмотрен канал для смазки подшипника для обеспечения циркуляции потока текучей среды через подшипник. Небольшая часть основного потока технологической текучей среды отводится из канала для технологической текучей среды к подшипнику для целей смазывания и/или охлаждения подшипника.
[0008] Предусмотрен шнековый насос для обеспечения циркуляции текучей среды через подшипник. Шнековый насос образован неподвижной поверхностью, выполненной заедино со статорной частью роторного насоса динамического типа, и вращающимся шнеком, выполненным заедино с рабочим колесом роторного насоса динамического типа и вращающимся вместе с ним. Неподвижная поверхность и вращающийся шнек расположены соосно друг другу и обращены друг к другу с образованием шнекового насоса.
[0009] Шнековый насос соединен по текучей среде с каналом для технологической текучей среды и с каналом для смазки подшипника таким образом, что вращение рабочего колеса приводит к перенаправлению небольшой части потока технологической текучей среды из основного канала для технологической текучей среды в канал для смазки подшипника через подшипник и обратно в основной канал для технологической текучей среды.
[0010] В вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, шнековый насос может включать в себя две или более секций шнекового насоса, каждая из которых включает в себя участок неподвижной поверхности, выполненный заедино со статорной частью насоса, и участок вращающегося шнека, выполненный заедино с рабочим колесом и вращающийся вместе с ним. Например, секция шнекового насоса может быть расположена на впускном отверстии канала для смазки подшипника, а дополнительная секция шнекового насоса может быть расположена на выпускном отверстии канала для смазки подшипника. Впускное отверстие и выпускное отверстие канала для смазки подшипника могут быть сформированы кольцевыми зазорами между рабочим колесом и статорной частью насоса. Впускной зазор может быть расположен ниже по потоку от рабочего колеса, а выпускной зазор может быть расположен выше по потоку от рабочего колеса. В настоящем документе термины «выше по потоку» и «ниже по потоку» относятся к направлению потока технологической текучей среды.
[0011] Секции шнекового насоса заменяют обычные системы герметизации вдоль зазоров между вращающимся рабочим колесом и статорной частью насоса. Таким образом, шнековый насос обеспечивает контролируемый поток текучей среды из впускного зазора по каналу для смазки подшипника и обратно в основной канал для технологической текучей среды через выпускной зазор.
[0012] В некоторых вариантах осуществления неподвижная поверхность может быть гладкой, например, может включать в себя гладкую цилиндрическую поверхность. В других вариантах осуществления неподвижная поверхность может быть образована в виде неподвижного шнека, т.е. может обладать признаками шнекового профиля. В одном и том же насосе сочетание неподвижных гладких цилиндрических поверхностей и неподвижных шнековых поверхностей может использоваться в разных секциях одного и того же шнекового насоса.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0013] Описанные варианты осуществления изобретения и многие сопутствующие ему преимущества можно более полно оценить и понять в ходе изучения следующего подробного описания, рассматриваемого в связи с прилагаемыми чертежами, причем:
на Фиг. 1 представлен вид в поперечном сечении многоступенчатого роторного насоса динамического типа, включающего в себя встроенные электрические двигатели для приведения в действие рабочих колес насоса;
на Фиг. 2 представлен увеличенный вид одного рабочего колеса насоса, изображенного на Фиг. 1, и соответствующего контура смазки подшипника; и
на Фиг. 3 представлено увеличенное изображение, аналогичное Фиг. 2 во втором варианте осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0014] Была разработана новая и полезная система смазки для улучшения смазки и охлаждения подшипников в роторном насосе динамического типа. В системе смазки подшипника используется та же самая текучая среда, перекачиваемая роторным насосом динамического типа, для смазывания и охлаждения подшипника рабочего колеса. Это может быть особенно полезно в случае с насосами для нефтегазовой промышленности, где технологическая текучая среда содержит смесь углеводородов и которая может содержать многофазную (жидкость/газ) смесь углеводородов. Система смазки может содержать канал для смазки каждого подшипника. Небольшая часть технологической текучей среды, перекачиваемой рабочим колесом, отводится от потока технологической текучей среды и используется для смазывания и охлаждения подшипника. Отведенная текучая среда направляется по каналу для смазывающего вещества и протекает через подшипник, в частности между вращающимся и неподвижным элементами подшипника, уменьшая таким образом трение между неподвижным компонентом и вращающимся компонентом и охлаждая подшипник.
[0015] Боковой поток технологической текучей среды, используемый для смазки подшипника, прокачивается по каналу для смазки подшипника с помощью нагнетательного насоса, образованного рабочим колесом и статорной частью, взаимодействующей с рабочим колесом. В частности, в вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, нагнетательный насос представляет собой шнековый насос, образованный одним или более шнеками, размещенными в зазорах между рабочим колесом и статорной частью насоса.
[0016] Шнековые насосы способствуют протеканию технологической текучей среды через подшипник (-и) для охлаждения и смазывания, а также могут способствовать удалению твердых загрязнителей из полости, в которой находится (-ятся) подшипник (-и).
[0017] Как показано на Фиг. 1, роторный насос 1 динамического типа содержит корпус 3 и расположенный в нем неподвижный вал 5. Насос может содержать множество ступеней 7. Каждая ступень 7 насоса содержит соответствующее рабочее колесо 9, которое поддерживается с возможностью вращения на валу 5 и взаимодействует со статорной частью 11, т.е. с невращающимся неподвижным компонентом насоса.
[0018] Как показано на Фиг. 2 и на Фиг. 1, каждое рабочее колесо 9 содержит дискообразное тело 12 и множество лопастей 13, распределенных кольцеобразно вокруг оси вращения A-A. Канал 15 для технологической текучей среды проходит через лопастной участок каждого рабочего колеса 9. Механическая энергия, генерируемая встроенными электрическими двигателями, как описано ниже, вращает рабочие колеса 9, которые передают энергию технологической текучей среде по каналу 15 для технологической текучей среды для повышения давления текучей среды.
[0019] В примере осуществления, показанном на Фиг. 1 и 2, каждое рабочее колесо 9 содержит кожух 17. Каждое рабочее колесо 9 приводится во вращение соответствующим электрическим двигателем 18, расположенным в корпусе 3. Каждый электрический двигатель 18 включает в себя ротор 19, размещенный вокруг кожуха 17 и вращающийся с рабочим колесом 9, а также статор 21, окружающий ротор 19 и неподвижно установленный в корпусе 3.
[0020] Каждое рабочее колесо 9 поддерживается на неподвижном валу 5 посредством соответствующего подшипника 31, например, ПКА (поликристаллического алмазного) подшипника. Каждый подшипник 31 размещен вдоль канала 33 для смазки подшипника, образованного между статорной частью 11 и рабочим колесом 9. Более конкретно каждый канал 33 для смазки подшипника проходит от впускного отверстия 33A до выпускного отверстия 33B. Оба из впускного отверстия 33A и выпускного отверстия 33B образованы соответствующим кольцевым зазором, проходящим вокруг оси вращения A-A рабочего колеса 9. Каждый кольцевой зазор образован между соответствующим рабочим колесом 9 и статорной частью 11.
[0021] На впускном зазоре 33A и выпускном зазоре 33B канала 33 для смазки подшипника предусмотрен шнековый насос, который обеспечивает циркуляцию части технологической текучей среды, отведенной из канала 15 для технологической текучей среды ниже по потоку от рабочего колеса 9, по каналу 33 для смазки подшипника, через подшипник 31 и обратно в канал для технологической текучей среды выше по потоку от рабочего колеса 9.
[0022] Более конкретно в варианте осуществления, показанном на Фиг. 1 и 2, шнековый насос содержит первую секцию 41A шнекового насоса на впускном зазоре 33A канала 33 для смазки подшипника и вторую секцию 41B шнекового насоса на выпускном зазоре 33B канала 33 для смазки подшипника. Две секции 41A, 41B шнекового насоса заменяют системы герметизации, обычно используемые для герметизации подшипника 31 рабочего колеса 9 от канала для технологической текучей среды. Более подробно в варианте осуществления, показанном на Фиг. 1 и 2, первая секция 41A шнекового насоса содержит вращающийся шнек 43A, образованный на по существу цилиндрической поверхности рабочего колеса 9. Вращающийся шнек 43A обращен к неподвижному шнеку 45A, образованному на по существу цилиндрической поверхности статорной части 11. Аналогичным образом, вторая секция 41B шнекового насоса содержит вращающийся шнек 43B, образованный на по существу цилиндрической поверхности рабочего колеса 9. Вращающийся шнек 43B обращен к неподвижному шнеку 45B, образованному на по существу цилиндрической поверхности статорной части 11.
[0023] Таким образом, каждая секция шнекового насоса состоит из двух противостоящих шнеков, неподвижного и вращающегося. В других, в настоящем менее предпочтительных и менее эффективных вариантах осуществления каждая секция шнекового насоса может содержать один шнек, взаимодействующий с гладкой цилиндрической поверхностью, как будет более подробно описано ниже.
[0024] При вращении рабочего колеса 9 противостоящие шнеки 43A, 45A и 43B, 45B вытесняют часть технологической текучей среды из канала 15 для технологической текучей среды в канал 33 для смазки подшипника. Таким образом, небольшая контролируемая часть потока технологической текучей среды отводится из основного канала для технологической текучей среды и используется для смазывания подшипника 31, который расположен вдоль канала для смазки подшипника. В дополнение к смазывающему эффекту отведенный поток технологической текучей среды также может отводить образующееся при трении тепло от подшипника 31, таким образом охлаждая подшипник 31 и предотвращая его перегрев. Форма противостоящих шнеков 43A, 45A и 43B, 45B такова, что только небольшое контролируемое количество технологической текучей среды отводится из основного канала и проходит через соответствующий подшипник 31.
[0025] Поскольку кольцевой впускной зазор 33A канала 33 для смазки подшипника размещен ниже по потоку от рабочего колеса 9, а кольцевой выпускной зазор 33B указанного канала 33 размещен выше по потоку от рабочего колеса 9, разность давлений между нижней по потоку стороной и верхней по потоку стороной рабочего колеса 9 используется в сочетании с насосным действием шнекового насоса для обеспечения прохождения потока текучей среды по каналу 33 для смазки подшипника и через подшипник 31. Совокупный перепад давлений между нижней по потоку и верхней по потоку сторонами рабочего колеса 9 и нагнетательное действие шнекового насоса нивелируют потери давления смазывающей текучей среды, проходящей по каналу 33 для смазки подшипника и через отверстие между вращающейся частью 31A и неподвижной частью 31B подшипника 31.
[0026] Наличие двух секций 41A, 41B шнекового насоса на впускном зазоре 33A и на выпускном зазоре 33B канала 33 для смазки подшипника позволяет получить эффективный и сбалансированный поток текучей среды. В других, менее предпочтительных на сегодняшний день вариантах осуществления шнековый насос может включать в себя одну секцию насоса, например, только впускную секцию 41A шнекового насоса или выпускную секцию 41B шнекового насоса. Использование двух секций шнекового насоса на обоих концах канала 33 для смазки подшипника обеспечивает более сбалансированный поток смазывающего вещества в сочетании с лучшим контролем фактической скорости потока через впускной зазор 33A и выпускной зазор 33B.
[0027] В некоторых вариантах осуществления в подшипнике 31 может быть предусмотрена дополнительная секция 41C шнекового насоса. Более конкретно вращающийся шнек 43C может быть предусмотрен на внутренней цилиндрической поверхности вращающегося элемента 31A подшипника 31, и неподвижный шнек 45C может быть предусмотрен на внешней цилиндрической поверхности неподвижного элемента 31B подшипника 31. Противостоящие шнеки 43C, 45C образуют третью секцию шнекового насоса и облегчают циркуляцию смазывающей технологической текучей среды, проходящей через подшипник 31. В других, менее преимущественных на сегодняшний день вариантах осуществления может обходиться без одного или другого из внутренних цилиндрических поверхностей вращающегося элемента 31A подшипника и внешней цилиндрической поверхности неподвижного элемента 31B подшипника. Система с двумя противостоящими шнеками, как показано на Фиг. 1 и 2, обеспечивает более эффективное прокачивание технологической текучей среды по каналу 33 для смазки подшипника.
[0028] В варианте осуществления, показанном на Фиг. 1 и 2, каждый подшипник 31 представляет собой подшипник ПКА, содержащий радиальные сегменты 51A подшипника на вращающемся элементе 31A и радиальные сегменты 51B подшипника на неподвижном элементе 31B. Шнеки 43C, 45C могут быть расположены между сегментами 51A, 51B подшипника. Каждый подшипник 31 может дополнительно включать в себя осевые сегменты 53A подшипника на вращающемся элементе 31A подшипника и осевые сегменты 53B подшипника на неподвижном элементе подшипника или на статорной части 11 насоса 1.
[0029] В процессе эксплуатации рабочие колеса 9 приводятся во вращение соответствующими электрическими двигателями 18. Технологическая текучая среда перекачивается по каналу 15 для технологической текучей среды с помощью рабочих колес 9 с ростом давления от самого верхнего по потоку к самому нижнему по потоку рабочему колесу. В зазоре 33A, расположенном ниже по потоку от каждого рабочего колеса 9, небольшая часть потока технологической текучей среды отводится от основного потока с помощью секции 41A шнекового насоса и перекачивается в канал 33 для смазки подшипника через подшипник 31 и окончательно выводится из канала 33 для смазки подшипника через секцию 41B шнекового насоса и возвращается в основной канал 15 для технологической текучей среды через выпускной зазор 33B. При наличии секция 41C шнекового насоса способствует перемещению смазывающей технологической текучей среды по подшипнику 31.
[0030] Таким образом, новую систему смазки подшипника получают путем замены обычных уплотнений между рабочими колесами 9 и статорной частью 11 насоса секциями 41A, 41B шнекового насоса. Шнековый насос, размещенный смежно с зазорами 33A, 33B, которые создают соединение по текучей среде канала 33 для смазки подшипника с основным каналом 15 для технологической текучей среды, обеспечивают контролируемую скорость потока технологической текучей среды через подшипники 31 для смазывания и охлаждения. Таким образом обеспечивается эффективное смазывание и охлаждение подшипников 31 без необходимости использования специального трубопровода для смазывающего вещества и внешних насосов для подачи смазывающего вещества. Смазывающее вещество перекачивается через подшипники рабочими колесами 9 роторного насоса динамического типа с помощью нагнетательных насосов, образованных секциями шнекового насоса на каждом зазоре 33A, 33B.
[0031] На Фиг. 3 представлено увеличенное изображение, аналогичное Фиг. 2, дополнительного варианта осуществления насоса в соответствии с настоящим описанием. Одни и те же элементы, детали или компоненты, уже показанные на Фиг. 1 и 2 и описанные выше, обозначены одинаковыми ссылочными номерами и не описаны повторно. Основное различие между вариантом осуществления, показанным на Фиг. 3, и вариантом осуществления, показанным на Фиг. 2, заключается в том, что каждый шнековый профиль 43A, 43B и 43C, предусмотренный на вращающемся рабочем колесе 9, обращен к гладкой противоположной цилиндрической поверхности, а не к противоположному шнековому профилю. Таким образом, в этом варианте осуществления каждая секция шнекового насоса представляет собой секцию одношнекового насоса.
[0032] В дополнительных вариантах осуществления, которые не показаны, допускается сочетание вариантов осуществления, показанных на Фиг. 2 и 3.
[0033] Хотя изобретение описано с точки зрения различных конкретных вариантов осуществления, специалистам в данной области будет очевидно, что возможны многие модификации, изменения и исключения без отступления от сущности и объема формулы изобретения. Кроме того, если не указано иное, порядок или последовательность любых этапов процесса или способа можно варьировать или переупорядочивать в соответствии с альтернативными вариантами осуществления.