ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РАЗГРУЗОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ЦЕНТРОБЕЖНОГО СЕКЦИОННОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО НАСОСА

Полезная модель относится к насосостроению, в частности к разгрузочным устройствам для уравновешивания осевых сил роторов многоступенчатых центробежных насосов системы подготовки и перекачки нефти.
В процессе работы центробежного секционного многоступенчатого насоса возникает действующее на рабочие колеса осевое усилие, которое смещает ротор агрегата в сторону всасывающего патрубка и может приводить к затиранию передних дисков рабочих колес о направляющие аппараты и отрицательно сказывается на работе насоса.
Известны многоступенчатые центробежные секционные насосы с узлом гидравлической разгрузки, содержащие крышку нагнетания, ротор, закрепленное на вращающемся разгрузочном диске подвижное разгрузочное кольцо и жестко закрепленное на корпусе насоса ответное кольцо разгрузки, образующие в совокупности разгрузочную камеру. При работе насоса часть перекачиваемой жидкости с последней ступени поступает в радиальную щель между втулкой разгрузки и дистанционной втулкой, затем попадает в разгрузочную камеру, создавая давление на подвижное разгрузочное кольцо и разгрузочный диск, заставляя смещаться в сторону нагнетания скрепленный с ним ротор. При смещении ротора в сторону нагнетания торцевая щель между разгрузочными кольцами увеличивается, а давление в разгрузочной камере снижается до тех пор, пока давление жидкости в камере разгрузки не уравновесит осевое усилие ротора, действующее в сторону всасывающего патрубка [А.с. №1523740 СССР, МПК F04D 29/04 Способ эксплуатации центробежного насоса, опубл. 23.11.1989, Бюл. №43].
Недостатком данного разгрузочного устройства у вышеописанных аналогов является возможная неточность изготовления посадочных поверхностей, которая обуславливает непараллельность плоских рабочих поверхностей взаимно контактируемых разгрузочных колец. При увеличенном торцевом зазоре между плоскостями на величину их перекоса возможно угловое касание рабочих поверхностей взаимно контактируемых разгрузочных колец со значительным удельным давлением и деформация рабочих плоскостей разгрузочных колец.
Известно гидравлическое разгрузочное устройство [А.с. №1492092 СССР, МПК F04D 29/04, Гидравлическое разгрузочное устройство, опубл. 07.07.1989, Бюл. №25], содержащее закрепленную на корпусе через упругое основание пяту и установленный на валу разгрузочный диск, образующий с пятой торцевой зазор во время работы насоса. Установка пяты на упорном основании обеспечивает равномерность торцевой щели в окружном направлении.
К недостаткам известного устройства следует отнести невозможность обеспечения стабильных свойств материала упругого основания при повышенных температурах во время работы устройства, имеющего место во время запуска насоса при недостаточном количестве перекачиваемой жидкости внутри насоса.
Известно гидравлическое разгрузочное устройство с податливым упорным кольцом, содержащее щелевой зазор, образованный выступами корпуса насоса и диска разгрузки [А.с. №1569435 СССР, МПК F04D 29/04, Гидравлическое разгрузочное устройство, опубл. 07.06.1990, Бюл. №21]. Сопряжение упругого кольца с жестким предохранительным кольцом образует выступ. Вследствие деформации упругого кольца торцевая щель принимает форму конфузора, увеличивая несущую способность узла гидравлической разгрузки. Предполагается, что в нерасчетных режимах работы насоса возможен контакт выступа разгрузочного диска с жестким предохранительным кольцом, что исключает работу упругого кольца в режиме сухого трения.
К недостаткам известного устройства следует отнести то, что данная система уравновешивания осевых сил ротора является неустойчивой из-за наличия в разгрузочной камере упругого элемента, который при работе устройства вызывает колебание торцевого зазора.
Для восприятия осевой нагрузки центробежного многоступенчатого секционного насоса может быть использовано разгрузочное устройство центробежного насоса для уравновешивания осевой силы, принятое в качестве прототипа [Пат. №2165038 РФ, МПК F04D 29/04 Разгрузочное устройство центробежного насоса для уравновешивания осевой силы, опубл. 10.04.2001, Бюл. №10]. Устройство содержит скрепленную с валом гидропяту и подпятник, закрепленный на корпусе насоса. На подпятнике и на гидропяте размещены дополнительные опорные поверхности в разгрузочной камере и уплотняющие поверхности торцевого щелевого уплотнения. Уплотняющие поверхности щелевого уплотнения отделены от дополнительных опорных поверхностей кольцевым каналом, сообщенным с открытым районом, а также с закрытыми и открытыми каналами. При номинальном режиме работы насоса между подпятником и гидропятой образуется саморегулируемый зазор. Из центральной части жидкость будет течь по кольцевому каналу, главным образом по открытым и закрытым каналам и выходить через зазор между уплотняющими поверхностями.
При переходных режимах работы устройство будет работать как частично разгруженный гидростатической силой опорный подшипник скольжения. Осевая нагрузка будет распределяться на дополнительные поверхности в разгрузочной камере и на уплотняющие поверхности. Наличие открытых каналов обеспечивает условие смачивания дополнительных поверхностей перекачиваемой жидкостью, что обеспечит их смазку и охлаждение.
Недостатком данного устройства является его низкие надежность и долговечность ввиду отсутствия на рабочей поверхности пяты скошенных под углом к плоской поверхности отдельных участков, что не позволит при переходных режимах создать клиновой захват и существенно снизить силу трения между контактирующими поверхностями, сведя потери мощности на трение к минимуму.
Задачей полезной модели является создание нового гидравлического разгрузочного устройства центробежного секционного многоступенчатого насоса с достижением следующего технического результата: повышение надежности и долговечности узла разгрузочного устройства центробежного секционного насоса при гидродинамическом режиме работы пар трения за счет образования смазочного клина между поверхностью подпятника и гидравлической пяты.
Технический результат, получаемый при использовании предлагаемой полезной модели, достигается обеспечением температурного режима работы устройства и снижением потерь на трение контактируемых поверхностей за счет обеспечения гидродинамического режима работы пар трения и предотвращения взаимодействия разгрузочных колец в режиме изнашивания схватыванием во время установки осевого разбега ротора.
Согласно предлагаемой полезной модели разгрузочное устройство центробежного многоступенчатого насоса для уравновешивания осевой силы ротора включает 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. Новым является то, что рабочая торцевая поверхность ответного разгрузочного кольца выполнена в виде отдельных скошенных участков рабочей поверхности с образованием клинового зазора между подвижной и неподвижной частями устройства. Причем рабочая поверхность ответного разгрузочного кольца разделена радиальными канавками и скосами под углом к плоской поверхности, обеспечивающими в опоре непрерывно возобновляемый смазочный слой.
Установка клинового зазора между подвижной и неподвижной частями устройства позволяет создать в опоре непрерывно возобновляемый смазочный слой, а также обеспечить требуемую несущую способность и полноценное охлаждение разгрузочного устройства. Смазочный клин из перекачиваемой нефтяной эмульсии образуется посредством разделения рабочей поверхности неподвижного кольца радиальными канавками и скоса отдельных ее частей. Образование гидродинамического давления в клиновом зазоре происходит за счет увлечения нефтяной эмульсии в данный зазор при относительном движении поверхностей трения колец разгрузочного узла, за счет этого повышается надежность и долговечность.
На фиг.1 изображен продольный разрез разгрузочного устройства, на фиг.2 - сечение А-А, на фиг.3 - сечение Б-Б.
На фиг.1 изображено разгрузочное устройство, состоящее из корпуса 1 гидравлической машины с размещенным в нем валом 2. На валу закреплен разгрузочный диск 3 в сборе с подвижным разгрузочным кольцом 4 с плоской рабочей поверхностью. На напорной крышке насоса неподвижно закреплено ответное разгрузочное кольцо 5, рабочая поверхность которого разделена радиальными проточками и выполнена в виде плоских кольцевых секторов и отдельных скошенных участков рабочей поверхности. В корпусе напорной крышки запрессована втулка 6 разгрузки, образуя с установленной на валу насоса дистанционной втулкой 7 кольцевой зазор (радиальную щель) 8. Между рабочими поверхностями двух разгрузочных колец образуется клиновой зазор (торцевая щель) 9 с непрерывно возобновляемым смазочным слоем 10 гарантированной толщины между контактируемыми поверхностями разгрузочных колец. Внутренняя полость межкольцевого пространства образует разгрузочную камеру 11.
к
а
На фиг.2 представлено ответное разгрузочное кольцо 5, рабочая поверхность которого разделена радиальными канавками 12 шириной b и включает участки в виде плоских кольцевых секторов 13 длиной  и наклонные участки 14 длиной l, имеющие скосы под углом α от 2 до 3° к плоской поверхности (фиг.3).
Выполнение скосов под углом α в интервале от 2° до 3° к плоской поверхности является оптимальным, так как обеспечивает наилучший гидродинамический эффект.
Предлагаемое разгрузочное устройство работает следующим образом. При работе гидравлической машины часть перекачиваемой жидкости из последней ступени насоса через кольцевой зазор 8 между дистанционной втулкой 7 и втулкой разгрузки 6 поступает в разгрузочную камеру 11 (фиг.1). При движении вращающегося подвижного разгрузочного кольца 4 относительно неподвижного ответного разгрузочного кольца 5 поступающая нефтяная эмульсия по наклонным участкам рабочей поверхности ответного кольца 5 увлекается в радиальные канавки 12 (фиг.2), создавая в образуемом жидкостном клине гидродинамическое давление с обеспечением непрерывно возобновляемого смазочного слоя 10 гарантированной толщины, обеспечивающей работоспособность опоры. Давление перекачиваемой нефтяной эмульсии на подвижное кольцо 4 и разгрузочный диск 3 смещает ротор насоса в сторону нагнетания. При смещении ротора в сторону нагнетания клиновой зазор 9 между кольцами 4 и 5 увеличивается, а давление в разгрузочной камере 11 снижается до тех пор, пока создаваемое им усилие не уравновесится действующим в сторону всасывания осевым усилием. Работа устройства в этом случае аналогична работе прототипа.
При переходных режимах работы насоса, когда величина осевой силы превышает величину силы давления в разгрузочной камере, и плоские участки 13 рабочих поверхностей неподвижного кольца 5 соприкасаются с рабочей поверхностью подвижного кольца 4, устройство будет частично разгружено гидростатическим давлением, образуемым установкой непрерывно возобновляемого смазочного слоя между взаимодействующими поверхностями. Благодаря радиальным проточкам 12 и скошенным под углом к плоской поверхности участкам 14 рабочие поверхности разгрузочных колец будут работать в режиме жидкостного трения, что обеспечит их полноценную смазку и охлаждение.