ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС
CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в центробежных насосах для перекачки маловязких жидкостей.
Известен многоступенчатый центробежный насос, состоящий из корпусных деталей с приемным и выходным патрубками; корпусов подшипников; ротора с рабочими колесами одностороннего входа, установленными на вал, опирающийся на два подшипника и имеющий цапфу под полумуфту привода мощности; секций с направляющими аппаратами и запрессованными в них кольцами щелевых уплотнений рабочих колес; устройства гидроразгрузки и концевых уплотнений (Малюшенко В.В., Михайлов А.К. - Энергетические насосы: Справочное пособие. - М.: Энергоиздат, 1981. - 200 с. - С.65-70.).
Основным недостатком известного центробежного насоса является низкий коэффициент полезного действия (КПД), во многом обусловленный большими зазорами в щелевых уплотнениях рабочих колес.
Известен центробежный насос с самоуплотняющимися рабочими колесами. Насос содержит приводной вал, лопастное рабочее колесо со ступицами, уплотняющие поверхности которых контактируют с эластичными кольцами, застопоренными от проворота в корпусе насоса. Каждое эластичное кольцо установлено с возможностью перемещения в радиальном направлении относительно корпуса насоса и прижатия с минимальным зазором к поверхности ступицы под действием сил, образованных перепадом давления, создаваемого колесом при работе насоса. Внутренняя поверхность каждого эластичного кольца в средней части выполнена с равномерно расположенными по окружности выемками, обеспечивающими при вращении колеса формирование гидродинамического клина между поверхностью эластичного кольца и цилиндрической поверхностью ступицы колеса. Такая конструкция обеспечивает самоуплотнение рабочего колеса и существенно повышает КПД насоса. (Патент RU №2196254).
Недостатком известного насоса является то, что уплотнение требует применения высокопрочных и износостойких эластичных материалов с низким коэффициентом трения и не применимо для высоконапорных насосов.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбран многоступенчатый центробежный насос, включающий:
крышку входную с приемным патрубком и опорными лапами;
крышку напорную с выходным патрубком, опорными лапами, втулкой разгрузки и кольцом гидропяты;
передний и задний корпуса подшипников, концевые уплотнения;
ротор с рабочими колесами одностороннего входа и шпонками передачи крутящего момента, втулками межступенчатых уплотнений, втулкой дистанционной и диском гидропяты, установленных и закрепленных гайкой на валу, который опирается на подшипники и имеет цапфу под полумуфту привода мощности;
корпуса секций и направляющих аппаратов с установленными в них кольцами щелевых уплотнений рабочих колес, из них
межступенчатое уплотнение рабочих колес, имеющее неподвижное с упорным буртиком кольцо, запрессованное в корпус;
переднее уплотнение рабочих колес - плавающего типа, имеющее подвижное кольцо с упорным буртиком и канавкой с резиновым уплотнительным кольцом со стороны опорного торца, установленное в корпусе, при этом подвижное кольцо поджато в осевом и зафиксировано в окружном направлениях шпонками, вставленными в пазы с внешней стороны буртика подвижного кольца и корпусной детали и приваренными к корпусу (0301.00.00.000 ТУ. Насосы центробежные секционные ЦНС 180-1080…1920 УХЛ4 и агрегаты на их основе; 0301.00.00.000 РЭ. Насосы центробежные секционные ЦНС 180-1080…1920 УХЛ4 и агрегаты на их основе. Руководство по эксплуатации).
После сборки плавающих уплотнений обеспечивается возможность перемещения подвижных колец в плоскости вращения. При этом на шпонки, фиксирующие подвижные кольца плавающих уплотнений, воздействует значительное отрывающее от корпуса усилие со стороны резинового кольца, которое должно быть поджато согласно нормативным требованиям ГОСТ 9833-73 в целях обеспечения герметичности стыка. Поэтому качество сварки стыка шпонки по корпусу тщательно контролируется. Радиальный зазор в передних щелевых уплотнениях плавающего типа получают в пределах 0,08…0,11 мм, в межступенчатых уплотнениях - в пределах 0,2…0,25 мм.
Втулки межступенчатых уплотнений, установленные на валу между рабочими колесами, имеют шпоночный паз под шпонки рабочих колес и гладкую поверхность проточной части и торцевых поверхностей.
Для изготовления втулок и колец межступенчатых уплотнений, а также подвижных колец передних уплотнений и ответных поверхностей рабочих колес используются износостойкие стали.
При работе многоступенчатых центробежных насосов перепад давления на щелевых уплотнениях способствует прижатию подвижных колец передних уплотнений по упорному фланцу и колец межступенчатых уплотнений по буртику к корпусным деталям, при этом межступенчатые щелевые уплотнения могут выполнять функции промежуточных опор для гибких валов.
На начальном этапе эксплуатации в процессе приработки имеет место интенсивный износ различных деталей насоса, в том числе дросселирующих поверхностей межступенчатых щелевых уплотнений, в результате чего за небольшой промежуток времени эксплуатации происходит падение КПД насоса. Дросселирующие поверхности передних плавающих уплотнений изнашиваются в значительно меньшей степени.
Недостатками прототипа являются:
- применение сварки для крепления шпонок фиксации подвижного кольца в непосредственной близости от резинового уплотнительного кольца отрицательно влияет на эластичные свойства резины, и, как следствие, ухудшаются герметичность и ресурс уплотнения плавающих щелевых уплотнений, снижается демпфирующий эффект от установки резинового кольца на торцевом стыке;
- невозможность контроля состояния материала резинового уплотнительного кольца после сварки, организационные и технические сложности проведения испытания на герметичность каждого собранного переднего уплотнения плавающего типа, установленного в секцию;
- низкая ремонтопригодность конструкции плавающего уплотнения, связанная с необходимостью срезки шпонок фиксации подвижного кольца и применением механической обработки для восстановления геометрии посадочных мест под шпонки для правильной установки подвижного кольца;
- быстрое понижение объемного КПД насоса на начальном этапе эксплуатации в процессе приработки в результате износа дросселирующих поверхностей межступенчатых щелевых уплотнений.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение технологичности и надежности конструкции плавающих щелевых уплотнений рабочих колес центробежного насоса, снижение темпа падения КПД на начальном этапе эксплуатации в процессе приработки.
Технический результат достигается тем, что известный центробежный насос, содержащий передние уплотнения рабочих колес плавающего типа, имеющие подвижное кольцо с упорным буртиком и канавкой с резиновым уплотнительным кольцом со стороны опорного торца, дополнительно содержит монтажное кольцо с равнорасположенными по окружности на одном из торцов пазами. Монтажное кольцо составляет с подвижным кольцом щелевого уплотнения самостоятельную сборочную единицу, которая запрессовывается в корпусную деталь по посадочной поверхности монтажного кольца, при этом монтажное кольцо и подвижное кольцо собраны так, что резиновое уплотнительное кольцо прилегает к гладкой торцевой поверхности монтажного кольца, а подвижное кольцо зафиксировано в осевом и окружном направлениях при помощи установленных в подвижное кольцо не менее двух штифтов с лысками или шпонок, входящих в пазы на торце монтажного кольца таким образом, что плоскость поверхности лысок штифтов или шпонок опирается на дно пазов монтажного кольца.
На фиг.1 показан продольный разрез центробежного насоса; на фиг.2 - вид А на переднее плавающее уплотнение рабочего колеса; на фиг.3 - сечение Б-Б по втулке межступенчатого уплотнения; на фиг.4 - сечение В-В в плоскости расположения штифтов, или шпонок, фиксации подвижных колец передних уплотнений.
Центробежный насос содержит:
крышку входную 1 с приемным патрубком и опорными лапами;
крышку напорную 2 с выходным патрубком, опорными лапами, втулкой 7 и кольцом гидропяты 8;
передний и задний корпуса 23, 24 подшипников и концевые уплотнения 16, 17;
ротор с рабочими колесами 5 одностороннего входа и шпонками 4 передачи крутящего момента, втулками 6 межступенчатых уплотнений, втулкой дистанционной 9 и диском гидропяты 10, установленных и закрепленных гайкой 11 на валу 13, который опирается на подшипники 14 и 15 и имеет цапфу под полумуфту 12 привода мощности;
корпус 3 из секций и направляющих аппаратов с установленными в них кольцами щелевых уплотнений, из них:
межступенчатые уплотнения, имеющие неподвижное с упорным буртиком кольцо 18, запрессованное в корпус 3, и
передние уплотнения рабочих колес плавающего типа, имеющие подвижное кольцо 19 с упорным буртиком и канавкой с резиновым уплотнительным кольцом 20 со стороны опорного торца;
монтажное кольцо 21 с равнорасположенными по окружности на одном из торцов пазами Г, составляющее с подвижным кольцом 19 щелевого уплотнения самостоятельную сборочную единицу, которая запрессовывается в корпус 3 по посадочной поверхности монтажного кольца 21, при этом монтажное кольцо 21 и подвижное кольцо 19 собраны так, что резиновое уплотнительное кольцо 20 прилегает к гладкой торцевой поверхности монтажного кольца 21, а подвижное кольцо 19 зафиксировано в осевом и окружном направлениях при помощи установленных в подвижное кольцо не менее двух штифтов с лысками или шпонок 22, входящих в пазы Г монтажного кольца 21 таким образом, что плоскость поверхности лысок штифтов или шпонок 22 опирается на дно пазов Г монтажного кольца 21;
втулки 6 и неподвижные кольца 18 межступенчатых уплотнений выполнены с применением конструкционного карбида кремния, при этом втулки 6 межступенчатых уплотнений имеют сквозной торцевой паз под шпонки 4 рабочих колес.
Центробежный насос работает следующим образом. Ротор заполненного жидкостью насоса приводится во вращение со стороны полумуфты 12, при этом механическая энергия преобразуется в гидравлическую посредством вращающихся рабочих колес 5. Во время работы центробежного насоса на щелевых уплотнениях рабочих колес 5 устанавливается перепад давления жидкости, за счет которого имеют место протечки жидкости через уплотняющий зазор. При этом возникает радиальная гидродинамическая сила, пропорциональная эксцентриситету дросселирующих поверхностей щелевого уплотнения относительно оси вращения рабочего колеса 5. Для подвижного кольца 19 плавающего уплотнения эта сила способствует самоцентровке, если по величине превышает силу трения в торцовом контакте. Если это условие не выполняется, то подвижное кольцо 19 не самоцентрируется, тем не менее оно все же имеет возможность смещаться в радиальном направлении под ударным воздействием со стороны рабочего колеса 5. В этом случае подвижное кольцо 19 плавающего уплотнения является условно подвижным, при этом оно сравнительно легко занимает нейтральное положение, при котором обеспечивается безударная работа (Марцинковский В.А. Щелевые уплотнения - Сумы: изд. Сумского государственного университета, 2005. - 416 с. - С.366÷370). В конструкции переднего уплотнения дополнительно возникает демпфирующий эффект от установки резинового кольца в торцовом стыке. (Марцинковский В.А. Бесконтактные уплотнения роторных машин. - М.: Машиностроение, 1980. - 200 с. - С.122). Данный демпфирующий эффект зависит от эластичных свойств резинового уплотнительного кольца 20, степени его поджатая и деформации. Предложенная конструкция обеспечивает сохранение свойств резины уплотнительного кольца 20 в процессе изготовления, оптимальное его поджатие и деформацию в силу простоты выполнения точной установки и фиксации подвижного кольца 19 относительно монтажного кольца 21, возможность гидравлических испытаний каждой сборочной единицы на герметичность по стыку резинового уплотнительного кольца 20 и монтажного кольца 21.
Описанный выше механизм работы плавающих уплотнений позволяет уменьшить удельные нагрузки на дросселирующие поверхности передних уплотнений за счет податливости подвижных колец 19, благодаря чему передние щелевые уплотнения не подвержены интенсивному износу, особенно в период приработки в процессе эксплуатации, а применение предварительно собранного на монтажном кольце 21 подвижного кольца 19, испытанного на герметичность, повысит технологичность и качество монтажа.
В то же время межступенчатые уплотнения рабочих колес воспринимают радиальное воздействие со стороны ротора и являются его дополнительными опорами. Проведенные ООО «КТБ «Техно-Прогресс» работы по внедрению карбида кремния в конструкции подшипников центробежных насосов по ТУ 3731-001-12713840-2009 показали надежность их работы в условиях нефтепромысловой перекачки. Поэтому применение карбида кремния в конструкции втулок и колец межступенчатых уплотнений по аналогии с подшипниками насосов по ТУ 3731-001-12713840-2009 увеличит ресурс их работы без снижения объемного КПД насоса, и особенно на начальном этапе эксплуатации в процессе приработки, а выполнение паза на торце втулок межступенчатых уплотнений упростит их демонтаж при ремонте, удешевит изготовление.
Преимущества предлагаемого устройства по сравнению с прототипом:
1. Монтажное кольцо, составляющее с подвижным кольцом переднего щелевого уплотнения самостоятельную сборочную единицу, позволяет:
- проводить быстрый монтаж сборочной единицы переднего уплотнения путем запрессовки в корпус, и демонтаж, с сохранением требуемых свойств материала резинового уплотнительного кольца, установленного по стыку подвижного и монтажного колец;
- обеспечить качество изготовления каждого модуля за счет возможности проведения испытаний на герметичность и плотность стыка между подвижным кольцом и монтажным кольцом в процессе изготовления;
- повысить качество восстановительных работ в условиях ремонтных подразделений эксплуатирующих организаций за счет простоты сборки и применения модулей передних щелевых уплотнений, испытанных на герметичность на предприятии-изготовителе.
2. Применение в конструкции втулок и неподвижных колец межступенчатых уплотнений карбида кремния позволит:
- снизить износ дросселирующих поверхностей втулок и неподвижных колец межступенчатых щелевых уплотнений;
- увеличить ресурс эксплуатации насоса с высоким значением КПД.
3. Выполнение паза на торце втулок межступенчатых уплотнений упростит их демонтаж при ремонте и удешевит изготовление.
Вышеназванные преимущества позволяют достичь указанный заявителем технический результат.
Из уровня техники данная совокупность существенных признаков заявителю не известна.