УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСЕВЫХ УСИЛИЙ НА ОПОРУ НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА СТУПЕНИ ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
APPARATUS AND METHOD OF DETERMINING AXIAL FORCES ON SUPPORT OF GUIDE APPARATUS FOR SUBMERGED CENTRIFUGAL PUMP STAGE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в гидромашиностроении при разработке оборудования нефтедобывающей промышленности, в частности многоступенчатых погружных центробежных насосов, а именно для определения усилий на опору направляющего аппарата ступени во время стендовых испытаний.
Известно устройство для определения величины осевого усилия, действующего на упорный подшипник турбомашины. Устройство содержит подвижный в осевом направлении думмис, размещенный в проточке статора с образованием двух полостей, связанных с источником высокого давления, регистратор давления и реле осевого сдвига. Это устройство раскрыто в описании изобретения к авторскому свидетельству 861988, 17.09.81, G01L 5/00.
Известно также устройство для определения осевых усилий на вал центробежного насоса, раскрытое в патенте US 4782696 A, 08.11.1988, G01L 5/12.
Недостатком устройств такой конструкции является отсутствие возможности определения осевых усилий в одной ступени многоступенчатого насоса, сложность устройства, а также большое число промежуточных элементов, передающих осевое усилие от центробежного колеса к измерительному устройству.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является устройство для определения осевых усилий на опору направляющего аппарата ступени погружного центробежного насоса, раскрытое в описании изобретения к патенту Российской Федерации 2206076, 29.11.2001, G01L 5/00, G01L 1/22. Устройство содержит корпус, выполненный в виде направляющего аппарата ступени насоса, и кольцевую мембрану. Мембрана снабжена опорным буртом, представляющим собой осевую опору для рабочего колеса. На поверхности внутренней части мембраны закреплены две пары тензодатчиков, электрически связанных с устройством определения состояния тензодатчиков. Для визуального определения момента «всплытия» рабочих колес (индикации «всплытия») в сборку ступеней установили направляющий аппарат с прозрачной боковой поверхностью, выполненной из оргстекла.
Основными недостатками прототипа являются высокая сложность конструкции и трудоемкость ее использования. Тензодатчики ненадежно работают в воде, на которой проводятся испытания насосов, поэтому требуют весьма тщательной гидроизоляции. Тензометрия предполагает большой объем подготовительной и тарировочной работы, нуждается в дорогостоящем электроизмерительном и вспомогательном оборудовании, а также в высокопрофессиональном обслуживающем персонале. Индикация «всплытия» рабочих колес при помощи прозрачного направляющего аппарата обладает малой точностью, поскольку наблюдается размытая граница рабочего колеса во вращающейся жидкости.
Таким образом, задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в создании способа и устройства для определения осевых усилий на опору направляющего аппарата ступени погружного центробежного насоса, которое может быть использовано при проведении испытаний ступеней насоса на гидравлических насосных стендах.
Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, состоит в повышении точности и надежности измерений за счет упрощения конструкции устройства и способа его применения путем использования другого физического принципа измерений - прямого измерения осевых усилий на опору направляющего аппарата. Устройство прототипа основано на тензометрии. Сначала производится преобразование осевых усилий в деформацию тензодатчиков, затем происходит преобразование деформации тензодатчиков в изменение и измерение слабых электрических сигналов, и в заключение производится обратное преобразование электрических сигналов в величину осевых усилий (по предварительной тарировке на специальном оборудовании).
Конструкция устройства для определения осевых усилий на опору направляющего аппарата ступени погружного центробежного насоса, обеспечивающая достижение указанного выше технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой защиты, характеризуется следующей совокупностью существенных признаков: устройство содержит «плавающее» по валу насоса центробежное колесо, нижняя шайба которого прижата осевым усилием к опорному бурту направляющего аппарата предыдущей ступени, внешний по отношению к испытываемому насосу источник высокого давления, регулирующую и редуцирующую арматуру, регистратор давления и индикатор «всплытия» центробежного колеса. В опорном бурте направляющего аппарата выполнено седло для клапана. Седло имеет вид кольцевой камеры, соединенной через цилиндрический канал, просверленный в направляющем аппарате, и регулирующую и редуцирующую арматуру с внешним источником давления. Седло снабжено уплотнительными выступами, размещенными на его наружном и внутреннем диаметрах. Седло со стороны полости рабочего колеса прикрыто клапаном. Клапан состоит из уплотнительного кольца, например резинового, и металлической пяты, выполненной в виде кольцевого таврового замка, охватывающего и обжимающего уплотнительное кольцо. Индикатор «всплытия» центробежного колеса состоит из горизонтального и вертикального участков трубопровода и тройника, соединяющего эти участки. Верхняя часть вертикального участка трубопровода, соединенная с нижним отводом тройника, выполнена прозрачной и снабжена делениями.
Способ определения осевых усилий на опору направляющего аппарата ступени погружного центробежного насоса включает предварительную калибровку устройства. В качестве рабочего тела для источника высокого давления используют газ, например сжатый воздух. Давление газа в горизонтальном участке трубопровода регулируют с помощью регулирующей арматуры - вентиля, установленного на конце горизонтального участка перед выпуском газа в атмосферу. Вертикальный участок трубопровода заполняют той же жидкостью, на которой испытывают насос. Путем плавного закрытия регулирующего вентиля повышают давление в горизонтальном и вертикальном участках трубопровода до тех пор, пока линия раздела между газом и жидкостью, видимая на прозрачном участке трубопровода, не начнет перемещаться вниз. В этот момент времени с помощью регистратора фиксируют давление. Начало перемещения вниз линии раздела между газом и жидкостью сигнализирует (индицирует) о моменте начала «всплытия» центробежного колеса.
На фиг.1 изображено заявляемое устройство в сборе с рабочим колесом.
На фиг.2 изображен клапан с седлом в увеличенном масштабе.
На фиг.3 показана схема калибровки заявляемого устройства.
На фиг.4 изображен график калибровочной зависимости, полученный с помощью схемы калибровки ступени погружного центробежного насоса ЭЦНА 5-320.
На фиг.5 изображен график зависимости измеренных величин осевых усилий, действующих на опору направляющего аппарата, от измерения расхода перекачиваемой жикости при испытании ступеней погружного центробежного насоса ЭЦНА 5-320.
Устройство для определения осевых усилий на опору направляющего аппарата ступени погружного центробежного насоса содержит «плавающее» на валу 1 насоса центробежное колесо 2, нижняя шайба 3 которого прижата осевым усилием к опорному бурту 4 направляющего аппарата 5 предыдущей ступени. Устройство содержит внешний по отношению к насосу источник 6 высокого давления, регулирующую 7 и редуцирующую арматуру 8, регистратор 9 давления и индикатор 10 «всплытия» центробежного колеса 2. В опорном бурте 4 направляющего аппарата 5 выполнено путем токарной обработки седло 11 для клапана 12. Седло 11 имеет вид кольцевой камеры, соединенной через цилиндрический канал 13, просверленный в направляющем аппарате 5, регулирующую 7 и редуцирующую арматуру 8 с внешним источником давления 6. Седло 11 снабжено уплотнительными выступами 14, 15, размещенными на его наружном и внутреннем диаметрах. Седло 11 со стороны полости центробежного колеса 2 прикрыто клапаном 12. Клапан 12 состоит из уплотнительного кольца 16, например в нашем случае резинового, и металлической пяты 17, выполненной в виде кольцевого таврового замка, охватывающего и обжимающего уплотнительное кольцо 16. Индикатор 10 всплытия центробежного колеса 2 состоит из горизонтального 18 и вертикального 19 участков трубопровода и тройника 20, соединяющего эти участки. Верхняя часть 21 вертикального участка 19, соединенная с нижним отводом тройника 20, выполнена прозрачной и снабжена делениями.
В качестве рабочего тела для источника 6 высокого давления используют газ, например сжатый воздух. Давление газа в горизонтальном участке 18 трубопровода регулируют с помощью вентиля 7, установленного на конце горизонтального участка 18 перед выпуском газа в атмосферу. Вертикальный участок 19 трубопровода заполняют той же жидкостью, на которой испытывают насос. Путем плавного закрытия регулирующего вентиля 7 повышают давление в горизонтальном 18 и вертикальном 19 участках трубопровода. Повышение давления продолжают до тех пор, пока линия раздела между газом и жидкостью, видимая на прозрачном участке 21 трубопровода, не начнет перемещаться вниз. В этот момент времени с помощью регистрирующего прибора 9 фиксируют давление. Начало перемещения вниз линии раздела между газом и жидкостью сигнализирует (индуцирует) о моменте начала «всплытия» центробежного колеса 2.
Собранное устройство в виде ступени погружного насоса (см. фиг.3) помещают в емкость 22, заполненную перекачиваемой жидкостью, и проводят калибровку устройства путем приложения статической нагрузки к опорному бурту 4 через центробежное колесо 2. При этом к опорному бурту 4 последовательно прикладывают статическую нагрузку разной величины с помощью гирь. Нагрузку прикладывают в вертикальном направлении по линии действия соответствующей реакции в ступени насоса. Калибровочная прямая (см. фиг.4) представляет собой зависимость статической осевой нагрузки (ось ординат) кгс от давления «всплытия» центробежного колеса 2 кгс/см (ось абсцисс).
Экспериментальное определение осевых усилий на опору направляющего аппарата проводят следующим образом.
После обкатки ступеней проводят испытание сборки ступеней, включающей заявляемое устройство, в следующей последовательности:
- вертикальный участок 19 трубопровода заполняют той же жидкостью, на которой испытывают насос. Для этого отделяют верхнюю часть 21 вертикального участка 19 трубопровода от нижнего отвода тройника 20. Заполняют вертикальный участок 19 стендовой жидкостью через воронку;
- поддерживают постоянной некоторую подачу через насос с помощью стендовой системы регулирования;
- путем плавного закрытия регулирующего вентиля 7 повышают давление в горизонтальном 18 и вертикальном 19 участках трубопровода;
- повышение давления продолжают до тех пор, пока линия раздела между газом и жидкостью, видимая на прозрачном участке 21 трубопровода, не начнет перемещаться вниз;
- в этот момент времени с помощью регистрирующего прибора 9 фиксируют давление «всплытия» центробежного колеса 2;
- по калибровочной зависимости определяют величину осевого усилия, соответствующего измеренному давлению «всплытия» центробежного колеса 2 и измеренной подаче насоса;
- затем с помощью стендовой системы регулирования изменяют подачу насоса и повторяют вновь все вышеперечисленные операции способа при другой подаче.
Кривая, представленная на фиг.5, соответствует изменению искомого усилия, воздействующего на опору направляющего аппарата, в зависимости от подачи перекачиваемой жидкости для ступени насоса типа ЭЦНА 5-320.