НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ ЦЕНТРОБЕЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО НАСОСА

Область техники
Заявляемое техническое решение относится к области разработки насосов, конкретно к конструкциям их рабочих органов, а именно, к направляющим аппаратам из различных термопластичных материалов, в частности к направляющему аппарату центробежного многоступенчатого насоса.
Уровень техники
В России наиболее активно разработкой конструкций центробежных насосов, в частности направляющих аппаратов, занимаются следующие организации: ОАО «Научно-исследовательский и конструкторский институт центробежных и роторных компрессоров», Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральное конструкторское бюро машиностроения», ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н.М.Федоровского», ОАО «Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов», ЗАО «Уралэлектро-К», ОАО «Ливенский завод погружных насосов», ОАО «Бугульминский электронасосный завод», ООО «Научно-производственная фирма «АЛВИС», «Центр разработки нефтедобывающего оборудования», ООО «Завод полимеров КЧХК», ООО «Борец», ООО «Курс» и др.
Среди ведущих стран мира наиболее широкие исследования и разработки конструкций центробежных насосов, в частности направляющих аппаратов, проводятся в Японии, ФРГ, США.
Известны отечественные и зарубежные изобретения и полезные модели, относящиеся к разработкам и производству направляющих аппаратов центробежных насосов и являющиеся аналогами заявляемой полезной модели.
Известен направляющий аппарат центробежного насоса по патенту РФ на изобретение №2142069, МПК F04D 29/44, опубл. 1999 г. /1/, включающий диск со стороны всасывания с внутренней выборкой и диск со стороны нагнетания, снабженные спиральными каналами, состоящими из основных и переходных участков, каждый из которых в диске со стороны всасывания образован глухой и открытой в сторону нагнетания стенками и периферийной спиральной плоскостью, причем каналы переходных участков первого диска плавно сопрягаются с соответствующими каналами переходных участков второго диска. К недостаткам устройства относится значительная трудоемкость изготовления, обусловленная сложностью выполнения закрытых по периметру участков проходных каналов, имеющих переменное поперечное сечение и криволинейную ось симметрии.
Предложено изготовление направляющих аппаратов (и рабочих колес) лопастных гидромашин по патенту Японии №1-56997, МПК F04D 29/02, опубл. 1989 г. /2/, включающее выполнение заготовок несущего и покрывного дисков с частями лопаток и последующее их соединение по торцам лопаток путем сварки. Недостатком данного производства является низкая технологичность и надежность, так как тщательно и надежно выполнить операции сварки в труднодоступных межлопаточных каналах, то есть в сильно стесненных условиях, практически невозможно. Особенно это касается направляющих аппаратов и рабочих колес небольших размеров, работающих, например, в составе погружных центробежных насосов для добычи нефти или подачи воды из скважин, где при работе имеет место воздействие спектра виброперегрузок и агрессивных жидких и газообразных сред.
Предложен направляющий аппарат центробежного скважинного многоступенчатого насоса по патенту РФ на полезную модель №35392, МПК F04D 29/44, 13/08, 13/10, 1/06, опубл. 2004 г. /3/, содержащий верхний и нижний диски со сквозным осевым отверстием в каждом, ребра, формирующие направляющие каналы, кольцевой корпусный элемент и торцевой вкладыш, отличающийся тем, что нижний диск с ребрами, кольцевой корпусный элемент с верхним диском и торцевой вкладыш выполнены в виде трех отдельных деталей, причем торцевой вкладыш прилегает к нижней поверхности верхнего диска, каждое ребро выполнено непрерывно переходящим с верхней на боковую и далее - на нижнюю части нижнего диска, а направляющие каналы формируют параболические линии тока жидкости.
Известен направляющий аппарат центробежного многоступенчатого насоса по патенту РФ на полезную модель №37399, МПК F04D 29/44, опубл. 2004 г. /4/, содержащий чередующиеся длинные и короткие лопатки, образующие межлопаточные каналы переменного сечения, отличающийся тем, что входные кромки коротких лопаток размещены в выходной части межлопаточных каналов, образованных длинными лопатками, при этом площади наименьших сечений межлопаточных каналов между профильными кромками короткой лопатки и профильными кромками длинных лопаток определены отношением к площади наименьшего проходного сечения входного канала в направляющий аппарат в пределах 1,0-1,5.
Предложен направляющий аппарат ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса по патенту РФ на полезную модель №47457, МПК F04D 29/44, опубл. 2005 г. /5/, содержащий верхний и нижний диски, выполненные из листового материала, между дисками размещены лопатки, образующие проточную часть направляющего аппарата, на нижнем диске закреплена опорная втулка, а верхний диск жестко соединен со стаканом, отличающийся тем, что между верхним и нижним дисками размещен профильный диск, выполненный из листового материала с чередующимися верхними и нижними выступающими частями, при этом верхние выступающие части профильного диска по наружной поверхности жестко соединены с нижним диском направляющего аппарата, нижние выступающие части профильного диска по наружной поверхности жестко соединены с верхним диском направляющего аппарата. Лопатки направляющего аппарата образованы боковыми частями профильного диска, а проточная часть направляющего аппарата сформирована поверхностями боковых частей профильного диска, внутренними поверхностями выступающих частей профильного диска и внутренними поверхностями чередующихся секторов верхнего и нижнего дисков.
Известен направляющий аппарат ступени погружного центробежного насоса по патенту РФ на полезную модель №57395, МПК F04D 13/10, опубл. 2006 г. /6/, выполненный в виде единой детали и содержащий корпус, нижний диск, верхний диск, имеющий кольцевой выступ и конусный участок наружной поверхности диска, сопряженный с внутренней поверхностью корпуса. Между дисками размещены лопатки, образующие каналы проточной части. На наружной торцевой поверхности верхнего диска выполнены дугообразные ребра с радиусом, обеспечивающим их закругление по направлению движения основного потока перекачиваемой пластовой жидкости. При этом один конец каждого ребра соединен с кольцевым выступом, а второй его конец соединен с конусным участком наружной поверхности диска.
Известен направляющий аппарат многоступенчатого центробежного насоса по патенту РФ на полезную модель №59752, МПК F04D 13/10, опубл. 2006 г. /7/, имеющий цилиндрический корпус с размещенной в центральной части ступицей, а также верхний и нижний диски с размещенными между ними лопатками, формирующими проточную часть направляющего аппарата. Направляющий аппарат имеет съемный верхний диск. На входе и выходе проточной части направляющего аппарата выполнены соответственно входная и выходная кольцевые камеры, которые обеспечивают гидравлическую связь проточных частей рабочего колеса и направляющего аппарата.
Предложен направляющий аппарат многоступенчатого центробежного насоса по патенту РФ на полезную модель №72733, МПК F04D 13/10, опубл. 2008 г. /8/, имеющий цилиндрический корпус с размещенной в центральной части ступицей, а также верхний и нижний диски с размещенными между ними лопатками, формирующими проточную часть направляющего аппарата. Лопатки соединены между собой перемычками и выполнены в виде закладной детали, зажатой между верхним и нижним дисками с использованием разъемного соединения. Корпус и лопатки выполнены из разнородных материалов, например, корпус выполнен из металла, а закладная деталь с лопатками выполнена из пластмассы. В качестве разъемного соединения дисков используются: резьбовое соединение, пайка, клей.
Анализ патентной информации по конструкциям направляющих аппаратов центробежных многоступенчатых насосов показал, что направляющие аппараты выполнены из различных конструктивных элементов с использованием различных сварочных, штамповочных, прессовых, литейных и других форм. При этом направляющие аппараты различаются как по точности изготовления их конструктивных элементов, так и по прочности их соединения, в частности прочности соединения основного (лопастного) и покрывного дисков.
Направляющие аппараты в основном можно разделить на два типа в зависимости от конструктивного решения и технологии производства.
Первый тип: отливают два диска - основной и покрывной, а затем эти два диска либо сваривают, либо спаивают, либо склеивают. Однако, очень сложно при сварке, пайке или склеивании сохранить точность геометрии проточных каналов и практически невозможно получить лопатки направляющего аппарата с пространственной геометрией. Кроме того, прочность соединения дисков значительно ниже прочности материалов дисков.
Второй тип: направляющие аппараты отливают целиком, а пространство между лопаток формируют либо путем обработки, либо за счет специальных вставок. Недостатки второго типа: или невозможность получить форму канала, точно соответствующую теоретической геометрии, или, так как вставки состоят из множества разъемных деталей, большая сложность процесса изготовления направляющих аппаратов и, соответственно, низкая технологичность.
Таким образом, известные в настоящее время конструкции направляющих аппаратов центробежных многоступенчатых насосов и технологии их производства имеют существенные недостатки:
1) невозможность точного копирования в прессовой или литейной форме теоретической геометрии проточных каналов;
2) недостаточная надежность соединения покрывного и лопастного дисков;
3) низкая технологичность производственного процесса.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение вышеперечисленных недостатков.
Предлагается направляющий аппарат центробежного многоступенчатого насоса, представляющий единую цельнолитую конструкцию из термопластичного материала, получаемую литьем по выплавляемым стержням, позволяющим с высокой точностью (20-25 мкм) повторить теоретическую геометрию проточных каналов и получить прочный направляющий аппарат без сваривания, пайки или склеивания его конструктивных элементов, а именно с прочностью эквивалентной прочности используемого термопластичного материала.
Из конструкций направляющих аппаратов центробежных многоступенчатых насосов, являющихся аналогами заявляемой полезной модели, в качестве прототипа принята конструкция направляющего аппарата по патенту РФ на полезную модель №72733 /8/, которому присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков предлагаемой полезной модели.
Раскрытие полезной модели
Предлагаемая полезная модель представляет собой единую цельнолитую конструкцию высокоточного и прочного направляющего аппарата центробежного многоступенчатого насоса из термопластичного материала.
Такая единая цельнолитая конструкция направляющего аппарата выполнена путем применения литья по выплавляемым стержням, включающего три этапа.
На первом этапе: из легкоплавкого, но теплоемкого металла или сплава отливают стержни, по своей наружной геометрии полностью соответствующие внутреннему межлопаточному пространству направляющего аппарата. Количество стержней определяется геометрией направляющего аппарата. Температура плавления легкоплавкого материала должна быть немного ниже рабочей температуры термопластичного материала, а его теплоемкость должна быть такой, чтобы выдержать без потери формы и повреждения поверхностного слоя тепловое воздействие расплава термопластичного материала.
На втором этапе: отлитые из легкоплавкого материала стержни, а также металлическую арматуру направляющего аппарата, вставляют в прессовую форму в качестве закладных элементов и направляющий аппарат отливают на термопластавтомате или ином оборудовании по переработке термопластичных материалов. Металлическая закладная арматура необходима в случае недостаточной прочности направляющего аппарата, выполненного только из пластмассы. В одной пресс-форме возможно получение направляющих аппаратов как с металлической закладной арматурой, так и чисто пластмассовых.
На третьем этапе: отлитый направляющий аппарат вместе со стержнями и закладной арматурой нагревают до температуры плавления легкоплавкого материала, выплавляют стержни и получают цельнолитой направляющий аппарат с внутренним межлопаточным пространством высокой точности, до 20 мкм, соответствующей точности изготовления литейных форм получения стержней.
Выплавленный легкоплавкий материал стержней можно в дальнейшем многократно использовать.
В предлагаемом направляющем аппарате практически отсутствует дисбаланс относительно наружных и внутренних поверхностей вращения, что является следствием его конструктивного решения и высокой точности изготовления.
Кроме того, производство таких направляющих аппаратов является высоко технологичным и экономичным, так как материал выплавляемых стержней используется многократно.
Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью - создание единой конструкции цельнолитого высокоточного и прочного направляющего аппарата центробежного многоступенчатого насоса из различных термопластичных материалов.
Краткое описание графических материалов,
поясняющих сущность полезной модели
На фиг.1. представлено графическое изображение 1-го этапа получения направляющего аппарата: отливка стержней из легкоплавкого материала.
На фиг.2. - графическое изображение 2-го этапа получения направляющего аппарата: вставка стержней и металлической закладной арматуры в пресс-форму и получение отливки.
На фиг.3. - графическое изображение 3-го этапа получения направляющего аппарата: выплавка стержней.
На фиг.4. изображена единая цельнолитая конструкция направляющего аппарата центробежного многоступенчатого насоса - предлагаемая полезная модель.
Графические материалы представлены на отдельных листах с отдельной нумерацией.
Осуществление полезной модели
Получение конструкции единого цельнолитого высокоточного и прочного направляющего аппарата центробежного многоступенчатого насоса из термопластичного материала осуществляют литьем по выплавляемым стержням, в частности, следующим образом.
Из сплава олова с висмутом, известного как сплав Вуда, отливают стержни, по своей наружной геометрии полностью соответствующие внутреннему межлопаточному пространству направляющего аппарата (фиг.1). Количество стержней определяется геометрией направляющего аппарата. Температура плавления указанного сплава 155°С. Однако, стержни, отлитые из него, могут кратковременно, в течение 10 секунд, воспринимать воздействие температуры 320°С без потери формы и повреждения поверхностного слоя.
Отлитые из этого сплава стержни, а также металлическую арматуру направляющего аппарата, вставляют в прессовую форму в качестве закладных элементов (фиг.2). Направляющий аппарат отливают в прессовой форме на термопластавтомате обычным способом переработки термопластичных материалов.
Отлитый на термопластавтомате направляющий аппарат вынимают из прессовой формы. Стержни из сплава олово-висмут находятся внутри направляющего аппарата, образуя межлопаточное пространство.
Затем направляющий аппарат вместе со стержнями помещают в специальную ванну с высокотемпературным маслом. Масло нагревают до температуры 180°С, выплавляют стержни и получают цельнолитой направляющий аппарат (фиг.3) с внутренним межлопаточным пространством высокой точности, до 20 мкм, соответствующей точности изготовления литейных форм. Выплавленный сплав олово-висмут можно в дальнейшем многократно использовать.
Технический результат заключается в возможности получения цельнолитой конструкции прочного направляющего аппарата из термопластичного материала с межлопаточным пространством полностью соответствующим теоретической геометрии и с точностью до 20 мкм (фиг.4).
Пример реализации полезной модели
Практическим примером реализации предлагаемой полезной модели является изготовленный направляющий аппарат из термопластичного материала «Полифениленсульфид» марки «Фортрон 1140L4», представленный на фиг.4.
Где: 1 - покрывной диск;
2 - пространственные лопатки;
3 - металлическая арматура направляющего аппарата;
4 - основной (лопастной) диск.
Промышленная применимость
Предлагаемая полезная модель может найти широкое применение в насосостроении в качестве цельнолитых высокоточных прочных и технологичных направляющих аппаратов центробежных многоступенчатых насосов из различных термопластичных материалов.