РАБОЧАЯ СТУПЕНЬ ВИХРЕВОГО НАСОСА

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в многоступенчатых роторно-вихревых насосных установках, предназначенных для подъема жидкости с больших глубин, например, нефти из скважин.
Известна рабочая ступень роторно-вихревой машины (см. патент РФ №2332586 RU, С1, МПК F04D 5/00, F04D 1/02, 22.05.2007), содержащей по крайней мере, одну рабочую ступень, которая включает два статора и ротор, причем ротор выполнен в виде диска и расположен между статорами, а между ротором и каждым из статоров образована торообразная рабочая полость, в которой размещены лопатки, связанные со статором, и разделитель, связанный с ротором, при этом в роторе и смежных с ним статорах напротив друг друга по обеим сторонам торообразной рабочей полости выполнены кольцевые канавки для размещения в них уплотнительных колец, причем каждое уплотнительное кольцо закреплено в кольцевой канавке статора или ротора и установлено с возможностью вращения в смежной с ней канавке ротора или статора соответственно.
Преимуществом вышеуказанной рабочей ступени является повышение КПД роторно-вихревой машины путем уменьшения протечек рабочей среды по зазору между ротором и статорами роторно-вихревого насоса.
Однако данная конструкция представляется сложной в изготовлении и недостаточно надежной из-за наличия уплотнительных колец, закрепленных в кольцевых канавках статора или ротора и установленных с возможностью вращения в смежной с ней канавке ротора или статора соответственно, роторно-вихревого насоса, работающим в среде абразивно-содержащей пластовой жидкости. Следует отметить, что в данной конструкции не предусмотрены уплотнения, снижающие протечки рабочей среды между статором и валом, возникающие во время работы вследствие перепада давления на выходе и входе в рабочую ступень насоса. Также в данной конструкции не предусмотрена гидравлическая разгрузка торцевой поверхности ротора, расположенной между внутренней поверхностью рабочей камеры ступени и валом, от давления, возникающего из-за протечек в зазоре между статором и валом насоса во время работы вследствие перепада давления на выходе и входе в рабочую ступень насоса, а также протечек, возникающих в результате износа уплотнительных колец между торцевыми поверхностями ротора и статоров при работе в среде абразивно-содержащей пластовой жидкости, что уменьшает коэффициент полезного действия насоса и его надежность.
Известна также ступень роторно-вихревой машины (см. патент РФ №2496006 RU, С1, МПК F04D 1/00, F04D 5/00, F03B 3/08, F04D 23/00, 04.12.2012 г. ), содержащая два статора и расположенный между статорами ротор, а между ротором и каждым из статоров образована торообразная рабочая полость, в которой размешены лопатки, связанные со статором, и разделитель, связанный с ротором, причем в роторе выполнен, по крайней мере, один разгрузочный канал в виде сквозного продольного отверстия, связывающего рабочие полости, выполненного в виде прорези с параллельными стенками, расположенными вдоль радиуса ротора.
В роторе может быть выполнено два и более отверстий, расположенных симметрично относительно оси вращения ротора.
Вышеуказанная ступень роторно-вихревого насоса обеспечивает выравнивание давление с разных сторон ротора, что значительно снижает создаваемое на нем осевое усилие и повышает надежность работы роторно-вихревой машины, а также позволяет увеличить эффективность работы за счет усиления вихревого движения в рабочих полостях.
Недостатком конструкции указанной ступени роторно-вихревого насоса является отсутствие уплотнения, снижающего протечки рабочей среды между статором и валом, возникающие во время работы вследствие перепада давления на выходе и входе в рабочую ступень насоса. Также в данной конструкции не предусмотрена гидравлическая разгрузка торцевой поверхности ротора, расположенной между внутренней поверхностью рабочей камеры ступени и валом, от давления, возникающего из-за протечек в зазоре между статором и валом насоса во время работы вследствие перепада давления на выходе и входе в рабочую ступень насоса, а также протечек, возникающих в результате износа уплотнительных колец между торцевыми поверхностями ротора и статоров при работе в среде абразивно-содержащей пластовой жидкости, что уменьшает коэффициент полезного действия насоса и его надежность.
Наиболее близкой к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является роторно-вихревая ступень с боковым входом (см. Доклад Лепеха А.И. «Инновационное роторно-вихревое оборудование для ТЭК и ЖКХ: перспективы промышленного применения» на Форуме лидеров бизнеса стран СНГ «СНГ и новые форматы Евразийской интеграции», Москва, ГК «Президент-отель», 20.03.2012 г.), содержащая закрепленный на валу ротор и закрепленный в корпусе статор, ротор расположен между двумя статорами, между каждым статором и смежным с ним ротором образована торообразная рабочая полость, в которой расположены рабочие лопатки, связанные со статором, и разделитель, связанный с ротором, при этом статор каждой ступени выполнен в виде диска, а в роторе и смежных с ним статорах напротив друг друга по обеим сторонам торообразной рабочей полости выполнены кольцевые канавки с размещенными в них уплотнительными кольцами, на валу установлена втулка, сопрягающаяся со статором и валом насоса, при этом рабочий зазор между внешней цилиндрической поверхностью втулки и статором, а также между внутренней цилиндрической поверхностью и валом составляет 0,05-0,1 мм на каждую сторону.
Указанное конструктивное решение роторно-вихревой ступени, обеспечивает повышение коэффициента полезного действия за счет снижения протечек между статорами и валом насоса возникающих во время работы вследствие перепада давления на выходе и входе в рабочую ступень насоса.
Недостатком указанной роторно-вихревой ступени насоса является повышенные протечки рабочей жидкости между внешней цилиндрической поверхностью втулки и статором вследствие увеличения зазора между ними при работе в абразивно-содержащей пластовой жидкости, а также протечки рабочей жидкости в зазоре между валом и внутренней поверхностью втулки, возникающие во время работы вследствие перепада давления на выходе и входе в рабочую ступень насоса. Также в данной конструкции не предусмотрена гидравлическая разгрузка торцевой поверхности ротора, расположенной между внутренней поверхностью рабочей камеры ступени и валом, от давления, возникающего из-за протечек рабочей жидкости между внешней цилиндрической поверхностью втулки и статором вследствие увеличения зазора между ними при работе в абразивно-содержащей пластовой жидкости и протечек рабочей жидкости в зазоре между валом и внутренней поверхностью втулки во время работы из-за перепада давления на выходе и входе в рабочую ступень насоса, а также протечек, возникающих в результате износа уплотнительных колец между торцевыми поверхностями ротора и статоров при работе в среде абразивно-содержащей пластовой жидкости, что уменьшает коэффициент полезного действия насоса и его надежность.
Технический результат, получаемый при осуществлении предлагаемой полезной модели, выражается в исключении протечек рабочей жидкости между внешней цилиндрической поверхностью втулки и статором, а также протечек, возникающих в результате износа уплотнительных колец между торцевыми поверхностями ротора и статоров, в обеспечении гидравлической разгрузки торцевой поверхности ротора от давления, возникающего из-за протечек, в повышении надежности вихревого насоса и повышении его коэффициента полезного действия.
Указанный технический результат может достигаться тем, что рабочая ступень вихревого насоса, содержащая закрепленный на валу ротор, расположенный между двумя статорами, между каждым статором и смежным с ним ротором образована торообразная рабочая полость, в которой расположены рабочие лопатки, связанные со статором, при этом статор выполнен в виде диска, а в роторе и смежных с ним статорах напротив друг друга по обеим сторонам торообразной рабочей полости выполнены кольцевые канавки с размещенными в них уплотнительными кольцами, между каждым статором и валом установлены втулки, сопрягающиеся со статором и валом насоса, согласно полезной модели, каждая втулка загерметизирована на валу насоса с возможностью осевого перемещения и фиксируется в осевом направлении торцевой поверхностью статора, а на торцовой поверхности ротора, обращенной к торцевой поверхности статора и расположенной между внутренней стороной торообразной рабочей полости и валом ротора, выполнен по крайней мере один разгрузочный канал в виде сквозного отверстия, соединяющего полость между торцовыми поверхностями ротора и статора с всасывающей полостью Указанный технический результат достигается тем, что втулка может быть зафиксирована в осевом направлении торцевой поверхностью статора посредством буртика на ее наружной поверхности, а торцовая поверхность буртика может быть упрочнена со стороны упрочненной торцевой поверхности статора.
Указанный технический результат достигается также тем, что между торцовой поверхностью буртика и торцовой поверхностью статора может быть установлен упругий уплотнительный элемент, например, резиновое кольцо.
Указанный технический результат достигается также тем, что разгрузочные каналы, соединяющие полость между торцовыми поверхностями ротора и статора, расположенными между внутренней стороной торообразной рабочей полости и валом, с всасывающей полостью, могут быть расположены равномерно на торцовой поверхности ротора под углом в сторону радиального движения перекачиваемой среды к рабочим полостям при входе в рабочую ступень.
Выполнение рабочей ступени вихревого насоса таким образом, что каждая втулка, установленная между статором и валом, загерметизирована на валу насоса с возможностью осевого перемещения при перепаде давления рабочей среды на выходе и входе рабочей ступени, втулка фиксируется в осевом направлении торцевой поверхностью статора, на торцовой поверхности ротора, обращенной к торцевой поверхности статора ступени и расположенной между внутренней стороной торообразной рабочей полости и валом ротора, выполнен по крайней мере один разгрузочный канал в виде сквозного отверстия, соединяющего полость между торцовыми поверхностями ротора и статора с всасывающей полостью, повышает надежность роторно-вихревого насоса и повышает его коэффициент полезного действия.
На фиг. 1 изображен продольный разрез рабочей ступени вихревого насоса с возможностью осевого перемещения втулки.
На фиг. 2 изображен вид статора А-А.
На фиг. 3 изображен вид статора Б-Б.
На фиг. 4 изображен вид Г втулки с уплотненным буртиком и возможностью перемещения вдоль оси вала до контакта с уплотненной поверхность статора.
На фиг. 5 изображен вид Г1 втулки с буртиком и возможностью перемещения вдоль оси вала, уплотненной резиновым кольцом между буртиком и уплотненной поверхность статора.
На фиг. 6 изображен продольный разрез ротора.
На фиг. 7 изображен вид ротора Д со стороны торцовой поверхности с разгрузочными каналами.
Рабочая ступень вихревого насоса (см. фиг. 1) содержит закрепленный на валу 1 ротор 2. Ротор 2 расположен между двумя, закрепленными в корпусе 3, статорами: статором 4 и статором предыдущей ступени 5, между каждым статором 4 и 5 и смежным с ним ротором 2 образованы торообразные рабочие полости 30, в которых расположены рабочие лопатки 6, связанные со статорами 4 и 5, и разделители 7 (см. фиг. 7), связанные с ротором 2. Статоры 4 и 5 выполнены в виде диска, а в роторе 2 и смежных с ним статорах 4 и 5 напротив друг друга по обеим сторонам торообразной рабочей полости выполнены кольцевые канавки с размещенными в них уплотнительными кольцами 8, 9 и 10, 11, соответственно. Между каждым статором 4 и 5 и валом 1 установлены втулки 12, сопрягающиеся со статорами 4 и 5 и валом 1 насоса. Каждая втулка 12 жестко зафиксирована и загерметизирована на валу 1 насоса, например, с помощью герметика. Между наружными поверхностями втулок 12 и торцевыми поверхностями 13 статоров 4 и 5 могут быть установлены подвижные относительно наружных поверхностей втулок 12 торцевые герметизирующие уплотнения, например уплотнительные кольца 14. Каждая втулка 12 может быть загерметизирована относительно вала 1 насоса уплотнительными кольцами 15. На торцевой поверхности 16 ротора 2, обращенной к торцевой поверхности 17 статора 4 и расположенной между внутренней стороной торообразной рабочей полости и валом 1, выполнен по крайней мере один разгрузочный канал в виде сквозного отверстия 18, соединяющего полость 19 между торцовой поверхностью 16 ротора 2 и торцовой поверхностью 17 статора 4 с всасывающей полостью 20. На торцовой поверхности 16 ротора 2 (см. фиг. 5, 7), обращенной к торцевой поверхности 17 статора 4 ступени и расположенной внутренней стороной торообразной рабочей полости и валом 1 ротора 2, может быть выполнено несколько симметричных относительно оси вала разгрузочных каналов в виде сквозных отверстий 18, соединяющих полость 19 между торцовой поверхностью 16 ротора и торцовой поверхностью 17 статора 4 с всасывающей полостью 20. Сквозные отверстия 18 могут быть расположены равномерно на торцовой поверхности ротора 2 под углом в сторону радиального движения перекачиваемой среды к рабочим полостям при входе в рабочую ступень (см. фиг. 6). Статоры 4 и 5 в продольном направлении фиксируются относительно друг друга втулками 21, а относительно корпуса 3 втулками 22. Ротор 2 фиксируется на валу 1 от проворачивания с помощью шпонки 23, скользящей по посадке в шпоночном пазу 24 (см. фиг. 1, 6, 7), выполненном в роторе 2, и установленной в шпоночной канавке, выполненной на валу 1, при этом обеспечивается возможность продольного перемещения ротора 2 относительно вала 1.
В рабочей ступени вихревого насоса (см. фиг. 1, 4), каждая втулка 27 загерметизирована на валу 1 насоса, например, резиновым кольцом 15, зафиксирована на валу 1 от проворачивания с возможностью осевого перемещения вдоль пазов 28, выполненных на ее внутренней поверхности по шпонке 29, установленной на валу 1, при перепаде давления рабочей среды на выходе и входе рабочей ступени. Перемещение втулки 27 фиксируются в осевом направлении торцевой поверхностью 13 статора 4 посредством буртика 31 на ее наружной поверхности, торцевая поверхность буртика 31 может быть упрочнена со стороны упрочненной торцевой поверхности 13 статора 4. Между торцевой поверхностью буртика 31 и торцовой поверхностью 13 статора 4 (см. фиг. 5) может быть установлен упругий уплотнительный элемент, например, резиновое кольцо 14.
При работе рабочей ступени (см. фиг. 1) вращается вал 1 и закрепленный на нем ротор 2. Рабочая среда, находящаяся в каждой рабочей ступени, под воздействием на нее поверхностей лопаток 6 статора 4 и поверхности ротора 2 приобретает вихреобразное движение. Такое движение рабочей среды препятствует ее свободному перетеканию по рабочей полости в направлении вращения ротора 2. Под воздействием перемещающегося разделителя 7 давление рабочей среды повышается и рабочая среда вытесняется в выходной канал 33 первой ступени, а через канал 20 в рабочую полость засасывается новое количество рабочей среды. Из выходного канала ступени рабочая среда по спрофилированному переходу, расположенному в статоре, через входной канал следующей ступени поступает в рабочую полость следующей ступени, где аналогичным образом происходит дальнейшее повышение ее давления.
Протечки рабочей среды в зазоре между внутренней поверхностью втулки 12 и сопрягающейся с ним наружной поверхностью вала 1 (см. фиг. 1, 4, 5) в процессе работы исключаются герметизацией торцевой поверхности втулки 12 (или 27) уплотнительным резиновым кольцом 15 установленным подвижно на наружной поверхности вала 1.
Протечки рабочей среды в зазоре между наружной поверхностью втулки 12, зафиксированной на валу 1 насоса, и сопрягающейся с ней внутренней поверхностью статора 4 (или 5), в процессе работы и износа исключаются герметизацией торцевой поверхности 13 статора 4 (или 5) и наружной поверхностью втулки 12, либо уплотнительными резиновыми кольцами 14 (см. фиг. 1) установленными подвижно на наружной поверхности втулки 12.
Протечки рабочей среды в зазоре между наружной поверхностью втулки 27, имеющей возможность осевого перемещения по валу 1, и сопрягающейся с ней внутренней поверхностью статора 4 (или 5), в процессе работы и износа исключаются посредством осевого прижатия торцовой упрочненной поверхности 32 буртика 31 (см. фиг. 1, 4), выполненного на ее наружной поверхности, к упрочненной торцевой поверхности 13 статора 4. Между торцовой поверхностью 32 буртика 31 и торцовой поверхностью 13 статора 4 (см. фиг. 7) может быть установлено резиновое кольцо 14, которое также исключает протечки рабочей среды.
Выполнение на торцовой поверхности 16 ротора 2, расположенной между внутренней стороной торообразной рабочей полости и валом 1 ротора 2 одного или нескольких симметричных относительно оси вала разгрузочных каналов 18 в виде сквозных отверстий, выполненных под углом в сторону радиального движения перекачиваемой среды к рабочим полостям при входе в рабочую ступень, соединяющих полость 19 между торцовыми поверхностями 16 ротора 2 и 17 статора 4 с всасывающей полостью 20, при протечках в зазоре между уплотнительными кольцами 8, 9 и 10, 11, за счет центробежной силы, возникающей при вращении ротора 2 создает дополнительный напор рабочей среды, тем самым повышая коэффициент полезного действия.
Исключение протечек рабочей жидкости в зазоре между валом и внутренней поверхностью втулки, а также между сопрягаемой внутренней поверхностью статора и наружной поверхностью втулки во время работы из-за перепада давления на выходе и входе в рабочую ступень насоса, а также гидравлической разгрузки ротора из-за протечек, возникающих в результате износа уплотнительных колец между торцевыми поверхностями ротора и статоров при работе в среде абразивно-содержащей пластовой жидкости, повышает коэффициент полезного действия насоса и его надежность.