ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к отрасли гидромашиностроения, а именно к вертикальным центробежным насосам, и может быть использована для подачи нефти и нефтепродуктов в системах магистральных трубопроводов для обеспечения бескавитационной работы магистральных насосов либо технологических перекачивании на объектах насосных станций, а также для перекачивания конденсата водяного пара на тепловых и атомных электростанциях.
Известен вертикальный центробежный насос, содержащий предвключенное входное устройство в виде одного либо двух осевых предвключенных колес, установленных перед центробежным рабочим колесом [Новое поколение вертикальных подпорных насосов типа НПВ для транспорта нефти и нефтепродуктов/Волченко Г.Г., Давиденко А.К., Елин В.К., Елин А.В. - Материалы конференции «СИНТ'09». Разработка, производство и эксплуатация турбо-, электронасосных агрегатов и систем на их основе T.1. - Воронеж: Научная книга, 2009. - С.249-258]. Предвключенные осевые колеса имеют цилиндрическую втулку и лопастную систему с густотой лопастной решетки на наружном диаметре в интервале от 1,0 до 1,2
Данная конструкция насоса выбрана в качестве прототипа для объекта, который заявляется.
кр
Опыт эксплуатации рассматриваемых насосов свидетельствует о возможности достижения в данных конструкциях показателей всасывающей способности, характеризующихся величиной критического кавитационного коэффициента быстроходности С=3000.
кр
Недостатком таких насосов является снижение коэффициента полезного действия насоса за счет более низкой экономичности осевого предвключенного колеса по сравнению с экономичностью центробежной ступени. Помимо этого, для дальнейшей оптимизации технологических схем перекачивания и снижения капитальных издержек на строительство нефтеперекачивающих, тепловых и атомных станций, в настоящее время к вертикальным центробежным насосам предъявляются требования по повышению всасывающей способности до величины С=5000.
В основу полезной модели поставлена задача создания вертикального центробежного насоса, в котором, путем введения новых конструктивных элементов и нового исполнения существующих конструктивных элементов, достигается повышение всасывающей способности и экономичности насоса.
Поставленная задача достигается тем, что в вертикальном центробежном насосе, содержащем предвключенное входное устройство, включающее предвключенное осевое колесо, согласно полезной модели:
- предвключенное осевое колесо имеет профилированную втулку с увеличивающимся от входа к выходу диаметром и лопастную систему с густотой лопастной решетки на наружном диаметре в интервале от 2,0 до 4,0, с возможностью выполнения лопастной системы колеса многорядной;
- введен лопаточный направляющий аппарат, устанавливаемый между предвключенным осевым колесом и центробежным рабочим колесом, с возможностью выполнения лопаточной системы направляющего аппарата многокаскадной, а также с возможным размещением во втулке направляющего аппарата гидродинамического либо гидростатического подшипника.
Применение предлагаемой конструкции предвключенного осевого колеса по сравнению с прототипом позволяет:
- за счет повышения густоты лопастной решетки на наружном диаметре в интервале от 2,0 до 4,0 повысить всасывающую способность насоса;
- за счет профилирования втулки избежать отрыва потока в лопастной системе предвключенного осевого колеса и, как следствие, повысить экономичность предвключенного входного устройства и всего насоса в целом.
Выполнение лопастной системы предвключенного осевого колеса, имеющего густоту лопастной решетки на наружном диаметре в интервале от 2,0 до 4,0, многорядной позволяет сократить осевые габариты предвключенного осевого колеса при сохранении повышенной густоты его лопастной системы. При этом также увеличивается напор предвключенного осевого колеса, и тем самым повышается располагаемый кавитационный запас на входе в центробежное рабочее колесо насоса.
Использование направляющего аппарата, устанавливаемого между предвключенным осевым колесом и центробежным рабочим колесом насоса, по сравнению с прототипом, позволяет использовать динамическую составляющую напора предвключенного осевого колеса для увеличения располагаемого кавитационного запаса на входе в центробежное рабочее колесо. При этом повышается экономичность насоса также за счет оптимального согласования потока, выходящего из предвключенного осевого колеса, с входным участком лопастной системы центробежного рабочего колеса.
Выполнение лопаточной системы направляющего аппарата предвключенного входного устройства многокаскадной позволяет избежать технологических трудностей, связанных с технологией изготовления закрытых длинных искривленных лопаток, при сохранении значения густоты его лопаточной системы направляющего аппарата, необходимой для предотвращения отрыва потока и обеспечения высокой экономичности предвключенного входного устройства и насоса в целом.
Размещение во втулке направляющего аппарата предвключенного входного устройства гидродинамического или гидростатического подшипника обеспечивает дополнительное повышение всасывающей способности насоса по сравнению с прототипом за счет возможности формирования осевого подвода перекачиваемой жидкости к предвключенному входному устройству насоса.
Таким образом, использование совокупности приведенных существенных признаков заявляемой модели обеспечивает технический результат, подразумевающий повышение всасывающей способности и экономичности.
Заявляемая полезная модель поясняется рисунками, на которых представлены:
фиг.1 - вертикальный центробежный насос, продольный разрез;
фиг.2 - развертка кольцевого сечения лопастной системы предвключенного осевого колеса на наружном диаметре (однорядная решетка);
фиг.3 - развертка кольцевого сечения лопастной системы предвключенного осевого колеса на наружном диаметре (двухрядная решетка);
фиг.4 - развертка кольцевого сечения лопастной системы предвключенного осевого колеса на наружном диаметре (трехрядная решетка);
фиг.5 - график, показывающий зависимость критического кавитационного коэффициента быстроходности вертикального центробежного насоса от густоты лопастной решетки;
фиг.6 - вертикальный центробежный насос, продольный разрез с вариантом размещения нижнего подшипника скольжения во втулке направляющего аппарата предвключенного входного устройства;
фиг.7 - развертка кольцевого сечения лопастной системы направляющего аппарата предвключенного входного устройства на наружном диаметре (двухкаскадная решетка);
фиг.8 - развертка кольцевого сечения лопастной системы направляющего аппарата предвключенного входного устройства на наружном диаметре (однокаскадная решетка).
Вертикальный центробежный насос содержит внешний корпус (стакан) 1 (фиг.1) с входным патрубком, закрепленный шпильками 2 и уплотнительным кольцом 3 с внутренним корпусом (выемной частью) насоса 4. Внутренний корпус 4 имеет статорную и роторную части. Статорная часть состоит из фонаря 5, неподвижной втулки нижнего подшипника скольжения 6, подвода 7, трубы подводящей 8, в которой установлен направляющий аппарат 9 предвключенного входного устройства. Роторная часть внутреннего корпуса 4 состоит из вала 10, на котором установлены предвключенное осевое колесо 11 и центробежное рабочее колесо (колеса) 12. Предвключенное осевое колесо 11 выполнено с профилированной втулкой с увеличивающимся от входа к выходу диаметром. Кроме однорядного исполнения лопастной системы (фиг.2) предвключенного осевого колеса 11, в конструкции насоса предусмотрены также варианты исполнения лопастной системы многорядной: двухрядной (фиг.3) и трехрядной (фиг.4). Выполнение лопастной системы предвключенного осевого колеса 11 с густотой лопастной решетки (фиг - ы 2, 3, 4) на наружном диаметре в интервале от 2,0 до 4,0 повышает всасывающую способность насоса. Это подтверждают результаты обобщения расчетных и экспериментальных исследований, выполненных в ОАО «ВНИИАЭН». Так, на фиг.5 представлен график, показывающий зависимость критического кавитационного коэффициента быстроходности вертикального центробежного насоса с предвключенным устройством в виде осевого колеса от густоты лопастной решетки последнего. Критический кавитационный коэффициент быстроходности определяется по формуле:
кр
кр
0,5
0,75
C=(5,62×nσ)/Δh ,
где n - частота вращения насоса, об/мин;
3
Q - подача насоса, м/с;
кр
Δh - критический кавитационный запас насоса, соответствующий 3%-му снижению напора, м.
н
Густота лопастной решетки τ определяется по формуле:
н
н
н
τ=(z×l)/(π×D),
где z - число лопастей предвключенного осевого колеса;
н
l - длина лопасти предвключенного осевого колеса на наружном диаметре, м;
н
D - наружный диаметр предвключенного осевого колеса, м
При значении густоты лопастной решетки в интервале от 2,0 до 4,0 напор предвключенного осевого колеса 11 имеет максимальное значение и, как, следствие, располагаемый кавитационный запас на входе в центробежное рабочее колесо 12 первой ступени имеет максимальное значение. При увеличении густоты лопастной решетки свыше 4,0 резко увеличиваются гидравлические потери на трение в межлопастных каналах предвключенного осевого колеса 11, приводящие к падению его напора и, как следствие, к уменьшению располагаемого кавитационного запаса на входе в центробежное рабочее колесо 12 первой ступени. Густоты лопастной решетки при значении ее меньше 2,0 недостаточно для обеспечения полного поворота потока в соответствии с кривизной межлопастных каналов предвключенного осевого колеса 11 и, как следствие, располагаемый кавитационный запас на входе в центробежное рабочее колесо первой ступени падает. Таким образом, обеспечение для заданных условий максимального напора предвключенного осевого колеса 11 (максимального располагаемого кавитационного запаса на входе в центробежное колесо первой ступени) предопределяет повышение всасывающей способности вертикального центробежного насоса.
Камера за рабочим колесом 12 последней ступени сообщена при помощи трубки с приемной полостью наружного корпуса 1. Нижний подшипник скольжения 6 расположен в корпусе подвода 7 и работает на перекачиваемой жидкости за счет перепада давления, создаваемого насосом. Нижний подшипник скольжения 6 гидродинамического или гидростатического типа может быть размещен во втулке направляющего аппарата 9 предвключенного входного устройства, который установлен между предвключенным осевым колесом 11 и центробежным рабочим колесом 12 (фиг.6.). Лопаточная система направляющего аппарата 9 предвключенного входного устройства, помимо основного исполнения в виде однокаскадной решетки (фиг.7), может быть выполнена как многокаскадная решетка (фиг.8).
В напорной крышке 13 расположено отводящее устройство. В одноступенчатом насосе возможен вариант выполнения отводящего устройства, состоящего из направляющего аппарата 14 и кольцевого отвода сферической или цилиндрической формы. В случае двух и более ступеней за каждым рабочим колесом 12 устанавливается направляющий аппарат 14.
Насос работает следующим образом. При вращении вала 10 от электродвигателя перекачиваемая жидкость последовательно поступает в подвод 7, далее - на лопасти предвключенного осевого колеса 11, затем через направляющий аппарат 9 предвключенного входного устройства по трубе подводящей 8 - на лопасти центробежного рабочего колеса 12 и/или через направляющий аппарат 14 концевой ступени - в камеру напорной крышки, из которой выходит через выходной патрубок под давлением, создаваемым за счет вращения насоса.
Предлагаемая полезная модель позволяет при ее использовании повысить всасывающую способность и экономичность.