ОСЕДИАГОНАЛЬНЫЙ ШНЕКОВЫЙ НАСОС С ДВУХСТОРОННИМ АВТОМАТОМ РАЗГРУЗКИ РОТОРА ОТ ОСЕВОЙ СИЛЫ
AXIALLY DIAGONAL SCREW PUMP WITH ROTOR AUTOMATIC RADIAL LOAD RELEASE UNIT

Изобретение относится к области насосостроения и может быть использовано при разработке конструкций оседиагональных шнековых насосов с повышенными требованиями к надежности и длительности ресурса работы ходовой части. Оседиагональные шнековые насосы по своим характеристикам незаменимы при аварийных ситуациях для перекачки вязких загрязненных жидкостей, при проливах нефти и нефтепродуктов; для базовых работ на нефтебазах, наливных эстакадах, в системах промстоков и промотходов; при откачке из заглубленных резервуаров.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является, принятый за прототип, известный (RU, патент №2342564, опубликовано 27.12.2008) оседиагональный шнековый насос с автоматом разгрузки ротора от осевой силы, содержащий корпус, состоящий из подвода и отвода, и ротор, включающий вал, вращающийся в установленных в корпусе радиальном и упорном подшипниках и закрепленное на валу шнековое колесо с винтовыми лопастями и полой конусообразной втулкой, примыкающей на большом диаметре к корпусу через радиальный и торцовый зазоры щелевого ступенчатого уплотнения и образующей с ним с внешней, по отношению к проточной части, стороны разгрузочную камеру с перепускными каналами, при этом упорный подшипник по наружному кольцу установлен в корпусе с торцовым зазором так, что его величина больше - равна величины торцового зазора в щелевом ступенчатом уплотнении.
Разгрузка ротора от осевой силы в известном насосе осуществляется в результате автоматического регулирования с отрицательной обратной связью эпюры давления в разгрузочной камере, а следовательно, и величины составляющей осевой силы, образующейся на полой конусообразной втулке и направленной в сторону входа в шнековое колесо, вызывающей перемещение ротора в осевом направлении в пределах торцового зазора по наружному кольцу установленного в корпусе упорного подшипника, с одновременным изменением величины торцового зазора в щелевом ступенчатом уплотнении до наступления баланса с встречно действующей составляющей осевой силы, образующейся на коническом участке наружного контура лопастей при нерегулируемой эпюре давления, а следовательно, и величины указанной составляющей осевой силы.
x
Недостатком автомата разгрузки ротора от осевой силы в известном оседиагональном шнековом насосе является то, что существует возможность возникновения ситуации, при которой баланс встречно действующих составляющих осевых сил, достигается, (как показывают расчеты и подтверждается на практике), при сравнительно малых величинах торцового зазора (δ≤0,2-0,3 мм) в щелевом ступенчатом уплотнении, что может привести, учитывая динамический характер работы автомата, к касанию и даже износу рабочих поверхностей деталей, образующих торцовый зазор в щелевом ступенчатом уплотнении.
Задачей заявленного изобретения является модернизация существующей конструкции оседиагонального шнекового насоса.
Технический результат, получаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в устранении касания и износа рабочих поверхностей деталей, образующих торцовый зазор в щелевом ступенчатом уплотнении, в повышении надежности и увеличении ресурса работы ходовой части оседиагонального шнекового насоса.
Указанный технический результат достигается тем, что в оседиагональном шнековом насосе, содержащем корпус, состоящий из подвода и отвода, и ротор, включающий вал, вращающийся в установленных в корпусе радиальном и радиально-упорном шарикоподшипниках и консольно закрепленное на валу шнековое колесо с винтовыми лопастями и полой конусообразной втулкой, примыкающей к отводу корпуса на большом диаметре через радиальный и торцовый зазоры щелевого ступенчатого уплотнения и образующей с внешней, по отношению к проточной части, стороны разгрузочную камеру с перепускными каналами, сообщающими ее с полостью на входе проточной части шнекового колеса, в котором радиально-упорный шарикоподшипник по наружному кольцу установлен в корпусе с торцовым зазором, величина которого составляет не менее величины торцового зазора вышеупомянутого щелевого ступенчатого уплотнения, а на лопастях, в начале конического участка наружного контура шнекового колеса, неподвижно закреплен бандаж, примыкающий к подводу корпуса на меньшем диаметре через торцовый зазор щелевого уплотнения, величина которого равна величине торцового зазора в вышеупомянутом щелевом ступенчатом уплотнении.
При вращении ротора возникает перепад давления перекачиваемой жидкости между выходом и входом шнекового колеса, приводящий к возникновению встречно направленных составляющих осевых сил, действующих на внешний контур шнекового колеса:
а) составляющей осевой силы A1, действующей на конический участок наружного контура лопастей в направлении от входа к выходу шнекового колеса (со стороны проточной части):
<mrow><mi>A</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>×</mo><mi>π</mi><mo>×</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><msubsup><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msubsup><mrow><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>r</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>×</mo><mi>r</mi><mo>×</mo><mi>d</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow>
б) составляющей осевой силы А2, действующей на внутреннюю поверхность полой конусообразной втулки в направлении от выхода к входу шнекового колеса (со стороны разгрузочной камеры):
<mrow><mi>A</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>×</mo><mi>π</mi><mo>×</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><msubsup><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msubsup><mrow><msub><mi>p</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>r</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>×</mo><mi>r</mi><mo>×</mo><mi>d</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow>
где
2
1
r - текущий радиус шнекового колеса, изменяющийся от величины наружного радиуса шнекового колеса на выходе (r) до величины радиуса расположения перепускных отверстий (r);
1
2
p(r) и p(r) - аналитические выражения эпюры статического давления вдоль радиуса шнекового колеса,
воздействующие соответственно, на конический участок наружного контура лопастей со стороны проточной части и на внутреннюю поверхность полой конусообразной втулки со стороны разгрузочной камеры, определяемые по известным в теории гидромеханики турбомашин, зависимостям, например см. (А.А. Ломакин. Центробежные и осевые насосы Изд. «Машиностроение» Москва, Ленинград,1966, стр.157 - «распределение давления между колесом и корпусом»).
2
1
2
1
poт
При этом, из-за того, что площадь кольцевого сечения на втулке (между r и r), на которую воздействует эпюра давления P(r), а следовательно, и величина составляющей осевой силы (A2) со стороны выхода, больше, чем площадь кольцевого сечения на коническом участке лопастей, на которую воздействует эпюра давления P(r) и, соответственно, величина составляющей осевой силы (A1) со стороны входа, возникает осевое перемещение ротора в пределах торцового зазора по наружному кольцу установленного в корпусе радиально-упорного шарикоподшипника, сопровождающееся уменьшением величины торцовых зазоров, соответственно, в щелевом ступенчатом уплотнении втулки с отводом корпуса и в щелевом уплотнении бандажа с подводом корпуса. В результате указанного изменения торцовых зазоров: а) повышается давление на коническом участке наружного контура лопастей из-за уменьшения величины утечек через радиальный зазор между лопастями и подводом корпуса; б) понижается давление в разгрузочной камере за счет уменьшения величины утечек через щелевое ступенчатое уплотнение и их сброса через перепускные каналы в полость на входе проточной части шнекового колеса. В результате перепад давления на поверхностях внешнего контура шнекового колеса, а следовательно, и величина суммарной осевой силы (A), действующей на ротор, равная разности встречно действующих составляющих осевых сил
poт
A=А2-А1,
уменьшается, до достижения баланса составляющих (A1 и A2) при наступлении равенства
A1=A2.
Так как интегральная величина давления на коническом участке наружного контура лопастей шнекового колеса зависит от величины утечек через радиальный зазор между лопастями и подводом корпуса и при их уменьшении давление повышается, а торцовый зазор между бандажом и подводом корпуса, ограничивающий их величину, уменьшается при осевом перемещении ротора, происходит дополнительное увеличение давления, а следовательно, и составляющей осевой силы (A1). А это значит, что баланс составляющих осевых сил (A1=A2) наступает раньше (по сравнению с прототипом) при большей величине торцового зазора в щелевом ступенчатом уплотнении. В результате такого эффекта устраняется возможность касания и износа рабочих поверхностей деталей, образующих торцовый зазор в щелевом ступенчатом уплотнении, что повышает надежность и ресурс работы ходовой части оседиагонального шнекового насоса
То есть получается устройство, регулирующее эпюры распределения давления с отрицательной обратной связью, а следовательно, и величины встречно действующих на ротор составляющих осевых сил с двух направлений: а) со стороны входа шнекового колеса на конический участок наружного контура лопастей (в проточной части) за счет изменения величины торцового зазора между бандажом и подводом корпуса и б) со стороны выхода шнекового колеса на внутреннюю поверхность полой конусообразной втулки (в разгрузочной камере) за счет изменения торцового зазора в щелевом ступенчатом уплотнении. Само устройство, характеризующееся как совокупность корпуса, состоящего из подвода и отвода, и ротора, включающего вал, вращающийся в установленных в корпусе радиальном и радиально-упорном шарикоподшипниках и консольно закрепленного на валу шнекового колеса с винтовыми лопастями и полой конусообразной втулкой, примыкающей к отводу корпуса на большом диаметре через радиальный и торцовый зазоры щелевого ступенчатого уплотнения, образующей с внешней, по отношению к проточной части, стороны разгрузочную камеру с перепускными каналами, сообщающими ее с полостью на входе проточной части шнекового колеса, с закрепленным на лопастях в начале конического участка наружного контура шнекового колеса бандажом, примыкающим к подводу корпуса через торцовый зазор щелевого уплотнения по величине равный торцовому зазору щелевого ступенчатого уплотнения, при этом радиально-упорный шарикоподшипник по наружному кольцу установлен в корпусе с торцовым зазором, величина которого не менее величины торцового зазора щелевого ступенчатого уплотнения, можно рассматривать, как двухсторонний автомат разгрузки ротора от осевой силы.
Таким образом, повышение надежности и длительности ресурса работы ходовой части оседиагонального шнекового насоса происходит за счет расширения диапазона регулирования автомата разгрузки ротора от осевой силы, путем увеличения величины торцового зазора в щелевом ступенчатом уплотнении при достижении баланса составляющих осевых сил, встречно действующих на внешнем контуре шнекового колеса: со стороны входа (проточной части) на конический участок наружного контура лопастей и со стороны выхода (разгрузочной камеры) на внутреннюю поверхность полой конусообразной втулки.
Для пояснения сущности заявленного изобретения приводится чертеж (фиг.1), на котором изображено меридиональное сечение оседиагонального шнекового насоса с двухсторонним автоматом разгрузки ротора от осевой силы, где:
1
2
r и r - соответственно, внутренний и наружный радиусы внешнего кольцевого сечения шнекового колеса, формирующего образование составляющих осевой силы (радиус расположения перепускных отверстий и наружный радиус шнекового колеса на выходе);
1
2
P(r) и P(r) - соответственно, эпюры давления на внешних кольцевых сечениях шнекового колеса, воздействующие на него со стороны входа и стороны выхода;
x
δ - соответственно, текущая величина торцового зазора в щелевом ступенчатом уплотнении втулки и отвода корпуса, в щелевом уплотнении бандажа и подвода корпуса и в установке радиально-упорного шарикоподшипника по наружному кольцу в корпусе.
Оседиагональный шнековый насос содержит: корпус, состоящий из подвода 1 (конический входной патрубок) и отвода 2 (улитка), и ротор, включающий вал 3, и консольно закрепленное на нем шнековое колесо с винтовыми лопастями 4 и полой конусообразной втулкой 5. Вал вращается в шарикоподшипниках 6 (радиальном) и 7 (радиально-упорном), установленных в корпусе 8, закрепленном в отводе 2 корпуса насоса с помощью фланцевого соединения.
Наружная поверхность лопастей 4 имеет со стороны входа конический участок 9 и на выходе на большом диаметре цилиндрический участок 10, переходящий на втулку 5 в виде цилиндрической поверхности 11 и оканчивающейся торцовой поверхностью 12 на диске 13 втулки 5.
Лопасти 4 в начале конического участка 9 имеют неподвижно закрепленный на них бандаж 14, который примыкает на малом диаметре через торцовую поверхность 15 к ответной поверхности подвода 1 корпуса, с образованием торцового зазора 16 щелевого уплотнения, а на большом диаметре цилиндрического участка 10 через цилиндрическую 11 и торцовую 12 поверхности втулки 5, примыкающим к ответным поверхностям спирального отвода 2 корпуса, с образованием радиального 17 и торцового 18 зазоров щелевого ступенчатого уплотнения.
Указанное герметизирующее щелевое ступенчатое уплотнение между втулкой 5 шнекового колеса и отводом 2 корпуса насоса служит для разделения полостей высокого (ВЫХОД проточной части) и низкого (разгрузочной камеры 19 с перепускными каналами 20, сообщающими ее с полостью 21 на ВХОДЕ проточной части шнекового колеса) давления.
При этом, радиально-упорный шарикоподшипник 7 по наружному кольцу установлен в корпусе 8 насоса с торцовым зазором 22, величина которого составляет не менее величины торцовых зазоров 16 и 18 шнекового колеса, соответственно, в щелевом уплотнении бандажа с подводом и в щелевом ступенчатом уплотнении втулки с отводом.
2
1
2
1
pom
Таким образом, при вращении вала 3 на коническом участке 9 наружного контура лопастей 4 возникает перепад давления между ВЫХОДОМ и ВХОДОМ шнекового колеса, приводящий к возникновению на нем составляющей осевой силы А1 - в направлении от ВХОДА к ВЫХОДУ, а также возникает перепад давления и составляющая осевой силы А2 на полой конусообразной втулке 5 - в направлении от ВЫХОДА к ВХОДУ. При этом из-за того, что площадь кольцевого сечения между r и r на втулке 5, на которую воздействует эпюра давления P(r), а следовательно и величина составляющей осевой силы со стороны ВЫХОДА (А2) больше, чем площадь кольцевого сечения на коническом участке 9, на которую воздействует эпюра давления P(r), и соответственно величина составляющей осевой силы со стороны ВХОДА (А1), возникает осевое перемещение ротора в пределах торцового зазора 22 по наружному кольцу радиально-упорного шарикоподшипника 7, сопровождающееся уменьшением величины торцовых зазоров 16 и 18, соответственно, в щелевом уплотнении бандажа 14 с подводом 1 корпуса и в щелевом ступенчатом уплотнении втулки 5 с отводом 2 корпуса, в результате чего давление на коническом участке 9 наружного контура лопастей 4, из-за уменьшения величины утечек через радиальный зазор между лопастями 4 и подводом 1, а следовательно и составляющая осевой силы (А1) со стороны ВХОДА шнекового колеса, увеличивается, а в разгрузочной камере 19, за счет уменьшения величины утечек и их сброса через перепускные каналы 20 в полость 21 на ВХОД проточной части, а следовательно, и составляющая осевой силы (А2) со стороны ВЫХОДА шнекового колеса, уменьшается до наступления баланса (A1=A2) встречно действующих составляющих осевых сил. В целом, происходит автоматическое регулирование с отрицательной обратной связью, эпюр давления и величины суммарной осевой силы (A), действующей на внешнем контуре шнекового колеса, приводящее к разгрузке ротора и радиально-упорного шарикоподшипника 7 от воздействия осевой силы, что повышает надежность и длительность ресурса работы ходовой части оседиагонального шнекового насоса.