ЛОПАСТНОЕ КОЛЕСО

Полезная модель относится к области разработки насосов и компрессоров и может быть использована в многоступенчатых центробежных насосах для добычи нефти из скважин.
Известно рабочее колесо с лопатками, размещенными между ведущим и ведомым дисками, формирующими проточную часть рабочего колеса, при этом лопатки рабочего колеса выполнены Г-образной формы, выступающие выходные участки которых расположены по окружности за внешней кромкой ведущего диска и образуют осевую круговую решетку, обеспечивающую разворот потока жидкости с выхода рабочего колеса из радиального направления в осевое (RU 2269032, F04D 1/06, 13/10, 2004).
Недостатком известного устройства является большая масса колеса закрытого типа и ротора насоса в целом, что снижает эффективность применения таких колес в насосах с высокой частотой вращения ротора. Кроме того, наличие закрытых полостей в проточной части колеса не позволяет обеспечить высокое качество поверхностей этой проточной части, что, в свою очередь, вызывает рост гидравлических потерь и снижение эффективности работы насоса.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является лопастное колесо для многоступенчатого центробежного насоса, имеющее ступицу, выполненную в виде диска с размещенными на нем лопастями (RU №59752, F04D 13/10, 2006).
Недостатком известного устройства является его невысокая технологичность и ограниченные возможности по применению современных материалов и технологий их обработки.
Кроме того, недостатком известного устройства является его невысокая надежность при наличии механических примесей в перекачиваемой жидкости. Из-за жесткой конструкции колеса при попадании твердых частиц под лопасть колеса динамические нагрузки передаются на вал насоса, что приводит к снижению показателей надежности из-за преждевременного износа подшипников насоса.
В основу настоящей полезной модели положена задача создания конструкции лопастного колеса, обеспечивающего повышение коэффициента полезного действия и надежности работы ступени многоступенчатого центробежного насоса за счет повышения качества поверхностей проточной части насоса, что в свою очередь создаст условия по применению износостойких материалов и покрытий.
Кроме того, заявляемое техническое решение обеспечивает упрощение изготовления как лопастного колеса, так и самого насоса и расширяет возможности регулирования работы насоса.
Поставленная задача достигается тем, что в лопастном колесе, имеющем ступицу, диск с размещенными на нем лопастями, согласно полезной модели, на ступице выполнена цилиндрическая посадочная поверхность, а в диске выполнено ответное цилиндрическое отверстие с образованием подвижного соединения, с возможностью смещения диска относительно ступицы вдоль оси вращения колеса, на ступице выполнены пазы, а на диске выполнены шипы, входящие в пазы на ступице, образуя муфтовое соединение с возможностью передачи крутящего момента через ступицу, шипы и диск к лопастям колеса, причем толщина стенки для диска, шипов и лопастей выполнена постоянной для всех точек на поверхностях этих деталей, а толщина диска равна толщине шипа и толщине лопасти.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез двух насосных ступеней в сборе с лопастным колесом в составе каждой ступени, на фиг.2 изображены детали колеса со смещением вдоль оси вращения (монтажная схема), на фиг.3 показано лопастное колесо в сборе.
Устройство и принцип работы заявляемого лопастного колеса представлены на примере его использования в составе погружного многоступенчатого центробежного насоса.
Погружной многоступенчатый центробежный насос содержит набор ступеней, собранных в цилиндрическом корпусе 1. Основная деталь лопастного колеса диск 2 размещен в цилиндрическом корпусе неподвижного направляющего аппарата 3. Лопастное колесо имеет ступицу 4 и лопасти 5, размещенные на диске 2. Между лопастями 5 сформированы каналы 6 проточной части лопастного колеса. Направляющий аппарат 3 имеет ступицу 7, верхний диск 8, нижний диск 9 и лопатки 10, размещенные между дисками 8 и 9. Таким образом, между лопатками 10 сформированы каналы 11 проточной части направляющего аппарата 3. На входе направляющего аппарата 3 имеется входная кольцевая камера 12. На выходе направляющего аппарата выполнена выходная кольцевая камера 13. Кольцевые камеры 12 и 13 обеспечивают гидравлическую связь проточных частей рабочего колеса 2 и направляющего аппарата, а именно, обеспечивают гидравлическую связь каналов 6 с каналами 11. Цилиндрический корпус 14 направляющего аппарата 3 обеспечивает пространство для размещения лопастного колеса. Между контактирующими горизонтальными поверхностями лопастного колеса и направляющего аппарата 3 установлены осевые опоры 15. Радиальная опора выполнена в виде центрирующего подшипника 16, установленного на вал 17.
Лопатки 10 объединены в единую закладную деталь с помощью перемычек 18, с образованием кольцеобразной системы. Так же, как и в известных насосах, диски 8 и 9 могут иметь плоские и конические поверхности, формирующие расширяющиеся каналы между лопатками 10.
На ступице 4 выполнена цилиндрическая посадочная поверхность 19, а в диске выполнено ответное цилиндрическое отверстие 20 с образованием подвижного соединения, с возможностью смещения диска 2 относительно ступицы 4 вдоль оси вращения колеса. На ступице 4 выполнены пазы 21, а на диске выполнены шипы 22, входящие в пазы 21 на ступице 4, образуя муфтовое соединение с возможностью передачи крутящего момента через ступицу 4, шипы 22 и диск 2 к лопастям 5 колеса, причем диск 2, шипы 22 и лопасти 5 представляют собой части одной листовой заготовки.
Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса с заявляемым лопастным колесом работает следующим образом.
При вращении вала 17 лопасти 5 рабочего колеса оказывают силовое воздействие на перекачиваемую среду (жидкость или газожидкостную смесь), заполняющую каналы 6 и проточную часть рабочего колеса в целом. Перекачиваемая среда, таким образом, вовлекается во вращательное движение. Возникающие при этом центробежные силы обеспечивают повышение давления на периферии рабочего колеса и создание потока в направлении от центра рабочего колеса к его периферии. Из каналов 6 перекачиваемая среда вытесняется во входную кольцевую камеру 12 направляющего аппарата 3. Из входной кольцевой камеры 12 перекачиваемая среда через отверстия 19 поступает в каналы 11 между лопатками 10, где за счет постепенного увеличения площади сечения каналов 11 по направлению потока обеспечивается снижение скорости течения и, соответственно, обеспечивается повышение гидростатического давления. Из каналов 11 перекачиваемая среда поступает в выходную кольцевую камеру 13, где наблюдается осевое течение, направленное вдоль оси вращения вала 17. Поток с осевым направлением течения из выходной кольцевой камеры 13 попадает в каналы следующего рабочего колеса.
На ступице 4 выполнена цилиндрическая посадочная поверхность 19, а в диске выполнено ответное цилиндрическое отверстие 20 с образованием подвижного соединения, с возможностью смещения диска 2 относительно ступицы 4 вдоль оси вращения колеса. При отсутствии жесткого соединения ступицы 4 с диском 2 лопасти 5 вместе с диском 2 могут смещаться в осевом направлении при попадании механических примесей в зазор между лопастью 5 и направляющим аппаратом. При этом повышается надежность работы насоса, уменьшается износ деталей и сохраняется высокий кпд. На ступице 4 выполнены пазы 21, а на диске выполнены шипы 22, входящие в пазы 21 на ступице 4, образуя муфтовое соединение с возможностью передачи крутящего момента через ступицу 4, шипы 22 и диск 2 к лопастям 5 колеса. Такое исполнение лопастного колеса обеспечивает надежную передачу крутящего момента при любом положении диска 2 относительно ступицы 4.
Осевая опора 15, центрирующий подшипник 16, ступица 7, верхний диск 8, корпус 14 направляющего аппарата 3 обеспечивают передачу силовых нагрузок на корпус 1.
Толщина стенки для диска 2, шипов 22 и лопастей 5 остается постоянной для всех точек на поверхностях этих деталей, а толщина диска равна толщине шипа и толщине лопасти. Такое конструктивное исполнение позволяет формировать деталь из листовых заготовок, например методом штамповки. При этом качество поверхностей, формирующих проточную часть лопастного колеса, обеспечивается на стадии изготовления листовой заготовки. Производство листовых заготовок отличается высокой производительностью, технологичностью и качеством поверхностей при низкой шероховатости, что, в свою очередь, способствует снижению гидравлических сопротивлений и повышению качества рабочего колеса и насоса, в целом. Кроме того, такое конструктивное исполнение лопастного колеса, позволяет уменьшить его массу и массу ротора насоса в целом, что повышает эффективность применения насоса с такими колесами при высокой скорости вращения ротора. При уменьшении массы ротора снижаются динамические нагрузки на подшипники насоса, повышается долговечность подшипников и улучшается качество насоса в целом. Кроме того, при отсутствии жесткого соединения ступицы 4 с диском 2 лопасти 5 вместе с диском 2 могут смещаться в осевом направлении при попадании механических примесей в зазор между лопастью 5 и направляющим аппаратом. При этом повышается надежность работы насоса, уменьшается износ деталей и сохраняется высокий кпд, поскольку не передаются на вал насоса динамические нагрузки от контакта лопастей 5 с твердыми частицами (механическими примесями) в зазорах проточной части насоса.
Конструкция заявляемого лопастного колеса, при постоянстве толщины стенки для составляющих элементов, открывает возможности для применения новых и разнообразных материалов при производстве насосов, в том числе биметаллические и многослойные материалы, производство которых отличается своей, технологичностью, если исходный материал производится в виде листовых заготовок. Возможен вариант, когда все поверхности лопастного колеса имеют защитное износостойкое покрытие.
Заявляемое техническое решение позволяет применить при производстве насосов высокопроизводительные технологии, например, такие как штамповка, резка материалов с помощью лазера или с помощью водяной струи.
В заявляемом техническом решении имеется возможность применять в лопастных колесах различные профили лопастей (лопасти, отогнутые назад; радиальные лопасти или лопасти, отогнутые вперед), в зависимости от условий работы насоса, для достижения максимального кпд.