ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС ДЛЯ ПЕРЕКАЧКИ ЖИДКОСТИ С АБРАЗИВНЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ
CENTRIFUGAL PUMP FOR PUMPING OF LIQUID WITH ABRASIVE INCLUSIONS

Область техники.
Изобретение относится к общему машиностроению, а более конкретно к центробежным насосам, предназначенным для перекачивания жидкости с абразивными включениями, например нефти, и имеющим гидростатические или гидродинамические подшипники, смазываемые перекачиваемой жидкостью.
Предшествующий уровень техники.
Известен шнекоцентробежный насос из патента РФ RU 2062360 по классу МКИ 6 F04D 1/04, дата публикации 20.06.96, содержащий корпус, вал с установленными на валу рабочими колесами, и установленные в корпусе с двух концов вала подшипники скольжения с гидростатическими полостями, которые гидравлически подключены к выходу насоса, конкретно к выходному спиральному коллектору. Для обеспечения работоспособности и ресурса подшипников в указанном насосе, рабочие поверхности подшипников выполнены из износостойкого материала - карбида вольфрама или на основе карбида вольфрама, а гидравлическое подключение подшипников осуществлено к внутренней полости выходного спирального коллектора насоса через его боковую поверхность. При таком подключении обеспечивается сепарирующий эффект, который ограничивает количество и размер посторонних частиц в жидкости, отбираемой на подшипники. Это техническое решение принимаем за аналог предлагаемого изобретения.
Недостаток аналога состоит в том, что сепарирующий эффект, обусловленный движением жидкости по спиральному коллектору насоса, как показывает опыт эксплуатации такого насоса, не исключает возможности попадания в подшипник посторонних частиц, особенно частиц, которые превышают размер жиклирующих отверстий и могут привести к перекрытию жиклеров, нарушению работы подшипника и, как следствие, выходу его и насоса из строя. Это существенно снижает надежность работы подшипника и насоса.
Известен также насос, приведенный в том же патенте, в котором гидростатические полости подшипников гидравлически подключены к выходу насоса через центробежный сепаратор. Сепаратор имеет вход, которым гидравлически подключен к выходу насоса, и два выхода соответственно для очищенной и загрязненной жидкости. Выход сепаратора для чистой жидкости гидравлически подключен к входам в гидростатические полости подшипников. Данное техническое решение принимаем за прототип предлагаемого изобретения.
Прототипу присущи следующие недостатки:
- для отвода из сепаратора загрязненной жидкости требуется дополнительный расход перекачиваемой насосом жидкости, что снижает коэффициент полезного действия насоса;
- на валу насоса требуется установка дополнительных вращающихся деталей (барабана), вследствие чего удлиняется ротор и усложняется конструкция насоса;
- эффективность работы сепаратора существенно зависит от вязкости жидкости - при увеличении вязкости эффективность сепаратора снижается, поэтому при перекачке, например, нефти, вязкость которой в зависимости от температуры может меняться на порядки, работа сепаратора будет нестабильна; при низкой температуре нефти степень ее очистки в сепараторе будет недостаточной.
Раскрытие изобретения.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении надежности работы и ресурса подшипников насоса за счет предотвращения попадания в подшипники посторонних частиц, способных перекрыть жиклеры подшипников и нарушить их работу, и снижения общего количества абразивных частиц в жидкости, отбираемой на подшипники.
Технический результат заключается в создании более эффективного устройства для очистки жидкости от абразивных включений, исключающего попадание в отбираемую жидкость примесей, способных вызвать повышенный износ подшипников или перекрыть проходные сечения жиклеров гидростатических подшипников.
Технический результат достигается тем, что в центробежном насосе для перекачки жидкости с абразивными включениями, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, вал с рабочими колесами, опирающийся на подшипники скольжения, использующие для смазки и охлаждения перекачиваемую жидкость, рабочие полости которых гидравлически соединены с выходом насоса через устройство для очистки жидкости от абразивных включений, которое установлено в выходном патрубке поперек потока жидкости, причем часть устройства, расположенная непосредственно в потоке жидкости, выполнена в виде профилированной детали, имеющей в поперечном сечении форму клина, и сориентирована в выходном патрубке так, что к набегающему потоку обращен зауженный конец указанной детали, а плоскость симметрии ее поперечного сечения совпадает с вектором скорости жидкости в месте установки устройства, при этом внутри профилированной детали выполнен продольный капал, который гидравлически соединен с полостью выходного патрубка через заборник, расположенный в плоскости симметрии поперечного сечения вдоль всей тыльной по отношению к набегающему потоку жидкости, широкой затупленной стороны профилированной детали, а через концевые участки указанной детали соединен с рабочими полостями подшипников скольжения.
Другими отличиями предлагаемого изобретения являются:
- в качестве заборника выполнен ряд отверстий, распложенных вдоль всей тыльной затупленной стороны профилированной детали;
- в качестве заборника выполнена щель, распложенная вдоль всей тыльной затупленной стороны профилированной детали профилированной детали;
- в качестве подшипников скольжения применены гидростатические подшипники;
- в качестве подшипников скольжения применены гидродинамические подшипники;
- угол зауженного конца профилированной детали составляет от 20 до 40 градусов.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 представлен предлагаемый центробежный насос с устройством очистки жидкости от абразивных включений (вид со стороны приводного конца вала);
На фиг.2 представлен разрез А-А по фиг.1 участка выходного патрубка с устройством очистки жидкости от абразивных включений.
На фиг.3 представлено сечение Б-Б по фиг.2, на котором показан профиль поперечного сечения части устройства очистки жидкости от абразивных включений, расположенной в потоке жидкости, и угол γ поворота пластины, обеспечивающий совпадение плоскости симметрии поперечного сечения с вектором скорости набегающего потока жидкости.
Пример реализации изобретения.
1
1
2
2
Насос содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, вал 4 с рабочим колесом или колесами (не показаны), опирающийся на гидростатические или гидродинамические подшипники (не показаны), трубопроводы 5 и 6 подвода жидкости на гидростатические или гидродинамические подшипники, устройство 7 для очистки жидкости от абразивных включений, установленное внутри выходного патрубка 3 и закрепленное своими концами в его стенках. Часть устройства 7, расположенная непосредственно в потоке перекачиваемой жидкости, выполнена в виде профилированной детали 8, имеющей в поперечном сечении форму клина и сориентирована так, что к набегающему потоку обращен ее зауженный конец, а плоскость симметрии O-O поперечного сечения указанной детали совпадает с вектором скорости жидкости в месте установки устройства. В общем случае указанное совпадение обеспечивается разворотом детали на угол γ 20-40 градусов относительно горизонтальной оси O-O выходного патрубка 3.
Внутри профилированной детали 8 выполнен продольный канал 9, соединенный с полостью В выходного патрубка 3 с помощью отверстий 10 или продольной щели (не показано), выполненных вдоль всей тыльной, по отношению к набегающему потоку, утолщенной стороны профилированной детали 8, и расположенных в плоскости симметрии поперечного сечения этой детали. Концы канала через штуцеры 11 и 12 соединены с трубопроводами 5 и 6, которые в свою очередь соединены с рабочими полостями подшипников.
Работа устройства.
При подаче жидкости насосом часть жидкости из полости В выходного патрубка 3 насоса через отверстия 10, выполненные с тыльной, по отношению к набегающему потоку, стороны расположенной в потоке части профилированной детали 8, попадает в канал 9 профилированной детали 8, из которой по трубопроводам 5 и 6 подается в гидростатические подшипники насоса.
Благодаря клиновидной форме расположенной в потоке части профилированной детали 8 и ее ориентации относительно вектора скорости набегающего потока, набегающий поток разделяется и вместе с содержащимися в нем абразивными частицами отклоняется в обе стороны от своего первоначального направления. В результате с обратной широкой стороны профилированной детали 8, на которой расположены отверстия 10, образуется «зона затенения», в которой отбираемая из основного потока жидкость разворачивается на угол более 180 градусов для попадания в отверстия 10 или в продольную щель. При этом находящиеся в жидкости во взвешенном состоянии частицы будут увлекаться жидкостью, и отклоняться от первоначальной траектории. Однако величина отклонения будет тем меньше, чем больше масса частиц.
Предпочтительная величина угла γ клина - 20÷40 градусов.
Поскольку участок, на котором происходит разворот жидкости, относительно невелик по длине, то крупные, тяжелые частицы, представляющие наибольшую опасность для подшипника, обладающие большей массой и, соответственно, большей инерционностью, не успеют полностью развернуться, и будут унесены потоком в магистраль за насосом. При этом развернуться вместе с жидкостью и попасть в отверстия 10 могут только мелкие частицы, не влияющие на работоспособность подшипника.
Расположение отверстий 10 в этой зоне позволяет исключить попадание в гидростатические или гидродинамические подшипники частиц, способных вызвать повышенный износ или внезапный отказ подшипников.
Для проверки эффективности устройства было проведено математическое моделирование обтекания устройства жидкостью, содержащей частицы. Моделирование проводилось для значений вязкости 0,02125 Пас и 0,255 Пас, при размерах частиц 0,7 мм и 0,5 мм соответственно. Моделирование показало, что в «зоне затенения» образуется область с существенно пониженным содержанием примесей, в первую очередь крупных, а степень очистки достигает 98%.
Промышленная применимость.
Предложенный насос может быть применен для перекачки загрязненных жидкостей, например, нефти, нефтепродуктов или воды.