Уплотнительное устройство динамической машины

Полезная модель относится к конструкции динамических машин, в частности к уплотнительным узлам насосов необъемного вытеснения, и может использоваться в качестве подвижных механических уплотнений для любых динамических машин, например, в центробежных насосах, в установках центробежных насосов, применяемых в составе скважинного оборудования, в мультифазных насосах, экструдерах, мешалках, компрессорах и т.д., применима в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической промышленности, в коммунальном хозяйстве.
Широко известно применение гибких диафрагм в устройствах гидравлической защиты погружных маслонаполненных электродвигателей, предназначенных для привода насосов добычи нефти, работающих в скважинах. Так, например, известно устройство для гидравлической защиты погружного маслонаполненного электродвигателя по патенту РФ на полезную модель №47587, H02K 5/12, 2005. Устройство содержит вал, корпус, торцовые уплотнения, по меньшей мере, одну камеру с размещенной в ней гибкой диафрагмой, закрепленной горловиной на опорах, клапан сброса давления, маслоподводящие и маслоотводящие отверстия в опорах. Устройство дополнительно снабжено защитными гибкими демпфирующими элементами в виде полого цилиндра. Цилиндр установлен внутри диафрагмы с обеих ее торцов коаксиально. Свободный участок цилиндра, размещен в рабочей зоне диафрагмы с зазором от ее внутренней поверхности. Опорный участок цилиндра размещен с примыканием к внутренней поверхности горловины диафрагмы в зоне ее крепежной опоры. Образующие опорного и свободного участков каждого защитного элемента сопряжены между собой в зоне изгиба горловины диафрагмы с образованием сужения наружного диаметра опорного участка. Внешний торец опорного участка защитного элемента снабжен стопорным буртом, примыкающим к внешнему торцу горловины диафрагмы. Крепление диафрагмы с защитным элементом на крепежных опорах выполнено жестким посредством бандажных упругих колец с торцовыми буртами, а гибкая диафрагма, защитный элемент и бандажные кольца выполнены из эластичного, масло- и химически стойкого материла. Однако применение такой диафрагмы затруднительно в уплотнительном узле центробежного насоса. Применение диафрагмы в насосе может привести к ее повреждению вследствие нагрева и в следствие недостаточного ее охлаждения.
Известен электропривод погружного центробежного насоса по патенту США на изобретение US 3785753, F04D 13/06, 1974. Электропривод содержит вертикальный маслонаполненный электродвигатель, гидравлический компенсатор, соединенный с нижней частью двигателя, защитное устройство, соединенное с верхней частью двигателя и, включающее кожух. Кожух разделен гибкой мембраной на внутреннюю и внешнюю камеры для заполнения текучей средой. Погружной насос расположен над защитным устройством. Насос имеет вал, расположенный на одной линии с валом электродвигателя. Защитное устройство содержит промежуточный соединительный вал, один конец которого соединен с валом электродвигателя, а другой конец соединен с валом погружного насоса. На внутренней стенке защитного устройства расположена труба, которая служит соединительным каналом между камерами протектора. В корпусе защитного устройства расположено уплотнительное устройство, имеющее неподвижную и подвижную части. Уплотнительное устройство расположено на валу протектора и закреплено в осевом направлении посредством подшипника скольжения. В корпусе протектора установлен выпускной клапан, обеспечивающий контроль избыточного давления жидкости над подвижной частью уплотнительного устройства. Недостаточная надежность устройства, не позволяющая использовать его в центробежном насосе, обусловлена сложностью конструкции, возможностью повреждения гибкой мембраны при взаимодействии ее с корпусом защитного устройства при повышении давления внутри мембраны.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран уплотнительный герметичный модуль центробежного насоса по патенту РФ на изобретение №2681727, F04D 29/10, 2019. Уплотнительный герметичный модуль содержит фланцевый корпус, выполненный с возможностью крепления как на стороне всасывания, так и на стороне нагнетания, содержит вал, радиально и в осевом направлении зафиксированный подшипниковыми опорами, и диафрагму. На валу установлены два одинарных торцовых уплотнения, расположенные внутри герметичной камеры. Стенки камеры сформированы эластичной диафрагмой. Диафрагма одним концом жестко закреплена на корпусе подшипника скольжения с помощью хомута, обеспечивающего равномерное кольцевое обжатие уплотнительного воротника диафрагмы, другим концом также жестко соединена с другой опорой подшипника качения с помощью хомута. Полость камеры заполнена нейтральной уплотняющей жидкостью и конструктивно расположена в проточной части линии подвода или нагнетания насоса. С внутренней и/или внешней стороны от эластичной диафрагмы установлен защитный экран. Недостаточная надежность работы модуля обусловлена возможным увеличением объема затворной жидкости вследствие нагрева при работе насоса, что может вызвать повреждение торцовых уплотнений, или разрыв диафрагмы. Кроме того, повреждение диафрагмы может быть вызвано ее нагревом из-за эффекта «термоса» при установке вокруг нее внешнего защитного экрана. Недостаточная надежность работы нижнего торцового уплотнения и нижнего твердосплавного подшипника вызвана возможностью попадания в них механических примесей из отверстия для охлаждения, которое выполнено под прямым углом к оси отверстия для вала.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении надежности работы уплотнительного устройства вала динамической машины.
Технический результат обеспечивается тем, что в уплотнительном устройстве динамической машины, содержащем корпус, внутри которого содержится камера для заполнения затворной жидкостью, камера образована эластичной диафрагмой, которая закреплена на опорах верхнего и нижнего подшипников, и закрыта снаружи обечайкой, в подшипниках установлен вал с верхним и нижним торцевыми уплотнениями, расположенными внутри камеры, согласно полезной модели, обечайка установлена вокруг диафрагмы с образованием полостей у наружных концевых участков диафрагмы, вдоль внутренней поверхности обечайки установлены трубки, возле открытых концов трубок в обечайке выполнены отверстия, в опоре нижнего подшипникового узла выполнен наклонный канал для подвода жидкости к нижнему подшипнику.
Технический результат достигается за счет установки обечайки вокруг эластичной диафрагмы с образованием свободных полостей у верхней и нижней части диафрагмы вблизи мест ее крепления к опорам подшипников. Полости являются зазорами криволинейной формы в поперечном сечении, располагающиеся между внутренней поверхностью обечайки и наружной поверхностью диафрагмы. Полости образуются за счет сужения концов диафрагмы и присутствуют в конструкции уплотнения как при наполнении внутреннего объема диафрагмы затворной жидкостью, так и при не заполненном жидкостью ее внутреннем объеме. Наличие данных полостей дает возможность увеличения размера диафрагмы, позволяет компенсировать увеличение объема масла внутри нее, появляющееся вследствие термического расширения. Это обеспечивает повышение надежности диафрагмы за счет обеспечения ее целостности. Установка полых трубок по периметру цилиндрической обечайки, вдоль образующей ее внутренней поверхности обеспечивает дополнительный объем для термического расширения диафрагмы. Расширяясь, диафрагма может заполнить объем между соседними трубками, что позволить предотвратить ее повреждение. Установка трубок увеличивает жесткость обечайки, повышая ее прочность, что позволяет эффективно защитить диафрагму от разрыва при воздействии потока жидкости. Таким образом, установка трубок повышает надежность работы и обечайки, и диафрагмы. Выполнение отверстий в цилиндрической обечайке у верхнего и нижнего ее края, там же где расположены открытые концы трубок, позволяет эффективно охлаждать затворную жидкость внутри диафрагмы. Охлаждение происходит за счет циркулирующей в трубках перекачиваемой жидкости, попадающей туда через отверстия в обечайке. Охлаждение затворной жидкости повышает надежность устройства уплотнения за счет увеличения долговечности диафрагмы, повышения надежности ее работы. Выполнение канала для подвода жидкости к нижнему твердосплавному подшипнику под углом к горизонтали исключает попадание песка и твердых включений в пару трения нижнего торцового уплотнения и в нижний подшипник при вертикальной компоновке. При горизонтальном расположении насоса отверстие направляют вниз, что тоже исключает попадание крупных частиц к торцовому уплотнению. Это повышает надежность работы нижнего твердосплавного подшипника и нижнего торцового уплотнения.
На фигуре представлен разрез уплотнительного устройства динамической машины.
Уплотнительное устройство динамической машины содержит корпус 1 с верхним 2 и нижним 3 фланцем. В корпусе 1 установлены опора 4 для верхнего подшипника 5 и опора 6 для нижнего подшипника 7. Нижний подшипник 7 является твердосплавным подшипником скольжения, предназначен для работы в перекачиваемой среде, выполнен из износостойких материалов. Верхний подшипник 5 может быть как подшипником качения, так и подшипником скольжения. Подшипники 5 и 7 являются опорами установленного в них вала 8. На валу 8 установлено верхнее торцовое уплотнение 9 и нижнее торцовое уплотнение 10. В качестве торцовых уплотнений 9 и 10 могут использоваться, например, торцовые уплотнения сильфонного, металлосильфонного, картриджного и других типов. Внутри корпуса 1 расположена замкнутая камера 11 для заполнения затворной жидкостью. Камера 11 образована стенками эластичной диафрагмы 12 и внутренними поверхностями опор 4 и 6 подшипников 5 и 7. Торцовые уплотнения 9 и 10 вала 8 расположены внутри камеры 11. Диафрагма 12 имеет форму тела вращения, выполнена в виде бочкообразной фигуры, содержит зоны изгиба горловины с образованием сужения наружного диаметра. Бочкообразная форма диафрагмы 12 и при отсутствии затворной жидкости внутри нее. Эти участки диафрагмы являются опорными. Материалом диафрагмы могут служить резиновые и химически стойкие эластичные материалы, стойкие к перекачиваемой среде и рабочей температуре. Эластичная диафрагма 12 закреплена хомутами 13 в районе суженых опорных участков сверху и снизу на опорах 4 и 6 подшипников 5 и 7. Диафрагма 12 помещена в жесткую наружную обечайку 14 с образованием свободных полостей 15, расположенных между наружной поверхностью концевых участков диафрагмы 12 и внутренней поверхностью обечайки 14, между местами обжатия диафрагмы 12 хомутами 13 и средней ее частью. Внутри обечайки 14 расположены трубки 16 с открытыми концами, установленные по периметру цилиндрической обечайки 14, вдоль образующей ее внутренней поверхности. В стенке обечайки 14 выполнены сквозные отверстия 17, расположенные по окружности вблизи открытых концов трубок 16. В опоре 6 нижнего твердосплавного подшипника 7 выполнен наклонный канал 18 для его охлаждения. В опоре 6 так же выполнено отверстие 19 для заполнения камеры 11 затворной жидкостью. Патрубок 20 корпуса 1 может быть всасывающим либо напорным в зависимости от того, в какой части насоса размещено уплотнительное устройство.
Уплотнительное устройство динамической машины работает следующим образом.
Устройство в основном используют в наземных и полупогружных насосах. Камеру 11 заполняют затворной жидкостью через отверстие 19. В качестве затворной жидкости используют масло, нейтральную чистую жидкость. Давление в камере 11 после ее заполнения либо отсутствует, либо делают немного избыточным. Устанавливают устройство в погружной центробежный насос. Верхний конец вала 8 соединяют с валом привода посредством муфты. Нижний конец вала 8 соединяют с валом насоса посредством муфты либо располагают все на одном валу. При работе центробежного насоса перекачиваемая жидкость попадает внутрь корпуса 1. При вращении вала 8 происходит увеличение объема затворной жидкости внутри камеры 11 вследствие ее нагрева при работе подшипников 5 и 7. Происходит расширение эластичной диафрагмы 12 в свободных полостях 15 и в пространствах между трубками 16. За счет увеличения внутреннего объема камеры 11 снижается давление на стенки диафрагмы 12 со стороны затворной жидкости. При расширении диафрагмы 12 снижается давление на нижнее торцовое уплотнение 10 в случае изменения давления в насосе перед ним. Перепад давления между внутренним давлением в насосе и наружным, окружающим насос давлением воспринимается верхним торцовым уплотнением 9. Уплотнение 9 находится в затворной жидкости, не содержащей механические твердые частицы. Перекачиваемая жидкость через отверстие во фланце 3 и патрубок 20 поступает в корпус 1 и через наклонный канал 18 охлаждает нижнее торцовое уплотнение 10 и нижний твердосплавный износостойкий подшипник скольжения 7. За счет того, что канал 18 выполнен под углом к горизонтали, исключается попадание крупных частиц к торцовому уплотнению 10 и подшипнику 7 при вертикальном расположении насоса. Из корпуса 1 перекачиваемая жидкость через отверстия 17 в стенке обечайки 14 поступает в свободные полости 15 и в трубки 16. С помощью трубок 16 осуществляется циркуляция скважинной жидкости между обечайкой 14 и диафрагмой 12, за счет этого происходит эффективное охлаждение затворной жидкости внутри диафрагмы 12. Конструкция уплотнительного устройства позволяет проводить охлаждение торцового уплотнения 10 и подшипника 7 и защищает их от разрушающего воздействия механических частиц, позволяет охлаждать затворную жидкость внутри камеры 11, защитить диафрагму 12 от механических повреждений.
Таким образом, полезная модель позволяет повысить надежность работы уплотнительного устройства вала динамической машины.