ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ СЕКЦИОННАЯ ЦЕНТРОБЕЖНАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА
HORIZONTAL MULTISTAGE SECTIONAL CENTRIFUGAL PUMP UNIT

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к горизонтальным многоступенчатым секционным центробежным насосным установкам, предназначенным для закачки воды в нефтяные пласты и поддержания внутрипластового давления нефтяных месторождений при добыче нефти, а также для использования в качестве питательного насоса высокого давления паровых котлов электростанций и парогенераторных установок на нефтяных месторождениях.
В многоступенчатых центробежных насосных установках весь объем перекачиваемой жидкости передается последовательно от одного рабочего колеса насоса к другому, что приводит к повышению общего напора, вырабатываемого насосом. Общий напор многоступенчатого насоса будет равен сумме напоров, создаваемых каждым рабочим колесом. Секционное устройство насоса и установка рабочих колес на едином валу позволяет снизить трудоемкость монтажных и ремонтных работ при изготовлении и эксплуатации насоса. Однако при этом возникают проблемы по устранению вибраций, радиальных и осевых смещений вала, способствующих повышенному износу подшипниковых опор и уплотнений вала, а также нарушению соосности валов насоса и электродвигателя, что в целом приводит к уменьшению срока службы насосной установки, снижению ее надежности и КПД, увеличению затрат на эксплуатационные расходы и повышению уровня шума при работе установке.
Известна горизонтальная многоступенчатая секционная центробежная насосная установка, описанная в патенте RU 2529979 С1, которая включает горизонтальный многоступенчатый секционный центробежный насос, приводной электродвигатель, муфту, соединяющую валы насоса и электродвигателя, и опорную раму для крепления насоса и электродвигателя, при этом насос содержит цилиндрический корпус, входную и напорную торцевые крышки, входной и напорный патрубки, вал с рабочими колесами, установленный в опорных подшипниках, и торцевые уплотнения. В патенте RU 2529979 С1 описано, что вал установлен в тороидальных роликовых подшипниках, закрепленных в консольных опорах, установленных с наружной стороны торцевых крышек, а насос снабжен устройством фиксации секций насоса, которое включает стяжные шпильки, установленные снаружи корпуса насоса и пропущенные сквозь каналы, выполненные в торцевых крышках, оси которых параллельны оси вала и равномерно расположены вокруг нее, а также устройством разгрузки вала от осевой силы и устройством центровки вала, при этом муфта, опорные подшипники вала, торцевые уплотнения и ротор гидропяты устройства разгрузки вала от осевой силы установлены на валу с помощью бесшпоночных соединений, а отверстия под щелевые уплотнения рабочих колес расточены за один уставов борштанги. Электродвигатель и насос установлены на общей или раздельной опорной раме с помощью самоустанавливающихся регулируемых по высоте сферических опор. Отмечено, что использование в подшипниковых опорах вала тороидальных роликовых подшипников, закрепленных в консольных опорах, установленных с наружной стороны торцевых крышек, позволяет обеспечить фиксацию вала в радиальном направлении, устранить его биение, изолировать подшипники от воздействия рабочей среды, упростить их замену и увеличить срок службы. Также, отмечено, что наличие устройства разгрузки вала от осевой силы позволяет разгрузить вал в осевом направлении, наличие устройства центровки вала позволяет обеспечить центровку вала насоса относительно рабочего зазора щелевых уплотнений, что способствует устранению биения вала, повышает КПД насоса и увеличивает срок его службы по сравнению с насосами из предыдущего уровня техники. Установка муфты, опорных подшипников вала, торцевых уплотнений и ротора гидропяты на валу с помощью бесшпоночных соединений позволяет устранить источники концентрации напряжений вала в наиболее проблемных местах, прежде всего в зоне опор вала, что позволяет уменьшить вибрацию вала и повысить срок службы насоса и установки в целом, а расточка отверстий под щелевые уплотнения рабочих колес за один установ борштанги на расточном станке позволяет улучшить центровку вала насоса относительно рабочего зазора щелевых уплотнений, что способствует устранению биения вала, повышает КПД насоса и увеличивает срок его службы по сравнению с насосами из предыдущего уровня техники.
Недостатки этой известной горизонтальной многоступенчатой секционной центробежной насосной установки связаны прежде всего с тем, что конструкция центробежного насоса данной установки включает в себя односторонне расположенные рабочие колеса насоса и быстроизнашиваемый узел гидравлической разгрузки - гидропяту, что в совокупности не позволяет обеспечить более низкий уровень вибрации, приводит к снижению надежности, ремонтопригодности, к уменьшению срока эксплуатации.
Настоящее изобретение направлено на создание горизонтальной многоступенчатой секционной центробежной насосной установки, обладающей повышенным КПД за счет обеспечения пониженной вибрации насоса, повышенными надежностью, ремонтопригодностью, сроком эксплуатации без увеличения стоимости изготовления, что обеспечивается за счет того, что настоящая горизонтальная многоступенчатая секционная центробежная насосная установка включает приводной электродвигатель, горизонтальный многоступенчатый секционный центробежный насос (в дальнейшем - насос), муфту, соединяющую валы насоса и электродвигателя, опорную раму для крепления насоса и электродвигателя, цилиндрический секционный корпус (в дальнейшем - корпус), рабочие колеса, установленные на валу, щелевые уплотнения, направляющие аппараты, входную торцевую и напорную крышки, входной и напорный патрубки, вал с рабочими колесами установлен в опорных подшипниках и имеет торцевые уплотнения, размещенные в камерах входной и торцевой крышки. При этом согласно изобретению, корпус насоса выполнен в виде двух отдельных частей, в каждой их которых размещены рабочие колеса и направляющие аппараты, а напорная крышка установлена между этими двумя частями корпуса, дополнительно введена переводная торцевая крышка для перевода жидкости из первой части корпуса во вторую через переводные каналы, выполненные в напорной и переводной крышках заодно с ними, введено дополнительное торцевое уплотнение, размещенное в камере переводной крышки, опорные подшипники вала с рабочими колесами выполнены в виде сферических двухрядных роликовых радиально-упорных подшипниках, а рабочие колеса, установленные на валу в первой и второй частях корпуса, расположены зеркально друг другу относительно напорной крышки.
Размещение рабочих колес в двух отдельных частях корпуса описанным образом, т.е. «спина к спине» относительно напорной крышки между первой и второй частями корпуса, и использование дополнительно введенной переводной торцевой крышки для перевода жидкости из первой части корпуса во вторую через переводные каналы, выполненные в напорной и переводной крышках заодно с ними, направлено на компенсацию осевой силы, возникающей в насосе, и позволяет исключить нагруженные резьбовые элементы ротора (рабочие колеса + вал) насоса, которые используются в известном уровне техники, в том числе и в аналоге, описанном в патенте RU 2529979 С1.
Использование сферических двухрядных роликовых радиально-упорных подшипников, воспринимающих осевую нагрузку вала, позволяет обеспечить минимальные зазоры в опорах и тем самым способствует снижению вибраций ротора при работе насоса.
Кроме того, расположение рабочих колес предлагаемым образом, т.е. в двух отдельных частях корпуса зеркально друг другу относительно напорной крышки, направлено на обеспечение компенсации осевой силы, возникающей за счет разности давления на основной и покрывающий диск рабочего колеса при работе насоса.
Предлагается в настоящей горизонтальной многоступенчатой секционной центробежной насосной установке производить расчет и выполнение всех торцевых уплотнений с учетом задаваемого максимального давления жидкости, создаваемого первым цилиндрическим корпусом насоса. При этом определяются как конструктивные параметры торцевых уплотнений, так и выбор материалов, из которых они изготавливаются, что способствует повышению надежности установки.
Фиксирование рабочих колес, установленных на валу, в осевом направлении цилиндрическими разрезными полукольцами, размещенными в углублениях, выполненных на валу, с возможностью образования замка с соседнестоящими рабочими колесами, позволяет исключить используемые в известных насосах такого типа резьбовые или цанговые соединения и уменьшить тем самым вибрацию рабочих колес.
В настоящей горизонтальной многоступенчатой секционной центробежной насосной установке щелевые уплотнения рабочих колес насоса выполнены в виде колец из износостойкого материала, установленных по горячей посадке в рабочих колесах и зафиксированных от проворота с помощью резьбовых винтов, равномерно расположенных по окружности зоны щелевых уплотнений под углом 120° к продольной оси вала, что способствует повышению надежности насоса, увеличению ресурса его работы и ремонтопригодности.
Горизонтальная многоступенчатая секционная центробежная насосная установка включает два вида статорных колец, одни из которых размещены в расточке по внутреннему диаметру корпуса каждой секции с образованием радиального зазора от 0,1 до 0,3 мм с поверхностью ответного кольцевого уплотнения, размещенного на покрывающем диске рабочего колеса, а другие статорные кольца размещены в расточке по внутреннему диаметру каждого направляющего аппарата с образованием радиального зазора от 0,1 до 0,3 мм с ответным щелевым кольцом, установленным на ступице рабочего колеса.
Использование описанных статорных колец способствует увеличению срока службы насоса без замены рабочих колец, т.к. в процессе эксплуатации при необходимости достаточно заменять только изношенные статорные кольца. При этом возможно изготовление статорных колец из более дорогого износостойкого материала, чем материал, их которого изготавливается все рабочее колесо. Предусмотрена фиксация от проворота статорных колец, которая осуществляется с помощью подпружиненных штифтов, или резьбовых винтов, равномерно расположенных по окружности зоны посадки статорных колец под углом 120° к продольной оси вала и выполненных из коррозионно-стойких материалов.
Кроме того, статорные кольца в местах посадочных поверхностей снабжены дополнительными уплотнительными резиновыми кольцами, что способствует отсутствию нерасчетных перетоков в статорной части корпуса насоса и сохраняет посадочные поверхности щелевых колец без эрозионных повреждений.
Предусмотрено выполнение входной и переводной крышек с каналами подачи очищенной жидкости из системы гидроциклонной сепарации в камеры торцевых уплотнений, а также с каналами подачи пара из внешнего источника генерации пара в камеры торцевых уплотнений.
Предусмотрено снабжение первых секций частей корпуса насоса в местах установки колес первых ступеней отводными каналами забора жидкости в систему гидроциклонной сепарации, а корпусов двухрядных роликовых радиально-упорных подшипников каналами подачи масла в их центральную часть.
Предлагается для обеспечения отсутствия возмущающих воздействий сил и пульсаций давлений в проточной части насоса количество лопастей (х) каждого рабочего колеса и количество лопаток (у) каждого направляющего аппарата выбирать из условия удовлетворения одной из пяти групп неравенств:
, или
, или
, или
, или
.
При этом следует отметить, что при увеличении количества лопастей (x) и лопаток (y) уменьшается радиальная сила, возникающая в насосе.
В настоящей горизонтальной многоступенчатой секционной центробежной насосной установке рабочие колеса устанавливаются на валу с помощью шпоночного соединения, при котором каждая последующая шпонка повернута по окружности относительно предыдущей или на угол 180°, или на угол, который равен 360°/n, где n - количество шпонок крепления рабочего колеса, с возможностью образования винтовой линии посадки шпонок, тем самым винтовая линия, вдоль которой располагаются шпоночные соединения, совершает полный оборот относительно оси вала, поворачивая при этом выходные каналы рабочих колес, что способствует уменьшению вибрации рабочих колес при эксплуатации насоса за счет отсутствия или минимизации резонансных колебаний ротора насоса, вследствие совпадения частот лопастных вибраций рабочих колес насоса.
В предлагаемую настоящую горизонтальную многоступенчатую секционную центробежную насосную установку дополнительно введена радиальная гидродинамическая опора, расположенная в напорной крышке с возможностью работы на перепаде максимальных давлений, развиваемых рабочими колесами первого и второго цилиндрического корпуса. За счет введения в конструкцию установки радиальной гидродинамической опоры, находящейся в напорной крышке и работающей на перепаде максимальных давлений, развиваемых рабочими колесами первой и второй частей цилиндрического корпуса, при работе ротора (рабочее колесо + вал) на номинальных оборотах его фактическая частота вращения, как показали испытания, находится в 2,5 раза ниже отметки первой критической частоты, что указывает на пониженные вибрационные характеристики насоса и способствует повышению КПД установки в целом.
Настоящая горизонтальная многоступенчатая секционная центробежная насосная установка иллюстрируется с помощью графических материалов, где на фиг. 1 показан ее общий вид, на фиг. 2 - вид насоса в продольном сечении, на фиг. 3 показано размещение рабочих колес на валу (частично, в разрезе), на фиг. 4 показана подшипниковая опора вала (в разрезе), на фиг. 5 изображено рабочее колесо с направляющим аппаратом.
Как показано на фигурах графических материалов, горизонтальная многоступенчатая секционная центробежная насосная установка включает приводной электродвигатель 1, горизонтальный многоступенчатый секционный центробежный насос 2 (в дальнейшем насос), муфту 3, соединяющую валы 4 и 5 соответственно насоса 2 и электродвигателя 1, опорную раму 6 для крепления насоса 2 и электродвигателя 1, при этом насос 2 содержит цилиндрический секционный корпус 7 (в дальнейшем корпус), рабочие колеса 8, установленные на валу 4, щелевые уплотнения 9, направляющие аппараты 10, входную торцевую 11 и напорную 12 крышки, входной 13 и напорный 14 патрубки, вал 4 с рабочими колесами 8 установлен в опорных подшипниках 15 и имеет торцевое уплотнение 16, размещенное в камере 17 входной торцевой 11 крышки. На фиг. 1 и 2 графических материалов показано, что цилиндрический корпус 7 насоса 2 выполнен в виде двух отдельных частей (А и В), в каждой из которых размещены рабочие колеса 8 и направляющие аппараты 10, а напорная крышка 12 установлена между ними. Имеется дополнительно введенная переводная торцевая крышка 18, предназначенная для перевода жидкости из первой части (А) цилиндрического корпуса 7 во вторую (В) через переводные каналы 19, выполненные в напорной 12 и переводной 18 крышках заодно с ними. Дополнительно введенное торцевое уплотнение 20 размещено в камере 21 переводной крышки 18, опорные подшипники 15 вала 4 с рабочими колесами 8 выполнены в виде сферических двухрядных роликовых радиально-упорных подшипников, рабочие колеса 8, установленные на валу 4 и размещенные в первой (А) и второй (В) частях корпуса 2, расположены зеркально друг другу относительно напорной крышки 12. Все торцевые уплотнения выполнены с учетом заданного максимального давления жидкости, создаваемого первой частью (А) корпуса 7 насоса 2. Рабочие колеса 8, установленные на валу 4, фиксируются в осевом направлении цилиндрическими разрезными полукольцами 22, установленными в углублениях 23, выполненных на валу 4, с возможностью образования замка с соседнестоящими рабочими колесами 8. Щелевые уплотнения 9 рабочих колес 8 выполнены в виде колец из износостойкого материала, установленных по горячей посадке в рабочих колесах 8 и зафиксированных от проворота с помощью резьбовых винтов 24, равномерно расположенных по окружности зоны щелевых уплотнений 9 под углом 120° к продольной оси вала 4.
Имеются два вида статорных колец, одни 25 из которых размещены в расточке 26 по внутреннему диаметру корпуса каждой секции 27 с образованием радиального зазора от 0,1 до 0,3 мм с поверхностью ответного кольцевого уплотнения 28, размещенного на покрывающем диске рабочего колеса 8, а другие 29 статорные кольца размещены в расточке 30 по внутреннему диаметру каждого направляющего аппарата 10 с образованием радиального зазора от 0,1 до 0,3 мм с ответным щелевым кольцом 31, установленным на ступице рабочего колеса 8. Фиксация от проворота статорных колец 25 и 29 осуществлена с помощью подпружиненных штифтов или резьбовых винтов 32, равномерно расположенных по окружности зоны посадки статорных колец 25 и 29 под углом 120° к продольной оси вала 4 и выполненных из коррозионно-стойких материалов. Все статорные кольца 25 и 29 в местах посадочных поверхностей снабжены дополнительными уплотнительными резиновыми кольцами 33. Входная торцевая 11 и переводная 18 крышки содержат каналы 34 подачи очищенной жидкости из системы 35 гидроциклонной сепарации в камеры торцевых уплотнений. Входная торцевая 11 и переводная 18 крышки содержат каналы 36 подачи пара из внешнего источника генерации пара (не показано) в камеры торцевых уплотнений. Первые секции каждой из двух частей (А) и (В) корпуса 7 насоса 2 в местах установки рабочих колес 8 первых ступеней снабжены отводными каналами 37 забора жидкости в систему 35 гидроциклонной сепарации. Корпуса двухрядных роликовых радиально-упорных подшипников 15 содержат каналы 38 подачи масла в их центральную часть.
Для обеспечения отсутствия возмущающих воздействий сил и пульсаций давлений в проточной части насоса, количество лопастей (x) каждого рабочего колеса 8 и количество лопаток (y) каждого направляющего аппарата 10 выбирается из условия удовлетворения одной из пяти групп неравенств:
1-я группа неравенств , или
2-я группа неравенств , или
3-я группа неравенств , или
4-я группа неравенств , или
5-я группа неравенств .
При этом следует отметить, что при увеличении количества лопастей (x) и лопаток (y) уменьшается радиальная сила, возникающая в насосе.
Рабочие колеса 8 установлены на валу 4 с помощью шпоночного соединения, при котором каждая последующая шпонка 39 повернута по окружности относительно предыдущей или на угол 180°, или на угол, который равен 360°/n, где n - количество шпонок 39 крепления рабочего колеса 8, с возможностью образования винтовой линии посадки шпонок 38. Показана дополнительно введенная радиальная гидродинамическая опора 40, расположенная в напорной крышке 12 с возможностью работы на перепаде максимальных давлений, развиваемых рабочими колесами 8 первой (А) и второй (В) частей корпуса 7 насоса 3.
Таким образом, предлагаемое изобретение в представленной совокупности признаков, каждый из которых выполняет свою функцию, а вместе, во взаимосвязи они решают задачу создания горизонтальной многоступенчатой секционной центробежной насосной установки, обладающей повышенным КПД за счет обеспечения пониженной вибрации насоса, повышенными надежностью, ремонтопригодностью, сроком эксплуатации без увеличения стоимости изготовления, что также убедительно продемонстрировали испытания опытных образцов установки и экспертные оценки.