УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСЕВОЙ СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩЕЙ НА РАБОЧЕЕ КОЛЕСО СТУПЕНИ ПОГРУЖНОГО ЛОПАСТНОГО НАСОСА
DEVICE TO DETECT AXIAL FORCE ACTING AT IMPELLER OF SUBMERSIBLE IMPELLER PUMP STAGE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в гидромашиностроении при разработке оборудования нефтедобывающей промышленности, в частности многоступенчатых погружных центробежных насосов, а именно для определения усилий на рабочее колесо насоса во время стендовых испытаний.
Известно устройство для определения величины осевого усилия, действующего на упорный подшипник турбомашины. Устройство содержит подвижный в осевом направлении думмис, размещенный в проточке статора с образованием двух полостей, связанных с источником высокого давления, регистратор давления, и реле осевого сдвига. Это устройство раскрыто в Описании изобретения к Авторскому свидетельству 861988, 17.09.81, G01L 5/00.
Известно также устройство для определения осевых усилий на вал центробежного насоса, раскрытое в патенте US 4782696 A, 08.11.1988, G01L 5/12.
Недостатком устройств такой конструкции является отсутствие возможности определения осевых усилий в одной ступени многоступенчатого насоса, сложность устройства, а также большое число промежуточных элементов, передающих осевое усилие от центробежного колеса к измерительному устройству.
Наиболее близким аналогом-прототипом заявляемого изобретения является устройство для определения осевых усилий на опору направляющего аппарата ступени погружного центробежного насоса, раскрытое в Описании изобретения к патенту RU 2206076, 29.11.2001, G01L 5/00, G01L 1/22. Устройство содержит корпус, выполненный в виде направляющего аппарата ступени насоса, и кольцевую мембрану. Мембрана снабжена опорным буртом, представляющим собой осевую опору для рабочего колеса. На поверхности внутренней части мембраны закреплены две пары тензодатчиков, электрически связанных с устройством определения состояния тензодатчиков.
Основным недостатком указанного устройства являются то, что тензодатчики работают в воде, на которой проводятся испытания насосов, и требуют тщательной гидроизоляции. Это определяет высокую сложность конструкции, стоимость и недостаточную надежность работы устройства.
Технический результат состоит в повышении надежности работы устройства путем размещения элементов, необходимых для замера осевой силы, вне проточной части устройства, заполненной водой. Снижается стоимость устройства за счет того, что стоимость прибора для замера осевого перемещения ниже, чем стоимость датчика силы, кроме того, указанный прибор, как правило, имеется на любом производстве.
Конструкция устройства для определения осевой силы на рабочее колесо ступени насоса, обеспечивающая достижение указанного выше технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой зашиты, характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.
Устройство для определения осевой силы, действующей на рабочее колесо ступени погружного лопастного насоса, содержит корпус, вал, рабочее колесо, установленное на валу, направляющий аппарат, согласно изобретению в корпусе с радиальным зазором по отношению к его боковым фланцам установлена нажимная втулка, выполненная с возможностью осевого перемещения, на внешней поверхности нажимной втулки изготовлен боковой выступ, который прижат к устройству для замера осевого перемещения, между корпусом и боковым выступом нажимной втулки установлен упругий элемент, причем верхний торец нажимной втулки является осевой опорой рабочего колеса, в корпусе выполнено, по крайней мере, одно окно в радиальном направлении.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения между корпусом и боковым выступом нажимной втулки установлен дополнительный упругий элемент, причем упругие элементы выполнены в виде сильфонов, каждый из упругих элементов герметично установлен на боковом выступе нажимной втулки и на одном из боковых фланцев корпуса.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения на поверхности бокового выступа нажимной втулки установлен штифт, а в корпусе выполнено отверстие либо выступ, являющийся стопором.
Выполнение нажимной втулки с боковым выступом, который связан с упругим элементом и прижат к устройству для замера осевого перемещения, и исполнение верхнего торца нажимной втулки в качестве осевой опоры рабочего колеса позволяет после предварительного тарирования, например, набором эталонных весов определять осевую силу, действующую на рабочее колесо. Величина осевой силы, действующей на рабочее колесо ступени, пропорциональна изменению осевого размера упругого элемента и, следовательно, величине осевого перемещения бокового выступа нажимной втулки. Упругий элемент может быть изготовлен в виде пружины или резинового кольца. Осевое перемещение может измеряться с точностью до микрона, и такие малые изменения не меняют условий работы ступени.
Выполнение в корпусе устройства окна в радиальном направлении и нажимной втулки, разделяющей внутреннюю проточную часть от внешнего пространства, позволяет установить устройство для замера осевого перемещения за пределами проточной части, исключая работу элементов установки, необходимых для замера осевой силы, в воде. Это позволяет использовать более простое и дешевое устройство, сделать испытания более надежными. Снижается стоимость устройства за счет того, что стоимость прибора для замера осевого перемещения ниже, чем стоимость датчика силы, кроме того, указанный прибор, как правило, имеется на любом производстве.
Установка между корпусом и боковым выступом нажимной втулки дополнительного упругого элемента, выполнение упругих элементов в виде сильфонов при обеспечении герметичного соединения между корпусом и боковым выступом нажимной втулки, дают возможность исключить установку уплотнений между корпусом и нажимной втулкой. Уплотнения между корпусом и нажимной втулкой могут вносить погрешность в определение осевой силы. Благодаря возможности сжатия сильфона он используется в качестве упругого элемента.
Отверстие либо выступ в корпусе и штифт, установленный в боковом выступе нажимной втулки, позволяют устранить возможность вращения и снизить погрешность при определении осевой силы, действующей на рабочее колесо. На штифте может быть установлен ролик, с целью уменьшения силы трения.
На фиг.1 изображено заявляемое устройство в разрезе, в сборе с насосными ступенями.
На фиг.2 показан механизм, устраняющий вращение нажимной втулки.
На фиг.3 изображен общий вид заявляемого устройства с дополнительным упругим элементом.
На фиг.4 изображен общий вид заявляемого устройства с устройством для замера осевого перемещения.
Устройство для определения осевой силы, действующей на рабочее колесо ступени погружного лопастного насоса, содержит корпус 1, вал 2, рабочее колесо 3, установленное на валу 2, направляющий аппарат 4, причем в корпусе 1 с радиальным зазором по отношению к его боковым фланцам 5, 6 установлена нажимная втулка 7, выполненная с возможностью осевого перемещения, на внешней поверхности нажимной втулки 7 изготовлен боковой выступ, который прижат к устройству 8 для замера осевого перемещения, между корпусом 1 и боковым выступом нажимной втулки 7 установлен упругий элемент 9, причем верхний торец нажимной втулки 7 является осевой опорой рабочего колеса 3, в корпусе 1 выполнено, по крайней мере, одно окно в радиальном направлении.
Между корпусом 1 и боковым выступом нажимной втулки 7 установлен дополнительный упругий элемент 10, причем упругие элементы 9, 10 выполнены в виде сильфонов, каждый из упругих элементов герметично установлен на боковом выступе нажимной втулки 7 и на одном из боковых фланцев 5, 6 корпуса 1.
На боковом выступе нажимной втулки 7 установлен штифт 11, а в корпусе 1 выполнено отверстие 12, являющееся стопором.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Предварительно устройство в сборе тарируется набором стандартных весов, чтобы определить зависимость осевой силы от осевого перемещения. После этого оно устанавливается на стенд испытания ступеней.
Поток стендовой жидкости (на фиг.1, 3, 4 стрелками показано направление его движения) проходит через внутреннюю часть нажимной втулки 7 к входной воронке рабочего колеса 3. Рабочее колесо 3 вращается на валу 2 насоса и имеет возможность осевого перемещения по валу 2. При вращении рабочего колеса 3 в пазухе ступени под нижним диском и в пазухе ступени над верхним диском создаются разные эпюры давления жидкости. Интегрированное сложение этих эпюр давлений создает осевое усилие на рабочее колесо 3, которое необходимо измерить (искомое усилие). Входная воронка находится на нижнем диске колеса 3. Поэтому осевое усилие направлено, как правило, сверху вниз, навстречу потоку перекачиваемой жидкости. Перемещающееся по валу 2 рабочее колесо 3 прижато осевым усилием через нижнюю шайбу к верхнему торцу нажимной втулки 7, который является осевой опорой рабочего колеса 3. Упругий элемент 9 обеспечивает возможность осевого перемещения нажимной втулки 7. Определив величину осевого перемещения при помощи устройства 8 для замера осевого перемещения, можно определить осевую силу, действующую на рабочее колесо 3, используя зависимость величины осевой силы от величины осевого перемещения, полученной при тарировке. Через нижнюю шайбу рабочего колеса 3 на верхний торец нажимной втулки 7 передается крутящий момент. Для предотвращения вращения нажимной втулки 7 служит штифт 11, установленный на боковом выступе нажимной втулки, движение которого ограничено отверстием 12 в корпусе 1.