МАГИСТРАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ С КРЕПЛЕНИЯМИ К РАМЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОДВОДИМЫХ ОПОР И СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК АГРЕГАТА
MAIN ELECTRIC PUMP UNIT WITH ATTACHMENTS TO FRAME WITH USE OF BUILT SUPPORTS, AND METHOD FOR IMPROVEMENT OF UNIT CHARACTERISTICS

Область техники
Изобретение относится к электронасосным агрегатам, в частности, с магистральными нефтяными горизонтальными центробежными насосами.
Уровень техники
Известна рама вибродемпфирующая фундаментная насосного агрегата (патент РФ №103584, МПК F04D 29/00, опубл. 20.04.2011, патентообладатель - ООО «НКМЗ»), содержащая самоустанавливающиеся монтажные элементы (или в терминологии, более правильной по сути, - подводимые опоры) между установочными поверхностями рамы и «лапами» агрегата.
Однако рассмотрена только рама насосного агрегата, а не весь электронасосный агрегат, состоящий из горизонтального центробежного насоса, приводного электродвигателя, валы которых соединены муфтой, и одной общей или двух раздельных рам (называемых фундаментными или монтажными) с подводимыми опорами под «лапы» насоса и электродвигателя, поэтому не учтены особенности взаимодействия перечисленных основных составляющих агрегата.
Также известен центробежный электронасосный агрегат (патент РФ №95043, МПК F04D 1/00, F16D 3/50, опубл. 10.06.2010), в котором насос и электродвигатель смонтированы на общей фундаментной плите (раме), их валы соединены упругой муфтой, между полумуфтами которой установлен съемный проставок (или промежуточный вал) для производства сборки-разборки агрегата без снятия с фундаментной плиты электродвигателя в условиях жесткой связи (обычно сварного соединения) корпуса насоса с подводящим и отводящим трубопроводами.
В агрегате рассмотрен только вопрос о съемном проставке муфты для сборки-разборки насоса агрегата без снятия электродвигателя с плиты, что, по мнению авторов, позволит не нарушать соосность валов рабочего колеса и электродвигателя, и, следовательно, позволит избежать преждевременного износа подшипников, перегрева электродвигателя, повышения шума и вибрации. При этом ничего не говорится о другом вопросе, также критически важном для обеспечения соосности валов насоса и электродвигателя, - жестких беззазорных креплениях насоса и электродвигателя на общей фундаментной плите (раме), по-видимому, сразу же считая эти крепления идеальными.
Однако в комплексной постановке задачи обеспечения соосности валов электронасосного агрегата во избежание преждевременного износа подшипников, перегрева электродвигателя, повышения шума и вибрации необходимо одновременно учитывать вопросы жестких беззазорных креплений насоса и электродвигателя на одной общей или двух раздельных рамах и разборности компенсирующей муфты.
В качестве аналога способа улучшения характеристик агрегата посредством его высококачественной сборки на раме с учетом различных альтернатив известен способ монтажа турбокомпрессорного агрегата (патент РФ №2263247, МПК F16M 5/00, F16M 9/00, F01D 25/28, опубл. 27.10.2005), состоящего из турбокомпрессорной группы (функционального аналога насоса) и нагнетателя (функционального аналога электродвигателя), а также их рам (установочной и транспортно-технологической) с опорными поверхностями. Недостатки указанного способа - использование сложных и трудоемких приемов сборки и установки агрегата на рамы и применение пригоночных прокладок (или пластин мерной толщины).
Также и существующие традиционные способы монтажа и выверки соосности валов магистральных насосных агрегатов основаны на изменении положения опорных «лап» с помощью металлических пластин мерной толщины. Такие пластины имеют следующие недостатки: - невозможность точной выверки из-за мерной толщины пластин; - низкая жесткость пакета пластин (как правило, используют две и более пластин); - невозможность нивелировать угловые перекосы между оборудованием и основанием, что вызывает дополнительные несоосность, вибрации валов насоса и двигателя и перегрев подшипников; - дорогостоящая механическая обработка основания (рамы). Неизбежными отрицательными следствиями при этом являются не только увеличение энергопотерь и продолжительности монтажных работ, но и сокращение ресурса или межремонтного пробега электродвигателей и насосов. Традиционные способы регулировки занимают много времени и не могут в течение срока службы агрегата обеспечить требования по точности установки и возможность монтажа в сжатые сроки.
Раскрытие изобретения
Главной общей задачей предлагаемого изобретения является создание магистрального электронасосного агрегата с улучшенными технико-экономическими характеристиками, конкретно с пониженными шумом и вибрациями, повышенными надежностью, ресурсом и КПД посредством ряда объединенных единым изобретательским замыслом конструктивных и технологических усовершенствований в местах креплений насоса и электродвигателя к общей или раздельным рамам агрегата в совокупности с применением оригинальной, монтируемой между валами насоса и электродвигателя с возможностью оперативного демонтажа компенсирующей сдвоенной муфты посредством съема промежуточного вала.
Технический эффект достигается тем, что:
1) магистральный электронасосный агрегат содержит магистральный насос и электродвигатель, смонтированные на раме, их валы соединены муфтой со съемным промежуточным валом.
При этом:
2) применены регулируемые по высоте и самоустанавливающиеся по углу высокоточные подводимые опоры при практически беззазорной жесткой установке насоса и электродвигателя на общей или раздельных рамах;
3) крепежные поверхности «лап» насоса подняты на уровень общей центральной оси подводящего и отводящего патрубков насоса для исключения образования (при практическом обнулении величин результирующих плеч) результирующих опрокидывающих моментов вокруг центральных осей подводящего и отводящего патрубков насоса от воздействия потоков перекачиваемой жидкости в патрубках на крепления «лап» насоса к раме, при этом также произойдет разгрузка сварных швов (или фланцевых креплений) патрубков и трубопроводов;
4) также использована оригинальная сдвоенная муфта с гибкими дисками, компенсирующая неизбежные монтажные и эксплуатационные погрешности соединения валов насоса и электродвигателя.
Высокоточная подводимая опора состоит из трех шайб, две нижние шайбы соединены резьбой, позволяющей менять высоту подводимой опоры, средняя и верхняя шайбы имеют сопрягаемые сферические поверхности с одинаковым радиусом кривизны, эти сферические поверхности в совместном соединении позволяют практически беззазорно соединять непараллельные поверхности соединяемых деталей и компенсировать угловое отклонение между ними; все шайбы имеют общее осевое отверстие под монтажный болт с гайкой для окончательного прижима болтом одной детали к другой через общее сквозное отверстие в опоре и обеих деталях, в данном случае - «лапы» к раме. У двух нижних шайб есть несквозные радиальные отверстия для возможности использования рычагов при регулировке высоты опоры.
Компенсирующая сдвоенная муфта состоит из комбинации двух одинаковых муфт, соединенных промежуточным полым валом. В каждой муфте между ее двумя полумуфтами установлен гибкий упрочненный стальной диск (или комплект (пакет) дисков). Для разгрузки дисков в муфтах установлены сферические шарниры в виде сферических двухрядных подшипников качения. Каждая из двух муфт содержит одинаковое четное количество зажимных креплений комплектов дисков. Противоположно направленные втулки креплений расположены на фланцах полумуфт через одну, равномерно и на едином радиальном расстоянии от общей центральной оси вращения муфт и валов, причем противоположно направленные зажимные крепления комплектов гибких дисков обеих муфт являются соосными.
Способ улучшения характеристик магистрального электронасосного агрегата посредством монтажа агрегата включает монтаж насоса и электродвигателя на общей или раздельных рамах с помощью регулируемых высокоточных подводимых опор в следующей последовательности приемов: - установка общей рамы или отдельных рам на фундаменте, выверка горизонтальности их опорных поверхностей в двух уровнях и окончательное закрепление рам на фундаменте; - примерочная установка насоса и/или электродвигателя на общей раме или отдельных рамах на подводимых опорах; - сверление общих сквозных отверстий в опорах, «лапах» и соответствующих посадочных поверхностях рамы и предварительная установка монтажных болтов в сделанных сквозных отверстиях, - сварное или фланцевое соединение патрубков насоса с трубопроводами; - регулировка и окончательная установка всех подводимых опор под насосом и электродвигателем с одновременным использованием лазерного прибора точной выверки соосности валов насоса и электродвигателя; - окончательная затяжка монтажных болтов опор; - соединение соосно выставленных валов насоса и электродвигателя посредством монтажа компенсирующей сдвоенной муфты с промежуточным валом.
Перечень чертежей
Фиг.1 - общий вид сбоку электронасосного агрегата с подводимыми опорами.
Фиг.2 - вид насоса с присоединенными трубопроводами и с подводимыми опорами между надставкой рамы и «лапами» насоса.
Фиг.3 - вид модернизированного магистрального насоса в изометрии.
Фиг.4 - подводимая опора в боковом разрезе в увеличенном масштабе.
Фиг.5 - продольный разрез компенсирующей муфты с гибкими дисками.
Осуществление изобретения
Позиции в сквозной нумерации на фигурах: 1 - насос; 2 - электродвигатель; 3 - компенсирующая сдвоенная муфта; 4 - рама; 5 - надставка рамы; 6 - «лапы» насоса; 7 - патрубки насоса с присоединенными трубопроводами; 8 - подводимые опоры; 9 - верхняя шайба подводимой опоры со сферической опорной поверхностью (основанием); 10 - промежуточная вворачиваемая резьбовая шайба с ответной сферической поверхностью; 11 - нижняя шайба с ответным резьбовым отверстием; 12 - первая и вторая одинаковые муфты сдвоенной муфты; 13 - гибкие диски муфт; 14 - крепления гибких дисков к фланцам муфт; 15 - сферические шарниры-подшипники муфт; 16 - съемный промежуточный вал между муфтами.
Наличие «мягкой лапы» - четвертой точки контакта корпуса насоса (а у электродвигателя с 6 «лапами» - с 3 «мягкими лапами») с рамой - практически неизбежно из геометрии плоскости. Кроме этого плоскости опорных поверхностей платиков на раме и «лапах» на корпусе насоса наклонены относительно друг друга, что еще дополнительно усугубляется напряженными состояниями неидеальных соединений (как правило, сварных) патрубков насоса с трубопроводами. Все это снижает качество прижатия корпуса насоса к раме. Посадка на раму в итоге получается нежесткой, что приводит к возбуждению дополнительных вибраций в процессе эксплуатации электронасосного агрегата, что отрицательно сказывается на усилении шума вокруг работающего агрегата, на преждевременном износе его подшипниковых узлов, повышенном температурном режиме работы. Погрешности изготовления установочных поверхностей и нежесткий стык соединения «мягких лап» с рамой снижает точность установки валов агрегата. В результате возникает несоосность. Под несоосностью понимается линейное и (или) угловое смещение осей валов. Вал ротора, уплотнения и подшипники при этом дополнительно нагружаются радиальными и осевыми силами и изгибающими моментами, зависящими от величины и вида расцентровки валов. Несоосность вызывает перераспределение нагрузки на отдельные подшипники, и тем самым влияет на вибрацию агрегата. При этом перегрузка опор может привести к авариям подшипника. При перераспределении нагрузок на подшипники, изменяются критические частоты вращения, а следовательно, и появляется возможность повышенных резонансных вибраций. Несоосность валов является причиной более 50% отказов вращающихся механизмов, приводя к увеличению времени простоев оборудования и повышению стоимости его эксплуатации. Несоосность также вызывает увеличение нагрузки на отдельные детали агрегата, ускоряя их износ и повышая потребление энергии.
Предлагаемая к использованию в агрегате высокоточная подводимая опора состоит из трех шайб, две нижние шайбы соединены резьбой, позволяющей менять высоту подводимой опоры, средняя и верхняя шайбы имеют сопрягаемые сферические поверхности с одинаковым радиусом кривизны, эти сферические поверхности в совместном соединении позволяют практически беззазорно соединять непараллельные поверхности соединяемых деталей и компенсировать угловое отклонение между ними; все шайбы имеют общее осевое отверстие под монтажный болт с гайкой для окончательного прижима болтом одной детали к другой через общее сквозное отверстие в опоре, «лапе» и раме. У двух нижних шайб есть несквозные радиальные отверстия для возможности использования рычагов при регулировке высоты опоры.
Эта самовыравнивающаяся конструкция приспособлена для устранения угловой несоосности, возникающей между монтируемыми поверхностями. Элементы компенсируют до 4° перекоса между машиной и рамой без дорогостоящей обработки основания или дополнительной работы по установке полимерных прокладок. Самовыравнивание в комбинации с корректировкой высоты позволяет исключить опасность появления «мягкой лапы» от момента монтажа и в течение всего жизненного цикла оборудования. Низкопрофильные подводимые опоры являются экономичным решением для проведения ремонтных работ с неподвижно закрепленными машинами, для установки которых ранее использовались другие виды опор. Все детали подводимой опоры выполнены с высокой степенью точности и из высокопрочных сталей. Преимуществом подводимых опор является отсутствие старения, как в случае использования резиновых или полимерных прокладок. Это исключает возникновение рассогласования оборудования, характерного при использовании других опор, и обеспечивает регулируемость в течение всего срока службы агрегата. Применение регулируемых по высоте, самоустанавливающихся по углу и многократно используемых подводимых опор позволяет повысить производительность и точность монтажа и выверки насосных агрегатов без кардинального изменения конструкции самого агрегата.
Для выверки соосности соединяемых валов насоса и электродвигателя можно использовать серийно выпускаемый, специализированный для этой задачи лазерный бесконтактный измерительный прибор фирмы SKF (Швеция).
После выверки соосности валов их соединяют муфтой. В оригинальной компенсирующей сдвоенной муфте комбинация двух одинаковых муфт, соединенных промежуточным полым валом, позволяет соединять валы насоса и приводного двигателя (электродвигателя), неизбежно имеющие появляющиеся в процессе монтажа и эксплуатации агрегата погрешности расположения валов не только угловые, но и радиальные. Ответственной деталью каждой муфты является гибкий стальной диск (или комплект (пакет) дисков), испытывающий циклические деформации изгиба и кручения при наличии углового смещения полумуфт вращающейся муфты. Однако при соединении двух таких муфт промежуточным полым валом образуется сдвоенная муфта, у которой, помимо угловой, появляется также и радиальная податливость, которая, например, допускает радиальные смещения валов двигателя и насоса относительно друг друга. Для разгрузки тонких упрочненных стальных гибких дисков предусмотрены сферические шарниры (или шарнирные опоры) (в виде сферических двухрядных подшипников качения), установленных в муфтах. Эти шарниры призваны разгружать гибкий диск муфты от дополнительных нагрузок, вызванных дисбалансом (неуравновешенностью) промежуточного полого вала, соединяющего муфты. Также для равномерности и одинаковости передаваемых нагрузок на диски каждая из двух муфт содержит одинаковое четное количество зажимных креплений комплектов дисков. Крепления состоят из высокопрочных резьбовых втулок с ответными зажимными винтами и зажимными шайбами. Одна половина втулок креплений запрессована во фланце одной полумуфты и направлена сквозь соответствующие отверстия комплекта гибкого диска в соответствующие отверстия фланца второй полумуфты для резьбовых соединений с соответствующими винтами зажимных креплений, а вторая половина втулок - наоборот: запрессована во фланце второй полумуфты и направлена сквозь соответствующие отверстия комплекта гибкого диска в соответствующие отверстия фланца первой полумуфты для резьбовых соединений с соответствующими винтами зажимных креплений. Противоположно направленные втулки креплений расположены на фланцах полумуфт через одну, равномерно и на едином радиальном расстоянии от общей центральной оси вращения муфт и валов, причем противоположно направленные зажимные крепления комплектов гибких дисков обеих муфт являются соосными.
Способ улучшения характеристик агрегата (в первую очередь вибрационных и шумовых) посредством высокоточного и максимально беззазорного монтажа агрегата включает следующую последовательность приемов: - установка общей рамы или отдельных рам на фундаменте, выверка горизонтальности их опорных поверхностей в двух уровнях и окончательное закрепление рам на фундаменте; - примерочная (или «наживная») установка насоса и/или электродвигателя на общей раме или отдельных рамах на подводимых опорах; - сверление общих сквозных отверстий в опорах, «лапах» и соответствующих посадочных поверхностях рамы и предварительная установка монтажных болтов в сделанных сквозных отверстиях, - сварное или фланцевое соединение патрубков насоса с трубопроводами; - регулировка и окончательная установка всех подводимых опор под насосом и электродвигателем с одновременным использованием лазерного прибора точной выверки соосности валов насоса и электродвигателя; - окончательная затяжка монтажных болтов опор; - соединение соосно выставленных и отстоящих друг от друга на нужное для установки муфты расстояние валов насоса и электродвигателя посредством монтажа компенсирующей сдвоенной муфты: сначала одна муфта на один вал, потом вторая на второй вал и в конце между ними установка промежуточного вал с соединением его фланцев с фланцами муфт.
Окончательную установку подводимых опор и окончательную затяжку монтажных болтов производят динамометрическими рычагами и ключами до расчетных значений моментов затяжки, зависящих от размеров деталей.
В результате беззазорная установка «лап» насоса и электродвигателя на общую раму или отдельные рамы с использованием подводимых опор с полным устранением эффекта «мягких лап» позволит существенно повысить жесткость сопряжения корпуса насоса и электродвигателя с рамой, а в совокупности с применением компенсирующей муфты повысит соосность валов насоса и электродвигателя, что положительно повлияет на снижение вибраций, шума, температурном режиме работы подшипниковых узлов электронасосного агрегата.
В заключение описания отметим, что предварительные испытания опытных образцов модернизированных ООО «НКМЗ» магистральных насосных агрегатов с насосами типа НМПП 1250…10000 и экспертные оценки дали следующие относительные величины влияния применения предлагаемых подводимых опор и компенсирующей муфты на снижение вибраций насоса электронасосного агрегата, представленные в таблице.