МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ НАСОС СО СВОЙСТВАМИ УЛУЧШЕННОЙ БАЛАНСИРОВКИ НАПОРА
MULTISTAGE PUMP WITH IMPROVED HEAD BALANCING PROPERTIES

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка притязает на преимущество заявки на патент № 62/504166, поданной 10 мая 2017 г., которая включена в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к насосу; более конкретно к многоступенчатому насосу, имеющему несколько ступеней с рабочими колесами, испытывающими осевые напорные нагрузки.
2. Краткое описание уровня техники
Рабочие колеса с одинарным всасыванием в насосах создают осевые напорные нагрузки на ротор насоса, которые должны быть нейтрализованы упорными подшипниками. Осевые напорные нагрузки являются произведением разности давлений на рабочем колесе (от стороны ступицы к стороне лопаточного пространства) и площади, на которую действует эта разность давлений. Следовательно, осевые напорные нагрузки действуют в направлении к стороне лопаточного пространства рабочего колеса. Более крупные насосы с большими площадями воздействия создают более высокие осевые напорные нагрузки, и насосы с более высоким напором и с большей разностью давлений на рабочих колесах создают более высокие напорные нагрузки.
Для насосов с несколькими ступенями (т. е. с двумя или более последовательно соединенными комплектами кожух/рабочее колесо) осевые напорные нагрузки являются кратными количеству ступеней. Часто суммарные напорные нагрузки на роторы насоса превышают допустимые показатели нагрузки существующих упорных подшипников.
В настоящее время осевые напорные нагрузки частично снижают посредством применения существующей технологии балансировки напора. В конструкциях этой существующей технологии балансировки напора используются просверленные в рабочих колесах отверстия (см. фиг. 1А). Просверленные отверстия пропускают жидкость со стороны ступицы рабочего колеса на сторону лопаточного пространства рабочего колеса каждой ступени, что снижает разность давлений на каждом рабочем колесе и таким образом снижает суммарные осевые напорные нагрузки на ротор насоса. Однако величины снижения напора в этой существующей технологии балансировки напора ограничены потенциалом разности давлений лишь одной ступени насоса. Снижение напора в этой существующей технологии балансировки напора дополнительно ухудшается высокими потерями от гидравлического трения, поскольку протекание происходит через просверленные отверстия, движущиеся с высокими скоростями на вращающихся колесах. Следовательно, реализованные величины снижения напора существующей технологии балансировки напора ограничены приблизительно 60% напорных нагрузок без применения какой-либо технологии балансировки напора. В результате осевые напорные нагрузки, прикладываемые к роторам крупных высоконапорных многоступенчатых насосов, все еще могут превышать допустимые показатели нагрузки существующих упорных подшипников.
В данной отрасли существует необходимость в более эффективном способе снижения осевых опорных нагрузок на роторы в многоступенчатых насосах.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предоставляет новую и уникальную технологию балансировки напора, которая более эффективно снижает осевые напорные нагрузки на роторы многоступенчатых насосов (например, см. фиг. 2). Эта новая технология обладает большей способностью снижения напора, чем существующая технология балансировки напора, поскольку она повышает потенциальные величины снижения давления на всех рабочих колесах после рабочего колеса первой ступени. Величины снижения давления дополнительно усиливают за счет вытекания жидкости через большие отверстия в кожухах насосов, а не через просверленные отверстия во вращающихся рабочих колесах, что снижает потери на гидравлическое трение вдоль канала вытекания. Это позволяет создавать новые инновационные конструкции насосов, которые усиливают реализуемые величины снижения давления на рабочих колесах; величины снижения давления усиливают на несколько ступеней напора, а не на всего лишь процентную долю одной ступени напора. В результате осевые напорные нагрузки, создаваемые рабочими колесами после рабочего колеса первой ступени, можно минимизировать и доступные в настоящее время упорные подшипники можно выбирать для больших высоконапорных многоступенчатых насосов. В настоящем изобретении каналы/отверстия в отверстиях кожуха используются для настройки балансов давления на рабочих колесах на каждой ступени, что создает оптимальные осевые напорные нагрузки на ротор насоса (например, см. фиг. 2 и 3А-3С).
Примеры вариантов осуществления комбинации первой ступени и второй ступени насоса
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящее изобретение может включать в себя или принимать форму новой и уникальной комбинации первой ступени и второй ступени насоса, содержащей:
первую ступень и вторую ступень, причем каждая ступень имеет рабочее колесо, расположенное на роторе насоса, при этом каждое рабочее колесо имеет сторону ступицы и сторону лопаточного пространства, и каждое рабочее колесо выполнено с возможностью перекачивания жидкости через насос, который прикладывает осевую напорную нагрузку, вызванную разностью давлений в осевом направлении от стороны ступицы к стороне лопаточного пространства каждого рабочего колеса; и
кожух первой и второй ступеней насоса, выполненный с образованием оболочки кожуха, содержащей компоненты первой ступени и второй ступени, включая рабочее колесо, а также выполненный с одним или более отверстиями кожуха первой и второй ступеней насоса, выполненными в нем и позволяющими протекать через кожух первой и второй ступеней насоса по меньшей мере некоторому количеству жидкости, перекачиваемой наружу от оболочки кожуха, чтобы существенно снижать осевую напорную нагрузку, вызванную разностью давлений в осевом направлении от стороны ступицы к стороне лопаточного пространства каждого рабочего колеса.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения комбинация первой ступени и второй ступени насоса может содержать один или более следующих признаков:
Кожух первой и второй ступеней насоса может содержать стенку кожуха первой ступени, заключающую в себе первую ступень, и стенку кожуха второй ступени, заключающую в себе вторую ступень; и одно или более отверстий кожуха первой и второй ступеней насоса может включать одно или более отверстий первой ступени, выполненных или образованных в стенке кожуха первой ступени; и одно или более отверстий второй ступени, выполненных или образованных в стенке кожуха второй ступени.
Одно или более отверстий кожуха первой и второй ступеней насоса могут быть выполнены в виде продолговатых отверстий кожуха насоса, проходящих вдоль продольной оси кожуха первой и второй ступеней насоса.
Продолговатые отверстия кожуха насоса могут быть выполнены в виде продолговатых изогнутых отверстий кожуха насоса.
Каждое рабочее колесо может содержать лопасти, выполненные или образованные с одним или более отверстиями лопастей, проходящими через лопасти.
Одно или более отверстий лопастей могут быть выполнены или образованы в виде конусных отверстий лопастей.
Одно или более отверстий кожуха первой и второй ступеней насоса могут иметь размеры, позволяющие регулировать выравнивание давлений на соответствующих рабочих колесах на первой ступени и второй ступени.
Комбинация первой ступени и второй ступени насоса может образовывать часть многоступенчатого насоса, содержащего один или более упорных подшипников, при этом ротор выполнен с возможностью вращения на одном или более упорных подшипниках и ответной реакции на осевую напорную нагрузку, вызванную разностью давлений в осевом направлении от стороны ступицы к стороне лопаточного пространства каждого рабочего колеса.
Примеры вариантов осуществления многоступенчатых насосов
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящее изобретение также может включать в себя или принимать форму нового и уникального многоступенчатого насоса, содержащего:
первую ступень и вторую ступень, причем каждая ступень имеет рабочее колесо, расположенное на роторе насоса, при этом каждое рабочее колесо имеет сторону ступицы и сторону лопаточного пространства, и каждое рабочее колесо выполнено с возможностью перекачивания жидкости через насос, который прикладывает осевую напорную нагрузку, вызванную разностью давлений в осевом направлении от стороны ступицы к стороне лопаточного пространства каждого рабочего колеса; и
кожух первой и второй ступеней насоса, при этом каждый кожух выполнен с образованием оболочки кожуха, содержащей компоненты первой ступени и второй ступени, включая рабочее колесо, а также выполнен с одним или более отверстиями кожуха насоса, выполненными в нем и позволяющими протекать через кожух насоса по меньшей мере некоторому количеству жидкости, перекачиваемой наружу от оболочки кожуха, чтобы существенно снижать осевую напорную нагрузку, вызванную разностью давлений в осевом направлении от стороны ступицы к стороне лопаточного пространства каждого рабочего колеса.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения многоступенчатый насос может содержать один или более следующих признаков:
Кожух насоса может содержать стенку кожуха первой ступени, заключающую в себе первую ступень, и стенку кожуха второй ступени, заключающую в себе вторую ступень; и одно или более отверстий кожуха насоса включают одно или более отверстий первой ступени, выполненных или образованных в стенке кожуха первой ступени; и одно или более отверстий второй ступени, выполненных или образованных в стенке кожуха второй ступени.
Одно или более отверстий кожуха насоса могут быть выполнены в виде продолговатых отверстий кожуха насоса, проходящих вдоль продольной оси кожуха первой и второй ступеней насоса.
Продолговатые отверстия кожуха насоса могут быть выполнены в виде продолговатых изогнутых отверстий кожуха насоса.
Каждое рабочее колесо может содержать лопасти, выполненные или образованные с одним или более отверстиями лопастей, проходящими через лопасти.
Одно или более отверстий лопастей могут быть выполнены или образованы в виде конусных отверстий лопастей.
Одно или более отверстий кожуха насоса могут иметь размеры, позволяющие регулировать выравнивание давлений на соответствующих рабочих колесах на первой ступени и второй ступени.
Многоступенчатый насос также может содержать один или более упорных подшипников; и ротор, выполненный с возможностью вращения на одном или более упорных подшипниках и ответной реакции на осевую напорную нагрузку, вызванную разностью давлений в осевом направлении от стороны ступицы к стороне лопаточного пространства каждого рабочего колеса.
Настоящее изобретение обеспечивает лучший способ снижения осевых опорных нагрузок на роторы в многоступенчатых насосах.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Графические материалы содержат фиг. 1-3C, которые не обязательно изображены в масштабе:
На фиг. 1А показан вид в поперечном сечении части первой и второй ступеней многоступенчатого насоса, известного в данной области техники.
На фиг. 1B показан перечень деталей для первой и второй ступеней, показанных на фиг. 1A.
На фиг. 1С показан вид в поперечном сечении насоса, который также известен в данной области техники и раскрыт в заявке США с серийным номером 14/163,235, как изложено ниже.
На фиг. 1D показан список деталей для по меньшей мере некоторых основных деталей или компонентов насоса, показанного на фиг. 1C.
На фиг. 2 показан вид в поперечном сечении части первой и второй ступеней многоступенчатого насоса согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3А показан вид в поперечном сечении части первой и второй ступеней многоступенчатого насоса согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3В показан вид в поперечном сечении в перспективе части первой и второй ступеней многоступенчатого насоса согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3С показан вид сбоку в перспективе части первой и второй ступеней многоступенчатого насоса согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основное изобретение
На фиг. 2 и 3A-3C показана новая и уникальная комбинация первой ступени и второй ступени насоса, в целом обозначенная как 100. Комбинация первой ступени и второй ступени насоса содержит первую ступень, в целом обозначенную как 102, вторую ступень, в целом обозначенную как 104, и кожух 112, 114 первой и второй ступеней насоса.
1
2
1
2
1
2
1
2
Каждая ступень 102, 104 содержит рабочее колесо 102a, 104a, расположенное на роторе R насоса, например такого как многоступенчатый насос (фиг. 1С). Каждое рабочее колесо 102a, 104a имеет сторону ступицы, в целом обозначенную как H, Н и сторону лопаточного пространства, в целом обозначенную как E, Е. Каждое рабочее колесо 102a, 104a также может быть выполнено с возможностью перекачивания жидкости через насос, например, из всасывающего патрубка, через первую ступень 102 и вторую ступень 104 и вверх через колонку C, в результате чего прикладывается осевая напорная нагрузка, вызванную разностью давлений в осевом направлении от стороны H, H ступицы к стороне E, E лопаточного пространства каждого рабочего колеса 102a, 104a.
1
2
1
2
Каждый кожух 112, 114 может быть выполнен с возможностью формирования оболочки кожуха, которая будет содержать компоненты первой ступени 102 и второй ступени 104, например, включая каждое рабочее колесо 102a, 104a. Как будет понятно специалисту в данной области техники, компоненты могут включать в себя различные другие части соответствующих верхних и нижних упорных подшипников, расположенных между рабочими колесами 102a, 104a и ротором R, и т. д. Кожух 112, 114 первой и второй ступеней насоса также может быть выполнен с одним или более отверстиями 112a, 112b, 112c; 114a, 114b, 114c кожуха первой и второй ступеней насоса, сформированными в нем и проходящими через кожух 112, 114 первой и второй ступеней насоса так, чтобы пропускать по меньшей мере некоторое количество перекачиваемой жидкости L наружу от оболочки кожуха, чтобы существенно снижать осевую напорную нагрузку, вызванную разностью давлений в осевом направлении от стороны H, H ступицы к стороне E, E лопаточного пространства каждого рабочего колеса 102a, 104a.
L
S
L
1
На фиг. 2 показана длинная стрелка A для гидравлической осевой напорной нагрузки первой ступени 102, а также показана более короткая стрелка A для сниженной гидравлической осевой напорной нагрузки второй ступени 104. (Сравните с тем, что показано на фиг. 1B с двумя длинными стрелками A, например, поскольку на второй ступени нет сниженной гидравлической осевой напорной нагрузки). Кроме того, на фиг. 2 также показано по меньшей мере некоторое количество жидкости, перекачиваемой наружу от оболочки кожуха, в виде потока уравновешивания напора, и обозначенной стрелками А1 и А2. Кроме того, на фиг. 2 также показано, где «давление первой ступени» и «давление второй ступени» нарастают по отношению к первой ступени 102 и второй ступени 104, а также давление всасывания (см. стрелку a), созданное в области всасывающего патрубка SB путем вращения многоступенчатых рабочих колес 102a, 104a в процессе работы.
Комбинация 100 первой ступени и второй ступени насоса может содержать один или более следующих элементов:
Отверстия кожуха первой и второй ступеней насоса
Кожух 112, 114 первой и второй ступеней насоса может содержать стенку 122 кожуха первой ступени, заключающую в себе первую ступень 102, и стенку 124 кожуха второй ступени, заключающую в себе вторую ступень 104. Одно или более отверстий 112a, 112b, 112c; 114a, 114b, 114c кожуха первой и второй ступеней насоса могут включать одно или более отверстий 112a, 112b, 112c первой ступени, выполненных или образованных в стенке 122 кожуха первой ступени; и одно или более отверстий 112a, 112b, 112c; 114a, 114b, 114c второй ступени, выполненных или образованных в стенке 114a, 114b, 114c кожуха второй ступени. (На фиг. 2 и 3A-3C показаны несколько, но не обязательно все отверстия кожуха первой и второй ступеней насоса, которые выполнены симметрично и на равном расстоянии друг от друга вокруг кожуха 112, 114 первой и второй ступеней насоса в показанных вариантах осуществления).
P
В качестве примера, одно или более отверстий кожуха первой и второй ступеней насоса, таких как элементы 112a, 112b, 112c; 114a, 114b, 114c, могут быть выполнены в виде продолговатых отверстий кожуха насоса, проходящих вдоль продольной оси A (см. фиг. 2) насоса и кожуха 112, 114 первой и второй ступеней насоса.
В качестве еще одного примера, продолговатые отверстия кожуха насоса, такие как элементы 112a, 112b, 112c; 114а, 114b, 114с, могут быть выполнены в виде продолговатых изогнутых отверстий кожуха насоса, например, как показано на фиг. 3С, хотя объем настоящего изобретения не предусматривает ограничения какими-либо конкретными типом или разновидностью геометрической конфигурации. Например, предусмотрены варианты осуществления, и предполагается, что объем настоящего изобретения включает в себя формирование отверстий кожуха насоса, таких как элементы 112a, 112b, 112c; 114a, 114b, 114c, с другими типами или разновидностями геометрических конфигураций, известных на настоящий момент или которые будут разработаны в будущем.
Кроме того, объем настоящего изобретения не предусматривает ограничения каким-либо конкретным количеством отверстий кожуха насоса, например, на первой ступени, второй ступени или их комбинации. Например, предусмотрены варианты осуществления, и предполагается, что объем настоящего изобретения включает в себя формирование отверстий кожуха насоса, таких как элементы 112a, 112b, 112c; 114a, 114b, 114c, с количеством отверстий кожуха насоса, отличном от показанного на фиг. 2 и 3A-3C, или формирование отверстий кожуха насоса, таких как элементы 112a, 112b, 112c; 114a, 114b, 114c, с количеством отверстий на первой ступени, отличающимся от количества отверстий на второй ступени, например с меньшим количеством отверстий на одной ступени (включая отсутствие отверстий вообще) и большим количеством отверстий на другой ступени и т. д.
Отверстия лопастей рабочего колеса
Каждое рабочее колесо 102a, 104a может содержать лопасти 116, 126, выполненные или образованные с одним или более отверстиями лопастей, такими как элементы 116a, 116b; 126a, 126b, проходящими через лопасти 116, 126. (На фиг. 2 и 3A-3B показаны несколько, но не обязательно все отверстия лопастей). Одно или более отверстий лопастей, таких как элементы 116a, 116b; 126а, 126b, могут быть выполнены или сформированы в виде конусных отверстий лопастей, хотя объем настоящего изобретения не предусматривает ограничения какими-либо конкретными типом или разновидностью геометрической конфигурации. Например, предусмотрены варианты осуществления, и предполагается, что объем настоящего изобретения включает в себя формирование одного или более отверстий лопастей, таких как элементы 116a, 116b, 126а; 126b, с другими типами или разновидностями геометрических конфигураций, известных или разработанных в будущем. Кроме того, объем настоящего изобретения не предусматривает ограничения каким-либо конкретным количеством отверстий лопастей, например, на лопасти первой ступени, лопасти второй ступени или их комбинации. Например, предусмотрены варианты осуществления, и предполагается, что объем настоящего изобретения включает в себя формирование одного или более отверстий лопастей, подобных элементам 116a, 116b; 126a, 126b, с количеством отверстий лопастей, отличающимся от показанного на фиг. 2 и 3A-3C, или формирование одного или более отверстий лопастей, подобных элементам 116a, 116b; 126a, 126b, с количеством отверстий лопастей в лопасти первой ступени, отличающимся от числа отверстий в лопасти второй ступени, например с меньшим количеством отверстий лопасти в лопасти рабочего колеса на одной ступени и большим количеством отверстий лопасти в лопасти другого рабочего колеса на другой ступени и т. д.
Регулировка выравнивания давлений
Кроме того, одно или более отверстий кожуха первой и второй ступеней насоса, таких как элементы 112a, 112b, 112c; 114a, 114b, 114c, могут иметь размеры, позволяющие регулировать выравнивание давлений на соответствующих рабочих колесах 102a, 104a на первой ступени 102 и второй ступени 104. Специалист в данной области после прочтения настоящей заявки на патент и без чрезмерных экспериментов оценит и поймет, как рассчитать размеры одного или более отверстий кожуха первой и второй ступеней насоса, таких как элементы 112a, 112b, 112c; 114a, 114b, 114c, позволяющие регулировать выравнивание давлений на соответствующих рабочих колесах 102a, 104a на первой ступени 102 и второй ступени 104. В качестве примера, настройка выравнивания давлений может включать в себя выполнение размеров одного или более отверстий кожуха первой и второй ступеней насоса, таких как элементы 112a, 112b, 112c; 114a, 114b, 114c, большими или меньшими, или более длинными или более короткими на первой ступени 102, второй ступени 104 или обеих ступенях; адаптацию количества одного или более отверстий кожуха первой и второй ступеней насоса, таких как элементы 112a, 112b, 112c; 114a, 114b, 114c, например, на первой ступени 102, на второй ступени 104 или на обеих ступенях; адаптацию геометрической конфигурации одного или более отверстий кожуха первой и второй ступеней насоса, таких как элементы 112a, 112b, 112c; 114a, 114b, 114c, например, на первой ступени 102, на второй ступени 104 или на обеих ступенях, например, в том числе с использованием разных геометрических конфигураций на разных ступенях; и т. п.
Многоступенчатый насос
В качестве примера настоящее изобретение показано и описано в отношении двухступенчатого насоса. Однако настоящее изобретение не предусматривает ограничения многоступенчатым насосом, имеющим какое-либо конкретное число ступеней. Предполагается, что объем настоящего изобретения включает и предусматривает варианты осуществления, в которых настоящее изобретение реализовано в многоступенчатом насосе, имеющем более двух ступеней, например, содержащем три ступени, четыре ступени, пять ступеней и т. д.
Размеры
1
2
3
16
20
21
22
36
Фиг. 1А и 3А соответственно взяты из сборочных чертежей, которые содержали многочисленные размерные соотношения между разными частями/компонентами первой и второй ступеней, показанными на них, например, которые обозначены ссылочными обозначениями d, d, d, ..., d на фиг. 1А; а также d, d, d, ..., d на фиг. 3А. Объем настоящего изобретения не предусматривает ограничения каким-либо конкретным размером или каким-либо конкретным размерным соотношением между любыми частью (частями) или компонентом (компонентами), образующими часть первой и второй ступеней многоступенчатого насоса.
Более того, как будет понятно специалисту в данной области, любые такие первая и вторая ступени любого такого многоступенчатого насоса могут иметь много разных размеров или конкретных размерных соотношений между любыми частью (частями) или компонентом (компонентами), образующими часть первой и второй ступеней многоступенчатого насоса в рамках объема и сущности настоящего изобретения.
Ближайшие аналоги насоса
Настоящая заявка относится к семейству насосных технологий, разработанных и обычно принадлежащих правопреемнику настоящей заявки, например, в том числе к следующим:
Патент США № 8,226,352, выданный 24 июля 1012 г.(07GI008US/911-2.34-2), под названием «O» head design»;
Патент США № 9,377,027, выданный 28 июня 1016 г.(F-GI-1102US/911-2.43-1), под названием «Vertical double-suction pump having beneficial axial thrust»;
Заявка на патент США, серийный № 14/163,235, поденная 24 января 2014 г. (F-GI-1202US/911-2.59-1), под названием «Vertical pump having discharge head with flexible element»; и
Заявка на патент США, серийный № 14/511,328, поданная 10 октября 2014 (F-GI-1403US/911-2.65-1), под названием «Vertical pump having motor support with truss elements»;
которые все включены посредством ссылки во всей своей полноте.
Объем защиты изобретения
Следует понимать, что, если в данном документе не указано иное, любые из признаков, характеристик, альтернатив или модификаций, описанных в отношении конкретного варианта осуществления в данном документе, также могут применяться, использоваться или быть включены в любой другой вариант осуществления, описанный в данном документе. Также графические материалы, представленные в данном документе, не выполнены в масштабе.
Хотя настоящее изобретение было описано и проиллюстрировано в отношении его примерных вариантов осуществления, в нем могут быть сделаны вышеизложенные и различные другие дополнения и исключения без отклонения от сути и объема настоящего изобретения.