СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ МНОГОФАЗНОГО ВИНТОВОГО НАСОСА И НАСОС Российский патент 1998 года по МПК F04C2/16 

Изобретение относится к способу эксплуатации многофазного винтового насоса с по меньшей мере одним подающим винтом, заключенным в корпус, имеющий по меньшей мере один всасывающий и по меньшей мере один напорный патрубок, причем всасываемая среда малопульсирующим непрерывно подаваемым потоком перемещается параллельно винтовому валу и непрерывно выводится через напорный патрубок, при этом с напорной стороны соответствующую жидкую фазу отделяют от газовой фазы за счет того, что уменьшают скорость выходящего из подающего винта потока среды и/или целенаправленно изменяют его направление.

Изобретение касается также многофазного винтового насоса с по меньшей мере одним подающим винтом, заключенным в корпусе, имеющем по меньшей мере один всасывающий и по меньшей мере один напорный патрубок, причем всасывающий патрубок сообщен с полостью всасывания, расположенной перед подающим винтом, а напорный патрубок с полостью нагнетания, расположенной за подающим винтом, в частности для осуществления патентуемого способа, при этом полость нагнетания снабжена устройством для отделения соответствующей жидкой фазы от газовой фазы потока среды, выходящего из подающего винта, а также нижним участком для приема по меньшей мере одной дозы отделенной жидкой фазы.

Под понятием "многофазной" подразумевается газожидкостная смесь. При многофазном транспортировании, в частности с высокой долей газа или при сухом ходе, жидкость обычно выносится полностью. Подающие органы вращаются в таком случае без жидкости, уплотняющей зазоры, насос уже не обеспечивает полного давления, что ведет к прекращению подачи. Тепло, обращающееся в результате сжатия газовой фазы, отводится недостаточно. Это приводит к перегреву подающих органов и их тепловому расширению, что может повлечь за собой поломку насоса вследствие задевания корпуса.

Кроме того, при высокой доле газа и сухом ходе на уплотнениях валов наблюдается недосмазка, которая может вызвать перегрев уплотнений валов и их разрушение. Ибо, если уровень остаточной жидкости со стороны впуска установится на нижней кромке подающих винтов, уплотнения валов не смачиваются, смазка, образованная перекачиваемой средой, испаряется, теплота трения не отводится, разрушая уплотнение валов. Эту проблему в настоящее время пытаются решить постоянной смазкой и постоянным охлаждением с помощью внешнего агрегата масляного уплотнения. Однако подобные агрегаты являются дорогостоящими и восприимчивыми к повреждениям, что ухудшает экономичность рассматриваемых насосов.

Охарактеризованные вначале способ эксплуатации и многофазный винтовой насос описаны в [1] В этом документе рассматриваются и затронутые выше проблемы, которые могут возникать при перекачивании многофазных, многокомпонентных смесей винтовыми насосами. Выявлена также проблема необходимости постоянного наличия жидкости для уплотнения зазоров. Для решения названных проблем в предшествующей публикации предлагается осуществлять фазовое превращение путем конденсации низкокипящих углеводородов. Упомянутый в этой публикации "резервуар" служит только для поддержания необходимого уровня жидкости внутри камеры насоса. Этот резервуар не связан с областью всасывания насоса и сообщен лишь с предусмотренным в определенном месте выходным отверстием самого корпуса насоса и с его напорным патрубком.

В основу изобретения положена задача так усовершенствовать описанные выше способ эксплуатации и многофазный винтовой насос, чтобы ни крайне высокое содержание газа, ни длительные фазы сухого хода не могли привести к прекращению подачи или к повреждениям.

Эта задача в части способа решается согласно изобретению тем, что из отделенной жидкой фазы отбирают часть объемного расхода жидкости (циркуляция жидкости), дозировано возвращают ее в зону всасывания и таким образом поддерживают в состоянии циркуляции, а также тем, что излишний объемный расход жидкости в зоне напорного патрубка вновь объединяют с отдельной ранее газовой фазой.

В отношении насоса указанная задача решается согласно изобретению тем, что к нижнему участку полости нагнетания, в котором скорость потока приближается к нулю, присоединена перепускная линия для жидкости, сообщенная с полостью всасывания с вместе с подающими органами, создающая замкнутую циркуляцию для количества жидкости, необходимого для обеспечения постоянного уплотнения.

Таким образом, согласно основной идее изобретения должно быть обеспечено такое положение, когда и при высокой доле газа или при ограниченном по времени сухом ходе в насосе остается и не выводится количество жидкости, достаточное для надежного функционирования. Причем эта жидкость, остающаяся в корпусе насоса, должна постоянно и в достаточной мере смачивать уплотнения валов случае необходимости и в виде тумана.

Согласно изобретению подаваемый поток, выходящий из подающего винта на стороне нагнетания, разделяется на жидкую и газовую фазы, при этом имеющееся в подаваемом потоке соответствующее распределение фаз остается неизменным, то есть в результате разделения не должна меняться доля фазы в общем объеме. Кроме того, согласно изобретению предусматривается выделять из жидкой фазы, отдельной с напорной стороны, определенную дозу и, возвращая ее в зону всасывания, поддерживать постоянную циркуляцию в полости насоса для обеспечения в ней достаточного уплотнения зазоров даже тогда, когда всасываемая перекачиваемая среда имеет лишь весьма незначительную жидкую фазу или вообще не имеет ее.

Признаки согласно изобретению не вытекает из [1] ибо экспериментальным путем можно доказать, что конденсат, получаемый согласно техническому замыслу этой предшествующей публикации, невозможно возвращать обратно в виде жидкости или же поддерживать в состоянии циркуляции, поскольку конденсат уже перед входом во впускную полость вновь возвращается в газовую фазу вследствие падения давления. Тем самым получаемый конденсат не пригоден для уплотнения зазоров и отвода тепла в соответствии с данным изобретением.

Степень разделения, необходимая для решения указанной задачи, или же количество жидкости, поддерживаемой в состоянии циркуляции, определяется исходя из конфигурации корпуса и потока. При этом дозирование циркулирующей жидкости может осуществляться в зависимости от перепада давлений насоса. В перепускную линию для жидкости можно также включить дозировочный насос или же термоуправляемый клапан. При этом предпочтительно, чтобы в состоянии циркуляции поддерживалась примерно 3% нормального подаваемого потока.

Для облегчения отделения жидкой фазы от газовой фазы перекачиваемой среды целесообразно снижать скорость потока среды, выходящей с напорной стороны из подающего винта. С точки зрения конструкции устройства это достигается выполнением полости нагнетания с поперечным сечением, увеличивающемся в направлении протекания среды. Кроме того, в полости нагнетания можно предусмотреть устройства для направления потока, поддерживающие разделение фаз и/или подводящие жидкую фазу среды, выходящую из подающего винта, к соответствующему уплотнению вала и затем к зоне присоединения перепускной линии для жидкости.

На фиг. 1 изображен винтовой насос, продольный разрез; на фиг. 2 корпус насоса измененной конструкции, поперечное сечение; на фиг. 3 корпус известного насоса (уровень техники), поперечное сечение.

Винтовой насос (фиг. 1) содержит в качестве подающих органов две находящиеся в бесконтактном зацеплении друг с другом и вращающиеся в противоположных направлениях пары подающих винтов, из которых каждая пара включает один правозаходный подающий винт 1 и один левозаходный подающий винт 2. Благодаря такому сдвоенному расположению достигается уравновешивание осевого давления. Зацепляющиеся друг с другом подающие винты образуют с охватывающим их корпусом 3 отдельные замкнутые нагнетательные камеры. При вращении от приводного вала 7 эти камеры движутся непрерывно и параллельно валам 7 и 8 со стороны всасывания в сторону нагнетания. При этом направление вращения приводного вала 7 определяет направление перемещения нагнетательных камер.

Передача вращающего момента от приводного вала к ведомому валу осуществляется посредством установленной вне корпуса 3 насоса зубчатой передачи 4, настройка которой обеспечивает бесконтактный ход подающих органов.

Корпус 3 насоса снабжен всасывающим патрубком 5 и напорным патрубком 6. Последний устанавливается предпочтительно на верхней стороне корпуса 3 насоса. Для этого случая на чертеже показано вертикальное осевое сечение винтового насоса. Изображение может представлять собой и горизонтальное сечение, где всасывающий и напорный патрубки 5 и 6 расположены по бокам напротив друг друга, а оба вала 7 и 8 размещены в общей горизонтальной плоскости рядом.

Среда 9, поступающая в насос через всасывающий патрубок 5, в корпусе 3 насоса двумя частичными потоками подается в соответствующую центральную полость всасывания 10, расположенную перед сопредельным подающим винтом 1 или 2. За подающими винтами 1 и 2 размещена соответствующая полость нагнетания 11, изолированная от окружающей среды в осевом направлении соответствующим уплотнением 12 валов, которое служит для уплотнения внешней подшипниковой опоры 13. Полость нагнетания 11 имеет поперечное сечение, увеличивающееся в направлении протекания среды 9.

Если исходить из того, что на чертеже показано вертикальное осевое сечение, то в этом случае в крайней нижней точке полости нагнетания 11 подключена перепускная линия 14 для жидкости, сообщенная с полостью всасывания 10. Часть объемного расхода жидкости, отделяемая с напорной стороны из перекачиваемой газожидкостной смеси и дозировано возвращаемая в зону всасывания, обозначена стрелкой 15 и в виде циркулирующей жидкости вновь подается из полости всасывания 10 в полость нагнетания 11.

Из чертежа ясно, что жидкая фаза среды 9, выходящая из подающего винта 1, 2, направляется к соответствующему уплотнению 12 валов и за счет силы тяжести поступает затем в зону подключения перепускной линии 14 для жидкости. Вследствие увеличения проходного сечения полости нагнетания 11 снижается скорость потока выходящей среды, что соответствует отделению жидкой фазы из перекачиваемой смеси. Подаче жидкой фазы в зону подключения перепускной линии 14 для жидкости можно содействовать с помощью устройств 17 для направления потока, которые могут также служить для поддержания процесса разделения фаз и регулирования уровня жидкости в полости нагнетания 11.

Соединение перепускной линии 14 для жидкости с полостью нагнетания 11 следует размещать настолько низко, чтобы обеспечивалась постоянная циркуляция жидкости (при исключении попадания газа). Степень разделения определяется конфигурацией корпуса и потока. При этом оказалось целесообразным поддерживать в состоянии циркуляции 3% нормального подаваемого потока. Обеспечиваемый этим в корпусе 3 насоса или же в полости нагнетания 11 уровень жидкости как правило может находиться ниже валов 7, 8. Смачивание уплотнений 12 валов прямым набегающим потоком обычно оказывается достаточным для удовлетворительной смазки уплотнений 12 валов. Лишь в случае особо чувствительных уплотняющих материалов необходимо постоянное омывание уплотнений 12 валов. В этом случае рекомендуются горизонтальное расположение обоих валов 7 и 8 рядом друг с другом и соответственно более высокий уровень жидкости в полости нагнетания 11.

Работа подающих органов при наличии достаточного количества жидкости, уплотняющей зазоры, обеспечивается благодаря предусмотренной согласно изобретению перепускной линии 14 для жидкости и в том случае, когда оба вала 7 и 8 расположены в вертикальной плоскости друг над другом. Ибо жидкость, имеющаяся на головке зуба нижнего подающего винта, отбрасывается на дно впадины между зубьями верхнего подающего винта и затем за счет центробежной силы перемещается вдоль боковых поверхностей к головке зуба. Зацепление и головка зуба в результате этого постоянно смачивается. Такое минимальное смачивание вредных зазоров является уже достаточным для поддержания подачи.

Для дозирования циркулирующей жидкости в перепускную линию 14 для жидкости может быть включена диафрагма 18 соответствующего размера.

Поскольку циркуляция жидкости, предусматриваемая согласно изобретению, целесообразна лишь тогда, когда недостаточно жидкой фазы перекачиваемой среды, эту циркуляцию можно выполнить дополнительно подключаемой при необходимости, например с помощью термоуправления.

На фиг. 3 показано поперечное сечение обычного корпуса насоса, также предназначенного для встраивания двух вращающихся в противоположных направлениях пар подающих винтов по фиг. 1. Здесь подача жидкости производится (если смотреть в осевом направлении) извне к центру насоса в размещенную непосредственно за каждым подающим винтом полость нагнетания 11, переходящую в нагнетательную прорезь 16, расположенную примерно по центру корпуса насоса. Скорость потока в полости нагнетания 11 и нагнетательной прорези 16 в центре насоса составляет в подобных конструкциях около 3 8 м/с. При подаче газа остаточная жидкость в полости нагнетания 11 выводится за короткое время в результате захвата газом и испарения под действием теплоты сжатия и трения.

В противоположность этому в предложенной согласно изобретению конструкции, показанной на фиг. 2, полость нагнетания 11 простирается в корпусе 3 насоса и под парами подающих винтов или, иначе говоря, под нагнетательными камерами, которые образованы указанными парами и охватывающим их корпусом. Таким образом, полость нагнетания 11 выполнена так, что в ее нижней части скорость подаваемого потока, выходящего из подающего винта с напорной стороны, снижается до нуля. В результате за счет разной плотности происходит отделение жидкой фазы от газовой.

Конфигурация, изображенная на фиг. 2, возможна как при центральном, так и при боковом расположении камеры нагнетания.

Использование: в насосостроении и касается способа эксплуатации многофазного винтового насоса и самого насоса. Сущность изобретения: многофазный винтовой насос с по меньшей мере одним подающим винтом, заключенным в корпус, имеет с одной стороны по меньшей мере один напорный патрубок. Всасываемая среда малопульсирующим непрерывно подаваемым потоком перемещается параллельно винтовому валу и непрерывно выводится через напорный патрубок. Для устранения недостатков, проявляющихся обычно на фазах сухого хода, согласно изобретению предлагается отбирать с напорной стороны часть объемного расхода жидкости, дозировано возвращать ее в зону всасывания и таким образом поддержать в состоянии циркуляции, 2 с. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ эксплуатации многофазного винтового насоса с по меньшей мере одним подающим винтом, заключенным в корпус, имеющий по меньшей мере один всасывающий патрубок и по меньшей мере один напорный патрубок, причем всасываемую среду малопульсирующим непрерывно подаваемым потоком перемещают параллельно винтовому валу и непрерывно выводят через напорный патрубок, при этом с напорной стороны соответствующую жидкую фазу отделяют от газовой фазы за счет того, что уменьшают скорость выходящего из подающего винта потока среды и/или целенаправленно изменяют его направление, отличающийся тем, что из отделенной жидкой фазы отбирают часть объемного расхода жидкости, дозированно возвращают ее в зону всасывания и поддерживают таким образом в состоянии циркуляции, а излишний объемный расход жидкости в зоне напорного патрубка вновь объединяют с отделенной ранее газовой фазой. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дозирование циркулирующей жидкости осуществляют в зависимости от перепада давлений насоса. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что 3% от нормального подаваемого потока поддерживают в состоянии циркуляции жидкости. 4. Способ по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что уменьшают скорость потока среды, выходящего из подающего винта с напорной стороны. 5. Способ по пп.1 3 или 4, отличающийся тем, что при удвоении подающего винта оба частичных потока подают с соответствующей стороны всасывания в противоположных расходящихся друг от друга направлениях в сторону нагнетания, а оттуда в направлении соответствующего уплотнения валов. 6. Многофазный винтовой насос с по меньшей мере одним подающим винтом, заключенным в корпус, имеющий по меньшей мере один всасывающий патрубок и по меньшей мере один напорный патрубок, причем всасывающий патрубок сообщен с полостью всасывания, размещенной перед подающим винтом, а напорный патрубок сообщен с полостью нагнетания, расположенной за подающим винтом, при этом полость нагнетания имеет устройства для отделения соответствующей жидкой фазы от газовой фазы выходящего из подающего винта потока среды, а также нижний участок для приема по меньшей мере одной дозы отделенной жидкой фазы, отличающийся тем, что к нижнему участку полости нагнетания, в котором скорость потока снижается до нуля, присоединена перепускная линия для жидкости, сообщенная с полостью всасывания и вместе с подающими органами образующая замкнутую циркуляцию для количества жидкости, необходимого для обеспечения постоянного уплотнения. 7. Насос по п.6, отличающийся тем, что в перепускную линию для жидкости включен дозировочный насос. 8. Насос по п.6, отличающийся тем, что в перепускную линию для жидкости включен термоуправляемый клапан. 9. Насос по одному из пп.6 8, отличающийся тем, что напорный патрубок установлен на верхней стороне корпуса. 10. Насос по одному из пп.6 9, отличающийся тем, что перепускная линия для жидкости подключена к самой нижней точке полости нагнетания. 11. Насос по одному из пп.6 10, отличающийся тем, что он выполнен с двумя параллельно установленными валами, каждый из которых снабжен двумя вращающимися в противоположных направлениях подающими винтами и имеет внешнюю подшипниковую опору, причем полости всасывания расположены по центру, а полости нагнетания изолированы от окружающей среды уплотнением валов. 12. Насос по одному из пп.6 11, отличающийся тем, что полость нагнетания имеет поперечное сечение, увеличивающееся в направлении протекания среды. 13. Насос по одному из пп.6 12, отличающийся тем, что в полости нагнетания установлены устройства для направления потока, которые подводят выходящую из подающего винта жидкую фазу среды к соответствующему уплотнению валов и затем подают ее в зону присоединения перепускной линии для жидкости. 14. Насос по одному из пп.6 13, отличающийся тем, что для поддержания разделения фаз в полости нагнетания предусмотрены устройства для направления потока. 15. Насос по одному из пп.6 14, отличающийся тем, что для регулирования уровня жидкости в полости нагнетания предусмотрены устройства для направления потока. 16. Насос по одному из пп.6 15, отличающийся тем, что для дозирования циркулирующей жидкости в перепускную линию для жидкости включена диафрагма соответствующего размера.