СТУПЕНЬ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА Российский патент 1999 года по МПК F04D1/00 F04D29/16 F16J15/34 

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в лопастных насосах, турбинах, компрессорах, вентиляторах и т.д.

Параметры центробежного насоса (напор, КПД, осевая сила) в значительной степени зависят от состояния уплотнения рабочих колес насоса, меняющегося при эксплуатации в результате износа контактирующих поверхностей уплотнений.

Известны и широко используются конструкции ступеней (рабочих органов) лопастных насосов с цилиндрическими щелевыми уплотнениями рабочего колеса ступени: с жесткими уплотнениями [1] и с плавающими уплотнениями [2].

Такие уплотнения применяются как в передних уплотнениях рабочих колес, так и в уплотнениях камер, создаваемых за ведущим диском рабочих колес при выполнении разгрузочных отверстий с целью снижения осевой силы, действующей на рабочее колесо ступени насоса.

Существенным недостатком этих конструкций ступеней лопастных насосов с этими уплотнениями является чувствительность параметров напора, КПД и осевой силы, действующей на рабочее колесо ступени, к величине зазора в этих уплотнениях, естественно увеличивающихся при эксплуатации насоса в результате износа поверхностей. При увеличении зазора в уплотнениях напор и КПД насоса существенно снижаются, а осевая сила на рабочее колесо повышается.

Так, например, осевая сила, действующая на рабочее колесо насоса для поддержания пластового давления типа ЭЦПК14-1000 на номинальном режиме при зазорах, равных 0.7 мм на диаметр, близких к аварийным значениям зазоров в переднем, заднем и межступенном уплотнениях возрастает по сравнению со случаем номинальных зазоров в 4,3 раза, т.е. при аварийных зазорах в уплотнениях рабочих колес разгрузочное устройство перестает выполнять свою роль.

Повышение осевой силы, действующей на рабочие колеса насоса, приводит к существенному повышению осевой силы, действующей на весь ротор насоса, величина которой может быть выше грузоподъемности осевой опоры насоса. Все это может привести к быстрому износу пары трения осевой опоры, выходу из строя осевой опоры и насоса.

Следует обратить внимание, что износ осевой опоры насоса приводит к перемещению по направлению ко входу насоса рабочих колес относительно своих направляющих аппаратов, что в свою очередь, в ступенях с радиальным направляющим аппаратом, наиболее широко используемым в подобных насосах, приводит к изменению формы характеристики осевой силы: осевая сила на номинальном режиме практически остается той же, а осевая сила на недогрузочных режимах существенно повышается по сравнению с номинальным положением рабочего колеса относительно направляющего аппарата, на перегрузочных режимах снижается.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи, заключающейся в существенном снижении чувствительности параметров ступени к зазору в уплотнениях, применительно к ступени центробежного насоса с рабочим колесом, имеющим контактное плавающее уплотнение, образованное вращающейся поверхностью рабочего колеса и поверхностью уплотнительного кольца, установленного на межступенном диске и застопоренного от вращения, но и имеющего возможность ограниченного осевого перемещения.

Для достижения цели изобретения в коническое щелевое пространство, образованное уплотнительным кольцом с неподвижной поверхностью межступенного диска, установлен эластичный элемент с возможностью его перемещения в направлении сужения конической щели, которое, в свою очередь, совпадает с направлением возникающего в процессе работы перепада давления, при этом эластичный элемент установлен таким образом, что по мере износа он имеет возможность перемещаться в направлении сужения конической щели и с учетом его деформации обеспечивается самоуплотнение.

Приведенным чертежом поясняется сущность предложения, на котором показана ступень, состоящая из рабочего колеса 1, направляющего аппарата 2, межступенного диска 3 и контактного плавающего уплотнения, образованного поверхностью покрывного диска рабочего колеса 1 и поверхностью уплотнительного кольца 4, установленного на межступенном диске 3 и застопоренного от вращения штифтом 5, но имеющего возможность ограниченного осевого перемещения.

Рабочее колесо 1 посажено на вал 6 и приводится во вращение при помощи призматической шпонки 7.

Коническая поверхность уплотнительного кольца 4 с конической поверхностью неподвижного межступенного диска 3 образует коническую щель 8, в которую помещен эластичный элемент 9. Сужение конической щели выполнено в направлении перепада давления в соответствующих полостях 10 и 11.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При вращении рабочего колеса 1 вместе с валом 6 развивается напор и создается перепад давления между полостями 10 и 11, под действием которого эластичный элемент 9 прижимается к коническим поверхностям диска 3 и уплотнительного кольца 4. За счет деформации эластичного элемента 9 - предварительной и из-за возникающего в процессе работы перепада давления - осуществляется уплотнение в конической щели 8 и прижатие кольца 9 к вращающейся поверхности рабочего колеса 1 и к неподвижной поверхности уплотнительного кольца 4.

По мере износа трущихся поверхностей рабочего колеса 1 и уплотнительного кольца 4 эластичный элемент 9 перемещается в направлении сужения конической щели, что обеспечивает с учетом его деформации самоуплотнение.

Аналогичная конструкция устройства самоуплотняемого уплотнения может быть использована в межступенном уплотнении ступени, как показано в приведенном чертеже. Уплотнение контактного плавающего типа образовано вращающейся поверхностью втулки 12 и поверхностью уплотнительного кольца 13, установленного в направляющем аппарате 2 и застопоренного от вращения штифтом 14, но имеющего возможность ограниченного осевого перемещения.

По предлагаемому изобретению в коническую щель 15 между уплотнительным кольцом 13 и неподвижной конической поверхностью направляющего аппарата 2 установлен эластичный элемент 16 с возможностью его перемещения в направлении сужения конической щели, которое, в свою очередь, совпадает с направлением возникающего в процессе работы перепада давления между полостями 17 и 18. При наличии разгрузочных отверстий 19 в ведущем диске рабочего колеса уплотнение камеры, образованной ведущим диском рабочего колеса 1 и направляющим аппаратом 2 также можно выполнить по аналогичной предлагаемой конструкции.

В данном случае ( см. приведенный чертеж) контактное плавающее уплотнение образовано поверхностью ведущего диска вращающегося рабочего колеса 1 и поверхностью уплотнительного кольца 20, установленного в направляющем аппарате 2 и застопоренного от вращения штифтом 21, но имеющего возможность ограниченного осевого перемещения. Коническая поверхность уплотнительного кольца 20 с конической поверхностью неподвижного направляющего аппарата 2 образуют коническую щель 22, в которую помещен эластичный элемент 23. Сужение конической щели выполнено в направление перепада давления в полостях 24 и 25.

Уплотнение в межступенном пространстве и в камере рабочего колеса при наличии разгрузочных отверстий работает аналогичным образом.

Использование предлагаемого изобретения позволит существенно повысить ресурс работы ступени центробежного насоса и обеспечить практическое постоянство параметров насоса (напор, КПД, осевая сила) при работе насоса в течение его ресурса.

Проведенные опытно-конструкторские работы подтвердили практическую реализуемость предлагаемого устройства.

Источники информации:
1. Айзенштейн М.Д. Центробежные насосы для нефтяной промышленности - М.: Гостехиздат, 1967.

2. Лопастные насосы. Справочник -Л.: Машиностроение, 1986.

Ступень центробежного насоса содержит рабочее колесо, направляющий аппарат, межступенный диск и контактное плавающее уплотнение. Уплотнение образовано поверхностями рабочего колеса и уплотнительного кольца. Последнее установлено на межступенном диске и застопорено от вращения, но имеет возможность ограниченного осевого перемещения. Уплотнительным кольцом и неподвижной поверхностью межступенного диска образовано коническое щелевое пространство. В указанном пространстве установлен эластичный элемент с возможностью его перемещения в направлении сужения конической щели под действием перепада давления, возникающего при работе насоса. Эластичный элемент установлен с возможностью перемещения в направлении сужения конической щели, и с учетом деформации его обеспечивается самоуправление. Использование изобретения позволит снизить чувствительность параметров ступени к зазору в уплотнении. 1 ил.

Ступень центробежного насоса, состоящая из рабочего колеса, направляющего аппарата, межступенного диска и контактного плавающего уплотнения, образованного поверхностью рабочего колеса и поверхностью уплотнительного кольца, установленного на межступенном диске и застопоренного от вращения, но имеющего возможность ограниченного осевого перемещения, отличающаяся тем, что в коническом щелевом пространстве, образованном уплотнительным кольцом и неподвижной поверхностью межступенного диска, установлен эластичный элемент с возможностью его перемещения в направлении сужения конической щели, которая совпадает с направлением возникающего в процессе работы перепада давления, при этом эластичный элемент установлен так, что по мере износа он имеет возможность перемещаться в направлении сужения конической щели и с учетом деформации его обеспечивается самоуплотнение.