ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС Российский патент 2001 года по МПК F04D1/06 F04D29/04 

Изобретение относится к области насосостроения, в частности к многоступенчатым насосам высокого давления для закачки воды в пласты на нефтяных промыслах. Оно может быть использовано и в других центробежных насосах, где требуется разгрузка осевых сил, появляющихся при работе насоса.

Известны центробежные насосы, в которых осевые силы уравновешены (частично) гидравлическим способом, например, консольный многоступенчатый насос фирмы Ледерле (ФРГ), состоящий из фланцевого корпуса, аппаратов и рабочих колес, насаженных на консольный участок вала и имеющих двухсторонние опоры в направляющих аппаратах. В рабочих колесах со стороны нагнетания в зоне, охваченной его центрирующим пояском, выполнены отверстия (1).

К недостаткам насоса относятся
- большие объемные потери вследствие перетока жидкости из зоны всасывания последующего рабочего колеса в зону всасывания предыдущего рабочего колеса через щель между ступицей рабочего колеса и центрирующей опорой направляющего аппарата;
- недостаточная универсальность, его использование оправдано в насосах с небольшим напором и значительной подачей.

Известен также насос (спиральный), состоящий их 2-х групп секций, где входные воронки рабочих колес обращены в противоположные стороны (2).

Недостатки насоса:
- высокая трудоемкость изготовления вследствие больших габаритов и масс узлов насоса, обусловленная в большей степени необходимостью передачи потока перекачиваемой жидкости из одной группы секций в другую группу;
- высокая трудоемкость проведения ремонтных работ, связанная с большой массой узлов, сложностью уплотнения разъемов, не имеющих тел вращения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является насос типа ЦНС, который нашел применение в системе ППД (поддержание пластового давления) для закачки воды в пласты на нефтяных промыслах (3).

Он состоит из корпуса, входной и выходной фланцевых крышек с патрубками для подвода и отвода жидкости, вала, установленного на подшипниках качения, ступеней, каждая из которых состоит из направляющего аппарата, рабочего колеса и разделительного диска, пазухи между разделительным диском и рабочим колесом. В камере нагнетательной крышки расположены опорный диск и гидравлическая пята, насаженная на вал, для уравновешивания осевых сил, возникающих при работе насоса. Вся конструкция стягивается шпильками.

К недостаткам данной конструкции относятся:
- большие объемные потери, обусловленные перетоками жидкости через зазор между гидропятой и опорным диском (до 10% объема) во всасывающую полость насоса;
- интенсивный износ гидропяты и опорного диска из-за сухого трения, имеющего место на переходных режимах;
- с увеличением наружного диаметра рабочего колеса резко повышаются габаритные размеры разгрузочного устройства. Это, в свою очередь, приводит к еще большим затратам энергии на трение и перетокам жидкости из области высокого давления в область низкого давления;
- неприемлемость применения подобной конструкции разгрузочного устройства в насосах малой производительности (до 1000 м³/сут) ввиду того, что доля объемных потерь значительно возрастает и резко возрастают осевые усилия, доходящие до десятков тонн.

Задачей изобретения является
- снижение объемных потерь и, следовательно, повышение КПД;
- упрощение конструкции и повышение надежности;
- расширение универсальности применения.

Указанная задача решается описываемым насосом, включающим корпус, входную и выходную крышки с патрубками для подвода и отвода жидкости, вал, ступени насоса, каждая из которых состоит из рабочего колеса, направляющего аппарата и разделительного диска, пазухи между разделительным диском и рабочим колесом.

Новым является то, что в разделительных дисках со стороны, обращенной к колесу, выполнены закрытые криволинейные каналы, соединяющие периферийную зону пазухи с центральной, входные (периферийные) участки которых плавно углублены в тело диска по окружности в направлении вращения рабочего колеса, а выходные - плавно углублены в тело диска по окружности в направлении, противоположном вращению рабочего колеса, причем ось симметрии каналов выполнена выпуклой кривой в сторону вращения рабочего колеса, а выходные участки каналов размещены на диаметре, меньшем среднего диаметра рабочего колеса.

На фиг. 1 изображен продольный разрез предлагаемого насоса.

На фиг. 2 - разделительный диск в плане, разрез А-А фиг 1.

На фиг. 3, 4, 5 - соответственно разрезы по Б-Б, В-В и Г-Г фиг. 2.

На фиг. 6 - ступень центробежного насоса с эпюрой распределения давления в пазухах рабочей ступени:
а) в пазухе 13
б) в пазухе 17.

Насос состоит из корпуса 1 (фиг. 1), крышек 2 и 3, входного 4 и выходного 5 патрубков, вала 6, на который насажены рабочие колеса 7, находящиеся между направляющим аппаратом 8 и разделительным диском 9. На конце вала 6 со стороны нагнетания установлен упорный подшипник скольжения 10. Со стороны привода насос снабжен уплотнением 11.

В разделительном диске 9 со стороны всасывания выполнены закрытые каналы 12, соединяющие периферийную зону пазухи 13 с центральной зоной. Входной участок 14 (фиг. 2) канала 12 плавно углублен в тело диска 9 по окружности в направлении вращения рабочего колеса. Выходной участок 15 канала 12 также плавно углублен в тело диска 9 по окружности, но в обратном направлении вращения рабочего колеса. Закрытый участок 16 канала 12 выполнен криволинейным с выпуклой осью симметрии в сторону вращения рабочего колеса. Со стороны нагнетания между рабочим колесом и направляющим аппаратом имеется пазуха 17. Выходные участки каналов 12 размещены на диаметре, меньшем среднего диаметра рабочего колеса.

Насос работает следующим образом.

Жидкость поступает в первое рабочее колесо 7 через входной патрубок 4, откуда выбрасывается в каналы направляющего аппарата 8, а из него во всасывающую полость последующего (второго) колеса 7 и т.д. В пазухах 13 и 17 жидкость приобретает вращательное и поступательное движение. Поступательное движение в пазухе 13 направлено от периферии к центру, а в пазухе 17 - от центра к периферии. Действие вращающегося и поступательного потоков в пазухах 13 и 17 приводит к разуравниванию осевых сил с результирующей силой, направленной в сторону всасывания. Это наглядно видно на фиг. 6, где
P₁ - давление на диаметре опоры рабочего колеса со стороны всасывания при отсутствии щели;
P₂ - давление на выходе из рабочего колеса в пазухах 13 и 17;
P₃ - давление на диаметре опоры рабочего колеса со стороны всасывания при наличии щели;
P₄ - давление на диаметре опоры рабочего колеса в пазухе 13 при наличии каналов в разделительном диске;
P₁¹ - давление на диаметре опоры рабочего колеса со стороны нагнетания в пазухе 17 при отсутствии щели;
P₃¹ - давление на диаметре опоры рабочего колеса со стороны нагнетания в пазухе 17 при наличии щели.

Сплошными линиями показаны эпюры распределения давления в пазухах 13 и 17 при отсутствии утечек, т.е. при отсутствии щели между опорным участком рабочего колеса 7 и опорой разделительного диска 9, а также при отсутствии щели между ступицей рабочего колеса 7 и опорой направляющего аппарата 8. На практике же всегда имеют место щели и, следовательно, переток жидкости из пазухи 13 во всасывающую воронку рабочего колеса 7, а также переток жидкости из всасывающей воронки последующего рабочего колеса 7 в пазуху 17 первой ступени (предыдущей). Под влиянием утечек эпюра распределения давления меняется, что представлено на фиг. 6 пунктирными линиями.

Для того, чтобы уравнять осевые силы с обеих сторон рабочего колеса необходимо повысить давление в пазухе со стороны всасывания. Это достигается в предлагаемом насосе с помощью каналов, выполненных в разделительном диске 9. Вращающийся поток давит на жидкость, находящуюся в каналах 12, из которых она выходит в центральную зону пазухи 13 с давлением, приблизительно равным давлению (P₂) на периферии рабочего колеса, которое распространяется на всю зону пазухи 13. Это будет повышенное давление и на фиг. 6a оно обозначено штрихпунктирной линией. Как видно из этой фигуры площадь эпюры увеличивается, т.е. общее давление в пазухе 13 приближается к давлению в пазухе 17 и, следовательно, происходит уравнивание осевых сил, действующих на рабочее колесо с обеих сторон. Разгрузка последующих колес происходит идентичным путем.

Благодаря созданию условий, обеспечивающих повышение давления в пазухе рабочего колеса со стороны всасывания и резкому уменьшению перетоков жидкости за счет исключения разгрузочного устройства, в предлагаемом насосе снижаются объемные потери примерно на 10% и, следовательно, повышается КПД. Упрощается конструкция насоса за счет исключения разгрузочного устройства и поэтому повышается его надежность. Этому способствует то, что гидравлическое уравнивание осевых сил осуществляется в каждой ступени насоса. Последнее обстоятельство делает предлагаемый насос универсальным, т.е. насосы с такой гидравлической разгрузкой могут применяться везде, где требуется уравнивание осевых сил.

Использованная информация
1. Аналог А.К. Михайлов и В.В. Малюшенко. Лопастные насосы. М.Машиностроение. 1977 (стр.239, рис. 130).

2. Аналог. Источник тот же (стр. 236, рис, 127).

3. Прототип. Источник тот же (стр. 237, рис. 128).

Изобретение относится к насосостроению, в частности к многоступенчатым центробежным насосам для закачки воды в пласт на нефтяных промыслах. Насос состоит из корпуса, крышек, входного и выходного патрубков, вала, рабочих колес, направляющих аппаратов, разделительных дисков. В последних со стороны, обращенной к колесу, выполнены закрытые каналы, соединяющие периферийную зону пазухи с центральной зоной. Входной участок канала и выходной плавно углублены в тело диска, первый по окружности в направлении вращения рабочего колеса, а второй по окружности, но в обратном направлению вращения рабочего колеса. Вращающийся поток давит на жидкость, находящуюся в каналах, из которых она выходит в центральную зону пазухи с давлением, приблизительно равным давлению на периферии рабочего колеса. В итоге происходит уравнивание осевых сил, действующих на рабочее колесо. Использование изобретения позволяет снизить объемные потери, упростить конструкцию и повысить надежность. 6 ил.

Горизонтальный центробежный насос, содержащий корпус, входную и выходную крышки с патрубками для подвода и отвода жидкости, вал, ступени насоса, каждая из которых состоит из рабочего колеса, направляющего аппарата и разделительного диска, пазухи между разделительным диском и рабочим колесом, отличающийся тем, что в разделительных дисках со стороны, обращенной к колесу, выполнены закрытые криволинейные каналы, соединяющие периферийную зону пазухи с центральной, входные (периферийные) участки которых плавно углублены в тело диска по окружности в направлении вращения рабочего колеса, а выходные плавно углублены в тело диска по окружности в направлении, противоположном вращению рабочего колеса, причем ось симметрии каналов выполнена выпуклой в сторону вращения рабочего колеса, а выходные участки каналов размещены на диаметре, меньшем среднего диаметра рабочего колеса.