МНОГОФАЗНЫЙ ВИНТОВОЙ НАСОС Российский патент 2003 года по МПК F04C2/16 

Изобретение относится к насосостроению, а именно к винтовым насосам для перекачки газожидкостных сред, например сырой нефти и природного газа, в условиях, когда доля каждой фракции меняется от нуля до 100%.

Известен многофазный винтовой насос, содержащий, по меньшей мере, один подающий винт, заключенный в корпус, имеющий, 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. К нижнему участку полости нагнетания присоединена перепускная линия для жидкости, сообщенная с полостью всасывания и вместе с подающими винтами создающая замкнутую систему циркуляции рабочей жидкости.

Валы винтов опираются на подшипниковые опоры, изолированные от полости всасывания уплотнениями (см. патент РФ 2101571, МПК 6 F 04 С 2/16, опубл. 10.01.98 г.).

Недостатком известного технического решения является недолговечность работы уплотнений при длительном перекачивании рабочей среды с малым содержанием жидкой фазы. Применяемые в насосе торцовые уплотнения охлаждаются, в основном, перекачиваемой насосом рабочей жидкостью. Поэтому при недостатке жидкости, несмотря на дополнительный перепуск части жидкости из полости нагнетания на всасывание, тепло, возникающее в результате трения контактирующих поверхностей элементов уплотнения, отводится недостаточно. Это приводит к перегреву и быстрому износу пар трения, что снижает надежность работы насоса.

Указанный недостаток частично устранен в многофазном винтовом насосе, содержащем корпус с всасывающим и напорным патрубками, сообщенными соответственно с полостями всасывания и нагнетания, подающие винты, установленные в корпусе и опирающиеся своими валами на подшипниковые опоры, изолированные от полости всасывания торцовыми уплотнениями, пары трения которых образованы кольцами, одно из которых прикреплено неподвижно к корпусу, а другое - к валу, а кольцевые полости, образованные между подшипниковыми опорами, торцовыми уплотнениями, валом и корпусом, сообщены посредством каналов, выполненных в корпусе, с автономной термосифонной системой охлаждения (например с безнапорной буферной системой) (см. проспект фирмы Борнеманн "Мультифазные насосы и системы" от 05.99 г., с. 02-03).

Данное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому по совокупности признаков и принято за прототип.

Однако ввиду того, что кольцевая полость, связанная с системой охлаждения, расположена на некотором удалении от уплотнения, процесс отвода тепла при длительной работе насоса всухую недостаточно эффективен. Это приводит к перегреву уплотнений и может повлечь за собой поломку насоса.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы насоса путем увеличения долговечности работы торцовых уплотнений.

Для достижения этого технического результата в многофазном винтовом насосе 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, вал которого опирается на подшипниковые опоры, изолированные от полости всасывания торцовыми уплотнениями, пары трения которых образованы кольцами, одно из которых прикреплено неподвижно к корпусу, а другое - к валу, а кольцевая полость, образованная между подшипниковыми опорами, торцовыми уплотнениями, валом и корпусом, сообщена посредством каналов, выполненных в корпусе, с автономной термосифонной системой охлаждения, согласно изобретению участок вала подающего винта, заключенный между торцовыми уплотнениями и подшипниковыми опорами, выполнен двухступенчатым и опоясан двумя рядами радиальных отверстий, из которых один ряд со стороны подшипниковых опор выполнен на ступени вала с меньшим диаметром, а другой - расположен под торцовыми уплотнениями и выполнен на ступени с большим диаметром, при этом указанные ряды радиальных отверстий сообщены между собой через канал, выполненный по оси вала.

Благодаря введению новых признаков обеспечивается дополнительная циркуляция охлаждающей жидкости из зоны уплотнений в кольцевую полость через радиальные отверстия вала. Циркуляция возникает вследствие разности центробежных сил, действующих на жидкость в радиальных отверстиях, выполненных на ступенях вала с разным диаметром. Это улучшает процесс отвода тепла от пары трения.

Предлагаемый многофазный винтовой насос иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2, 3, 4:
на фиг.1 показан продольный разрез насоса;
на фиг.2 - уплотнение с системой охлаждения;
на фиг.3, 4 - поперечные разрезы по А-А и Б-Б (фиг.2).

Винтовой насос содержит корпус 1, внутри которого в качестве подающих органов размещены две пары подающих винтов, находящихся в бесконтактном зацеплении друг с другом и вращающихся в противоположных направлениях. Каждая пара включает один правозаходный винт 2 и один левозаходный винт 3. Корпус насоса снабжен боковыми всасывающими патрубками 4, сообщенными с полостями всасывания 5, которые размещены перед подающими винтами, и центральным напорным патрубком 6, сообщенным с полостью нагнетания 7, размещенной за подающими винтами.

Валы 8 винтов 2 и 3 опираются на подшипниковые опоры 9, которые изолированы от полости всасывания 5 торцовыми уплотнениями.

Торцовое уплотнение (фиг.2) состоит из установленного на валу 8 и вращающегося вместе с ним кольца 10, поджатого пружиной 11 к неподвижному кольцу 12, установленному в корпусе. Неподвижное кольцо 12 и вращающееся с валом кольцо 10 образуют между собой пару трения. Между подшипниковой опорой 9 и торцовым уплотнением образована кольцевая полость 13, сообщенная посредством каналов 14, выполненных в корпусе, с так называемой "термосифонной системой охлаждения", состоящей из нижней 15 и верхней 16 емкостей, объединенных трубопроводами 17 в замкнутый контур циркуляции жидкости. В качестве жидкости используется, как правило, минеральное масло.

Участок вала в кольцевой полости 13 выполнен двухступенчатым с диаметрами d₁ и d₂. На ступени с меньшим диаметром d₁, примыкающей к подшипниковой опоре 9, и на ступени с диаметром d₂, под кольцами 10 и 12 выполнены два ряда радиальных отверстий 18 и 19, сообщенных между собой через канал 20, выполненный вдоль оси вала 8.

Радиальные отверстия 18, 19 (фиг.3, 4) расположены вокруг вала равномерно по окружности.

Работает винтовой насос следующим образом.

При вращении подающих винтов 2 и 3 поток жидкости и газа через боковые всасывающие патрубки 5 поступает в полости всасывания 6, перемещается винтами и через напорный патрубок 7 поступает к потребителю. Поток жидкости при прохождении через полость всасывания охлаждает с наружной стороны контактирующие между собой кольца 10 и 12 уплотнения. Кроме того, безнапорная термосифонная система обеспечивает охлаждение колец с внутренней стороны. Циркуляция жидкости в этой термосифонной системе охлаждения происходит следующим образом. Жидкость, нагреваемая в кольцевой полости 13 от тепла, выделяемого при трении контактирующих поверхностей колец 10 и 12 уплотнения, за счет естественной конвекции по каналу 14 и трубопроводу 17 поднимается вверх и поступает в верхнюю емкость 16. Затем, охлаждаясь, она опускается в нижнюю емкость 15 и снова возвращается снизу в кольцевую полость 13.

Интенсификация теплообмена в самой кольцевой полости 13 обеспечивается за счет дополнительной циркуляции жидкости через радиальные отверстия 18, 19 и осевой канал 20 вала 8. Циркуляция возникает в результате разности центробежных сил, действующих при вращении вала на частицы жидкости в радиальных отверстиях, расположенных на ступенях вала с меньшим и большим диаметрами d₁ и d₂.

Таким образом повышается надежность работы многофазного насоса за счет увеличения срока службы уплотнений путем интенсификации теплообмена с использованием центробежного эффекта вращающегося вала.

Изобретение может быть использовано для перекачки газожидкостных сред, например, состоящих из сырой нефти и природного газа. В корпусе с всасывающим и напорным патрубками размещен, по меньшей мере, один подающий винт, вал которого опирается на подшипниковые опоры, изолированные от полости всасывания торцовыми уплотнениями, состоящими из колец, образующих пару трения. Кольцевая полость между подшипниковой опорой и торцовым уплотнением соединена посредством каналов в корпусе с автономной термосифонной системой охлаждения. Участок вала в кольцевой полости выполнен двухступенчатым, и каждая ступень опоясана рядом радиальных отверстий, которые сообщены между собой через осевой канал вала. Повышается надежность работы насоса путем увеличения долговечности работы торцевых уплотнений. 4 ил.

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, вал которого опирается на подшипниковые опоры, изолированные от полости всасывания торцовыми уплотнениями, пары трения которых образованы кольцами, одно из которых прикреплено неподвижно к корпусу, а другое - к валу, а кольцевая полость, образованная между подшипниковыми опорами, торцовыми уплотнениями, валом и корпусом, сообщена посредством каналов, выполненных в корпусе, с автономной термосифонной системой охлаждения, отличающийся тем, что участок вала подающего винта, заключенный между торцовыми уплотнениями и подшипниковыми опорами, выполнен двухступенчатым и опоясан двумя рядами радиальных отверстий, из которых один ряд - со стороны подшипниковых опор - выполнен на ступени вала с меньшим диаметром, а другой - расположен под торцовыми уплотнениями и выполнен на ступени с большим диаметром, при этом ряды радиальных отверстий сообщены между собой через канал, выполненный по оси вала.