ОСЕДИАГОНАЛЬНЫЙ ШНЕКОВЫЙ НАСОС С ДВУХСТОРОННИМ АВТОМАТОМ РАЗГРУЗКИ РОТОРА ОТ ОСЕВОЙ СИЛЫ Российский патент 2013 года по МПК F04D3/02 F04D29/41 

Изобретение относится к области насосостроения и может быть использовано при разработке конструкций оседиагональных шнековых насосов с повышенными требованиями к надежности и длительности ресурса работы ходовой части. Оседиагональные шнековые насосы по своим характеристикам незаменимы при аварийных ситуациях для перекачки вязких загрязненных жидкостей, при проливах нефти и нефтепродуктов; для базовых работ на нефтебазах, наливных эстакадах, в системах промстоков и промотходов; при откачке из заглубленных резервуаров.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является, принятый за прототип, известный (RU, патент №2342564, опубликовано 27.12.2008) оседиагональный шнековый насос с автоматом разгрузки ротора от осевой силы, содержащий корпус, состоящий из подвода и отвода, и ротор, включающий вал, вращающийся в установленных в корпусе радиальном и упорном подшипниках и закрепленное на валу шнековое колесо с винтовыми лопастями и полой конусообразной втулкой, примыкающей на большом диаметре к корпусу через радиальный и торцовый зазоры щелевого ступенчатого уплотнения и образующей с ним с внешней, по отношению к проточной части, стороны разгрузочную камеру с перепускными каналами, при этом упорный подшипник по наружному кольцу установлен в корпусе с торцовым зазором так, что его величина больше - равна величины торцового зазора в щелевом ступенчатом уплотнении.

Разгрузка ротора от осевой силы в известном насосе осуществляется в результате автоматического регулирования с отрицательной обратной связью эпюры давления в разгрузочной камере, а следовательно, и величины составляющей осевой силы, образующейся на полой конусообразной втулке и направленной в сторону входа в шнековое колесо, вызывающей перемещение ротора в осевом направлении в пределах торцового зазора по наружному кольцу установленного в корпусе упорного подшипника, с одновременным изменением величины торцового зазора в щелевом ступенчатом уплотнении до наступления баланса с встречно действующей составляющей осевой силы, образующейся на коническом участке наружного контура лопастей при нерегулируемой эпюре давления, а следовательно, и величины указанной составляющей осевой силы.

Недостатком автомата разгрузки ротора от осевой силы в известном оседиагональном шнековом насосе является то, что существует возможность возникновения ситуации, при которой баланс встречно действующих составляющих осевых сил, достигается, (как показывают расчеты и подтверждается на практике), при сравнительно малых величинах торцового зазора (δ_x≤0,2-0,3 мм) в щелевом ступенчатом уплотнении, что может привести, учитывая динамический характер работы автомата, к касанию и даже износу рабочих поверхностей деталей, образующих торцовый зазор в щелевом ступенчатом уплотнении.

Задачей заявленного изобретения является модернизация существующей конструкции оседиагонального шнекового насоса.

Технический результат, получаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в устранении касания и износа рабочих поверхностей деталей, образующих торцовый зазор в щелевом ступенчатом уплотнении, в повышении надежности и увеличении ресурса работы ходовой части оседиагонального шнекового насоса.

Указанный технический результат достигается тем, что в оседиагональном шнековом насосе, содержащем корпус, состоящий из подвода и отвода, и ротор, включающий вал, вращающийся в установленных в корпусе радиальном и радиально-упорном шарикоподшипниках и консольно закрепленное на валу шнековое колесо с винтовыми лопастями и полой конусообразной втулкой, примыкающей к отводу корпуса на большом диаметре через радиальный и торцовый зазоры щелевого ступенчатого уплотнения и образующей с внешней, по отношению к проточной части, стороны разгрузочную камеру с перепускными каналами, сообщающими ее с полостью на входе проточной части шнекового колеса, в котором радиально-упорный шарикоподшипник по наружному кольцу установлен в корпусе с торцовым зазором, величина которого составляет не менее величины торцового зазора вышеупомянутого щелевого ступенчатого уплотнения, а на лопастях, в начале конического участка наружного контура шнекового колеса, неподвижно закреплен бандаж, примыкающий к подводу корпуса на меньшем диаметре через торцовый зазор щелевого уплотнения, величина которого равна величине торцового зазора в вышеупомянутом щелевом ступенчатом уплотнении.

При вращении ротора возникает перепад давления перекачиваемой жидкости между выходом и входом шнекового колеса, приводящий к возникновению встречно направленных составляющих осевых сил, действующих на внешний контур шнекового колеса:

а) составляющей осевой силы A1, действующей на конический участок наружного контура лопастей в направлении от входа к выходу шнекового колеса (со стороны проточной части):

$$A1=2\times \pi \times {\displaystyle {\int }_{r_1}^{r_2}{p}_1(r)\times r\times d}$$

б) составляющей осевой силы А2, действующей на внутреннюю поверхность полой конусообразной втулки в направлении от выхода к входу шнекового колеса (со стороны разгрузочной камеры):

$$A2=2\times \pi \times {\displaystyle {\int }_{r_1}^{r_2}{p}_2(r)\times r\times d}$$

где

r - текущий радиус шнекового колеса, изменяющийся от величины наружного радиуса шнекового колеса на выходе (r₂) до величины радиуса расположения перепускных отверстий (r₁);

p₁(r) и p₂(r) - аналитические выражения эпюры статического давления вдоль радиуса шнекового колеса,

воздействующие соответственно, на конический участок наружного контура лопастей со стороны проточной части и на внутреннюю поверхность полой конусообразной втулки со стороны разгрузочной камеры, определяемые по известным в теории гидромеханики турбомашин, зависимостям, например см. (А.А. Ломакин. Центробежные и осевые насосы Изд. «Машиностроение» Москва, Ленинград,1966, стр.157 - «распределение давления между колесом и корпусом»).

При этом, из-за того, что площадь кольцевого сечения на втулке (между r₂ и r₁), на которую воздействует эпюра давления P₂(r), а следовательно, и величина составляющей осевой силы (A2) со стороны выхода, больше, чем площадь кольцевого сечения на коническом участке лопастей, на которую воздействует эпюра давления P₁(r) и, соответственно, величина составляющей осевой силы (A1) со стороны входа, возникает осевое перемещение ротора в пределах торцового зазора по наружному кольцу установленного в корпусе радиально-упорного шарикоподшипника, сопровождающееся уменьшением величины торцовых зазоров, соответственно, в щелевом ступенчатом уплотнении втулки с отводом корпуса и в щелевом уплотнении бандажа с подводом корпуса. В результате указанного изменения торцовых зазоров: а) повышается давление на коническом участке наружного контура лопастей из-за уменьшения величины утечек через радиальный зазор между лопастями и подводом корпуса; б) понижается давление в разгрузочной камере за счет уменьшения величины утечек через щелевое ступенчатое уплотнение и их сброса через перепускные каналы в полость на входе проточной части шнекового колеса. В результате перепад давления на поверхностях внешнего контура шнекового колеса, а следовательно, и величина суммарной осевой силы (A_poт), действующей на ротор, равная разности встречно действующих составляющих осевых сил

A_poт=А2-А1,

уменьшается, до достижения баланса составляющих (A1 и A2) при наступлении равенства

A1=A2.

Так как интегральная величина давления на коническом участке наружного контура лопастей шнекового колеса зависит от величины утечек через радиальный зазор между лопастями и подводом корпуса и при их уменьшении давление повышается, а торцовый зазор между бандажом и подводом корпуса, ограничивающий их величину, уменьшается при осевом перемещении ротора, происходит дополнительное увеличение давления, а следовательно, и составляющей осевой силы (A1). А это значит, что баланс составляющих осевых сил (A1=A2) наступает раньше (по сравнению с прототипом) при большей величине торцового зазора в щелевом ступенчатом уплотнении. В результате такого эффекта устраняется возможность касания и износа рабочих поверхностей деталей, образующих торцовый зазор в щелевом ступенчатом уплотнении, что повышает надежность и ресурс работы ходовой части оседиагонального шнекового насоса

То есть получается устройство, регулирующее эпюры распределения давления с отрицательной обратной связью, а следовательно, и величины встречно действующих на ротор составляющих осевых сил с двух направлений: а) со стороны входа шнекового колеса на конический участок наружного контура лопастей (в проточной части) за счет изменения величины торцового зазора между бандажом и подводом корпуса и б) со стороны выхода шнекового колеса на внутреннюю поверхность полой конусообразной втулки (в разгрузочной камере) за счет изменения торцового зазора в щелевом ступенчатом уплотнении. Само устройство, характеризующееся как совокупность корпуса, состоящего из подвода и отвода, и ротора, включающего вал, вращающийся в установленных в корпусе радиальном и радиально-упорном шарикоподшипниках и консольно закрепленного на валу шнекового колеса с винтовыми лопастями и полой конусообразной втулкой, примыкающей к отводу корпуса на большом диаметре через радиальный и торцовый зазоры щелевого ступенчатого уплотнения, образующей с внешней, по отношению к проточной части, стороны разгрузочную камеру с перепускными каналами, сообщающими ее с полостью на входе проточной части шнекового колеса, с закрепленным на лопастях в начале конического участка наружного контура шнекового колеса бандажом, примыкающим к подводу корпуса через торцовый зазор щелевого уплотнения по величине равный торцовому зазору щелевого ступенчатого уплотнения, при этом радиально-упорный шарикоподшипник по наружному кольцу установлен в корпусе с торцовым зазором, величина которого не менее величины торцового зазора щелевого ступенчатого уплотнения, можно рассматривать, как двухсторонний автомат разгрузки ротора от осевой силы.

Таким образом, повышение надежности и длительности ресурса работы ходовой части оседиагонального шнекового насоса происходит за счет расширения диапазона регулирования автомата разгрузки ротора от осевой силы, путем увеличения величины торцового зазора в щелевом ступенчатом уплотнении при достижении баланса составляющих осевых сил, встречно действующих на внешнем контуре шнекового колеса: со стороны входа (проточной части) на конический участок наружного контура лопастей и со стороны выхода (разгрузочной камеры) на внутреннюю поверхность полой конусообразной втулки.

Для пояснения сущности заявленного изобретения приводится чертеж (фиг.1), на котором изображено меридиональное сечение оседиагонального шнекового насоса с двухсторонним автоматом разгрузки ротора от осевой силы, где:

r₁ и r₂ - соответственно, внутренний и наружный радиусы внешнего кольцевого сечения шнекового колеса, формирующего образование составляющих осевой силы (радиус расположения перепускных отверстий и наружный радиус шнекового колеса на выходе);

P₁(r) и P₂(r) - соответственно, эпюры давления на внешних кольцевых сечениях шнекового колеса, воздействующие на него со стороны входа и стороны выхода;

δ_x - соответственно, текущая величина торцового зазора в щелевом ступенчатом уплотнении втулки и отвода корпуса, в щелевом уплотнении бандажа и подвода корпуса и в установке радиально-упорного шарикоподшипника по наружному кольцу в корпусе.

Оседиагональный шнековый насос содержит: корпус, состоящий из подвода 1 (конический входной патрубок) и отвода 2 (улитка), и ротор, включающий вал 3, и консольно закрепленное на нем шнековое колесо с винтовыми лопастями 4 и полой конусообразной втулкой 5. Вал вращается в шарикоподшипниках 6 (радиальном) и 7 (радиально-упорном), установленных в корпусе 8, закрепленном в отводе 2 корпуса насоса с помощью фланцевого соединения.

Наружная поверхность лопастей 4 имеет со стороны входа конический участок 9 и на выходе на большом диаметре цилиндрический участок 10, переходящий на втулку 5 в виде цилиндрической поверхности 11 и оканчивающейся торцовой поверхностью 12 на диске 13 втулки 5.

Лопасти 4 в начале конического участка 9 имеют неподвижно закрепленный на них бандаж 14, который примыкает на малом диаметре через торцовую поверхность 15 к ответной поверхности подвода 1 корпуса, с образованием торцового зазора 16 щелевого уплотнения, а на большом диаметре цилиндрического участка 10 через цилиндрическую 11 и торцовую 12 поверхности втулки 5, примыкающим к ответным поверхностям спирального отвода 2 корпуса, с образованием радиального 17 и торцового 18 зазоров щелевого ступенчатого уплотнения.

Указанное герметизирующее щелевое ступенчатое уплотнение между втулкой 5 шнекового колеса и отводом 2 корпуса насоса служит для разделения полостей высокого (ВЫХОД проточной части) и низкого (разгрузочной камеры 19 с перепускными каналами 20, сообщающими ее с полостью 21 на ВХОДЕ проточной части шнекового колеса) давления.

При этом, радиально-упорный шарикоподшипник 7 по наружному кольцу установлен в корпусе 8 насоса с торцовым зазором 22, величина которого составляет не менее величины торцовых зазоров 16 и 18 шнекового колеса, соответственно, в щелевом уплотнении бандажа с подводом и в щелевом ступенчатом уплотнении втулки с отводом.

Таким образом, при вращении вала 3 на коническом участке 9 наружного контура лопастей 4 возникает перепад давления между ВЫХОДОМ и ВХОДОМ шнекового колеса, приводящий к возникновению на нем составляющей осевой силы А1 - в направлении от ВХОДА к ВЫХОДУ, а также возникает перепад давления и составляющая осевой силы А2 на полой конусообразной втулке 5 - в направлении от ВЫХОДА к ВХОДУ. При этом из-за того, что площадь кольцевого сечения между r₂ и r₁ на втулке 5, на которую воздействует эпюра давления P₂(r), а следовательно и величина составляющей осевой силы со стороны ВЫХОДА (А2) больше, чем площадь кольцевого сечения на коническом участке 9, на которую воздействует эпюра давления P₁(r), и соответственно величина составляющей осевой силы со стороны ВХОДА (А1), возникает осевое перемещение ротора в пределах торцового зазора 22 по наружному кольцу радиально-упорного шарикоподшипника 7, сопровождающееся уменьшением величины торцовых зазоров 16 и 18, соответственно, в щелевом уплотнении бандажа 14 с подводом 1 корпуса и в щелевом ступенчатом уплотнении втулки 5 с отводом 2 корпуса, в результате чего давление на коническом участке 9 наружного контура лопастей 4, из-за уменьшения величины утечек через радиальный зазор между лопастями 4 и подводом 1, а следовательно и составляющая осевой силы (А1) со стороны ВХОДА шнекового колеса, увеличивается, а в разгрузочной камере 19, за счет уменьшения величины утечек и их сброса через перепускные каналы 20 в полость 21 на ВХОД проточной части, а следовательно, и составляющая осевой силы (А2) со стороны ВЫХОДА шнекового колеса, уменьшается до наступления баланса (A1=A2) встречно действующих составляющих осевых сил. В целом, происходит автоматическое регулирование с отрицательной обратной связью, эпюр давления и величины суммарной осевой силы (A_pom), действующей на внешнем контуре шнекового колеса, приводящее к разгрузке ротора и радиально-упорного шарикоподшипника 7 от воздействия осевой силы, что повышает надежность и длительность ресурса работы ходовой части оседиагонального шнекового насоса.

Изобретение относится к области насосостроения. Насос содержит корпус с подводом и отводом и ротор. Ротор включает вал, вращающийся в радиальном и радиально-упорном шарикоподшипниках, и консольно закрепленное на валу шнековое колесо с винтовыми лопастями и полой конусообразной втулкой. Втулка примыкает па большом диаметре к отводу через радиальный и торцовый зазоры щелевого ступенчатого уплотнения и образует с внешней, по отношению к проточной части, стороны разгрузочную камеру с перепускными каналами. Каналы сообщают камеру с полостью входа шнекового колеса. Радиально-упорный шарикоподшипник по наружному кольцу установлен в корпусе с торцовым зазором, не меньшем торцового зазора щелевого ступенчатого уплотнения. На лопастях в начале конического участка наружного контура шнекового колеса неподвижно закреплен бандаж, примыкающий на малом диаметре к подводу через торцовый зазор щелевого уплотнения, равный по величине торцовому зазору щелевого ступенчатого уплотнения. Изобретение направлено на повышение надежности и ресурса работы ходовой части оседиагональных шнековых насосов. 1 ил.

Оседиагональный шнековый насос, содержащий корпус, состоящий из подвода и отвода, и ротор, включающий вал, вращающийся в установленных в корпусе радиальном и радиально-упорном шарикоподшипниках, и консольно закрепленное на валу шнековое колесо с винтовыми лопастями и полой конусообразной втулкой, примыкающей к отводу корпуса на большом диаметре через радиальный и торцовый зазоры щелевого ступенчатого уплотнения с образованием с внешней по отношению к проточной части стороны разгрузочную камеру с перепускными каналами, сообщающими ее с полостью входа проточной части шнекового колеса, при этом радиально-упорный шарикоподшипник по наружному кольцу установлен в корпусе с торцовым зазором, величина которого составляет не менее величины торцового зазора щелевого ступенчатого уплотнения, отличающийся тем, что на лопастях в начале конического участка наружного контура шнекового колеса неподвижно закреплен бандаж, примыкающий к подводу корпуса через щелевое уплотнение с торцовым зазором, равным по величине горновому зазору в щелевом ступенчатом уплотнении.