Горизонтальная насосная установка с узлом первичной ступени и отдельным узлом ступени с напором на всасывающей стороне насоса (NPSH) (варианты) Российский патент 2020 года по МПК F04D9/04 F04D1/06 F04D13/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[001] Данное изобретение относится в целом к области, связанной с насосными системами, и более конкретно, но без ограничения этим, к усовершенствованной конструкции насоса, предназначенного для использования в областях применения, характеризующихся низким эффективным напором на всасывающей стороне насоса (NPSH).

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[002] Горизонтальные насосные установки используются в различных отраслях промышленности для выполнения ряда задач. Во многих случаях многоступенчатый вертикальный турбинный насос горизонтально установлен на раме, поддерживаемой салазками, и используется в горизонтальном положении. Например, в нефтегазовой промышленности горизонтальные насосные установки используются для перекачивания текучих сред, например воды, отделенной от нефти, к удаленному месту назначения, такому как резервуар или скважина для сброса сточных вод. Как правило, эти горизонтальные насосные установки содержат насос, двигатель и всасывающую камеру, расположенную между насосом и двигателем. Между двигателем и всасывающей камерой также расположена подшипниковая камера. Насос содержит выпускной узел, присоединенный к трубопроводу, расположенному ниже по потоку.

[003] В областях, связанных с использованием скважинных насосных установок, давление текучей среды на входе насоса часто повышается вследствие напора, создаваемого столбом текучей среды в стволе скважины. Однако в насосных установках, расположенных на поверхности, возможный эффективный напор на всасывающей стороне насоса (NPSH_A) может быть значительно меньше. Для согласования значения NPSH_A с всасывающим давлением, требуемым для насоса (NPSH_R), проектировщики использовали отдельный подкачивающий насос, повышающий напор текучей среды до значения NPSH_A, совпадающего со значением NPSH_R, требуемым для горизонтального насоса, или превышающего его. Использование отдельного подкачивающего насоса является дорогостоящим и требует дополнительного пространства, которое может отсутствовать в некоторых областях применения.

[004] Для устранения неэффективности, обусловленной использованием отдельного подкачивающего насоса, проектировщики также пробовали установить внутрь корпуса многоступенчатого центробежного насоса ступень с низким NPSH. Например, в патентном документе RU 2380577 С2, 27.01.2010, который является ближайшим аналогом для заявленных изобретений, предложена горизонтальная дожимная насосная установка, содержащая электродвигатель 1 и насос, приводимый в действие указанным электродвигателем и содержащий две части: узел первичной ступени 6 и вспомогательную часть 4, последовательно расположенные на одном валу. Каждая из частей представляет собой самостоятельный насос, причем насос вспомогательной части имеет более низкую производительность по сравнению с насосом первичной ступени и должен развивать давление, равное или превосходящее давление на входе в насос первичной ступени. Несмотря на удобство этого решения по сравнению с использованием наружного подкачивающего насоса, расположение ступени с низким NPSH внутри корпуса ограничивает диаметр NPSH ступени. Кроме того, поскольку внутренняя NPSH ступень, как правило, длиннее стандартной ступени, требуется корректировка соотношения компонентов внутри многоступенчатого насоса для размещения NPSH ступени. Дополнительные работы по проектированию и изготовлению, необходимые для размещения NPSH ступени внутри корпуса насоса, увеличивают сроки разработки и затраты. Следовательно, существует необходимость в экономически эффективном решении для повышения NPSH в горизонтальной насосной установке.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[005] В некоторых вариантах выполнения данное изобретение содержит горизонтальную насосную установку, содержащую двигатель, всасывающую камеру и насос, приводимый в действие указанным двигателем. Насос содержит узел первичной ступени, содержащий корпус насоса, и узел ступени с низким NPSH, присоединенный между узлом первичной ступени и всасывающей камерой и содержащий диффузор, присоединенный между корпусом насоса и всасывающей камерой, рабочее колесо, расположенное внутри диффузора, и промежуточный вал.

Благодаря тому, что узел ступени с низким напором на всасывающей стороне насоса (NPSH) размещен в независимом диффузоре (камере), отделенном он корпуса узла первичной ступени (от корпуса насоса), размеры диффузора и рабочего колеса узла ступени с низким NPSH могут быть увеличены и тем самым обеспечена возможность их эффективной работы в условиях при низком NPSH, причем с приведением в действие тем же двигателем, что используется для привода узла первичной ступени.

В указанной горизонтальной насосной установке диффузор может представлять собой камеру высокого давления.

Рабочее колесо может представлять собой рабочее колесо с радиальным потоком или рабочее колесо со смешанным потоком.

Рабочее колесо может содержать лопатки, причем рабочее колесо может содержать менее пяти лопаток. Каждая лопатка может иметь криволинейную переднюю кромку.

Также, каждая лопатка может иметь входную меридиональную кривизну, определенную отношением длины (h) лопатки к радиусу (r2) лопатки. Причем отношение длины (h) лопатки к радиусу (r₂) лопатки может превышать приблизительно 0,6.

Кроме того, каждая лопатка может иметь переднюю кромку и заднюю кромку, причем каждая передняя кромка перекрывает смежную лопатку на величину, превышающую 30°.

Рабочее колесо может иметь входной коэффициент расхода, составляющий менее чем приблизительно 0,25.

Каждая лопатка может иметь переднюю кромку, толщина которой составляет приблизительно половину толщины остальной части лопатки.

Каждая лопатка может быть выполнена с углом установки на входе, составляющим менее чем приблизительно 17°.

Кроме того, рабочее колесо может содержать покрывающий диск.

[006] В другом аспекте варианты выполнения, описанные в данном документе, содержат насосную установку, содержащую двигатель, всасывающую камеру, вал, приводимый в действие указанным двигателем и проходящий через всасывающую камеру, и насос, приводимый в действие указанным двигателем. Насос содержит узел первичной ступени, содержащий корпус насоса и ступени турбомашины, расположенные внутри корпуса насоса. Насос также содержит узел ступени с низким NPSH, присоединенный с возможностью отсоединения между корпусом насоса и всасывающей камерой и содержащий диффузор, присоединенный к корпусу насоса, и рабочее колесо с низким NPSH, расположенное внутри диффузора.

В указанной горизонтальной насосной установке узел первичной ступени и узел ступени с низким NPSH могут приводиться в действие общим валом.

Кроме того, узел ступени с низким NPSH может содержать промежуточный вал, при этом узел первичной ступени может содержать вал насоса и муфту, которая присоединяет промежуточный вал к валу насоса.

[007] В еще одном аспекте варианты выполнения, описанные в данном документе, содержат насосную установку, содержащую двигатель и насос, приводимый в действие указанным двигателем. Насос содержит узел первичной ступени, содержащий корпус насоса, имеющий диаметр, и ступени турбомашины, расположенные внутри корпуса насоса. Насос также содержит узел ступени с низким NPSH. Узел ступени с низким NPSH содержит диффузор, имеющий диаметр, и рабочее колесо с низким NPSH, расположенное внутри диффузора. В этих вариантах выполнения диаметр диффузора превышает диаметр корпуса насоса.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[008] Фиг. 1 изображает вид сбоку насосной установки, расположенной на поверхности, в соответствии с вариантом выполнения.

[009] Фиг. 2 изображает вид в аксонометрии в разрезе узла ступени с низким NPSH, присоединенного к многоступенчатому узлу.

[010] Фиг. 3 изображает вид в аксонометрии в разрезе рабочего колеса и диффузора из ступени с низким NPSH в соответствии с первым вариантом выполнения.

[011] Фиг. 4А изображает вид рабочего колеса, показанного на фиг. 3, со стороны местоположения ниже по потоку.

[012] Фиг. 4В изображает вид рабочего колеса, показанного на фиг. 3, со стороны местоположения выше по потоку.

[013] Фиг. 5 изображает вид в аксонометрии рабочего колеса, показанного на фиг. 3.

[014] Фиг. 6 изображает частичный разрез рабочего колеса из ступени с низким NPSH в соответствии с вариантом выполнения.

[015] Фиг. 7А изображает вид рабочего колеса из ступени с низким NPSH в соответствии с вариантом выполнения со стороны местоположения выше по потоку.

[016] Фиг. 7В изображает вид рабочего колеса из ступени с низким NPSH в соответствии с другим вариантом выполнения со стороны местоположения выше по потоку.

[017] Фиг. 8 иллюстрирует перекрытие лопаток на рабочем колесе из ступени с низким NPSH в соответствии с вариантом выполнения.

[018] Фиг. 9 изображает увеличенное сечение конца лопатки из ступени с низким NPSH в соответствии с вариантом выполнения, показывающее иллюстративную геометрию конца лопатки.

[019] Фиг. 10 изображает вид передней кромки рабочего колеса, показывающий угол установки лопатки относительно перекачиваемой текучей среды.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[020] В соответствии с вариантом выполнения данного изобретения на фиг. 1 изображен вид сбоку горизонтальной насосной установки 100, например, предназначенной для использования в нефтегазовой промышленности. Установка 100 содержит двигатель 102, всасывающую камеру 104, подшипниковую камеру 106 и насос 108. Всасывающая камера 104 присоединена между подшипниковой камерой 106 и насосом 108. Камера 106 присоединена между всасывающей камерой 104 и двигателем 102. Различные компоненты, расположенные внутри установки 100, поддерживаются рамой 114 и монтажной поверхностью 116. Монтажная поверхность 116 может представлять собой бетонную подушку, салазки, буровую площадку или любую другую устойчивую поверхность, способную поддерживать установку 100.

[021] Обычно двигатель 102 приводит в действие насос 108 с помощью последовательности валов (не видны на фиг. 1), проходящих через камеру 106 и камеру 104. Перекачиваемые текучие среды, такие как вода, отделенная от нефти, направляются к камере 104 из впускного трубопровода и подвергаются сжатию с помощью насоса 108. В отличие от известных насосных установок насос 108 установки 100 содержит узел 110 ступени с низким NPSH и узел 112 первичной ступени. Узел 110 выполнен с возможностью работы в условиях при низком напоре на всасывающей стороне насоса (NPSH). Узел 112 представляет собой многоступенчатую центробежную насосную установку высокой мощности. Узел 112 расположен в корпусе, отделенном от узла 110. Отдельный и независимый узел 110 выполнен с возможностью забора текучей среды при низком NPSH и обеспечения повышения давления перекачиваемой текучей среды до значения NPSH, требуемого для удовлетворительной работы узла 112 первичной ступени.

[022] В данном документе выражения «выше по потоку» и «ниже по потоку» используются для обозначения относительного расположения компонентов внутри установки 100. Под компонентами, расположенными выше по потоку, понимаются компоненты, расположенные ближе к всасывающей камере 104, тогда как под компонентами, расположенными ниже по потоку, понимаются компоненты, расположенные на большем расстоянии от камеры 104 в направлении прохождения текучей среды из камеры 104. Несмотря на то что варианты выполнения, рассмотренные в данном документе, изображены применительно к горизонтальной насосной установке 100, следует понимать, что варианты выполнения также могут найти применение в других насосных установках, в том числе вертикальных насосных установках, смонтированных на поверхности.

[023] На фиг. 2 изображен вид в аксонометрии узла 110 ступени с низким NPSH и узла 112 первичной ступени. Узел 110 содержит впускной переходник 118, диффузор 120, рабочее колесо 122 и промежуточный вал 124. Переходник 118 выполнен с возможностью прикрепления диффузора 120 к всасывающей камере 104 или к переходному компоненту, расположенному выше по потоку. Диффузор 120 содержит направляющие лопатки 126 и охватывает рабочее колесо 122. Следует отметить, что диффузор 120 не находится внутри отдельного наружного корпуса. Таким образом, диффузор 120 представляет собой независимую камеру высокого давления, размеры которой могут быть не ограничены наружным корпусом. Диффузор 120 имеет внутреннюю поверхность, расположенную вблизи рабочего колеса 122, и наружную поверхность, обращенную к среде, окружающей установку 100. Это обеспечивает возможность увеличения диффузора 120 и колеса 122 и их выполнение с возможностью работы в условиях при низком NPSH все так же с приведением в действие двигателем 102 с приводным механизмом, который является общим и присоединен непосредственно или опосредовано к узлу 112.

[024] В некоторых вариантах выполнения рабочее колесо 122 присоединено к промежуточному валу 124 и выполнено с возможностью вращения вместе с ним. Вал 124 сообщает вращающий момент и вращательное перемещение колесу 122 от двигателя 102. В варианте выполнения, изображенном на фиг. 2, колесо 122 содержит лопатки 128, ступицу 130 и покрывающий диск 132. Лопатки 128 рабочего колеса обеспечивают повышение давления перекачиваемой текучей среды с одновременным сведением к минимуму кавитации.

[025] Узел 112 первичной ступени содержит наружный корпус 134 насоса, ступени 136 турбомашины (не показаны на фиг. 2), муфту 138 и вал 140 насоса. Муфта 138 присоединяет промежуточный вал 124 к валу 140 насоса, который, в свою очередь, приводит в действие рабочие колеса и другие вращающиеся элементы, расположенные внутри вторичного насосного узла 112 (не показан на фиг. 2). Несмотря на то что в варианте выполнения, показанном на фиг. 2, используются вал 124, муфта 138 и вал 140, следует понимать, что альтернативный вариант выполнения предусматривает использование единого вала, проходящего через узел 110 и узел 112.

[026] В некоторых вариантах выполнения узел 110 ступени с низким NPSH выполнен с возможностью установки в виде модуля, закрепленного болтами и расположенного между всасывающей камерой 104 и узлом 112 насоса 108. Независимый и модульный характер узла 110 дает возможность использования стандартизованных узлов 110 во взаимодействии с набором узлов 112. Возможность использования стандартизованного узла 110 снижает производственные затраты, сокращает сроки разработки и облегчает установку и замену в условиях эксплуатации.

[027] На фиг. 3 изображен покомпонентный вид в разрезе узла 110 в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения. На фиг. 4А, 4В и 5 изображены виды первого варианта выполнения рабочего колеса 122 из узла 110 соответственно со стороны местоположения выше по потоку, со стороны местоположения ниже по потоку и в аксонометрии. В первом варианте выполнения колесо 122 представляет собой конструкцию со смешанным потоком, имеющую относительно большой входной диаметр, относительно малый угол установки входной лопатки и относительно малое количество лопаток. Комбинация этих и других конструктивных особенностей служит для сведения к минимуму NPSH, необходимого для надежной работы узла 110.

[028] Несмотря на то что рабочее колесо 122, показанное на фиг. 3-5, снабжено покрывающим диском, следует понимать, что другие варианты выполнения колеса 122 могут не содержать покрывающего диска. Аналогичным образом, в других вариантах выполнения колеса 122 также может использоваться конструкция радиального рабочего колеса.

[029] В поперечном разрезе лопатки 128, показанном на фиг. 6, проиллюстрировано несколько конструктивных критериев вариантов выполнения рабочего колеса 122 для радиального и смешанного потока. В варианте выполнения, изображенном на фиг. 6, лопатка 128 имеет криволинейную переднюю кромку 142. Для оптимизации эксплуатационных характеристик колеса 122 кривизна кромки 142 выбрана так, что расстояние от центральной линии 144 колеса 122 до внутренней части передней кромки (r_hub-1) превышает расстояние от центральной линии 144 до внутренней части ступицы 130 (r_hub). Конфигурация данного варианта выполнения колеса 122 может дополнительно характеризоваться тем, что площадь сечения лопаточного пространства 146 (А_еуе) рабочего колеса 122 выбрана по существу равной площади сечения рабочего колеса у передней кромки 142 лопаток 128 (A₁). В одном варианте выполнения входная меридиональная кривизна лопатки 128 характеризуется отношением длины лопатки (h) к радиусу лопатки (r₂), превышающим 0,6 (h/r₂>0,6). Эти новые конструктивные особенности независимо друг от друга и в совокупности обеспечивают рабочее колесо 122, хорошо подходящее для работы в условиях низкого NPSH.

[030] На фиг. 7А и 7В изображены виды рабочего колеса 122 в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения со стороны местоположения выше по потоку. Рабочее колесо 122, изображенное на фиг. 7А, выполнено с возможностью вращения в направлении против часовой стрелки, тогда как рабочее колесо 122, изображенное на фиг. 7В, выполнено с возможностью вращения в направлении по часовой стрелке. Как показано в варианте выполнения на фиг. 7А, лопатки 128 имеют загнутую назад переднюю кромку 142. В противоположность этому, в варианте выполнения, изображенном на фиг. 7В, лопатки 128 имеют загнутую вперед переднюю кромку 142. В одном варианте выполнения лопатки 128 загнуты назад на угол от 0° до 30°. В других вариантах выполнения лопатки 128 загнуты назад на угол более 30° или загнуты вперед. В некоторых вариантах выполнения колесо 122 содержит менее шести лопаток 128, а в некоторых вариантах выполнения содержит менее пяти лопаток 128. Меньшее количество лопаток 128 обеспечивает возможность прохождения перекачиваемой текучей среды через колесо 122 при меньшем числе блокирующих элементов.

[031] На фиг. 8 изображен увеличенный вид лопаток 128 рабочего колеса 122 в соответствии с вариантом выполнения. В таких вариантах выполнения лопатки 128 угол «» перекрытия между смежными передними кромками 142 и задними кромками 148 превышает приблизительно 30°. В некоторых вариантах выполнения угол «» перекрытия превышает приблизительно 60°.

[032] На фиг. 9 изображено увеличенное сечение конца лопатки 128 в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения. Лопатка 128 имеет тонкую переднюю кромку 142 с заострением 150, сужающимся до толщины (t). В одном варианте выполнения толщина (t) передней кромки 142 лопатки 128 меньше половины толщины (s) остальной части лопатки 128, (t/s<0,5). В таком варианте выполнения заострение 150 передней кромки характеризуется длиной (L), превышающей толщину (s) лопатки 128. В некоторых вариантах выполнения заострение 150 может характеризоваться отношением длины к толщине (L/s), превышающим 2,5.

[033] На фиг. 10 показаны передняя кромка 142 лопатки 128 и направление вращения лопатки 128. Угол (α) установки лопатки определяется наклоном касательной к лопатке в меридиональной плоскости и в плоскости, перпендикулярной оси (Ω) вращения. Как отмечено на фиг. 10, угол (α) является относительно малым. В некоторых вариантах выполнения передняя кромка 142 лопатки 128 выполнена так, что угол установки лопатки у конца лопатки 128 на входе составляет менее чем приблизительно 17° и, более конкретно, менее чем приблизительно 15°.

[034] В данной конфигурации лопатки 128 рабочего колеса обеспечивают относительно низкий входной коэффициент расхода. В некоторых вариантах выполнения входной коэффициент расхода у конца лопатки меньше чем приблизительно 0,25, а в некоторых вариантах выполнения входной коэффициент расхода у конца лопатки меньше чем приблизительно 0,2. Под выражением «коэффициент расхода», используемым в данном документе, понимается отношение входной осевой скорости к скорости вращения лопатки 128 у ее конца.

[035] Следует понимать, что, даже несмотря на то что в вышеприведенном описании изложены многочисленные характеристики и преимущества различных вариантов выполнения данного изобретения совместно с элементами конструкции и функциями различных вариантов выполнения изобретения, данное описание является исключительно иллюстративным и возможно внесение изменений, особенно в вопросах, касающихся конструкции и расположения ее частей, в рамках принципов данного изобретения, в полной мере отображенных широким общепринятым значением терминов, в которых изложена прилагаемая формула изобретения. Специалистам должно быть очевидно, что идеи данного изобретения могут быть применены к другим установками без отклонения от объема и сущности данного изобретения.

Изобретение относится к области насосных установок, характеризующихся низким эффективным напором на всасывающей стороне насоса. Горизонтальная насосная установка содержит двигатель, всасывающую камеру и насос, приводимый в действие двигателем. Насос содержит узел первичной ступени, содержащий корпус насоса, и узел ступени с низким напором на всасывающей стороне насоса (NPSH), присоединенный между узлом первичной ступени и всасывающей камерой и содержащий диффузор, присоединенный между корпусом насоса и всасывающей камерой, рабочее колесо, расположенное внутри диффузора, и промежуточный вал. Узел ступени с низким NPSH расположен снаружи относительно узла первичной ступени. Узел ступени с низким NPSH содержит диффузор, присоединенный к корпусу насоса, и рабочее колесо с низким NPSH, распложенное внутри диффузора. Диаметр узла ступени с низким NPSH, как вариант, превышает диаметр узла первичной ступени. Обеспечивается низкий входной коэффициент расхода 3н. и 15 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Горизонтальная насосная установка, содержащая

двигатель,

всасывающую камеру и

насос, приводимый в действие указанным двигателем и содержащий

узел первичной ступени, содержащий корпус насоса, и

узел ступени с низким напором на всасывающей стороне насоса (NPSH), присоединенный между узлом первичной ступени и всасывающей камерой и содержащий диффузор, присоединенный между корпусом насоса и всасывающей камерой, рабочее колесо, расположенное внутри диффузора, и промежуточный вал.

2. Горизонтальная насосная установка по п. 1, в которой диффузор представляет собой камеру высокого давления.

3. Горизонтальная насосная установка по п. 1, в которой рабочее колесо представляет собой рабочее колесо с радиальным потоком.

4. Горизонтальная насосная установка по п. 1, в которой рабочее колесо представляет собой рабочее колесо со смешанным потоком.

5. Горизонтальная насосная установка по п. 1, в которой рабочее колесо содержит лопатки.

6. Горизонтальная насосная установка по п. 5, в которой рабочее колесо содержит менее пяти лопаток.

7. Горизонтальная насосная установка по п. 5, в которой каждая лопатка имеет криволинейную переднюю кромку.

8. Горизонтальная насосная установка по п. 5, в которой каждая лопатка имеет входную меридиональную кривизну, определенную отношением длины (h) лопатки к радиусу (r₂) лопатки.

9. Горизонтальная насосная установка по п. 8, в которой отношение длины (h) лопатки к радиусу (r₂) лопатки превышает приблизительно 0,6.

10. Горизонтальная насосная установка по п. 5, в которой каждая лопатка имеет переднюю кромку и заднюю кромку, причем каждая передняя кромка перекрывает смежную лопатку на величину, превышающую 30°.

11. Горизонтальная насосная установка по п. 5, в которой рабочее колесо имеет входной коэффициент расхода, составляющий менее чем приблизительно 0,25.

12. Горизонтальная насосная установка по п. 5, в которой каждая лопатка имеет переднюю кромку, толщина которой составляет приблизительно половину толщины остальной части лопатки.

13. Горизонтальная насосная установка по п. 5, в которой каждая лопатка выполнена с углом установки на входе, составляющим менее чем приблизительно 17°.

14. Горизонтальная насосная установка по п. 5, в которой рабочее колесо содержит покрывающий диск.

15. Насосная установка, содержащая

двигатель,

всасывающую камеру,

вал, приводимый в действие указанным двигателем и проходящий через всасывающую камеру,

насос, приводимый в действие указанным двигателем и содержащий

узел первичной ступени, содержащий корпус насоса и ступени турбомашины, расположенные внутри указанного корпуса, и

узел ступени с низким напором на всасывающей стороне насоса (NPSH), присоединенный с возможностью отсоединения между корпусом насоса и всасывающей камерой и содержащий диффузор, присоединенный к корпусу насоса, и рабочее колесо с низким NPSH, расположенное внутри диффузора.

16. Установка по п. 15, в которой узел первичной ступени и узел ступени с низким NPSH приводятся в действие общим валом.

17. Установка по п. 15, в которой узел ступени с низким NPSH содержит промежуточный вал, при этом узел первичной ступени содержит вал насоса и муфту, которая присоединяет промежуточный вал к валу насоса.

18. Насосная установка, содержащая

двигатель и

насос, приводимый в действие указанным двигателем и содержащий

узел первичной ступени, содержащий корпус насоса, имеющий диаметр, и ступени турбомашины, расположенные внутри корпуса насоса,

узел ступени с низким напором на всасывающей стороне насоса (NPSH), содержащий диффузор, имеющий диаметр, и рабочее колесо с низким NPSH, расположенное внутри диффузора,

причем диаметр диффузора превышает диаметр корпуса насоса.