НАСОС ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СЕКЦИОННЫЙ Российский патент 2024 года по МПК F04D29/00 

Изобретение относится к насосостроению, в частности к конструкциям многоступенчатых центробежных насосов секционного типа, предназначенных для передвижных насосных установок.

Насос центробежный секционный в составе передвижной насосной установки служит для откачки товарной нефти, нефтепродуктов (бензин, дизельное топливо, топливо для реактивных двигателей и т.п.) и воды на объектах, а также для перекачки нефти в составе временной нефтеперекачивающей станции.

Из уровня техники известны конструкции многоступенчатых центробежных насосов, для которых характерно наличие секционного корпуса, в каждой секции которого находятся рабочее колесо и направляющий аппарат; наличие передней и задней крышек, которыми стянуты секции с помощью стяжных шпилек; выполнение передней и задней крышек заодно с патрубками соответственно подводящим (всасывающим) и отводящим (напорным); горизонтальное расположение вала; последовательное расположение рабочих колес с односторонним входом; наличие выносных подшипниковых опор; наличие двух концевых уплотнений вала; наличие устройства для разгрузки осевого усилия (см. https://mirmarine.net/svm/sudovye-nasosy/1613-sektsionnye-nasosy-detali-uzly-i-printsip-dejstviya). Одной из таких конструкций является насос ПН 160-50 производства АО «Красный Пролетарий».

Недостатком известных конструкций центробежных секционных насосов является то, что существующие компоновки не позволяют использовать центробежный секционный насос в ограниченных габаритах, диктуемых конструкциями передвижных насосных установок, при сохранении необходимого уровня энергоэффективности (КПД не менее 65%). Например, у насоса ПН 160-50 КПД составляет 57%.

Из уровня техники также известно изобретение «Насос центробежный высоконапорный», раскрытый в патенте RU 2777508 С1 (публикация 05.08.2022, МПК F04D 1/04). Насос центробежный высоконапорный для перекачивания жидкости, в том числе загрязненной абразивными примесями, например, песком, состоит из вала с рабочими колесами, выносных опор вала в виде подшипников скольжения, состоящих из внутренних и наружных втулок, вспомогательных трубопроводов с фильтрами абразивных примесей для подвода к подшипникам скольжения части перекачиваемой жидкости из линии нагнетания, вспомогательных трубопроводов с регулируемыми контрольно-управляющей аппаратурой гидравлическими дросселями для отвода жидкости от подшипников скольжения во входной патрубок, рабочих колес, установленных на валу, корпуса с направляющими аппаратами, крышки входа и крышки выхода.

Недостатком аналога является отсутствие возможности применения насоса центробежного высоконапорного в составе компактных передвижных насосных установок по массогабаритным показателям, применение усложненной контрольно-управляющей аппаратуры.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является изобретение «Многоступенчатый центробежный насос», раскрытый в патенте RU 204975 С1 (публикация 21.06.2021, МПК F04D 1/06). Многоступенчатый центробежный насос включает секции с корпусными деталями, соединенные с секциями насоса шпильками, расположенные на валу смонтированного в подшипниковых опорах насоса направляющие аппараты, рабочее колесо первой ступени и рабочие колеса промежуточных ступеней. Направляющий аппарат содержит четыре лопасти, рабочие колеса первой и промежуточных ступеней содержат по шесть лопастей, рабочее колесо первой ступени состоит из двух рядов, включающих три лопасти в основном ряду и три лопасти во вспомогательном.

Недостатком ближайшего аналога является то, что компоновка многоступенчатого центробежного насоса не позволяет использовать его в ограниченных габаритах, диктуемых конструкциями передвижных насосных установок, а конструкция проточной и корпусной частей насоса не обеспечивает повышенных требований к энергоэффективности и надежности насоса данного назначения.

Технической задачей изобретения является устранение указанных недостатков путем создания конструкции насоса центробежного секционного, обеспечивающей улучшенные показатели энергоэффективности за счет усовершенствования элементов проточной части (рабочих колес с направляющими аппаратами, обтекателя, уплотнительного кольца), корпусной части насоса (отводящей части корпуса насоса) и адаптации конструкции заявленного насоса к работе в составе передвижных насосных установок за счет особенности расположения входного и выходного патрубков на корпусе насоса.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы насоса центробежного секционного за счет увеличения энергоэффективности, надежности и обеспечения возможности компактного его размещения в передвижных насосных установках.

Указанная техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что насос центробежный секционный, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, вал, торцовые уплотнения, проточную часть, включающую последовательно установленные рабочие колеса с направляющими аппаратами и корпусами секций, образующие ступени, и отводящую часть, согласно изобретению рабочие колеса выполнены с кольцевым выступом на наружной поверхности покрывного диска шириной 3 мм и со скосом 45° перед рабочим колесом первой ступени установлено уплотнительное кольцо в виде цилиндрического металлического кольца с расточкой радиусом 75 мм, при этом после входного патрубка и перед рабочим колесом первой ступени образовано внутреннее пространство, представляющее собой зону всасывания, в которой размещен обтекатель, установленный перед уплотнительным кольцом, при этом в обтекателе выполнен паз, входной и выходной патрубки выполнены вертикально ориентированными и расположенными перпендикулярно оси вала, а отводящая часть корпуса насоса выполнена в виде полу кольцевой камеры.

Развитием и уточнением предлагаемого изобретения являются то, что:

- обтекатель выполнен с обеспечением перехода с диаметра 255 мм на диаметр 117,5 мм.

- уплотнительное кольцо выполнено с возможностью перехода с диаметра 240 мм на диаметр 175 мм.

- рабочие колеса выполнены диаметром равным 315 мм.

- проточная часть насоса выполнена с возможностью разделения общего напора насоса между ступенями с коэффициентом быстроходности для каждой отдельно взятой ступени в пределах значений от 60 до 70.

- рабочие колеса выполнены из литой стали 20ГЛ К25.

- направляющие аппараты рабочих колес выполнены в виде поковок из легированных или хромистых сталей типа 40Х.

- насос содержит от двух до пяти ступеней.

Заявленное изобретение иллюстрируется следующими чертежами: на фиг. 1 изображен насос центробежный секционный (продольный разрез); на фиг. 2 - рабочее колесо; на фиг. 3 - обтекатель (общий вид); на фиг. 4 - обтекатель (вид сбоку); на фиг. 5 - уплотнительное кольцо (общий вид); на фиг. 6 - уплотнительное кольцо (вид сбоку).

На фиг. 1-6 обозначены следующие позиции:

1 - вал;

2 - выходной патрубок;

3 - входной патрубок;

4 - разгрузочное устройство;

5 - корпус;

6 - корпус секции;

7 - рабочее колесо;

8 - уплотнительное кольцо;

9 - обтекатель;

10 - паз обтекателя;

11 - участок обтекателя переменного диаметра;

12 - расточка уплотнительного кольца;

13 - двойное торцовое уплотнение;

14 - кольцевой выступ покрывного диска;

15 - отводящая часть корпуса.

Насос центробежный секционный (фиг. 1) состоит из корпуса 5 с входным патрубком 3 и выходным патрубком 2. Входной патрубок 3 и выходной патрубок 2 расположены перпендикулярно оси вала 1 и направлены противоположно друг другу. Взаиморасположение выходного и входного патрубков 2,3 на корпусе 5 обеспечивает возможность прокручивать корпус 5 насоса центробежного секционный вокруг оси при его размещении в ограниченных габаритах, диктуемых конструкциями передвижных насосных установок. Корпус 5 насоса имеет отводящую часть 15 корпуса, к которой присоединен выходной патрубок 2, и зону всасывания (на фиг. 1 отдельной позицией не обозначена), куда поступает поток жидкости из входного патрубка 3.

Отводящая часть корпуса 15 насоса центробежного секционного выполнена в виде полукольцевой камеры для обеспечения оптимальной диффузорности потока к выходному патрубку 2. Отводящая часть корпуса 15 обеспечивает оптимальный отвод жидкости с сокращением гидравлических потерь из проточной части и сохранения КПД и обеспечения гидравлической эффективность перекачки среды из камеры разгрузочного устройства 4.

Для уплотнения насоса центробежного секционного применены двойные торцовые уплотнения 13, не допускающие утечек.

В корпусе 5 размещен вал 1 с последовательно установленными центробежными рабочими колесами 7, которые с направляющими аппаратами (на фиг. 1 отдельными позициями не обозначены) и соответствующими корпусами секций 6 образуют ступени насоса центробежного секционного, составляя его проточную часть. Под ступенью насоса центробежного секционного в настоящей заявке подразумевается корпус секции 6 с направляющим аппаратом и рабочим колесом 7.

Число ступеней насоса составляет от 2 до 5. Первая ступень насоса и соответствующее рабочее колесо первой ступени (на фиг. 1 отдельной позицией не обозначено) размещены после уплотнительного кольца 8. Последняя ступень насоса установлена перед отводящей частью 15 корпуса. Первая, последняя и промежуточные ступени насоса герметично встроены в корпус 5.

В конструкции насоса центробежного секционного применены оптимизированные по подаче и КПД рабочие колеса 7 с плавной формой и меньшим по сравнению с аналогами диаметром, равным 315 мм, позволяющие добиться повышенного КПД.

Рабочее колесо 7 состоит из диска основного с лопатками колеса и покрывного диска (отдельной позицией не показан). Уплотнение рабочего колеса 7 относительно корпусных деталей осуществляется с помощью щелевых уплотнений (на фиг. не показаны), образованных сменным статорным кольцом и шейкой колеса рабочего с одной стороны и втулок направляющего аппарата со ступичной поверхности колеса с обратной стороны.

Рабочие колеса 7 выполнены с кольцевым выступом (буртиком) 14 шириной 3 мм на наружной поверхности покрывного диска со скосом равным 45°, необходимым для снятия остаточного дисбаланса и, как следствие, повышения надежности при работе заявленного насоса центробежного секционного.

Значение угла скоса кольцевого выступа покрывного диска 14, отличного от 45°, и ширины кольцевого выступа покрывного диска 14, отличного от 3 мм, не приводит к снятию дисбаланса рабочего колеса.

Оптимальные значения ширины буртика равным 3 мм и угла его скоса на наружной поверхности покрывного диска равного 45°, определены экспериментальным путем.

Рабочие колеса 7, которые являются элементами, наиболее подверженными абразивному износу, изготавливают из литой стали 20ГЛ К25 ГОСТ 977-88 с повышенными механическими свойствами. Пояски щелевых уплотнений рабочего колеса 7 имеют твердое покрытие для дополнительного снижения износа. Направляющие аппараты рабочего колеса 7 изготавливают из поковок из легированных или хромистых сталей типа 40Х для обеспечения высокой износостойкости. Применение выше указанных технических решений позволяет обеспечить высокий уровень надежности и долговечности насосов.

Общий напор заявленного насоса разделяется между ступенями и благодаря этому значение коэффициента быстроходности для каждой отдельно взятой ступени находится в пределах значений от 60 до 70, позволяющих достичь требуемые характеристики по энергоэффективности (КПД).

В зоне всасывания корпуса 5 размещен обтекатель 9 (фиг. 3-4), который закреплен в корпусе 5 посредством пластины (на фиг. не показана).

Зона всасывания (на фиг. 1 отдельной позицией не обозначена) представляет собой внутреннее пространство перед первой ступенью насоса после входного патрубка.

Обтекатель 9, установленный перед уплотнительным кольцом, предохраняет элементы узла крепления от воздействия динамического потока перекачиваемой жидкости и участвует в формировании динамических характеристик течения по межлопастным каналам.

Обтекатель 9 представляет собой сварную конструкцию, содержащую участок переменного диаметра 11 и паз для установки в соответствующий выступ в корпусе 5. Участок обтекателя переменного диаметра 11 служит плавным переходом на длине 80 мм между диаметрами 117,5 мм и 255 мм, выполненное дугой окружности радиусом 180 мм.

Соответствующий выступ в корпусе 5 входит в паз обтекателя 10, что защищает обтекатель от проворота в целях повышения надежности узла.

Обтекатель 9 обеспечивает снижение гидравлических потерь за счет обеспечения конфузорности на входе в рабочие колеса 7.

В корпусе 5 со стороны всасывания перед рабочим колесом 7 первой ступени установлено уплотнительное кольцо 8 (фиг. 5-6), представляющее собой цилиндрическое металлическое кольцо с расточкой уплотнительного кольца 12 радиусом 75 мм, обеспечивающее плавный вход потока в рабочее колесо 7, и, как следствие, улучшение эффективности работы заявленного насоса за счет снижения гидравлических потерь.

При работе центробежного насоса перекачиваемая жидкость поступает в кольцо уплотнительное 8, установленное перед рабочим колесом 7 первой ступени, и имеющее плавный переход с диаметра 240 мм на диаметр 175 мм. Таким образом, уплотнительное кольцо 8 представляет собой своего рода канал с радиусом скругления стенок канала 75 мм, обеспечивающим оптимальную конфузорность потока насоса в целях увеличения скорости жидкости на входе в рабочее колесо первой ступени. Рабочее колесо 7, в свою очередь, спроектировано таким образом, что позволяет обеспечить требуемые расходно-перепадные характеристики заявленного насоса с учетом минимальных гидравлических КПД, в том числе благодаря безотрывному обтеканию на входе в рабочее колесо 7.

Все геометрические параметры насоса определены расчетным путем и уточнены экспериментальными исследованиями. Испытания заявленного насоса подтвердили высокое значение показателя энергоэффективности (КПД) - не менее 65%, что по сравнению с аналогами выше на 3-8%.

Таким образом, технический результат при реализации заявляемого изобретения достигается за счет:

- применения оптимизированных по подаче и КПД рабочих колес 7 с плавной формой и уменьшенным диаметром, с кольцевым выступом покрывного диска шириной 3 мм, имеющим скос 45°, причем указанные геометрические параметры определены расчетно-экспериментальным путем;

- применения рабочего колеса 7 с плавным подводом в виде уплотнительного кольца 8 с расточкой уплотнительного кольца 12 для плавного входа в рабочее колесо 7;

- использования материалов с повышенными механическими свойствами для изготовления рабочих колес, направляющих аппаратов и щелевых уплотнений;

- выполнения обтекателя 9 с участком переменного диаметра 11 с размещением в зоне всасывания, геометрические параметры которого определены расчетно-экспериментальным путем;

- размещение входного и выходного патрубков 2, 3 на корпусе вертикально ориентированными и расположенными перпендикулярно оси вала.

Работа насоса

Устанавливают насос центробежный секционный на передвижную насосную установку путем прокручивания корпуса 5 насоса центробежного секционный вокруг оси при его размещении в ограниченных габаритах передвижной насосной установки. Работа насоса центробежного секционного в составе передвижной насосной установки заключается в преобразовании механической энергии приводного двигателя (не показан) в гидравлическую энергию потока жидкости за счет гидродинамического воздействия лопастной системы рабочих колес 7 и направляющих аппаратов с потоком перекачиваемой жидкости. Входной патрубок 3 обеспечивает подвод перекачиваемой жидкости в рабочее колесо I ступени. Вращаясь, рабочее колесо 7 первой ступени передает энергию жидкости, находящуюся между лопастями. Жидкость от центра рабочего колеса 7 перемещается к периферии, а освобождающееся пространство вновь заполняется жидкостью, поступающей из входного патрубка 3. Выйдя из рабочего колеса 7 первой ступени, жидкость поступает в каналы направляющего аппарата соответствующей ступени, где часть кинетической энергии жидкости преобразуется в потенциальную (в давление жидкости). Затем жидкость поступает в рабочее колесо 7 следующей ступени с давлением, созданном в направляющем аппарате первой ступени и т.д.

Выйдя из последнего рабочего колеса 7, жидкость поступает через каналы направляющего аппарата на напоре с еще большим давлением в отводящую часть корпуса 15 и оттуда - в выходной патрубок 2. Для разгрузки от возникших при работе насоса осевых сил служит разгрузочное устройство 4.

Разработанный многоступенчатый центробежный насос секционного типа, предназначенный для передвижных насосных установок, обладает высоким КПД (не менее 65%, для сравнения у насоса ПН 160-50 КПД составляет 57%), высокими показателями надежности (средняя наработка на отказ - 2000 часов, периодичность проведения текущего ремонта - 12000 часов, периодичность проведения среднего ремонта - 24000 часов, что превышает соответствующие показатели аналогов, в частности, насоса ПН 160-50 почти в два раза).

Изобретение относится к насосостроению, в частности к конструкциям многоступенчатых центробежных насосов секционного типа, предназначенных для передвижных насосных установок. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы насоса центробежного секционного за счет увеличения энергоэффективности, надежности и обеспечения возможности компактного его размещения в передвижных насосных установках. Технический результат при реализации заявляемого изобретения достигается за счет того, что насос центробежный секционный содержит корпус с входным и выходным патрубками, вал, торцовые уплотнения, проточную часть, включающую последовательно установленные рабочие колеса с направляющими аппаратами и корпусами секций, образующие ступени, и отводящую часть, при этом рабочие колеса выполнены с кольцевым выступом на наружной поверхности покрывного диска шириной 3 мм и со скосом 45°, перед рабочим колесом первой ступени установлено уплотнительное кольцо в виде цилиндрического металлического кольца с расточкой радиусом 75 мм, при этом после входного патрубка и перед рабочим колесом первой ступени образовано внутреннее пространство, представляющее собой зону всасывания, в которой размещен обтекатель, установленный перед уплотнительным кольцом, при этом в обтекателе выполнен паз, входной и выходной патрубки выполнены вертикально ориентированными и расположенными перпендикулярно оси вала, а отводящая часть корпуса насоса выполнена в виде полукольцевой камеры. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Насос центробежный секционный, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, вал, торцовые уплотнения, проточную часть, включающую последовательно установленные рабочие колеса с направляющими аппаратами и корпусами секций, образующие ступени, и отводящую часть, отличающийся тем, что рабочие колеса выполнены с кольцевым выступом на наружной поверхности покрывного диска шириной 3 мм и со скосом 45°, перед рабочим колесом первой ступени установлено уплотнительное кольцо в виде цилиндрического металлического кольца с расточкой радиусом 75 мм, при этом после входного патрубка и перед рабочим колесом первой ступени образовано внутреннее пространство, представляющее собой зону всасывания, в которой размещен обтекатель, установленный перед уплотнительным кольцом, при этом в обтекателе выполнен паз, входной и выходной патрубки выполнены вертикально ориентированными и расположенными перпендикулярно оси вала, а отводящая часть корпуса насоса выполнена в виде полукольцевой камеры.

2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что обтекатель выполнен с возможностью обеспечения перехода с диаметра 255 мм на диаметр 117,5 мм.

3. Насос по п. 1, отличающийся тем, что уплотнительное кольцо выполнено с возможностью перехода с диаметра 240 мм на диаметр 175 мм.

4. Насос по п. 1, отличающийся тем, что рабочие колеса выполнены диаметром, равным 315 мм.

5. Насос по п. 1, отличающийся тем, что проточная часть насоса выполнена с возможностью разделения общего напора насоса между ступенями с коэффициентом быстроходности для каждой отдельно взятой ступени в пределах значений от 60 до 70.

6. Насос по п. 1, отличающийся тем, что рабочие колеса выполнены из литой стали 20ГЛ К25.

7. Насос по п. 1, отличающийся тем, что направляющие аппараты рабочих колес выполнены в виде поковок из легированных или хромистых сталей типа 40Х.

8. Насос по п. 1, отличающийся тем, что он содержит от двух до пяти ступеней.