Насосная установка для перекачивания газожидкостной смеси Советский патент 1992 года по МПК F04D31/00 

Изобретение относится к насосострое- нию и может найти применение в насосных системах для перекачивания газожидкостной смеси, в частности на насосных станциях трубопроводных систем при перекачивании нестабильного конденсата и газонасыщенной -нефти ,когда в результате падения давления в трубопроводе возникают условия для выделения газа из жидкости, т.е. образования газожидкостной смеси.

Известна насосная установка для перекачивания газонасыщенной жидкости, содержащая центробежное колесо с полым валом, имеющим отверстия для газоудаления, и источник низкого давления.

Известна также насосная установка с устройством для удаления газа, выполненным в виде шнека, расположенного в полости ступицы рабочего колеса, в виде эжектора для отсоса газовой фазы, расположенного в полости вала рабочего колеса и сообщенного через отверстия в лопастях с проточной частью насоса, в виде жидкост- но-кольцевого насоса, установленного на одном валу с предвключенным шнеком и сообщенного с его околовтулочной областью на выходе, где сепарируются газовые пузырьки,или сообщенного через осевой канал и отверстия во втулке шнека с центральной частью входного патрубка, где в результате закрутки поступающей в насос газожидкостной смеси сепарируется газовая фаза.

Основным недостатком перечисленных насосных установок является их низкая эффективность при работе на нерасчетных реXI

-ч о

$

жимах, когда отсепарированная газовая фаза либо накапливается в рабочем колесе, либо вместе с газовой фазой отсасывается количество жидкости большее, чем это необходимо для обеспечения бескавитацион- ной работы насоса, В первом случае происходит кавитационный срыв режима работы насосной установки, а во втором случае понижается ее экономичность из-за непроизводительной потери жидкости.

Наиболее близкой к предлагаемой является насосная установка для перекачивания газожидкостной смеси, включающая лопастной насос-сепаратор, содержащий корпус и установленный в нем полый вал с рабочими лопастями, и устройство для отсоса газовой фазы, выполненное в виде источника низкого давления, сообщенного через полость вала с проточной частью насоса-сепаратора в месте сепарации газовой фазы.

Экспериментально установлено, что местом сепарации газовой фазы в проточной части насоса, например, осевого в основном является околовтулочное пространство как в самом рабочем колесе, так и непосредственно за ним, а также всасывающая сторона лопастей, где газовая фаза,скапливаясь, образует каверну, наподобие паровой при развитом кавитацион- ном течении.

Однако известная насосная установка обладает низкой всасывающей способностью и экономичностью на нерасчетных режимах работы. Первое обусловлено накапливанием отсепарированного газа в проточной части насоса, включая всасывающую сторону лопастей, до величины, превышающей критическую, что приводит к кавитационному срыву режима работы насоса, а второе - непроизводительной потерей жидкости, когда производительность отсасывающего устройства превышает количество отсепарированного газа. В этом случае вместе с газовой фазой из проточной части насоса отсасывается значительно большее, чем на расчетном режиме, количество жидкости. Указанные недостатки являются следствием отсутствия регулятора расхода на линии отсоса газовой фазы.

Цель изобретения - повышение всасывающей способности и экономичности насосной установки на нерасчетных режимах работы путем регулирования количества отсасываемого газа.

Поставленная цель достигается тем, что в известной насосной установке, включающей лопастной насос-сепаратор, содержащий корпус и установленный в нем полый вал с рабочими лопастями, и устройство для отсоса газовой фазы, выполненное в виде

источника низкого давления, сообщенного через полость вала с проточной частью насоса-сепаратора в месте сепарации газовой фазы, между полостью вала и источником

низкого давления установлен регулятор расхода, выполненный в виде цилиндрического полого насадка с входными и выходными тангенциальными каналами на концах, радиальным каналом между ними и

0 двумя центральными отверстиями, одно из которых сообщено гидравлической магистралью с источником низкого давления, и регулирующего органа с приводом от дифференциального датчика давления, одна уп5 равляющая полость которого подключена к второму центральному отверстию, а другая - к радиальному каналу, причем выходные тангенциальные каналы через дроссельную шайбу сообщены с источником низкого дав0 ления.

На фиг. 1 представлена схема насосной установки; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1. Насосная установка включает насос-сепаратор 1 и регулятор расхода. Насос-сепа5 ратор 1 содержит корпус 2 с закрепленным на валу 3 рабочим колесом в виде двух последовательно установленных шнеков 4 и 5 и расположенный за шнеком 5 направляющий аппарат 6. В валу 3 выполнен осевой

0 канал 7 и радиальные отверстия 8, сообщающие этот канал с проточной частью насоса-сепаратора 1 между шнеками 4 и 5. Регулятор расхода содержит цилиндрический полый насадок 9 с входными 10 и вы5 ходными 11 тангенциальными каналами, радиальным каналом 12 и центральными отверстиями 13 и 14, а также регулирующий орган с приводом от дифференциального датчика давления 15.

0Регулирующий орган выполнен в виде

клапана, состоящего из тарели 16, взаимодействующей с седлом 17, и установлен в гидролинии 18, соединяющей осевой канал 7 вала 3 с входными тангенциальными кана5 лами 10 насадка 9. Дифференциальный датчик давления 15 включает корпус 19, разделенный мембраной 20 с пружиной 21 на две управляющие полости 22 и 23, Управляющая полость 22 под мембраной 20 сооб0 щена посредством гидролинии 24 с центральным отверстием 13, а управляющая полость 23 над мембраной 20 с помощью гидролинии 25 - с радиальным каналом 12. Центральное отверстие 14 и

5 выходные тангенциальные каналы 11 посредством гидролиний 26 и 27 соединены с двумя разными (в общем случае) или одним источником низкого давления (не показаны), причем в гидролинии 27 установлена дроссельная шайба 28. В качестве источника низкого давления может быть использован струйный, жидкостно-колыдевой или другие насосы. При использовании данной насосной установки в составе двигательной установки космического летательного аппа- рата источником низкого давления может служить окружающее (забортное ) пространство. Чтобы уменьшить непроизводительные потери жидкости, в качестве источника низкого давления, подсоединенного к гид- ролинии 27, может быть использована полость низкого давления импеллерного уплотнения вала (не показано) насоса-сепаратора 1.

Насосная установка работает следую- щим образом.

На расчетном режиме работы газожидкостная смесь поступает на вход в шнек 4, где происходит интенсивная сепарация газа, который, скапливаясь в околовтулочном пространстве между шнеками 4 и 5, образует так называемый конус сепарации. Последний по существу является главным местом сепарации газовой фазы в проточной части данного насоса-сепаратора 1.

Конус сепарации условно делит поток на две части: периферийную область, состоящую из чистой жидкости, и внутреннюю область, заполненную газожидкостной смесью, которая в основном состоит из га- зовой фазы. Эта газожидкостная смесь с незначительным содержанием жидкости через радиальные отверстия 8 вала 3 поступает в осевой канал 7 и далее через гидролинию 18 и установленный в ней кла- пан - в тангенциальные каналы 10. Проходя через эти каналы, гэзожид костная смесь получает закрутку и, двигаясь далее по инерции внутри насадка 9, под действием центробежных сил разделяется на жидкость и газ. Последний собирается в центре насадка, образуя газовую полость, а жидкость - на периферии в виде кольцевого слоя, давление в котором изменяется от минимального значения на границе с газом.до максимального значения на стенке, а значит, и перед выходными тангенциальными каналами 11 и радиальным каналом 12. Через центральное отверстие 14 этот газ поступает в гидролинию 26 и далее к источнику низкого давления. Одновременно через центральное отверстие 13 он подводится в управляющую полость 22 дифференциального датчика давления 15.

Поскольку производительность источ- ника низкого давления на расчетном режиме выбирается из условия обеспечения полного удаления отсепарированной в шнеке 4 газовой фазы,в радиальные отверстия 8 вала 3 поступает газожидкостная смесь с

низким содержанием жидкости, практически один газ . В связи с этим толщина образующегося в насадке У кольцевого слоя жидкости будет небольшая и, как следствие. перепад давления на мембране 20, равный разности давлений в управляющих полостях 23 и 22, также будет незначительным. Тогда под действием пружины 21 тарель 16 клапана перемещается влево, открывая доступ отсасываемой газожидкостной смеси в насадок 9 и далее к источнику низкого давления. Одновременно жидкость из кольцевого слоя через выходные тангенциальные каналы 11 поступает в гидролинию 27 и далее к источнику низкого давления, например, импеллерному уплотнению вала. С помощью дроссельной шайбы 28 обеспечивается требуемое гидравлическое сопротивление гидролинии 27.

Таким образом, шнек 4 в основном выполняет функцию сепаратора, а шнек 5, работающий на чистой жидкости, - функцию рабочего колеса, создавая требуемый напор насоса-сепаратора 1.

На нерасчетном режиме работы, например, при увеличении газосодержания в перекачиваемой смеси концентрация газовой фазы в конусе сепарации повышается, что при заданной производительности источника низкого давления приводит к меньшему по сравнению с расчетным режимом содержанию жидкости в газожидкостной смеси, отсасываемой через отверстия 8. При этом толщина кольцевого слоя жидкости в насадке 9, а следовательно, и перепад давлений на мембране 20 понизятся по сравнению с расчетным режимом. Тогда под действием пружины 21 тарель 16 переместится влево, увеличивая проходное сечение клапана. В результате расход отсасываемой из проточной части насоса-сепаратора отсепарированной газовой фазы возрастает до тех пор, пока в отверстия 8 не начнет поступать газожидкостная смесь с повышенным содержанием жидкости. Тогда толщина кольцевого слоя жидкости в насадке 9 вырастет до величины, превышающей расчетную, и под действием возросшего перепада давлений на мембрану 20 тарель 16, преодолевая усилие пружины 21, начнет перемещаться вправо, уменьшая проходное сечение клапана.

Таким образом, в предложенной насосной установке автоматически поддерживается оптимальный расход отсасываемой газовой фазы, т.е. расход, при котором, с одной стороны, обеспечивается высокая всасывающая способность насосной установки за счет практически полной сепарации и удаления из проточной части насоса

газовой фазы, а с другой стороны, не допускаются непроизводительные потери жидкости из проточной части насоса, особенно в случае соединения гидролинии 27 с импел- лерным уплотнением вала, что эквивалентно повышению экономичности насосной установки.

В случае, если насос-сепаратор 1 перекачивает чистую жидкость, перепад давлений на мембране 20 достигает наибольшего значения, в результате чего проходное сечение клапана становится наименьшим. Последнее обеспечивает минимальный расход жидкости к источнику низкого давления.

Если в радиальные отверстия 8 поступает только отсепарированная газовая фаза {без жидкости), кольцевой слой жидкости в насадке 9 полностью отсутствует и перепад давления на мембране 20 равен нулю. В этом случае под действием пружины 21 та- рель 1 б занимает крайнее левое положение, которому соответствует максимальная площадь проходного сечения клапана, т.е. клапан полностью открывается. При этом отсепарированный в шнеке 4 газ через клапан и насадок 9 поступает в гидролинии 26 и 27 и далее к источнику низкого давления.

Использование предложенной насосной установки обеспечивает по сравнению с известными установками следующие преимущества: повышает всасывающую способность на нерасчетных режимах работы за счет регулирования расхода газовой фазы, отсасываемой из проточной части насоса в месте ее сепарации; повышает экономичность за счет уменьшения непроизводительных потерь жидкости, отсасываемой из проточной части насоса вместе с отсепарированной газовой фазой; обеспечивает автоматическое поддержание оптимального расхода газовой фазы,

отсасываемой из проточной части насоса

при перекачивании газожидкостной смеси.

Формула изобретения

Насосная установка для перекачивания

газожидкостной смеси, включающая лопастной насос-сепаратор, содержащий корпус и установленный в нем полый вал с рабочими лопастями, и устройство для отсоса газовой фазы, выполненное в виде источника низкого давления, сообщенного через полость вала с проточной частью насоса-сепаратора в месте сепарации газовой фазы, отличающаяся тем, что, с целью повышения всасывающей способности и экономичности на нерасчетных режимах работы путем

регулирования количества отсасываемого газа, между полостью вала и источником низкого давления установлен регулятор расхода, выполненный в виде цилиндрического полого насадка с входными и выходными тангенциальными каналами на концах, радиальным каналом между ними и двумя центральными отверстиями, одно из которых сообщено гидравлической магистралью с источником низкого давления, и

регулирующего органа с приводом от дифференциального датчика давления, одна управляющая полость которого подключена к второму центральному отверстию, а другая - к радиальному каналу, причем выходные

тангенциальные каналы сообщены с источником низкого давления через дроссельную шайбу.

Фиг. 2

ЖИДКОСТИ

Сущность изобретения: лопастной насос-сепаратор содержит корпус и установленный в нем полый вал с рабочими лопастями, Устр-во для отсоса газовой фазы выполнено в виде источника низкого давления (ИНД), сообщенного через полость вала с проточной частью насоса-сепаратора в месте сепарации газовой фазы. Между полостью вала и ИНД установлен регулятор расхода, выполненный в виде цилиндрического полого насадка с входными и выходными тангенциальными каналами на концах, радиальным каналом между ними и двумя центральными отверстиями. Одно из отверстий сообщено гидравлической магистралью с ИНД. Регулятор расхода содержит регулирующий орган с приводом от дифференциального датчика давления, одна управляемая полость к-рого подключена к второму центральному отверстию, другая - к радиальному каналу. Выходные тангенциальные каналы сообщены с ИНД через дроссельную шайбу. 2 ил. СО С