Результат интеллектуальной деятельности: КОНСТРУКТИВНЫЙ РЯД ВЕРТИКАЛЬНЫХ НЕФТЯНЫХ ЭЛЕКТРОНАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ

Изобретение относится к насосостроению, а именно к вертикальным нефтяным электронасосным агрегатам. и может быть использовано в нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности.

Известен вертикальный химический электронасосный агрегат для перекачивания агрессивных сред, содержащий электродвигатель, сопряженный с ним шнекоцентробежный насос, снабженный всасывающим и выходным патрубками. С целью повышения антикавитационных показателей насоса всасывающий патрубок содержит подкачивающий шнек, закрепленный на валу шнекоцентробежного насоса (RU 2006122670 А, опубл. 10.01.2008).

Известен шнекоцентробежный насос, содержащий корпус, установленный в нем направляющий аппарат и подвижно на передней и задней подшипниковых опорах ротор, включающий шнековый преднасос и центробежные колеса, имеющие втулки и диски, в которых вблизи втулки выполнены сквозные отверстия. В дисках с обеих сторон выполнены каналы, равномерно распределенные по окружности и ограниченные крышками. Передняя опора ротора выполнена в виде подшипника качения, внутренняя обойма которого прочно скреплена с наружными кромками шнека (RU 2252337 С2, опубл. 20.05.2005).

Известен вертикальный шнеково-центробежный насос, содержащий корпус с установленными в нем центробежным рабочим колесом и предвключенным шнеком, размещенным внутри нижней части удлиненной трубы, консольно закрепленной к центральной всасывающей части корпуса. Колесо и шнек соединены между собой удлиненной трансмиссией. На всасывающем участке трубы выполнен один или более обратных клапанов, например, в виде расположенных выше предвключенного шнека окон, снабженных нормально закрытыми лепестковыми упругими элементами, выполненных с возможностью открытия за счет давления разрежения перекачиваемой жидкости при ее полном заполнении вращающегося центробежного рабочего колеса (RU 2305208 С1, опубл. 27.08.2007).

Недостатками известных технических решений являются относительно невысокие надежность и долговечность работы и обусловленные конструктивными решениями невысокие гидродинамические характеристики, что приводит к повышенному износу рабочих узлов и снижению КПД насосов в процессе эксплуатации.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке конструктивного ряда вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов с повышенной стабильностью и долговечностью работы при увеличении КПД и снижении энергоемкости перекачивания любых видов нефтесодержащих жидкостей от товарной нефти и нефтепродуктов до сырой и обводненной нефти с высоким содержанием воды, а также твердых дискретных частиц, в том числе с перекачиванием указанных сред в безкавитационных режимах.

Поставленная задача решается тем, что конструктивный ряд вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов согласно изобретению содержит предназначенные для перекачивания из безнапорных емкостей в напорные магистрали жидкой среды, преимущественно типа товарной нефти, нефтепродуктов, газоконденсата или обводненной нефти, однотипные вертикальные нефтяные электронасосные агрегаты с одинаковой производительностью по объему перекачиваемой среды и с дифференцированным от насоса к насосу в диапазоне от минимума до максимума напором перекачиваемой среды, а также с адекватной мощностью приводного устройства, предпочтительно имеющего корпус и вал ротора асинхронного электродвигателя, при этом каждый агрегат из указанного конструктивного ряда содержит последовательно соединенные с электродвигателем и между собой корпусами и валами роторов, ориентированные в рабочем положении сверху вниз - основной, предпочтительно, центробежный насос, трансмиссию, бустер и заборную трубу; при этом вал ротора электродвигателя оснащен присоединительной полумуфтой; основной насос содержит снабженный опорным фланцем корпус, состоящий из имеющих открытые на проток полости не менее чем одной напорной секции с крыльчаткой и направляющим аппаратом, подводящего канала, секции отвода с образованием полостями указанных секций и подводящим каналом проточной полости насоса и заключенный в корпус ротор с валом; трансмиссия содержит не менее одной, предпочтительно, не менее двух секций, каждую с двумя концевыми и соединительным корпусами, в которых с опиранием на подшипники установлен вал, заключенный в неподвижную оболочку - разделительную трубу с образованием между последней и упомянутыми корпусами проточной полости для перекачиваемой среды; бустер содержит корпус, размещенное в корпусе рабочее колесо в виде шнека с валом, на котором закреплена втулка с многозаходной крыльчаткой, гидродинамически сопряженной с закрепленным в корпусе спрямляющим аппаратом с образованием совместно с корпусом бустера проточной полости, при этом обтекаемая поверхность втулки и ограниченная ею сторона проточной полости имеют форму тела вращения - ундулоида с вогнуто-выпуклой образующей, а втулка содержит на входе антикавитационный участок, дополненный переходным участком с радиусом, возрастающем по ходу потока до радиуса выходного участка и до обеспечения практически бесступенчатого перехода упомянутой кольцевой полости шнека в кольцевую полость на участке спрямляющего аппарата, а многозаходная крыльчатка выполнена с многоступенчатым возрастанием по ходу потока в геометрической прогрессии количества и числа заходности спиральных лопаток шнека, причем бустер, трансмиссия и основной насос последовательно соосно сообщены валами роторов с валом ротора электродвигателя с образованием валопровода с возможностью синхронного вращения с валом электродвигателя и передачи крутящего момента роторам основного насоса и бустера, а путем соединения упомянутых проточных полостей насоса, трансмиссии, бустера и заборной трубы в электронасосном агрегате образован единый проточный тракт, кроме того, упомянутые напорные секции последовательно соединены в насосе по потоку перекачиваемой среды с возможностью передачи в каждую последующую секцию и/или на выход в напорную линию давления, суммированного с давлением, создаваемым в каждой из предыдущих секций, а общее число напорных секций в насосе принято не менее определяемого отношением заданного напора насоса к напору, создаваемому одной секцией.

При этом крыльчатка каждой напорной секции может быть выполнена в виде рабочего колеса, включающего диск, снабженный с заходной стороны спирально изогнутыми в плане лопатками, разделенными межлопаточными каналами, активный объем динамического заполнения которых перекачиваемой средой выполнен с возможностью выброса на проток за один оборот рабочего колеса не менее 1,4·10^-5 м³/об.

Крыльчатка шнека бустера может быть выполнена на входе трехзаходной, а на выходе двенадцатизаходной, при этом входные лопатки пролонгированы на всю длину шнека, а выходные дополнены тремя лопатками второй ступени и шестью лопатками третьей ступени, осевая длина последних в проекции на радиально-осевую плоскость составляет не более 17%, а лопаток второй ступени не более 35% осевой длины шнека, считая от условной выходной плоскости, нормальной к оси шнека.

Примыкающая к бустеру снизу заборная труба может быть снабжена защитной сеткой или, по меньшей мере, защитной сеткой-фильтром.

Каждая секция трансмиссии может иметь протяженную трубчатую форму, выполнена с возможностью встречной передачи крутящего момента от электродвигателя к бустеру и транспортирования перекачиваемой среды от заборной трубы через бустер и трансмиссию в основной насос.

Каждая сборная секция трансмиссии может быть принята одной из двух длин, отличающихся одна от другой не менее чем на длину бустера.

Основной насос может содержать верхнюю и нижнюю подшипниковые опоры и узел уплотнения, расположенный между верхней подшипниковой опорой и секцией отвода.

Электродвигатель может быть выполнен асинхронным взрывозащищенным мощностью от 5 до 150 кВт, напряжением 380/660 В и с частотой оборотов n=50 с^-1 (3000 об/мин)±50%.

Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, состоит в разработке конструктивного ряда вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов с повышенной стабильностью и долговечностью работы при увеличении КПД и снижении энергоемкости перекачивания любых видов нефтесодержащих жидкостей от товарной нефти и нефтепродуктов до сырой и обводненной нефти с высоким содержанием воды, а также твердых дискретных частиц, в том числе с перекачиванием указанных сред в безкавитационных режимах, что достигается за счет разработанных в изобретении технических решений секционированного насоса, позволяющего варьировать в широких пределах достигаемый напор перекачиваемой жидкой среды, а также оригинальных компактных полифункционально исполненных сборных секций трансмиссии и найденной в изобретении антикавитационной композиции вала ротора, втулки со ступенчато многозаходной крыльчаткой и проточной полости бустера.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

На фиг.1 изображен вертикальный нефтяной электронасосный агрегат, вид спереди;

На фиг.2 - основной центробежный насос, вертикальный разрез;

На фиг.3 - трансмиссия, вертикальный разрез;

На фиг.4 - бустер, вертикальный разрез;

На фиг.5 - крыльчатка основного насоса в изометрии.

Конструктивный ряд вертикальных нефтяных электронасосных агрегатов содержит предназначенные для перекачивания из безнапорных емкостей в напорные магистрали жидкой среды, преимущественно типа товарной нефти, нефтепродуктов, газоконденсата или обводненной нефти, однотипные вертикальные нефтяные электронасосные агрегаты 1 с одинаковой производительностью по объему перекачиваемой среды и с дифференцированным от насоса к насосу в диапазоне от минимума до максимума напором перекачиваемой среды, а также с адекватной мощностью приводного устройства. Приводное устройство имеет корпус 2 и вал 3 ротора асинхронного электродвигателя 4. Вал 3 ротора электродвигателя 4 оснащен присоединительной полумуфтой 5.

Каждый агрегат 1 из указанного конструктивного ряда содержит последовательно соединенные с электродвигателем 4 и между собой корпусами и валами роторов, ориентированные в рабочем положении сверху вниз - основной, предпочтительно, центробежный насос 6, трансмиссию 7, бустер 8 и заборную трубу 9.

Основной насос 6 содержит снабженный опорным фланцем 10 корпус 11, состоящий из имеющих открытые на проток полости не менее чем одной напорной секции 12 с крыльчаткой 13 и направляющим аппаратом 14, подводящего канала 15, секции 16 отвода с образованием полостями указанных секций и подводящим каналом проточной полости 17 насоса и заключенный в корпус 11 ротор с валом 18.

Трансмиссия 7 содержит не менее одной, предпочтительно не менее двух секций 19, каждую с двумя концевыми корпусами 20 и соединительным корпусом 21, в которых с опиранием на подшипники установлен вал 22, заключенный в неподвижную оболочку - разделительную трубу 23 с образованием между последней и упомянутыми корпусами проточной полости 24 для перекачиваемой среды.

Бустер 8 содержит корпус 25, размещенное в корпусе рабочее колесо в виде шнека 26 с валом 27. На валу27 закреплена втулка 28 с многозаходной крыльчаткой 29, гидродинамически сопряженной с закрепленным в корпусе спрямляющим аппаратом 30 с образованием совместно с корпусом 25 бустера проточной полости 31. Обтекаемая поверхность втулки 28 и ограниченная ею сторона проточной полости 31 имеют форму тела вращения - ундулоида с вогнуто-выпуклой образующей. Втулка 28 содержит на входе антикавитационный участок 32, дополненный переходным участком 33 с радиусом, возрастающем по ходу потока до радиуса выходного участка 34 и до обеспечения практически бесступенчатого перехода последнего и упомянутой кольцевой полости шнека 26 в кольцевую полость на участке спрямляющего аппарата 30. Многозаходная крыльчатка 29 выполнена с многоступенчатым возрастанием по ходу потока в геометрической прогрессии количества и числа заходности спиральных лопаток 35 шнека 26.

Бустер 8, трансмиссия 7 и основной насос 6 последовательно соосно сообщены валами роторов 27, 22, 18 с валом 3 ротора электродвигателя 4 с образованием валопровода с возможностью синхронного вращения с валом электродвигателя и передачи крутящего момента роторам основного насоса и бустера. Путем соединения упомянутых проточных полостей 17, 24, 31 соответственно насоса 6, трансмиссии 7, бустера 8 и заборной трубы 9 в электронасосном агрегате образован единый проточный тракт.

Напорные секции 12 основного насоса 6 последовательно соединены в насосе по потоку перекачиваемой среды с возможностью передачи в каждую последующую секцию и/или на выход в напорную линию давления, суммированного с давлением, создаваемым в каждой из предыдущих секций. Общее число напорных секций 12 в насосе принято не менее определяемого отношением заданного напора насоса к напору, создаваемому одной секцией.

Крыльчатка 13 каждой напорной секции 12 выполнена в виде рабочего колеса, включающего диск 36, снабженный с заходной стороны спирально изогнутыми в плане лопатками 37, разделенными межлопаточными каналами 38, активный объем динамического заполнения которых перекачиваемой средой выполнен с возможностью выброса на проток за один оборот рабочего колеса не менее 1,4·10^-5 м³ /об.

Крыльчатка 29 шнека 26 бустера 8 выполнена на входе трехзаходной, а на выходе двенадцатизаходной. Входные лопатки пролонгированы на всю длину шнека 26, а выходные дополнены тремя лопатками второй ступени и шестью лопатками третьей ступени. Осевая длина лопаток третьей ступени в проекции на радиально-осевую плоскость составляет не более 17%, а лопаток второй ступени не более 35% осевой длины шнека, считая от условной выходной плоскости, нормальной к оси шнека.

Примыкающая к бустеру 8 снизу заборная труба 9 снабжена защитной сеткой или, по меньшей мере, защитной сеткой-фильтром.

Каждая секция 19 трансмиссии 7 имеет протяженную трубчатую форму, выполнена с возможностью встречной передачи крутящего момента от электродвигателя 4 к бустеру 8 и транспортирования перекачиваемой среды от заборной трубы 9 через бустер 8 и трансмиссию 7 в насос 6.

Каждая сборная секция 19 трансмиссии 7 принята одной из двух длин, отличающихся одна от другой не менее чем на длину бустера 8.

Основной насос 6 содержит верхнюю и нижнюю подшипниковые опоры 39 и 40 и узел 41 уплотнения, расположенный между верхней подшипниковой опорой 39 и секцией 16 отвода.

Электродвигатель 4 выполнен асинхронным взрывозащищенным мощностью от 5 до 150 кВт, напряжением 380/660 В и с частотой оборотов n=50 с^-1 (3000 об/мин)±50%.

Работа осуществляется следующим образом.

При включении электродвигателя 4 крутящий момент по валопроводу поступает на вал 18 ротора основного насоса 6, на вал 22 ротора трансмиссии 7 и на вал 27 ротора бустера 8, приводя в движение крыльчатку 29 шнека 26. В последнюю через заборную трубу 9 поступает перекачиваемая среда - товарная нефть, нефтепродукты, газоконденсат или обводненная нефть, и последовательно обтекая антикавитационный, переходный и выходной участки 32, 33 и 34 втулки 28 шнека 26 и каналы спрямляющего аппарата 30, поток приобретает упорядоченный характер и поступает в проточную полость 24 трансмиссии 7 с давлением, созданным в бустере 6. Затем перекачиваемая среда проходит через последовательные участки проточной полости 24 трансмиссии 7 и поступает в напорные секции 12 основного центробежного насоса 6, приобретая в каждой ступенчатое повышение давления, суммарно возрастающее при входе в секцию 16 отвода пропорционально числу напорных секций 12.

Таким образом, разработанные в изобретении технические решения секционированного насоса, а также компактных полифункционально исполненных сборных секций трансмиссии и найденной в изобретении антикавитационной композиции вала ротора, втулки со ступенчато многозаходной крыльчаткой и проточной полости бустера, позволяют варьировать в широких пределах достигаемый напор перекачиваемой жидкой среды.