ДВУХФАЗНЫЙ НАСОС-СМЕСИТЕЛЬ

Изобретение относится к насосостроению, касается конструкции центробежного насоса-смесителя для приготовления и перекачивания смесей из жидких и сыпучих компонентов и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности для интенсификации добычи нефти в технологии гидравлического разрыва продуктивных пластов.

В настоящее время одной из проблем для разрыва нефтяных пластов является создание смесительных установок, способных приготавливать смеси с необходимой производительностью, обеспечивать точную дозировку расклинивающего материала в вязкую жидкость-носитель с одновременным регулированием концентрации сухих и жидких химических присадок.

В таких установках наиболее эффективными являются центробежные насосы-смесители, перекачивающие среды с различной плотностью.

Известен центробежный насос-смеситель, содержащий установленное в корпусе на валу рабочее колесо с лопатками и каоксиально расположенные центральный и периферийный подводы. Центральный подвод предназначен для подачи среды меньшей плотности, а периферийный - для более плотной среды. В центральном подводе установлен шнек для получения дополнительного подпора. Взаимодействуя с лопатками рабочего колеса, обе среды получают заданный напор и перемешиваются (SU 1143880 A, F 04 D 7/04, 1983).

Недостатками известного насоса-смесителя являются сложность конструкции, невысокое качество приготавливаемой смеси и небольшой ресурс работы.

Известен также аппарат для смешивания жидкостей или жидкостей с твердыми частицами, в котором центральный вход сообщен с центробежной крыльчаткой и по нему подается сыпучий материал, направляемый крыльчаткой в радиальном направлении, а на периферии концентрично с центральным входом расположена кольцевая камера с тангенциальным входом жидкости на одном конце камеры и выходом на другом, имеющая зону смешивания сыпучего материала и жидкости, расширяющуюся в направлении выхода (WО 81/03143 A1, В 28 С 7/00, 1980 - прототип).

Недостатком данного смесительного аппарата является то, что в нем насос и смеситель выполнены как два отдельных взаимосвязанных элемента, а это усложняет конструкцию и снижает надежность смесительной установки. К недостатку можно также отнести невысокую производительность и напор смесительного аппарата, что сказывается на качестве смешивания.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции насоса-смесителя, повышение надежности и качества смешивания сыпучих и жидких компонентов в широком диапазоне расходов.

Поставленная задача достигается за счет того, что в двухфазном насосе-смесителе, содержащем корпус, в котором соосно расположены насос в виде установленной на приводном валу центробежной крыльчатки и кольцевая смесительная камера, патрубки подвода жидких и сыпучих компонентов и отвода смеси, согласно изобретению центробежная крыльчатка выполнена в виде диска с двухсторонним расположением лопаток на нем и двумя центральными входами для подвода сыпучих компонентов с одной стороны и жидкости - с другой, причем лопатки со стороны сыпучих материалов выполнены расширяющимися в радиальном направлении, а кольцевая смесительная камера охватывает выходы сыпучих и жидких компонентов крыльчатки и включает основную камеру смешения и дополнительную камеру, выполненную на периферийной части диска в виде проточек с ребрами (лопатками) между ними.

Для размещения дополнительной камеры (проточки) заданного объема на периферийной части диска он выполнен расширяющимся к периферии, а дополнительная и основная камеры смешения выполнены в определенном соотношении геометрических размеров, обеспечивающих наилучшее перемешивание компонентов.

Для подачи сыпучих компонентов с необходимым входным давлением (подпором) на входе в крыльчатку установлен шнек.

С целью минимального износа рабочих поверхностей лопаток крыльчатки для подачи сыпучих материалов площади проходных сечений межлопаточного пространства выполнены постоянными (равновеликими) в радиальном направлении.

Сопоставительный анализ заявленного решения с известными в данной области техники решениями, в том числе выбранным в качестве прототипа, показывает, что изложенная совокупность признаков неизвестна из существующего на дату подачи заявки уровня техники, поэтому можно сделать вывод о соответствии технического решения критерию изобретения "новизна".

Совмещение в одной центробежной крыльчатке функции двух крыльчаток для перекачивания жидких и сыпучих компонентов и их перемешивание на выходе крыльчатки в специальной кольцевой камере смешения, состоящей из основной и дополнительной камер, позволяют значительно упростить конструкцию двухфазного насоса и повысить его надежность, что позволяет сделать вывод о соответствии данного технического решения критерию изобретения "изобретательский уровень".

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, где изображен общий вид насоса-смесителя в вертикальном положении, как он установлен на смесительной установке. Основными элементами насоса- смесителя являются:
1 - корпус;
2 - приводной вал;
3 - центробежная крыльчатка;
4 - диск крыльчатки;
5, 6 - лопатки крыльчатки;
7 - смесительная камера;
8 - шнек;
9 - подшипниковая опора;
10 - корпус подшипников;
11 - приемный бункер;
12 - шибер;
13 - гидроцилиндр;
14 - ребра;
15 - дополнительная камера;
П1 - полость входа сыпучего компонента;
П2 - полость входа жидкости.

Двухфазный насос-смеситель содержит корпус 1, внутри которого на приводном валу 2 установлено рабочее колесо - центробежная крыльчатка 3, представляющая собой диск 4, расширяющийся к периферии, на боковых сторонах которого размещены прямые и расширяющиеся в радиальном направлении лопатки 5 (импеллер), препятствующие проходу жидкости в полость входа сыпучего компонента за счет создания динамического уплотнения, и предназначены для подачи сыпучего материала (проппанта) с одной стороны, и профилированные лопатки 6 для подачи жидкости (геля) - с другой стороны.

Корпус 1 имеет два независимых входа - полость входа сыпучего компонента П1 и полость входа жидкости П2 и общий выход смеси из кольцевой смесительной камеры 7, охватывающей выходы из крыльчатки 3 указанных компонентов.

Для подачи проппанта в нужном количестве и обеспечения необходимого подпора на входе в лопатки 5 крыльчатки на валу 2 установлен шнек 8. Крыльчатка 3 закреплена консольно на валу 2, а сам вал установлен в корпусе на двух подшипниковых опорах 9, расположенных непосредственно в подшипниковых гнездах корпуса подшипников 10.

Крутящий момент от вала 2 к крыльчатке 3 передается шлицевым соединением. Привод ротора насоса-смесителя гидравлический, через шлицевую муфту.

Для засыпки проппанта во входную полость насоса-смесителя установлен приемный бункер 11. Регулировка подачи проппанта осуществляется шибером 12, перемещающимся вдоль оси насоса-смесителя гидроцилиндром 13, уменьшая или увеличивая проходное сечение окон бункера.

Диск крыльчатки выполнен расширяющимся к периферии для размещения на его периферийной части дополнительной камеры 15 в виде проточек с ребрами (лопатками) 14, являющимися продолжением прямых лопаток 5 в полости проточки.

Для обеспечения наилучшего перемешивания жидких и сыпучих компонентов геометрические размеры основной камеры смешивания 7, дополнительной камеры 15 и крыльчатки 3 выполнены в соответствии с соотношениями:
Vд=(0,05...0,3)Vо;
R1=(0,6...0,95)R2,
где Vд - объем дополнительной камеры смешивания, см³;
Vo - объем основной камеры смешивания, см³;
R1 - диаметр, на котором расположена впадина дополнительной камеры, см;
R2 - наружный диаметр крыльчатки, см.

В рабочем состоянии ротор насоса-смесителя находится в вертикальном положении. При работе насоса-смесителя сыпучий компонент (проппант) из бункера 11 через приемные окна 14 под действием силы тяжести поступает на шнек 8, после шнека подается на лопатки импеллера 5 крыльчатки, вращающейся с частотой 1500 об/мин, и далее под действием центробежных сил поступает в кольцевую камеру смешения 7.

С обратной стороны крыльчатки по центральному входу подается жидкость (гель) на лопатки 6 и далее в камеру смешения 7. Так как импеллер 5 является динамическим уплотнением, жидкость не попадает на вход сыпучего компонента.

В камере смешивания поток проппанта встречается с потоком геля, происходит смешивание двух компонентов, после чего смесь под давлением удаляется из корпуса смесителя через выходной патрубок.

В связи с тем, что отвод корпуса смесителя имеет кольцевую форму, возникающие в потоке смеси вихри вместе с дополнительными лопатками, которыми являются ребра 14 кольцевой проточки 15, дают дополнительное перемешивание смеси. В результате на выходе из насоса получается однородный поток двух различных сред с определенной объемной концентрацией компонентов, которая регулируется изменением подачи жидкой фракции при постоянной подаче шнеком твердой фазы (проппанта).

Таким образом, предложенный двухфазный насос-смеситель обеспечивает качественное перемешивание сыпучих и жидких компонентов, надежную работу агрегата в широком диапазоне расходов и объемной концентрации компонентов с различной плотностью.