Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ТИПА

Изобретение относится к насосостроению, а именно, к конструкциям пульповых электронасосных агрегатов горизонтального типа, предназначенных для перекачивания различных абразивных жидкостей с твердыми включениями размером до 8 мм.

Известен центробежный насос для перекачивания абразивных жидкостей, содержащий корпус с отводом, имеющим периферийную стенку и сопряженные с ней боковые переднюю и заднюю стенки, перпендикулярные оси рабочего колеса, размещенного в корпусе. Рабочее колесо выполнено с постоянной шириной меридионального сечения, а периферийная стенка отвода выполнена наклонной внутрь отвода в сторону задней стенки (RU 1247582 C, опубл. 27.01.1995).

Известен центробежный горизонтальный насос, содержащий корпус с входным и напорным патрубками, рабочее колесо одностороннего входа, расположенное на валу, опирающемся на подшипники. Насос содержит направляющий аппарат, а рабочее колесо размещено между подшипниками (RU 97452 U1, опубл. 10.09.2012).

Известен центробежный насос, содержащий корпус с всасывающим и напорным отверстиями, рабочее колесо, электропривод. Рабочее колесо выполнено закрытого типа. Верхний и нижний диски рабочего колеса выполнены плоскими и размещены на расстоянии друг от друга. Лопатки рабочего колеса выполнены расширяющими от наружнего края дисков к центру. Поверхности лопаток в горизонтальном сечении представляют собой часть дуги окружности (RU 69586 U1, опубл. 27.12.2007).

Недостатками известных решений являются повышенные сложность конструкции, материалоемкость и относительно невысокая эффективность работы насоса вследствие повышенных энергозатрат, снижающих КПД перекачивания жидкой среды и неоптимальной диффузорности межлопаточных каналов рабочего колеса и отвода.

Задача настоящего изобретения заключается в вариантной разработке электронасосного агрегата с центробежным насосом, наделенным повышенными ресурсом, долговечностью, надежностью и эффективностью перекачивания жидких сред с высоким содержанием твердых частиц.

Поставленная задача решается тем, что электронасосный агрегат горизонтального типа, согласно изобретению, конструктивно выполнен с возможностью перекачивания жидких сред, в том числе химически агрессивных и\или с включениями твердых абразивных частиц, и содержит электродвигатель с валом ротора, центробежный насос, содержащий вал ротора с рабочим колесом, смонтированный в корпусе, образованном из ходовой и проточной части, а также муфту, соединяющую валы упомянутых агрегатов с возможностью передачи крутящего момента на рабочее колесо, при этом проточная часть корпуса насоса включает последовательно расположенные по потоку всасывающий патрубок, проточную полость с тыльной и боковой стенками и объемом для размещения рабочего колеса и спирального отвода, сообщенного с напорным патрубком, причем вал ротора насоса имеет ходовую часть, опертую на корпус через радиальные подшипниковые опоры, предпочтительно, через совокупность не менее двух упорно-радиальных подшипниковых опор, и снабженную со стороны, примыкающей к проточной части гидравлически непрозрачным, предпочтительно, сальниковым уплотнением, кроме того вал ротора выполнен состоящим из участков с различными диаметрами, участок с наибольшим диаметром расположен между упомянутыми опорами, а остальные участки вала выполнены со ступенчато последовательно убывающими в направлении к оконечностям вала диаметрами, причем участок длины вала между упомянутыми подшипниковыми опорами имеет, по меньшей мере, в зонах примыкания к указанным опорам диаметр, превышающий диаметры остальных участков вала, а также длину, превышающую длину каждого из них, и суммарную длину расположенных за подшипниковой опорой участков, на последнем из которых установлено рабочее колесо и упомянутое гидродинамически непрозрачное уплотнение вала, кроме того напорный патрубок выполнен в виде диффузора с разницей площадей входного и выходного поперечных сечений, обеспечивающей снижение скорости нагнетаемого потока в 1,2÷3,1 раза на выходе из диффузора.

При этом упомянутое гидродинамически непрозрачное уплотнение может быть выполнено содержащим корпус с сальниковой набивкой, предпочтительно, в виде колец из терморасширяющегося материала, дополнительно снабжено системой охлаждения с проточным кольцом и щелевым бесконтактным приемником воды системы охлаждения вала, и размещено на участке вала с промежуточным диаметром со стороны, обращенной к рабочему колесу.

Рабочее колесо может быть выполнено в виде крыльчатки закрытого типа и содержит жестко установленные на валу основной и покрывной диски, а также расположенную между ними многозаходную систему лопаток с угловой закруткой, выполненной с постоянным или переменным радиусом кривизны в проекции на плоскость, нормальную к оси вала, лопатки разделены диффузорными межлопаточными каналами, расширяющимися в направлении от оси вала к периферии, причем активный объем динамического заполнения совокупности межлопаточных каналов вариантно включает возможность выброса на проток за один оборот рабочего колеса (30÷600)×10^-5 м³/об перекачиваемой жидкой среды, а каждый из упомянутых дисков рабочего колеса снабжен с внешней стороны гидродинамическим уплотнением в виде импеллера, причем покрывной диск содержит заходную горловину с радиусом, частично перекрывающим в проекции на упомянутую условную плоскость, нормальную к оси вала, оконечности лопаток, обращенные к указанной оси.

Импеллеры основного и покрывного дисков рабочего колеса могут быть выполнены каждый в виде соединенных с внешней стороной соответствующего диска, преимущественно, радиально лучевых лопаток, выполненных в поперечном сечении шириной больше высоты лопатки.

Рабочее колесо может быть выполнено в виде крыльчатки открытого типа и содержит жестко установленный на валу диск с многозаходной системой лопаток с угловой закруткой, выполненной с постоянным или переменным радиусом кривизны в проекции на плоскость, нормальную к оси вала, лопатки разделены диффузорными межлопаточными каналами, расширяющимися в направлении от оси вала к периферии, причем активный объем динамического заполнения совокупности межлопаточных каналов вариантно включает возможность выброса на проток за один оборот рабочего колеса (30÷600)×10^-5 м³/об перекачиваемой жидкой среды, при этом упомянутый диск рабочего колеса со стороны, обращенной к тыльной стенке проточной полости, снабжен гидродинамическим уплотнением в виде импеллера.

Импеллер диска рабочего колеса может быть выполнен в виде соединенных с внешней стороной диска, преимущественно, радиально лучевых лопаток, выполненных в поперечном сечении шириной больше высоты лопатки.

Тыльная стенка проточной полости может быть выполнена в виде бронедиска, а боковая стенка упомянутой полости образует спиральный отвод, который за пределами контура рабочего колеса имеет форму двояковыпуклой оболочки, закрученной по спирали перемещаемым в условной средней плоскости последовательно нарастающим радиусом и выпукло изогнутую в условной плоскости, нормальной к упомянутой, и проведенной через радиус спирали и условную ось, проходящую через ось вращения рабочего колеса, при этом указанная оболочка снабжена на выходе проемом, сообщенным по потоку с напорным патрубком проточной части насоса.

Электродвигатель и центробежный насос могут быть установлены на опорную платформу и расположены на ней практически соосно, а муфта, соединяющая консольный вал ротора электродвигателя и обращенную к нему упомянутую оконечность вала центробежного насоса, выполнена с возможностью передачи крутящего момента от первого ко второму с демпфированием взаимных угловых колебаний указанных валов, для чего содержит объединенные через амортизатор в виде упругого, преимущественно, кольцевого вкладыша полумуфту электродвигателя и полумуфту электронасоса.

Электродвигатель и центробежный насос могут быть расположены несоосно с параллельным расположением осей, предпочтительно, в двух уровнях, при этом электродвигатель установлен над насосом, а устройство для передачи крутящего момента выполнено, преимущественно, клино-ременным.

Электронасосный агрегат может быть предназначен для перекачивания абразивных жидкостей - суспензий руд, пульпы, промышленных стоков, загрязненной технической воды, пластовой воды, сырой нефти, нефте-, газоконденсатосодержащих гидросмесей с песком с плотностью до 2200 кг/м, с температурой от 3 до 80°C, водородным показателем до 10 pH и твердыми включениями в виде дискретных абразивных частиц до 8 мм, с микротвердостью до 9 ГПа и объемной концентрацией микрочастиц до 50% включительно.

Центробежный насос и комплектующий электродвигатель могут быть выполнены с возможностью подачи от 25 до 170 м³/ч с напором от 25 до 50 м, при этом электродвигатель принят асинхронным мощностью от 15 до 70 кВт, с обеспечением частоты вращения вала, передаваемой рабочему колесу, до 3000 об/мин.

Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, состоит в вариантной разработке электронасосного агрегата с центробежным насосом, наделенным повышенными ресурсом, надежностью и эффективностью перекачивания абразивных жидких сред с высоким процентным содержанием твердых частиц и динамическим воздействием последних на конструкции и материалы проточной части центробежного насоса. Это достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и технологических параметров основных агрегатов, а именно, технического решения вала ротора с гидродинамически непрозрачным уплотнением и со ступенчато изменяемыми диаметрами вала на отдельных участках в последовательности, при которой участок с наибольшим диаметром размещен между радиально-упорными подшипниковыми опорами с использованием кольцевых уступов в качестве элементов, обеспечивающих исключение осевых смещений вала в процессе эксплуатации, а принятая в изобретении наибольшая длина упомянутого участка ходовой части вала обеспечивает наибольшее снижение радиальной вибрации вала.

Технический результат в предпочтительном варианте центробежного насоса достигают также за счет системы лопаток и межлопаточных каналов рабочего колеса закрытого типа с заявленными параметрами основного и покрывного дисков, конструктивного решения и формы спирального отвода и напорного патрубка, обеспечивающих в совокупности принятые в изобретении повышающие производительность и КПД насоса - эффективная диффузорность межлопаточных каналов и спирального отвода.

Технический результат также достигают взаимным расположением электродвигателя и насоса; конструкцией силового сопряжения валов роторов, передающего крутящий момент от электродвигателя к насосу с демпфированием вибрации. Технический результат выражается кроме того в повышенной износостойкости наиболее изнашиваемых частей проточной части предлагаемой конструкции насоса, в частности, за счет выполнения тыльной стенки корпуса проточной части в виде бронедиска разработанной в изобретении полифункциональной конструкции, обеспечивающей силовое сопряжение примыкающих к нему конструктивных частей корпуса насоса.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображен электронасосный агрегат, вид спереди;

на фиг.2 - электронасосный агрегат, вид сбоку;

на фиг.3 - конструктивная схема центробежного насоса, продольный разрез;

на фиг.4 - конструктивная схема муфты, соединяющей валы роторов

электродвигателя и центробежного насоса, разрез;

на фиг.5 - рабочее колесо центробежного насоса, в сборе;

на фиг.6 - конструкция рабочего колеса, поперечный разрез.

Электронасосный агрегат горизонтального типа конструктивно выполнен с возможностью перекачивания жидких сред, в том числе химически агрессивных и\или с включениями твердых абразивных частиц. Электронасосный агрегат содержит электродвигатель 1 с валом 2 ротора и центробежный насос 3. Центробежный насос 3 содержит вал 4 ротора с рабочим колесом 5, смонтированный в корпусе 6, образованном из ходовой и проточной частей соответственно 7 и 8. Электронасосный агрегат содержит также муфту 9, соединяющую валы 2, 4 упомянутых агрегатов с возможностью передачи крутящего момента на рабочее колесо 5.

Проточная часть 8 корпуса 6 насоса 3 включает последовательно расположенные по потоку всасывающий патрубок 10, проточную полость 11 с тыльной и боковой стенками 12 и 13 соответственно и объемом 14 для размещения рабочего колеса 5 и спирального отвода 15, который сообщен с напорным патрубком 16.

Вал 4 ротора насоса 3 имеет ходовую часть 17, опертую на корпус 6 насоса 3 через радиальные подшипниковые опоры, предпочтительно, через совокупность не менее двух упорно-радиальных подшипниковых опор 18, и снабженную со стороны, примыкающей к проточной части 8 гидравлически непрозрачным, предпочтительно, сальниковым уплотнением 19. Вал 4 ротора насоса 3 выполнен состоящим из участков с различными диаметрами. Участок 20 с наибольшим диаметром расположен между подшипниковыми опорами 18, а остальные участки вала 4 выполнены со ступенчато последовательно убывающими в направлении к консольным оконечностям 21 вала 4 диаметрами. Участок 20 длины вала 4 между подшипниковыми опорами 18 имеет, по меньшей мере, в зонах примыкания к указанным опорам 18 диаметр, превышающий диаметры остальных участков вала, а также длину, превышающую длину каждого из них, и суммарную длину расположенных за подшипниковой опорой участков, на последнем из которых установлено рабочее колесо 5 и гидравлически непрозрачное уплотнение 19 вала 4.

Напорный патрубок 16 выполнен в виде диффузора с разницей площадей входного и выходного поперечных сечений, обеспечивающей снижение скорости нагнетаемого потока в 1,2÷3,1 раза на выходе из диффузора.

Гидравлически непрозрачное уплотнение 19 содержит корпус 22 с сальниковой набивкой 23, предпочтительно, в виде колец из терморасширяющегося материала. Уплотнение 19 дополнительно снабжено системой охлаждения с проточным кольцом 24 и щелевым бесконтактным приемником 25 воды системы охлаждения вала 4, и размещено на участке вала с промежуточным диаметром со стороны, обращенной к рабочему колесу 5.

Рабочее колесо выполнено в виде крыльчатки закрытого типа и содержит жестко установленные на валу 4 основной и покрывной диски 26 и 27 соответственно, а также расположенную между ними многозаходную систему лопаток 28 с угловой закруткой, выполненной с постоянным или переменным радиусом кривизны в проекции на плоскость, нормальную к оси вала 4. Лопатки 28 разделены диффузорными межлопаточными каналами 29, расширяющимися в направлении от оси вала 4 к периферии. Активный объем динамического заполнения совокупности межлопаточных каналов 29 вариантно включает возможность выброса на проток за один оборот рабочего колеса (30÷600)×10^-5 м³/об перекачиваемой жидкой среды.

Каждый из дисков 26, 27 рабочего колеса 5 снабжен с внешней стороны гидродинамическим уплотнением в виде импеллера 30. Покрывной диск 27 содержит заходную горловину 31 с радиусом, частично перекрывающим в проекции на упомянутую условную плоскость, нормальную к оси вала 4, оконечности лопаток 28, обращенные к указанной оси.

Импеллеры 30 основного и покрывного дисков 26 и 27 рабочего колеса 5 выполнены каждый в виде соединенных с внешней стороной соответствующего диска рабочего колеса 5, преимущественно, радиально лучевых лопаток 32, выполненных в поперечном сечении шириной больше высоты лопатки 32.

Рабочее колесо 5 вариантно выполнено в виде крыльчатки открытого типа (на чертежах не показано) и содержит жестко установленный на валу диск с многозаходной системой лопаток с угловой закруткой, выполненной с постоянным или переменным радиусом кривизны в проекции на плоскость, нормальную к оси вала. Лопатки разделены диффузорными межлопаточными каналами, расширяющимися в направлении от оси вала к периферии. Активный объем динамического заполнения совокупности межлопаточных каналов вариантно включает возможность выброса на проток за один оборот рабочего колеса (30÷60)×10^-5 м³/об перекачиваемой жидкой среды. Диск рабочего колеса со стороны, обращенной к тыльной стенке проточной полости, снабжен гидродинамическим уплотнением в виде импеллера. Импеллер выполнен в виде соединенных с внешней стороной диска, преимущественно, радиально лучевых лопаток, выполненных в поперечном сечении шириной больше высоты лопатки.

Тыльная стенка 12 проточной полости 11 выполнена в виде бронедиска. Боковая стенка 13 полости 11 образует спиральный отвод 15. Спиральный отвод 15 за пределами контура рабочего колеса 5 имеет форму двояковыпуклой оболочки, закрученной по спирали перемещаемым в условной средней плоскости последовательно нарастающим радиусом и выпукло изогнутую в условной плоскости, нормальной к упомянутой, и проведенной через радиус спирали и условную ось, проходящую через ось вращения рабочего колеса 5. Указанная оболочка снабжена на выходе проемом 33, сообщенным по потоку с напорным патрубком 16 проточной части 8 насоса 3.

Электродвигатель 1 и центробежный насос 3 установлены на опорную платформу 34 и расположены на ней практически соосно. Муфта 9, соединяющая консольный вал 2 ротора электродвигателя 1 и обращенную к нему упомянутую оконечность вала 4 центробежного насоса 4, выполнена с возможностью передачи крутящего момента от первого ко второму с демпфированием взаимных угловых колебаний указанных валов. Муфта 9 содержит объединенные через амортизатор 35 в виде упругого, преимущественно, кольцевого вкладыша полумуфту 36 электродвигателя 1 и полумуфту 37 центробежного насоса 3.

Электродвигатель 1 и центробежный насос 3 расположены несоосно с параллельным расположением осей, предпочтительно, в двух уровнях (на чертежах не показано). Электродвигатель установлен над насосом, а устройство для передачи крутящего момента выполнено, преимущественно, клино-ременным.

Электронасосный агрегат предназначен для перекачивания абразивных жидкостей - суспензий руд, пульпы, промышленных стоков, загрязненной технической воды, пластовой воды, сырой нефти, нефте-, газоконденсатосодержащих гидросмесей с песком с плотностью до 2200 кг/м, с температурой от 3 до 80°C, водородным показателем до 10 pH и твердыми включениями в виде дискретных абразивных частиц до 8 мм, с микротвердостью до 9 ГПа и объемной концентрацией микрочастиц до 50% включительно.

Центробежный насос 3 и комплектующий электродвигатель 1 выполнены с возможностью подачи от 25 до 170 м³/ч с напором от 25 до 50 м. Электродвигатель 1 принят асинхронным мощностью от 15 до 70 кВт, с обеспечением частоты вращения вала, передаваемой рабочему колесу, до 3000 об/мин.

Работа предлагаемого электронасосного агрегата осуществляется следующим образом.

Присоединяют напорный и всасывающий трубопроводы (на чертежах не показано), а также трубопровод подачи затворной воды (на чертежах не показано) в узел сальникового уплотнения 19. Подключают питание к электродвигателю 1. Пуск насоса 3 производят в следующей последовательности: открывают подачу затворной воды к узлу сальникового уплотнения 19 вала 4. Открывают задвижку на всасывающем трубопроводе и заполняют насос 3 перекачиваемой жидкостью, осуществляют пуск электродвигателя 1. Затем регулируют давление и расход затворной воды, подаваемой в сальниковое уплотнение 19.

Перекачиваемая жидкая среда через всасывающий патрубок 10, попадая на вход во вращающееся центробежное рабочее колесо 5, перемещается от центра к периферии под действием центробежных сил и диффузного расширения в межлопаточных каналах 29 рабочего колеса 5, приобретая при этом кинетическую энергию и получая закрутку в направлении вращения рабочего колеса 5.

После выхода из рабочего колеса 5 поток переходит в диффузорный спиральный отвод 15, расширяющийся к напорному патрубку 16 в режиме соблюдения равенства скоростей потока на протяжении отвода 15. Из отвода 15 жидкая среда попадает в напорный патрубок 16, выполненный диффузорным со снижением скорости при прохождении в патрубке в 3,4 раза и одновременным переходом части кинетической энергии потока в потенциальную и поступает в трубопровод для транспортирования к следующему объекту.

Остановку агрегата производят в следующем порядке: закрывают задвижку на напорном трубопроводе, отключают электродвигатель 1, закрывают задвижку на всасывающем трубопроводе, отключают подвод затворной воды к сальниковому уплотнению 19. Во избежание запульповывания рабочего колеса 5 отстоем перекачиваемой жидкости, промывают проточную полость 11 насоса 3 чистой водой через штуцера на всасывающем и напорном трубопроводах.

Таким образом, за счет разработанных в изобретении конструктивных решений и технологических параметров основных агрегатов, а именно, технического решения вала ротора, разработанной системы лопаток и межлопаточных каналов рабочего колеса закрытого или открытого типа с заявленными параметрами дисков, конструктивного решения и формы спирального отвода и напорного патрубка, конструкцией силового сопряжения валов роторов, передающего крутящий момент от электродвигателя к насосу с демпфированием вибрации, повышаются ресурс, долговечность, надежность и эффективность перекачивания абразивных жидких сред.