Результат интеллектуальной деятельности: Горизонтальный многоступенчатый секционный центробежный насос

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к горизонтальным многоступенчатым секционным центробежным насосным установкам, предназначенным для закачки воды в нефтяные пласты и поддержания внутрипластового давления нефтяных месторождений при добыче нефти, а также для использования в качестве питательного насоса высокого давления паровых котлов электростанций и парогенераторных установок на нефтяных месторождениях.

В многоступенчатых центробежных насосных установках весь объем перекачиваемой жидкости передается последовательно от одного рабочего колеса насоса к другому, что приводит к повышению общего напора, вырабатываемого насосом. Общий напор многоступенчатого насоса будет равен сумме напоров, создаваемых каждым рабочим колесом. Секционное устройство насоса и установка рабочих колес на едином валу позволяет снизить трудоемкость монтажных и ремонтных работ при изготовлении и эксплуатации насоса. Однако при этом возникают проблемы по устранению вибраций, что в целом приводит к уменьшению срока службы насоса, снижению его надежности и КПД, увеличению затрат на эксплуатационные расходы.

Известен горизонтальный многоступенчатый секционный центробежный насос, входящий в состав горизонтальной многоступенчатой секционной центробежной насосной установки (патент RU 2529979 С1).

Недостатком данного насоса является, в частности, неоптимальное соотношение количества лопастей и лопаток каждой пары рабочего колеса и направляющего аппарата, что обуславливает более высокий уровень вибрации, приводит к снижению надежности, ремонтопригодности, к уменьшению срока эксплуатации, понижает КПД проточной части насоса.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание горизонтального многоступенчатого секционного центробежного насоса для горизонтальной многоступенчатой секционной центробежной насосной установки, обладающего повышенными КПД, надежностью, ремонтопригодностью, сроком эксплуатации.

В ходе решения данной задачи достигается совокупность технических результатов: уменьшение вихреобразования из-за воздействия возмущающих сил и пульсаций давления; снижение вибрации насоса в следствии уменьшения возмущающих сил и пульсаций давления.

Указанная совокупность технических результатов достигается тем, что горизонтальный многоступенчатый секционный центробежный насос содержит минимум две проточных части, которые включают центробежное рабочее колесо и направляющий аппарат, при этом количество лопастей (х) каждого рабочего колеса и количество лопаток (у) каждого направляющего аппарата должно удовлетворять хотя бы одной системе неравенств, выбранной из группы:

,

,

,

,

,

где x и y составляют числа от 1 до 14.

Данное выполнение проточной части эффективно для любого горизонтального многоступенчатого секционного центробежного насоса. Далее описан частный случай исполнения насоса.

Горизонтальный многоступенчатый секционный центробежный насос (в дальнейшем - насос) входит в состав горизонтальной многоступенчатой секционной центробежной насосной установки, которая включает приводной электродвигатель, сам насос, муфту, соединяющую валы насоса и электродвигателя, опорную раму для крепления насоса и электродвигателя. Насос включает цилиндрический секционный корпус (в дальнейшем - корпус), рабочие колеса, установленные на валу, щелевые уплотнения, направляющие аппараты, входную торцевую и напорную крышки, входной и напорный патрубки. Вал с рабочими колесами установлен в опорных подшипниках и имеет торцевые уплотнения, размещенные в камерах входной и торцевой крышек. При этом корпус насоса выполнен в виде двух отдельных частей, в каждой их которых размещены рабочие колеса и направляющие аппараты, а напорная крышка установлена между этими двумя частями корпуса. Насос содержит переводную торцевую крышку для перевода жидкости из первой части корпуса во вторую через переводные каналы, выполненные в напорной и переводной крышках заодно с ними, торцевое уплотнение, размещенное в камере переводной крышки. Рабочие колеса, установленные на валу в первой и второй частях корпуса, расположены зеркально друг другу относительно напорной крышки, расположенной между первой и второй частями корпуса. Щелевые уплотнения рабочих колес насоса выполнены в виде колец из износостойкого материала, установленных по горячей посадке в рабочих колесах и зафиксированных от проворота с помощью резьбовых винтов. Входная и переводная крышки выполнены с каналами подачи очищенной жидкости из системы гидроциклонной сепарации в камеры торцевых уплотнений, а также с каналами подачи пара из внешнего источника генерации пара в камеры торцевых уплотнений. Первые секции частей корпуса насоса в местах установки колес первых ступеней снабжены отводными каналами забора жидкости в систему гидроциклонной сепарации, а корпусы двухрядных роликовых радиально-упорных подшипников - каналами подачи масла в их центральную часть.

Настоящий горизонтальный многоступенчатый секционный центробежный насос иллюстрируется фиг. 1-4.

На фиг. 1 показан общий вид горизонтальной многоступенчатой секционной центробежной насосной установки;

на фиг. 2 показан вид насоса в продольном сечении;

на фиг. 3 показана проточная часть насоса;

на фиг. 4 показана проточная часть насоса.

Как показано на фиг. 1-4, насос (2) входит в состав горизонтальной многоступенчатой секционной центробежной насосной установки, которая наряду с насосом включает приводной электродвигатель (1), муфту (3), соединяющую валы (4) и (5) соответственно насоса (2) и электродвигателя (1), опорную раму (6) для крепления насоса (2) и электродвигателя (1), при этом насос (2) содержит цилиндрический секционный корпус (7) (в дальнейшем корпус), рабочие колеса (8), установленные на валу (4), щелевые уплотнения (9), направляющие аппараты (10), входную торцевую (11) и напорную (12) крышки, входной (13) и напорный (14) патрубки, вал (4) с рабочими колесами (8) установлен в опорных подшипниках и имеет торцевое уплотнение (15), размещенное в камере (16) входной торцевой (11) крышки. Проточные части насоса, состоящие из рабочих колес (8) и направляющих аппаратов (10), размещены в корпусе (2). Переводная торцевая крышка (17) предназначена для перевода жидкости из первой части (А) цилиндрического корпуса (7) во вторую (В) через переводные каналы (18), выполненные в напорной (12) и переводной (17) крышках заодно с ними. Торцевое уплотнение (19) размещено в камере (20) переводной крышки (17), рабочие колеса (8), установленные на валу (4) и размещенные в первой (А) и второй (В) частях корпуса (2), расположены зеркально друг другу относительно напорной крышки (12).

Входная торцевая (11) и переводная (17) крышки содержат каналы (21) подачи очищенной жидкости из системы (22) гидроциклонной сепарации в камеры торцевых уплотнений. Входная торцевая (11) и переводная (17) крышки содержат каналы (23) подачи пара из внешнего источника генерации пара (не показано) в камеры торцевых уплотнений. Первые секции каждой из двух частей (А) и (В) корпуса (7) насоса (2) в местах установки рабочих колес (8), первых ступеней снабжены отводными каналами (24) забора жидкости в систему (22) гидроциклонной сепарации. Корпусы подшипников содержат каналы (25) подачи масла в их центральную часть.

Для исключения возмущающих воздействий сил и пульсаций давлений в каждой проточной части насоса, (х) - количество лопастей (26) каждого рабочего колеса (8), и (у) - количество лопаток (27) каждого направляющего аппарата (10), выбирается из условия удовлетворения хотя бы одной системе неравенств, выбранной из группы

1-я система неравенств ,

2-я система неравенств ,

3-я система неравенств ,

4-я система неравенств ,

5-я система неравенств ,

где x и y составляют числа от 1 до 14.

Данные неравенства описывают выбор соотношения количества лопастей (х) рабочего колеса и количества лопаток (у) направляющего аппарата. Системы неравенств были получены экспериментальным путем, путем перебора всех возможных соотношений количества лопастей и лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата в матрице размером 14×14, где 14 - это количество лопастей рабочего колеса от 1-го до 14-ти штук и 14 - это количество лопаток направляющего аппарата от 1-й до 14-ти штук.

Согласно полученным результатам, в случае выполнения проточной части насоса таким образом, что количество лопастей (х) каждого рабочего колеса и количество лопаток (у) каждого направляющего аппарата удовлетворяет хотя бы одной системе неравенств из указанной группы, то при эксплуатации насоса практически отсутствует возмущающее воздействие сил и пульсаций давлений в проточной части насоса. Кроме того, перебор данных соотношений осуществлялся расчетом трехмерной параметризированной математической модели рабочего колеса и направляющего аппарата.

Пример реализации изобретения

Конструктор проектирует насос исходя из конкретных параметров, заданных в его техническом задании (в общем случае это: 1. подача насоса в м³/ч; 2. напор наоса в м). Соответственно на основе классической теории расчета, приближаясь по расчету к выбору числа лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата, теория дает возможные диапазоны по расчету. Теория точно не описывает количество элементов, а лишь дает диапазоны.

Например, число лопастей должно быть от 7-ми до 10-ти, а лопаток от 6-ти до 8-ми. Инженер-конструктор выбрал число лопастей (х) рабочего колеса, равным 8, а число лопаток (у) направляющего аппарата, равным 6. Подставляем данные значения в неравенства и получаем

, НЕ ВЕРНО

, НЕ ВЕРНО

, НЕ ВЕРНО

, НЕВЕРНО

, НЕ ВЕРНО

Выбранные значения не удовлетворяют ни одной системе неравенств. Следовательно, при выборе данных значений в проточной части насоса возникнут возмущающие силы и пульсации давлений, что в свою очередь приведет к снижению КПД и увеличению вибрации насоса.

Если инженер-конструктор выбрал число лопастей (х) рабочего колеса равным 10, а число лопаток (у) направляющего аппарата равным 8, то

, НЕ ВЕРНО

, НЕ ВЕРНО

, НЕ ВЕРНО

, ВЕРНО

, НЕ ВЕРНО

Выбранные значения удовлетворяют четвертой системе неравенств. Следовательно, при выборе указанных значений в проточной части насоса не возникнут возмущающие силы и пульсации давлений, что в свою очередь приведет к увеличению КПД и снижению вибрации насоса.

Изобретение позволяет выбрать точное оптимальное количество лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата. Насос по изобретению обладает повышенными КПД, надежностью, ремонтопригодностью и сроком эксплуатации.