Насосная установка для перекачивания газожидкостной смеси

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Е 04 D 31/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .

К АВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ дроссельную шайбу. 2 ил.

4

«4 ! с ()>

1 (21) 4914199/29 (22) 25.02.91 (46) 07.12.92. Бюл. N 45 (71) Всесоюзное научно-производственное объединение по рациональному использованию газа в народном хозяйстве "Союзпром газ" (72) И.В.Щербатенко и В.П.Ханкин (56) Петров В.И., Чебаевский В.Ф. Кавитация в высокооборотных лопастных насосах.

М.: Машиностроение, 1982, с. 174. рис, 7.8. (54) НАСОСНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕКАЧИВАНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ (57) 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 давлеИзобретение относится к насосостроению 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 поло„„5U„„1779796 А1 ния (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 сти 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 жидкостно-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 зффективность при работе на нерасчетных ре1779796 жимах, когда отсепарированная газовая фаза либо накапливается в рабочем колесе, либо вместе с газовой фазой отсасывается количество жидкости большее, чем зто необходимо для обеспечения бескавитацион- 5 ной работы насоса. B первом случае происходит кавитационный срыв режима работы насосной установки, а во втором случае понижается ее экономичность из-за непроизводительной потери жидкости. 10

Наиболее близкой к предлагаемой является насосная установка для перекачивания газожидкостной смеси, включающая лопастной насос-сепаратор, содержащий корпус и установленный в нем полый вал с рабочи- 15 ми 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. 20

Экспериментально установлено, что местом сепарации газовой фазы в проточной части насоса, например, осевого в основном является околовтулочное пространство как в самом рабочем колесе, 25 так и непосредственно за ним, а также всасывающая сторона лопастей, где газовая фаза, скапливаясь, образует каверну, наподобие паровой при развитом кавитационном течении. 30

Однако известная насосная установка обладает низкой всасывающей способностью и экономичностью на нерасчетных режимах работы. Первое обусловлено накапливанием отсепарированного газа в 35 проточной части насоса, включая всасывающую сторону лопастей, до величины, превышающей критическую, что приводит к кавитационному срыву режима работы насоса, а второе — непроизводительной поте- 40 рей жидкости, когда производительность отсасывающего устройства превышает количество отсепарированного газа. В атом случае вместе с газовой фазой из проточной части насоса отсасывается значительно 45 большее, чем на расчетном режиме, количество жидкости, Указанные недостатки являются следствием отсутствия регулятора расхода на линии отсоса газовой фазы.

Цель изобретения — повышение всасы- 50 вающей способности и экономичности насосной установки на нерасчетных режимах оаботы путем регулирования количества отсасываемого газа.

Поставленная цель достигается тем, что 55 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 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 через дроссельную шайбу сообщены с источником низкого давления.

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-сепаратор 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 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 выходными 11 тангенциальными каналами, радиальным каналом 12 и центральными отверстиями 13 и 14, а также регулирующий орган с приводом от дифференциального датчика давления 15, Регулирующий 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 каналами 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 сообщена 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 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 источни1779796

55 ка низкого давления может быть использован струйный, жидкостно-кольцевой или другие насосы. При использовании данной . насосной установки в составе двигательной установки космического летательного аппарата источником низкого давления может служить окружающее (забортное ) пространство. Чтобы уменьшить непроизводительные потери жидкости, в качестве источника низкого давления, подсоединенного к гидролинии 27, может быть использована полость низкого давления импеллерного уплотнения вала (не показано) насоса-сепаратора 1.

Насосная установка работает следующим 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 иэ чистой жидкости, и внутреннюю область, заполненную гаэожидкостной смесью, которая в основном состоит из газовой 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 клапан — в тангенциальные каналы 10. Проходя через зти каналы, газожидкостная 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 источника 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

35 низким содержанием жидкости, практически один газ . В связи с этим толщина образующегося в насадке 33 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 гаэожидкостной 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

1779796 газовой фазы, а с другой стороны, не допускаются непроизводительные потери жидкости из проточной части насоса, особенно в случае соединения гидролинии 27 с импеллерным 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 тарель 16 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, 5 отсасываемой из проточной части насоса при перекачивании газожидкостной смеси.

Формула изобретения

Насосная установка для перекачивания газожидкостной смеси, включающая лопа10 стной 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 по15 лость вала с проточной частью насоса-сепаратора в месте сепарации газовой фазы, о тл ич а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения всасывающей способности и экономичности на нерасчетных режимах работы путем

20 регулирования количества отсасываемого газа, между полостью вала и источником низкого давления установлен регулятор расхода, выполненный в виде цилиндрического полого насадка с входными и выход25 ными тэнгенциальными каналами на концах, радиальным каналом между ними и двумя центральными отверстиями, одно из которых сообщено гидравлической магистралью с источником низкого давления, и

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

35 тангенциальные каналы сообщены с источником низкого давления через дроссельную шайбу.

1779796

Насосиая установка

5f ф

Р Я о m в о й4 О

О» х о

Составитель И. Щербатенко

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор И.Шмакова

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4422 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5