Шнекоцентробежный насос

Изобретение относится к области насосостроения. Шнекоцентробежный насос содержит установленные в корпусе 1 на валу 2 центробежное колесо 3 двустороннего всасывания и два предвключенных шнека 4 и 5 с встречно направленными друг к другу винтовыми лопастями 6 с цилиндрическим наружным входным участком, переходящим в участок 8 с плавно уменьшающимся к выходу диаметром. Шнеки 4 и 5 заключены в профилированные втулки 9. Центробежное колесо 3 с каждой стороны состоит из осерадиального колеса и наружный диаметр его входного осевого участка равен наружному диаметру входа шнека 4 и 5. Каждый шнек 4 и 5 выполнен с шагом винтовых лопастей 6, плавно увеличивающимся к выходу. Угол установки лопастей шнека 4 и 5 увеличивается от 9-15° на входе до 15-25° на выходе. Густота решетки равна 1-1,5 на входе в шнек 4 и 5. Угол установки лопаток на входном осевом участке осерадиального колеса равен углу установки лопастей 6 шнека 4 или 5 на выходе. Густота решетки на входном участке осерадиального колеса равна 1-1,5. Число лопаток осерадиального колеса выполнено переменным на каждом участке. Изобретение направлено на увеличение КПД, повышение кавитационных качеств, уменьшение пульсаций давления и вибраций в насосе. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области насосостроения и предназначено для использования в насосах для перекачивания жидкости, например для нефти.

Известен шнекоцентробежный насос, содержащий корпус, установленные в корпусе на валу шнекоцентробежное колесо двустороннего всасывания и два предвключенных шнека, встречно направленных друг к другу (А.Г.Гумеров и др. «Центробежные насосы в системах сбора, подготовки и магистрального транспорта нефти», под общей редакцией А.Г.Гумерова, М, Недра, 1989, с.63).

Известен шнекоцентробежный насос, содержащий корпус, установленные в корпусе на валу шнекоцентробежное колесо двустороннего всасывания и два предвключенных шнека с встречно направленными друг к другу винтовыми лопастями и с цилиндрическим наружным входным участком, переходящим в участок с плавно уменьшающимся к выходу наружным диаметром, шнеки заключены в профилированные втулки (патент РФ №2062360, МПК⁶ F04D 1/04, 1996, ближайший аналог).

Недостатком обоих известных шнекоцентробежных насосов является недостаточно высокий гидравлический КПД насоса, низкие кавитационные качества и высокие пульсации давления и вибрации в насосе из-за неосуществления правильного профилирования центробежного колеса и несоздания особо профилированного шнека.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение (шнекоцентробежный насос), заключается в увеличении КПД, повышении кавитационных качеств, уменьшении пульсаций давления и вибраций в насосе.

Для достижения указанного выше технического результата в шнекоцентробежном насосе, содержащем корпус, установленные в корпусе на валу центробежное колесо двустороннего всасывания и два предвключенных шнека с встречно направленными друг к другу винтовыми лопастями и цилиндрическим наружным входным участком, переходящим в участок с плавно уменьшающимся к выходу наружным диаметром, шнеки заключены в профилированные втулки, согласно изобретению каждый шнек выполнен с шагом винтовых лопастей, плавно увеличивающимся к выходу, и с отношением наружного диаметра выхода шнека D_вых.ш. к наружному диаметру входа шнека D_вх.ш., составляющим D_вых.ш./D_вх.ш.=0,75-0,9, угол установки лопастей шнека плавно увеличивается на входе от 9-15° до 15-25° на выходе, густота решетки равна 1-1,5 на входном участке шнека и на выходном участке шнека 1,5-4, центробежное колесо с каждой стороны состоит из осерадиального колеса с основным и покрывным дисками и расположенными между ними плавно изогнутыми лопатками и наружный диаметр его входного-осевого участка равен наружному диаметру выхода шнека, а угол установки лопаток на входном-осевом участке осерадиального колеса равен углу установки лопастей шнека на выходе, густота решетки на входном-осевом участке осерадиального колеса равна 1-1,5, число лопаток осерадиального колеса выполнено переменным и составляет на входном-осевом участке z=3-6, на диагональном участке z₂=(3-6)z₁, на выходном-радиальном участке z₃=(1-8)z₂, что создает правильное согласование параметров обоих шнеков и центробежного колеса двустороннего всасывания, обеспечивающее максимальный гидравлический КПД, повышение кавитационных качеств, уменьшение пульсаций давления и вибраций в насосе.

Выполнение каждого шнека с шагом винтовых лопастей, плавно увеличивающимся к выходу, обеспечивает требуемый напор на входе в центробежное колесо.

Выполнение шнека с отношением наружного диаметра выхода шнека D_вых.ш. к наружному диаметру входа шнека D_вх.ш., составляющим В_вых.ш./D_вх.ш.=0,75-0,9, обеспечивает требуемое распределение скоростей и давлений перекачиваемой жидкости на входе в центробежное колесо, приводящее к максимальным гидравлическим потерям, повышению кавитационных качеств и уменьшению пульсаций давления и вибраций в насосе.

Выполнение угла установки лопастей шнека плавно увеличивающимся от 9-15° на входе до 15-25° выходе обеспечивает требуемое распределение скоростей и давлений перекачиваемой жидкости на входе в центробежное колесо.

Выполнение густоты решетки на входе в шнек равной 1-1,5 обеспечивает сочетание высоких кавитационных качеств, уменьшение пульсаций давления, вибраций в насосе и увеличение гидравлического КПД.

Выполнение центробежного колеса двустороннего всасывания состоящим с каждой стороны из осерадиального колеса с основным и покрывным дисками и расположенными между ними плавно изогрутыми лопатками и с наружным диаметром его входного-осевого участка, равным наружному диаметру выхода шнека, и угла установки лопаток на входном-осевом участке осерадиального колеса, равном углу установки лопастей шнека на выходе, обеспечивает правильное согласование параметров шнека и центробежного колеса, обеспечивающее оптимальную их работу.

Выполнение густоты решетки на входном-осевом участке осерадиального колеса 1-1,5, числа лопаток осерадиального колеса переменным и составляющим на входном участке z₁=3-6, на диагональном участке z₂=(3-6)z₁, на выходном участке z₃=(1-8)z₂ обеспечивает постепенный подвод энергии к перекачиваемой жидкости за счет оптимизации формы меридионального сечения, постепенно-плавного увеличения изгиба лопатки по длине тока от входной кромки лопатки до выходной, а также оптимального распределения углов лопаток по радиусу.

В шнекоцентробежном насосе число лопастей шнека может быть выполнено переменным и составлять на входе 1-4 и на выходе 1-6, что обеспечивает дополнительное увеличение напора жидкости на выходе из шнека и расширяет возможности использования центробежных насосов с другими параметрами.

На фиг.1 изображен шнекоцентробежный насос в разрезе; на фиг.2 - центробежное колесо двустороннего всасывания; на фиг.3 - вид по А на фиг.2; на фиг.4 - вид с торца на центробежное колесо без покрывного диска; на фиг.5 - шнек в разрезе; на фиг.6 - вид по Б на фиг.5; на фиг.7 - вид по В на фиг.5; на фиг.8 - развертка шнека.

Шнекоцентробежный насос содержит корпус 1, установленные в корпусе 1 на валу 2 центробежное колесо 3 двустороннего всасывания и два предвключенных шнека 4 и 5 с встречно направленными друг к другу винтовыми лопастями 6 с цилиндрическим наружным входным участком 7, переходящим в участок 8 с плавно уменьшающимся к выходу диаметром. Шнеки 4 и 5 заключены в профилированные втулки 9.

Центробежное колесо 3 двустороннего всасывания с каждой стороны состоит из осерадиального колеса 10 с основным диском 11 и покрывным диском 12 и расположенными между ними плавноизогнутыми лопатками 13 и имеет входной осевой участок 14, диагональный участок 15 и выходной радиальный участок 16.

Шнеки 4 или 5 имеют шаг S винтовых лопастей 6, плавно увеличивающийся к выходу. Отношение наружного диаметра выхода шнека 4 или 5 D_вых.ш. к наружному диаметру входа шнека 4 или 5 D_вх.ш. составляет D_вых.ш./D_вх.ш.=0,75-0,9.

Угол установки лопастей 6 шнека 4 или 5 плавно увеличивается от 9-15° на входе в шнек 4 или 5 на выходе из шнека до 15-25°. Густота решетки составляет 1-1,5.

Наружный диаметр входного-осевого участка 14 осерадиального колеса 10 равен наружному диаметру выход шнека 4 или 5.

Угол установки лопаток 13 на входном-осевом участке 14 осерадиального колеса 10 равен углу установки винтовых лопастей 6 шнека 4 или 5 на выходе из шнека 4 или 5. Густота решетки осерадиального колеса 10 на входном-осевом участке 14 составляет 1-1,5.

Число лопаток 13 осерадиального колеса 10 выполнено переменным и составляет на входном-осевом участке 14 z₁=3-6, на диагональном участке 15 z₂=(3-6)z₁, на выходном радиальном участке 16 z₃=(1-8)z₂.

Число лопастей 6 шнека 4 или 5 может быть выполнено переменным и составлять на входе 1-4 и на выходе 1-6. На фиг.5 изображен шнек с основной лопастью 6 и дополнительной лопастью 17. Шнекоцентробежный насос работает следующим образом.

В исходном положении внутренняя полость насоса залита жидкостью (нефтью). Вал вращается от привода (не показан) и приводит во вращение центробежное колесо 3 двустороннего всасывания и шнека 4 и 5. Жидкость начинает перекачиваться.

Правильное согласование параметров шнеков 4 и 5 и центробежного колеса 3 обеспечивает максимальный гидравлический КПД, повышает кавитационные качества, уменьшает пульсации давления и вибрации в насосе.

Гидравлический КПД шнека 4 или 5 (η_г.ш.=0,45-0,8) ниже, чем центробежного колеса 3 (η_г.ц.к.=0,88-0,97). Отсюда следует, что чем меньше относительная доля энергии, потребляемая шнеком 4 и 5 в шнекоцентробежном насосе, тем выше гидравлический КПД всего шнекоцентробежного насоса.

Шнек 4 или 5 должен создавать минимальный напор и обеспечить такое распределение скоростей и давлений, которые необходимы на входе в центробежное колесо 3 для обеспечения наибольшего гидравлического КПД.

Наружный цилиндрический входной участок 7 создает минимально необходимую величину напора для центробежного колеса 3 для повышения кавитационных качеств, а участок 8 с плавно уменьшающимся к выходу диаметром шнека 4 и 5 обеспечивает минимальные гидравлические потери, увеличивая гидравлический КПД.

Шнек 4 и 5 имеет шаг винтовых лопастей 6, плавно увеличивающийся к выходу. Закон изменения шага винтовых лопастей определяется расчетом трехмерного течения жидкости исходя из условия обеспечения требуемого напора на входе в центробежное колесо 3.

Угол установки лопастей шнека плавно увеличивается на от 9-15° на входе шнека до 15-25° на выходе шнека для обеспечения требуемого распределения скоростей и давлений на входе в центробежное колесо.

Отношение диаметра выходного участка шнека D_вых.ш. к диаметру входа шнека D_вх.ш., составляющее D_вых.ш./D_вх.ш.=0,75-0,9, с плавно уменьшающимся диаметром шнека обеспечивает минимальные гидравлические потери, повышение кавитационных качеств и уменьшает пульсации давления жидкости и вибрации в насосе.

Число лопастей шнека 4 и 5 выполнено переменным и составляет на входе 1-4 и на выходе 1-6. Число лопастей увеличивается на выходе в зависимости от необходимости увеличения напора жидкости на выходе из шнека 4 и 5.

Исследования показали, что для улучшения энергетических характеристик центробежного колеса 3 двустороннего всасывания необходимо использовать осерадиальное колесо 10 и обеспечить постепенность подвода энергии к жидкости за счет оптимизации формы меридионального сечения, постепенно-плавного увеличения изгиба лопатки по длине линии тока от входной кромки лопатки до выходной, а также оптимального распределения углов лопаток по радиусу.

На входном-осевом участке поток жидкости подходит к осерадиальному колесу 10 в осевом направлении и с малыми углами атаки входит в межлопаточные каналы. Назначение входного-осевого участка 14 - обеспечение высоких антикавитационных свойств насоса и плавного натекания потока на лопатки 13 с целью создания равномерной структуры потока на диагональном участке 15.

На диагональном участке 15 происходит плавный перевод потока жидкости из осевого направления в радиальное. За счет специально выполненного профилирования меридионального сечения осерадиального колеса 10 и оптимального распределения углов установки лопаток обеспечиваются малые градиенты давления в меридиональном сечении осерадиального колеса 10, что дает возможность перевести поток из осевого направления в радиальное с минимальными гидравлическими потерями.

На выходном участке 16 происходит максимальное увеличение энергии жидкости для создания напора и за счет большого числа лопаток 13 на этом участке обеспечивается оптимальная гидродирамическая нагруженность лопаток и безотрывное течение в межлопаточных каналах.

Предложенный шнекоцентробежный насос прошел успешные испытания.

1. Шнекоцентробежный насос, содержащий корпус, установленные в корпусе на валу центробежное колесо двустороннего всасывания и два предвключенных шнека с встречно направленными друг к другу винтовыми лопастями и цилиндрическим наружным входным участком, переходящим в участок с плавно уменьшающимся к выходу наружным диаметром, шнеки заключены в профилированные втулки, отличающийся тем, что каждый шнек выполнен с шагом винтовых лопастей плавно увеличивающимся к выходу и с отношением наружного диаметра выхода шнека D_вых.ш. к наружному диаметру входа шнека D_вх.ш.,составляющим D_вых.ш./D_вх.ш.=0,75-0,9, угол установки лопастей шнека плавно увеличивается от 9-15° на входе до 15-25° на выходе, густота решетки равна 1-1,5 на входном участке шнека и на выходном участке шнека 1,5-4, центробежное колесо с каждой стороны состоит из осерадиального колеса с основным и покрывным дисками и расположенными между ними плавно изогнутыми лопатками и наружный диаметр его входного-осевого участка равен наружному диаметру выхода шнека, а угол установки лопаток на входном-осевом участке осерадиального колеса равен углу установки лопастей шнека на выходе, густота решетки на входном-осевом участке осерадиального колеса равна 1-1,5, число лопаток осерадиалоного колеса выполнено переменным и составляет на входном-осевом участке z₁=3-6, на диагональном участке z₂=(3-6)z₁, на выходном-радиальном участке z₃=(1-8)z₂.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что число лопастей шнека выполнено переменным и составляет на входе 1-4 и на выходе 3-12.