Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №3 (137) январь 2017 г.

Дата публикации: 21.01.2017

Статья просмотрена: 357 раз

Библиографическое описание:

Стюфляев С. С., Шипулин О. Г. Сравнительный анализ многоступенчатого насоса типа ЦНС с оппозитным расположением колес и с гидропятой // Молодой ученый. — 2017. — №3. — С. 165-171. — URL https://moluch.ru/archive/137/38437/ (дата обращения: 27.04.2018).



В статье рассматривается конструкция насоса типа ЦНС с различными вариантам разгрузки осевой силы. Проведен обзор и анализ разгрузочных устройств и модификаций конструкции. Проводится сравнительный анализ использования гидропяты и оппозитного расположения колес в конструкции ЦНС с точки зрения энергоэффективности и технологичности.

Ключевые слова: многоступенчатый насос, разгрузочное устройство, гидропята

Key words: multistage pump, balancing device, hydraulic balancing device

Насосное оборудование нашло широкое применение практически во всех отраслях промышленности. Особое значение имеет насосное оборудование, ведущее бесперебойную работу в таких отраслях, как нефтяная и газовая промышленности, водоснабжение и коммунальное хозяйство, энергетика и металлургия, требования к которому постоянно возрастают. Особенно это касается повышения надежности и снижения энергопотребления [4, 5].

Известно, что на ротор многоступенчатого высоконапорного насоса действует большая по абсолютному значению осевая сила, которая при отсутствии разгрузочных устройств может вызвать осевое смещение вала с рабочими колесами в сторону всасывания. Осевой сдвиг в эксплуатационных условиях может произойти и при наличии разгрузочных устройств из-за износа уплотнений. Поэтому устройства для разгрузки осевого давления в насосе должны обеспечивать надежную работу, как в нормальных условиях эксплуатации, так и в случае значительного износа уплотнений. В противном случае износ уплотнений будет приводить к аварии устройств, уравновешивающих осевое давление.

Осевая сила вцентробежном насосе испособы ее уравновешивания.

Осевые силы в центробежном насосе являются результатом разности давлений действующих на передний и задний диски рабочего колеса (рис. 1). В большинстве случаев эта сила направлена в сторону всаса насоса. Есть случаи, когда в результате применения в процессах с высоким давлением на всасе осевое усилие направлено от всасывающей стороны насоса. В данной статье этот случай не рассматривается.

\\Mgsrv\kb1\ВРЕМЕННЫЕ ДОКУМЕНТЫ\Студ\Осевая сила.jpg

Рис. 1. Схема распределения давления по боковым поверхностям рабочего колеса

Наиболее простым способом уравновешивания осевой силы центробежного насоса является использование упорного или радиально-упорного подшипника. Очевидно, этот способ имеет определенные ограничения, такие как величина осевой силы, и соответственно размер подшипника, его тепловыделение и срок службы.

Теперь рассмотрим другие методы уравновешивания этой силы в одноступенчатых насосах:

  1. Применение рабочего колеса двустороннего входа.

Самым эффективным способом осевой разгрузки ротора в одноступенчатых насосах является применение рабочих колес двустороннего входа (рис. 2). Вследствие симметрии рабочего колеса относительно плоскости, перпендикулярной оси ротора, теоретически осевое усилие должно быть полностью уравновешенным [1, 6]. Однако из-за погрешностей изготовления или неравномерного износа уплотнений может возникнуть осевое усилие.

\\Mgsrv\kb1\ВРЕМЕННЫЕ ДОКУМЕНТЫ\Студ\Статья 2\двустороннего входа.jpg

Рис. 2. Рабочее колесо двустороннего входа

  1. Применение симметричных щелевых уплотнений.

Для выравнивания сил давления на основной и покрывающий диски заднее щелевое уплотнение располагается на одном уровне с передним (рис. 3) [6]. Если полость Б сообщить с полостью А разгрузочными отверстиями в основном диске рабочего колеса или обводной трубой (показана пунктиром), то давления в них будут практически одинаковыми и осевая сила будет уравновешена. При данном способе уравновешивания остаются неуравновешенными силы и, на восприятие которых и рассчитывается упорный подшипник. Снижение КПД при таком способе уравновешивания оценивается в 3–4 % из-за увеличения объемных потерь и нарушения структуры потока на входе в рабочее колесо (в случае разгрузочных отверстий).

\\Mgsrv\kb1\ВРЕМЕННЫЕ ДОКУМЕНТЫ\Студ\Статья 2\Симметричные щелевые.jpg

Рис. 3. Симметричные щелевые уплотнения ступени

  1. Применение импеллерных лопаток.

Импеллер (рис. 4) закручивает жидкость в задней пазухе, изменяя тем самым эпюру давления. Импеллеры бываю двух типов: с открытыми и закрытыми лопатками. Разгрузочные ребра могут быть рассчитаны как на полную, так и на частичную осевую разгрузку. Для восприятия остаточной неуравновешенной осевой силы устанавливается упорный подшипник. Применение импеллеров связано с дополнительной затратой мощности и снижением КПД насоса примерно на 3–5 %. Такой способ разгрузки часто применяется в насосах, перекачивающих загрязненные жидкости, так как ребра предотвращают проникновение взвешенных частиц в зазор между основным диском рабочего колеса и корпусом насоса [7].

\\Mgsrv\kb1\ВРЕМЕННЫЕ ДОКУМЕНТЫ\Студ\Статья 2\импеллеры.jpg

Рис. 4. Рабочее колесо с импеллером

В случае многоступенчатого насоса для уравновешивания осевой силы используются следующие способы:

  1. Симметричное расположение групп рабочих колес.

В многоступенчатых насосах применяют симметричное расположение колес. При этом приходится предусматривать сложные переводные каналы, которые увеличивают габариты насоса и приводят к большим гидравлическим потерям. Преимуществом данного метода является практически полная компенсация осевой силы во всех диапазонах работы, а так же отсутствие блока разгрузки от осевых сил, что делает конструкцию более технологичной и будет отсутствовать утечка через разгрузочное устройство [7].

\\Mgsrv\kb1\ВРЕМЕННЫЕ ДОКУМЕНТЫ\Студ\Статья 2\Оппозитное расположение.jpg

Рис. 5. Уравновешивание осевой силы оппозитным расположением колес

  1. Применение гидравлической пяты.

Наиболее распространенным способом уравновешивания осевой силы в насосах секционного типа является автоматическое уравновешивание ротора гидропятой (рис. 6) [6]. Гидропята содержит жестко закрепленный на валу разгрузочный диск 5, неподвижное опорное кольцо (подушку) 2, последовательно расположенные цилиндрический 1 и торцовый 3 дроссели и камеру 4, разделяющую эти дроссели.

\\Mgsrv\kb1\ВРЕМЕННЫЕ ДОКУМЕНТЫ\Студ\Статья 2\Пята.jpg

Рис. 6. Схема гидропяты

Полный перепад давления на пяте представляет собой разницу между давлением нагнетания и давлением в камере за гидропятой, которая обычно соединяется обводной трубой с входным патрубком насоса. Часть общего перепада давления дросселируется на торцовом дросселе, проводимость которого зависит от осевого смещения ротора. Например, если под действием избыточной осевой силы ротор сместится влево, то зазор в торцовом дросселе уменьшится, что в свою очередь вызовет рост давления в камере гидропяты до уровня, обеспечивающего восстановление равновесия ротора. Кроме осевого уравновешивания ротора, гидропята выполняет дополнительную функцию разгрузки концевого уплотнения насоса со стороны нагнетания от высокого давления.

Наряду с гидропятой, в некоторых конструкциях осевое усилие уравновешивают при помощи разгрузочного барабана. Основным преимуществом разгрузочного барабана является меньшая опасность соприкосновения вращающихся и неподвижных деталей по сравнению с гидропятой. К недостаткам относится неполное уравновешивание осевого усилия во всем диапазоне работы, увеличение осевых габаритных размеров насоса, меньшая экономичность.

Из выше сказанного можно сделать вывод о том, что актуальным в нашем случая являются два метода разгрузки, а именно: с помощью автоматического разгрузочного устройства — гидропяты и с помощью оппозитного расположения рабочих колес.

Использование разгрузки внасосах типа ЦНС.

В данной работе рассматривается два типа конструкции центробежного многоступенчатого секционного насоса для сравнения технических и технологических характеристик для выявления более оптимальной конструкции.

Насосы типа ЦНС (рис. 7) и агрегаты электронасосные на их основе предназначены для закачки в нефтеносные пласты пресных и нефтепромысловых вод, в том числе сероводородсодержащих, с целью поддержания внутрипластового давления при добыче нефти.

Область применения:

− системы законтурного или внутриконтурного заводнения нефтяных пластов;

− системы утилизации пластовой воды на нефтяных месторождениях;

− системы гидросбива окалины на металлургических заводах и в литейных производствах;

− системы гидровыгрузки кокса в установках замедленного коксования на нефтеперерабатывающих заводах.

F:\1\Snimok.jpg

Рис. 7. Схема насоса типа ЦНС (с гидропятой)

Типовая конструкция насоса показана выше. Насос рассчитан на следующие параметры:

− подача,

− напор,

− частота вращения,

Для создания напора в насосе использовали 10 ступеней. Т. к. насос многоступенчатый, осевая сила в нем достигает больших величин, в конкретном случае вышло, что F∑ос = 3.6×105 Н. Для разгрузки насоса от осевой силы используются различные конструктивные решения.

В первом случае в насосе для разгрузки используем автоматическое разгрузочное устройство — гидропяту. Во втором случае — оппозитное расположение колес.

Так же в новой конструкции, была произведена замена узла подшипника качания на подшипник скольжения. Это позволило избавиться от дополнительного уплотнения, что привело к уменьшению габарита этого узла и уменьшению механических потерь, а также упростило обслуживание насоса. Также подшипник скольжения имеет ряд преимуществ по сравнению с подшипником качения. Он обладает большим ресурсом работы, а также производит меньше шума и вибраций.

Еще одно изменение в конструкции, это замена сальникого уплотнения на торцевое уплотнение. Торцовое уплотнение имеет больший ресурс работы, а также обладает более высоким качеством герметизации.

F:\1\Snimok2.jpg

Рис. 8. Схема насоса типа ЦНС (с оппозитным расположением колес)

Основными критериями сравнения насосов были:

− энергоэффективность (объемный КПД (ɳоб), гидравлический КПД (ɳг), гидромеханический КПД (ɳгм), общий КПД насоса (ɳобщ))

− габариты насосного агрегата (длинна (l), высота (h))

− технологичность конструкции

Таблица 1

Сравнение характеристик

Конструкция сгидропятой

Конструкция соппозитным расположением колес

ɳоб

92,1 %

94,1 %

ɳг

88,7 %

86,7 %

ɳгм

89,4 %

89,4 %

ɳобщ

73,0 %

72,9 %

l

2210 мм

2170 мм

h

835 мм

1090 мм

Габариты насоса изменились незначительно. В новой конструкции из-за отсутствия одного уплотнения и отсутствия разгрузочного устройства осевой габарит уменьшился, но за счет появления двух дополнительных кольцевых камер габарит увеличился. В целом линейный размер не изменился. Высота конструкции изменилась более ощутимо, это вызвано переводным патрубком.

Технологичность, конструкции повысилась, так как отсутствуют узел разгрузки от осевой силы и дополнительное уплотнение по валу. Обслуживание насоса облегчилось.

Объёмный КПД насоса увеличился из-за отсутствия утечки через гидропяту, но увеличились гидравлические потери из-за дополнительного переводного канала. Потери в кольцевом подводе сложно посчитать, но их можно определить путем гидродинамического моделирования в программных пакетах [2, 3]. В целом общий КПД насосов отличается незначительно.

Замена подшипника качения на подшипник скольжения и замена сальникового уплотнения торцовым привели к увеличению ресурса.

Из-за отсутствия гидропяты ушёл ряд проблем. Заклинивание и износ гидропяты, необходимость хода ротора. Но появилась необходимость в переводном патрубке.

Заключение.

  1. Из данного анализа видно, что при оппозитном расположении колес технологичность конструкции повышается, уходит ряд проблем связанный с узлом разгрузки от осевой силы и повышается надежность машины.
  2. Изменение габаритов незначительны, но наличие переводного патрубка приводит к увеличению высоты насоса.
  3. Энергоэффективность в обоих случаях фактически равная.

Литература:

  1. Зимницкий В. А., Каплун А. В. Лопастные насосы: справочник // Л.: «Машиностроение», 1986, 336 с.
  2. Ломакин В. О., Петров А. И. Верификация результатов расчет в пакете гидродинамического моделирования STAR-CCM+ проточной части центробежного насоса AX 50–32–200 // Известия высших учебных заведений. Машиностроение 2012. Спец. вып. С. 6–9.
  3. Ломакин В. О., Петров А. И., Кулешова М. С. Исследование двухфазного течения в осецентробежном колесе методами гидродинамического моделирования // Наука и Образование. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 9. С. 45–64. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/725724.html (дата обращения: 10.10.2016).
  4. Ломакин В. О., Щербачев П. В., Тарасов О. И., Покровский П. А., Семёнов С. E., Петров А. И. 77–30569/354657 Создание параметризованных 3D-моделей проточной части центробежных насосов // Наука и образование. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 4. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/354657.html (дата обращения: 10.10.2016).
  5. Петров А. И., Ломакин В. О. Численное моделирование проточных частей макетов насосов и верификация результатов моделирования путем сравнения экспериментально полученных величин с расчетными // Наука и образование. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 5. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/356070.html (дата обращения: 10.10.2016).
  6. Марцинковский В. А. Гидродинамика и прочность центробежных насосов // Москва: «Машиностроение», 1970, 272 с.
  7. Михайлов А. К., Малюшенко В. В. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование // Москва: «Машиностроение», 1977, 288 с.
Основные термины (генерируются автоматически): осевой силы, уравновешивания осевой силы, насоса типа ЦНС, рабочего колеса, способом уравновешивания осевой, осевое усилие, оппозитным расположением колес, разгрузки осевой силы, КПД насоса, центробежного насоса, осевой разгрузки ротора, силы центробежного насоса, осевой силы оппозитным, величина осевой силы, осевой силы ротор, разгрузки насоса, неуравновешенной осевой силы, компенсация осевой силы, конструкция насоса типа, рабочих колес.

Ключевые слова

многоступенчатый насос, разгрузочное устройство, гидропята

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос