RU206628U1 - Ступень лопастного многоступенчатого насоса диагонально-овального типа - Google Patents

Abstract

Заявляемая полезная модель относится к области насосостроения, преимущественно к использованию в производстве многоступенчатых электропогружных лопастных насосов для добычи нефти и установок поддержания пластового давления нефтяных месторождений.Данная ступень лопастного многоступенчатого насоса является синтезом ступеней диагонального и овального типа. Она содержит, как минимум, рабочее колесо и направляющий аппарат. Проточные каналы на периферии элементов ступени, на выходе потока жидкости из рабочего колеса и на входе в направляющий аппарат выполнены с закруглением овальной формы в осевой проекции. Отношение радиуса периферийного закругления проточных каналов в осевой проекции (rk-a) к их ширине на выходе из рабочего колеса и входе направляющего аппарата (bk-a) подчиняется соотношению0,7≤(rk-a/bk-a)≤1,5.Внутренние участки этих проточных каналов плавно сопряжены с периферийными участками, которые в их осевой проекции выполнены с наклоном к оси вращения рабочего колеса под острыми углами (δки δа) по направлению движения жидкости.Сочетание указанных признаков позволяет повысить КПД (ηст) по сравнению с классическими диагональными ступенями без увеличения длинны многоступенчатого насоса.Возможны варианты исполнения конструкции диагонально-овальной ступени со следующими отличиями: в покровном диске рабочего колеса выполнены сквозные дренажные отверстия, обеспечивающие снижение осевых нагрузок на ступень при работе насоса; в состав ступени дополнительно входит втулка, предотвращающая перемещение рабочих колес многоступенчатого насоса в осевом направлении.

Description

Заявляемое техническое решение относится к насосной технике, а именно к ступеням лопастных многоступенчатых насосов для перекачки различных жидких сред. Наиболее эффективно оно будет использоваться при применении в многоступенчатых электропогружных насосах для добычи нефти и насосах для поддержания пластового давления нефтяных месторождений.

Уровень техники.

Многоступенчатые лопастные насосы широко применяются в нефтедобыче. Их принято подразделять на центробежные, диагональные (или полуосевые) и осевые. Рабочими органами центробежных и диагональных многоступенчатых насосов являются насосные ступени, каждая из которых состоит как минимум из рабочего колеса и направляющего аппарата. Дополнительными элементами ступени могут являться опорные шайбы из текстолита или карбида кремния (1 или 2 штуки) или втулки. Рабочее колесо жестко закрепляется на вращающемся валу насоса. Оно служит для передачи механической энергии потоку жидкости. Рабочее колесо представляет собой основной диск со ступицей и покрывной диск, между которыми расположены лопасти, образующие межлопастные каналы, по которым, под действием лопастей, движется перекачиваемая жидкость. Такая конструкция называется рабочим колесом закрытого типа. Неподвижно закрепленный в корпусе насоса направляющий аппарат служит для передачи жидкости в рабочее колесо следующей ступени насоса. В его проточных каналах жидкость тормозится, преодолевая внешнее давление. Направляющий аппарат центробежных насосов в общем случае содержит цилиндрический, верхний и нижний диски с лопатками (лопастями) между ними, образующие обратные каналы, сходящиеся к горловине. Через горловину направляющего аппарата перекачиваемая жидкость поступает в канал ступицы рабочего колеса следующей насосной ступени [см. В.Н. Ивановский, А.А. Сабиров, А.В. Деговцев и др. «Проектирование и исследование ступеней динамических насосов.» - М: РГУ Нефти и газа им. И.М. Губкина, 124с.].

Двигаясь в ступени центробежного насоса, перекачиваемая жидкость подвергается действую центробежной силы, увеличивающей кинетическую энергию потока, и тормозящей силы гидродинамического сопротивления. Величина сил гидродинамического сопротивления прямо пропорциональна гидравлическому сопротивлению ступени (ƺст), в которой протекает перекачиваемый поток. Т.е. энергетическая эффективность ступени обратно пропорциональна ее гидравлическому сопротивлению.

Основной особенностью конструкции и работы ступеней многоступенчатых насосов центробежного типа является то, что вся жидкость однократно проходит через ступень, двигаясь, в основном в межлопастных каналах, перпендикулярно оси вращения насоса (точнее оси вращения рабочего колеса) [см., например, Патент US 4511307, кл. F04D 29/02, 29/04, опубл. 16.04.1985г.; Патент RU 2403450, кл. F04D 1/06, 13/10, 29/44 ,опубл. 19.06.2009 г.; Патент СА 2803993 кл. F04D 29/22, 29/12, 29/40, опубл. 26.04.2016 г.]. В рабочем колесе такой ступени движение жидкости направлено от центра к периферии, а в направляющем аппарате - от периферии к центру. Исключения составляют участки кольцевых проточных каналов в ступице рабочего колеса, на периферии направляющего аппарата (точнее в кольцевом канале перед входом в его межлопаточные каналы) и в его горловине (на выходе межлопаточных каналов направляющего аппарата). По этим сравнительно коротким участкам жидкость движется преимущественно параллельно оси вращения рабочего колеса. Угол между направлениями потока жидкости в межлопастных каналах рабочего колеса и межлопаточных каналах направляющего аппарата в осевой проекции равен 180°, или имеет очень близкое к нему значения. Направляющий аппарат ступеней центробежного типа имеет корпус цилиндрический формы.

Известна также ступень многоступенчатого лопастного насоса, авторами которого являются заявители настоящего технического решения [см. Патент RU № 2735978 кл. F 04D 1/06, 13/10, 29/22, 29/44, опубл. 11.11.2020г.]. Мы назвали ее ступенью «овального» типа. Эта ступень отличается тем, что межлопастные каналы на выходе потока жидкости из рабочего колеса и обратные проточные каналы направляющего аппарата на входе потока в направляющий аппарат в их осевом сечении образуют периферийные закругленные переходящие друг в друга участки овальной формы, которые плавно сопрягаются с внутренними участками каналов перпендикулярными оси вращения рабочего колеса, находящимися на входе потока жидкости в межлопастные каналы рабочего колеса и на выходе из проточных каналов направляющего аппарата. При этом отношение радиуса периферийного закругления каналов (rk-a) к их осевой ширине на выходе из рабочего колеса и на входе направляющего аппарата (bk-a) подчиняются соотношению

0,5 ≤ (rk-a /bk-a) ≤ 2,5 (1).

Причем радиус этого периферийного закругления каналов (rk-a) может быть как постоянной величиной по всей длине каждого закругленного участка, так и переменной, но подчиняющейся соотношению (1).

Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является ступень многоступенчатых лопастных насосов диагонального типа. Поток жидкости, проходящий через проточные каналы ступени диагонального насоса, направлен не радиально, как у центробежных насосов, а наклонно, как бы по диагонали прямоугольника, составленного радиальным и осевым направлениями. То есть в ступенях диагонального типа в осевой проекции углы между направлениями движения потока жидкости в межлопастных каналах и осью насоса всегда меньше 90°, а угол между направлениями движения жидкости в межлопастных каналов всегда меньше 180°. Конструкция таких ступеней описана в ряде патентов [см., например, Патент US 2013/ 0058777A1 кл. F04D 29/54, опубл. 07.03.2013г. Патент RU 188224U1 кл. F04D 10/13, 29/22, 29/041, опубл. 27.08.2018г.]. Наклонное направление потока создает основную конструктивную особенность диагональных насосов - перпендикулярное к меридиональному потоку и наклонное к оси насоса расположение лопастей рабочего колеса. Это обстоятельство позволяет использовать при создании напора совместное действие подъемной и центробежной сил [см. Карелин В. Я., Минаев А. В. «Насосы и насосные станции: Учеб. для вузов» 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1986. - 320 с.].

В высокоэффективных диагональных ступенях погружных насосов «REDA, 675 Series» (США), с которыми приходилось работать авторам заявляемого технического решения, угол между направлениями движения потока жидкости в межлопастных каналах рабочего колеса и межлопаточных каналах направляющего аппарата в осевой проекции составляет (80÷120)°, а углы между направлениями движения жидкости в ступице рабочего колеса или горловине направляющего аппарата и направлениями движения жидкости в межлопастных (межлопаточных) каналах составляют (30÷50)°. Дополнительно отметим, что конструкции этих диагональных ступеней отличаются следующими важными особенностями:

а) межлопастные каналы рабочего колеса в его меридиональном сечении на протяжении их основной длины и в периферийных областях (на выходе потока из колеса) представляет собой трапеции без закруглений образующих. На входах в межлопастные каналы рабочего колеса на границе кольцевого канала ступицы имеются закругления. Радиус его составляет примерно 1,0÷2,0 от осевой ширины входа межлопастного канала. То есть траектория движение жидкости в осевой проекции проточного канала рабочего колеса - это прямая линия, без закруглений на выходе потока (в периферийной области ступени);

б) наличие в покровном диске рабочего колеса сквозных дренажных отверстий, которые обеспечивают снижение осевых нагрузок на диагональную ступень;

в) жестко закрепляемые на валу насоса рабочие колеса данных ступеней разделяются втулками, также жестко закрепляемыми на этом валу. Эти втулки позволяют обеспечить зазор между вращающимися на валу рабочими колесами и неподвижными направляющими аппаратами, которые жестко закрепляются в корпусе многоступенчатого лопастного насоса;

г) наличие закругления проточного канала в области входа потока жидкости в направляющий аппарат. Радиус этого закругления постепенно нарастает от 0 до 0,9÷1,2 осевой ширины канала на входе в направляющий аппарат. Корпус направляющего аппарата выполнен в виде цилиндра, переходящего в усеченный конус, межлопаточные проточные каналы очень плавно переходят в горловину. То есть в отличие от направляющих аппаратов насосных ступеней центробежного и овального типов горловина в диагональной ступени явно не выражена.

Недостатки технических решений, выбранных в качестве аналогов и прототипа следующие

при проектировании ступеней многоступенчатых лопастных насосов необходимо улучшать их энергетическую эффективность, а значит уменьшать гидравлическое сопротивлению (ƺст), и повышать их удельный напор (Нуд). Последний параметр равен отношение напора ступени (Нст) к ее осевому размеру или высоте ступени (hcт).

Нуд = Нст / hcт (2).

Для многоступенчатых лопастных насосов со ступенями центробежного типа характерно высокий удельный напор (Нуд) и гидравлическое сопротивление (ƺст), т.е. низкая энергетическая эффективность. А для насосов со ступенями диагонального типа наоборот. Сравнительно низкий удельный напор (Нуд) и гидравлическое сопротивление (ƺст), т.е. высокая энергетическая эффективность. То есть диагональные насосы при одинаковом напоре существенно длиннее центробежных.

Применение ступеней овального тип позволяет достигнуть компромиссный результат: обеспечить низкие значения гидравлического сопротивления ступени при её сравнительно малом осевом размере. Но даже у оптимизированной ступени овального типа гидравлическое сопротивление все-таки немного меньше, чем у оптимизированной диагональной ступени.

Однако нельзя согласиться с тем, что современные диагональные ступени полностью оптимальны с точки зрения гидродинамики и нет резервов снижения их гидравлического сопротивления, а значит увеличения КПД (η) (то есть роста энергетической эффективности).

Раскрытие предлагаемого технического решения

Целью полезной модели является увеличение энергетической эффективности ступени лопастного многоступенчатого насоса за счет уменьшения ее гидравлического сопротивления.

Поставленная цель достигается благодаря следующему:

В известной ступени лопастного многоступенчатого насоса, состоящая, как минимум, из рабочего колеса (1), направляющего аппарата (2) в ступени также могут присутствовать дополнительные опорные элементы (например втулка (3)); причем рабочее колесо содержит с основной диск (4) со ступицей (5) и покрывной диск (6), между которыми расположены криволинейные лопасти (7), образующие межлопастные каналы рабочего колеса (8), по которым, под действием лопастей, движется перекачиваемая жидкость; а направляющий аппарат содержит нижний (9) и верхний (10) диски с размещенными между ними лопатками (11), образующие обратные каналы (12) сходящиеся к горловине (13), по которым происходит движения жидкости к входу в рабочее колесо следующей ступени, имеются следующие отличительные признаки:

1) периферийные участки проточных межлопастных каналов (8,12) на выходе потока жидкости из рабочего колеса (1) и обратных межлопастных проточных каналов направляющего аппарата (12) на входе потока в направляющий аппарат (2) в их осевой проекции меридиональном сечении образуют периферийные закругленные переходящие друг в друга участки овальной формы подчиняющиеся следующему отношению радиуса периферийного закругления каналов (rk-a) к их осевой ширине на выходе из рабочего колеса и на входе в направляющий аппарат (bk-a)

0,7 ≤ (rk-a /bk-a) ≤ 1,5 (3),

эти периферийные участки плавно сопрягаются с внутренними участками межлопастных каналов, которые в их осевом сечении выполнены с наклоном к оси вращения рабочего колеса под острыми углами (δк и δа) по направлению движения потока жидкости (см. Фиг.1), т.е. для этих углов выполняется условие

δк < 90° , δа < 90° (4).

Траектория движения потока жидкости в ступени, изготовленной согласно заявляемой полезной модели, отличается от траектории потока в диагональной ступени-прототипе следующим образом (см. Фиг.2):

в ступени прототипе движение потока жидкости в осевой проекции на периферийных участках рабочего колеса (на выходе из его межлопастных каналов) происходит без изменения направления, и поворот осуществляется плавно с закруглением только на периферийных участках межлопастных каналов направляющего аппарата (см. Фиг.2.а), а значит имеется небольшой участок траектории (у кромки рабочего колеса) с резким изменением направления течения потока жидкости;

в заявляемой ступени этот поворот начинается уже в рабочем колесе, на выходе из его межлопастных каналов, то есть изменение направления потока осуществляется более плавно с закруглением как в межлопастных каналах рабочего колеса, так и направляющего аппарата (см. Фиг.2.б);

2) острые углы δк и δа (см. Фиг.1) между направления потока жидкости в каналах на внутренних участках могут быть как неизменными по величине - тогда в осевой проекции внутренние участки каналов будут выглядеть прямолинейными, так и так и с переменными ростом величины углов δк и/или δа по мере отдаления от центра ступени (оси насоса) - тогда в осевой проекции эти участки каналов будут выглядеть криволинейными. Последней вариант обеспечивает большее сглаживание траектории потока жидкости в центральных областях ступени: как при входе потока жидкости из канала ступицы рабочего колеса в его межлопастной канал, так и при выходе из обратного межлопастного канала направляющего аппарата в его горловину. Это способствует снижению гидравлического сопротивления ступени (ƺст), а значит и увеличение ее КПД (η ст);

3) наиболее оптимальным с точки зрения достижения наибольшего удельного напора Нуд, вычисляемого по формуле 2, является условие rk-a = CONST. То есть, когда форма траектории движения потока жидкости на периферии ступени близка к окружности;

4) в покровном диске (6) рабочего колеса (1) могут быть выполнены сквозные дренажные отверстия (14) (см. Фиг.1), обеспечивающие снижение осевых нагрузок на ступень при ее работе. Эти дренажные отверстия не являются обязательным элементом рабочего колеса заявляемого технического решения. Но при большой диагональности ступени (когда угол δк-а < 70°), наличие дренажных каналов увеличивает ресурс работы многоступенчатых лопастных насосов со ступенями диагонального типа;

5) насосная ступень кроме рабочего колеса (1) и направляющего аппарата (2) дополнительно может содержать опорную втулку (3), которая также как и рабочее колесо, жестко крепится непосредственно на вал лопастного насоса. Данные втулки в многоступенчатом лопастном насосе препятствуют перемещению рабочих колес в осевом направлении по валу насоса и позволяют сохранить необходимый зазор между вращающимися на валу рабочими колесами и неподвижными направляющими аппаратами. Однако возможна конструкция ступени и без опорной втулки (см. Фиг.3), которую можно применить при малой диагональности ступени, когда величина угла между межлопастными каналами рабочего колеса и направляющего аппарата в осевой проекции (δ к-а) удовлетворяет неравенству

70° < δ к-а < 90° (5) .

По аналогии со ступенями диагонального и овального типа ступени, спроектированные согласно заявляемому техническому решению, можно назвать диагонально-овальными.

Описание чертежей

Суть полезной модели поясняется графическими материалами (фигурами).

На Фиг. 1 представлен чертеж Ступени лопастного многоступенчатого насоса диагонально-овального типа с разрезом в осевой проекции меридиональном сечении. В этой ступени внутренние участки межлопастных каналов рабочего колеса и направляющего аппарата выполнены в осевой проекции с наклоном к оси вращения рабочего колеса под острыми углами (δк < 90°, δа <90° и δк-а< 180°).

На чертеже приняты следующие обозначения:

1 - рабочее колесо;

2 - направляющий аппарат;

3 - опорный элемент (втулка);

4 - основной диск рабочего колеса;

5 - ступица рабочего колеса;

6 - покровный диск рабочего колеса;

7 - криволинейные лопасти рабочего колеса;

8 - межлопастной канал рабочего колеса, образованный лопастями, основным и покровным дисками;

9 - нижний диск направляющего аппарата;

10 -верхний диск направляющего аппарата;

11 - лопатки (лопасти) направляющего аппарата;

12 - обратный межлопаточный канал, образованный лопатками, верхним нижним дисками направляющего аппарата;

13 - горловина направляющего аппарата;

14 - сквозное дренажное отверстие в покровном диске рабочего колеса;

bк-а - осевая ширина проточных каналов на выходе из рабочего колеса и на входе направляющего аппарата;

rк-а - периферийный радиус закругления проточных каналов на выходе из рабочего колеса и на входе направляющего аппарата;

δк - угол изменения направления потока жидкости в его осевой проекции для внутренней области каналов рабочего колеса;

δа - угол изменения направления потока жидкости в его осевой проекции для внутренней области каналов направляющего аппарата;

δк-а - угол изменения направления потока жидкости в его осевой проекции для периферийной области каналов ступени (выход из рабочего колеса - вход в направляющий аппарат);

hcт - осевой размер (высота) ступени;

Дcт - внешний диаметр ступени;

Стрелками показано направление движения перекачиваемой жидкости в ступени насоса.

На Фиг. 2 представлена Схема движения перекачиваемой жидкости в осевой проекции при разных конструкциях ступени. Непрерывными стрелками показано направление движения перекачиваемой жидкости в рабочем колесе, прерывистыми стрелками - в направляющем аппарате.

а. Схема движение потока жидкости в лопастном многоступенчатом насосе с классическими ступенями диагонального типа при δк < 90° , δа < 90° и δк-а < 180° с закруглением межлопастных каналов только в периферийной области направляющего аппарата (Прототип);

б. Схема движение жидкости в многоступенчатом насосе со ступенями диагонально-овального типа при δк < 90°, δа < 90° и δк-а < 180° с закруглением в периферийных областях как рабочего колеса, так и направляющего аппарата (Заявляемое техническое решение);

где ra - радиус закругления потока жидкости на периферии направляющего аппарата;

rk-a - радиус закругления потока жидкости на периферии рабочего колеса и направляющего аппарата;

δк - угол изменения направления потока жидкости в его осевой проекции для внутренней области каналов рабочего колеса (выход из канала ступицы - вход в межлопастной лопастной канал рабочего колеса);

δа - угол изменения направления потока жидкости в его осевой проекции для внутренней области каналов направляющего аппарата (выход из обратного межлопастного канала направляющего аппарата - вход в канал горловины аппарата);

δк-а - угол изменения направления потока жидкости в его осевой проекции для периферийной области проточных каналов ступени (выход из межлопастных каналов рабочего колеса - вход в обратные межлопастные каналы направляющего аппарата);

8 - межлопастные каналы рабочего колеса;

12 - обратные межлопастные каналы направляющего аппарата;

На Фиг.3 представлен чертеж варианта ступени лопастного многоступенчатого насоса диагонально-овального типа пониженной диагональности с разрезом в осевой проекции меридиональном сечении. В этой ступени внутренние участки межлопастных каналов рабочего колеса в осевой проекции с наклоном к оси вращения рабочего колеса под острыми углами (70° < δк < 90°, 70° < δа <90° и δк-а< 180°). В данной ступени отсутствует опорная втулка и дренажное отверстие в покровном диске рабочего колеса.

На чертеже приняты обозначения такие же, как и на Фиг.1.

На Фиг. 4 представлен График зависимости гидравлического сопротивления заявляемой ступени (ƺст) многоступенчатого лопастного насоса в зависимости от величины отношения (rk-a/bk-a). Значения (ƺст) получены расчетным путем на основе математической модели, разработанной авторами настоящего технического на базе формул и диаграмм, представленных в литературном источнике [см. Идельчик И.Е. «Справочник по гидравлическим сопротивлениям /под ред. М.О. Штейнберга.» -3-е издание перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992- 672с]. В качестве базовой модели, для проектирования и расчетов была использована ступень диагонального насоса REDA J12000N (США).

Кривая 15 - Показывает зависимость гидравлического сопротивления (ƺст) от величины отношения (rk-a /bk-a) для ступени, спроектированной согласно заявляемому техническому решению;

штриховая прямая 16 - Показывает значение гидравлического сопротивления диагональной ступени J12000N (Прототипа) потоков жидкости в рабочем колесе и направляющем аппарате, имеющего следующие геометрические параметры: δк-а ≈89°, δк≈48° δа≈43°, (ra /bk-a ) ≈1,0.

На Фиг. 5 представлен График зависимости КПД (ηст) ступени (ƺст) многоступенчатого лопастного насоса в зависимости от величины отношения (rk-a /bk-a). Значения (ηст ) получены расчетным путем на основе математической модели, разработанной авторами настоящего технического на базе формул и диаграмм, представленных в литературном источнике [см. Идельчик И.Е. «Справочник по гидравлическим сопротивлениям /под ред. М.О. Штейнберга.» -3-е издание перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992- 672с]. В качестве базовой модели, для проектирования и расчетов была использована ступень диагонального насоса REDA J12000N (США).

Кривая 17 - показывает зависимость КПД (ηст) от величины отношения (rk-a /bk-a) для ступени, спроектированной согласно заявляемому техническому решению;

Штриховая прямая 18 - показывает значение гидравлического сопротивления диагональной ступени J12000N (Прототипа) потоков жидкости в рабочем колесе и направляющем аппарате, имеющего следующие геометрические параметры: δк-а ≈89°, δк≈48° δа≈43°, (ra /bk-a ) ≈1,0.

В заявляемой диагонально-овальной ступени имеется новое сочетание признаков: основного отличительного признака аналога (нашей ступени овального типа) с основным признаком прототипа (ступени диагонального типа). Это позволяет обеспечить минимизацию гидравлического сопротивления (ƺст), а значит и увеличение ее КПД (η ст) по сравнению с прототипом. Причем в заявляемой полезной модели соотношение размеров (rk-a/bk-a) отличается от аналога (см. Формулы 1 и 3). Диапазон его несколько уже.

При значении соотношения (rk-a /bk-a ) < 0,7 гидравлическое сопротивление (ƺст) заявляемой ступени больше чем у ступени прототипа, а ее КПД (η ст) ниже (см. Фиг.4 и Фиг.5). Нет практического смысла увеличивать радиус периферийного закругления проточных каналов ступени так чтобы выполнялось соотношение (r k-a /bk-a) ˃ 1,5. В этом случае снижение ƺст и рост ηст становятся крайне незначительными (см. и Фиг.4 и Фиг.5), в тоже время более существенно увеличивается осевой размер ступени. Последнее приводит к уменьшению ее удельного напора, рассчитываемого по формуле 2.

Ступени лопастных насосов бывают одноопорной конструкции (с одной опорной шайбой в ступени), двух опорной конструкции (с двумя опорными шайбами в ступени) и безопорной конструкции (опорных шайб в ступени нет), в ступени могут присутствовать втулки. Для достижения поставленной цели это не имеет значения, поэтому их не обязательно упоминать в ограничительной части формулы полезной модели.

Устройство работает следующим образом.

Во время работы лопастного многоступенчатого насоса перекачиваемая жидкость поступает в рабочее колесо (1) ступени, которое вращается на валу лопастного насоса. Это происходит через кольцевой канал ступицы (5) рабочего колеса. Далее, после прохождения кольцевого канала, жидкость совершает поворот, как правило, плавный, под острым углом к оси насоса (δк<90°) и поступает в межлопастные каналы (8), которые образованны криволинейными лопастями (7) основным диском (4) и покровным диском (6). В межлопастных каналах, под воздействием центробежной силы, передаваемой лопастями, скорость потока жидкости увеличивается. Поток движется в межлопастном канале вначале по внутреннему участку с наклоном под острым углом по отношению к оси вращения, а затем по периферийному участку канала по траектории овальной формы (окружность - это тоже частный случай овала). То есть на всем протяжении движения в межлопастных каналов траектория, в ее осевой проекции, имеет как радиальное, так и осевое направление. Далее поток жидкости, выходя из проточных каналов рабочего колеса, попадает в неподвижный направляющий аппарат (2) ступени лопастного насоса. На периферийных участках обратных проточных каналов направляющего аппарата (12), образованных верхним и нижним дисками (9,10) и лопатками (11), траектория движения потока имеет овальную форму. Т.е. она продолжает закругленную траекторию движения жидкости на периферии рабочего колеса. В результате, плавно закругляясь в осевой проекции на периферии рабочего колеса и направляющего аппарата, поток жидкости совершает поворот на суммарный угол δк-а, величина которого меньше 180°. Затем этот поток протекает по внутренним участкам межлопаточных каналов к центру направляющего аппарата. Поток направлен под острым углом по отношению к оси насоса (δа < 90°). Проходя по обратным межлопастным каналам направляющего аппарата поток жидкости, совершив плавный поворот, попадает в кольцевой канал горловины (13). Далее через горловину направляющего аппарата перекачиваемая жидкость поступает в канал ступицы рабочего колеса следующей ступени многоступенчатого лопастного насоса. Если в покровном диске рабочего колеса (6) имеются сквозные дренажные отверстия (14), то часть перекачиваемой жидкости будет циркулировать между межлопастными каналами рабочего колеса и полостью, образованной между покровным диском рабочего колеса (6) и нижним диском направляющего аппарата (9). Это обеспечивает выравнивание давлений в этой полости и в проточных каналах рабочего колеса, а значит снижает осевые нагрузки на ступень насоса.

Примеры реализации технического решения.

Возможный вариант исполнения диагонально-овальной ступени представлены на Фиг.1. и Фиг.3.

1. На Фиг.1 показана диагонально-овальная ступень на основе базовой конструкции диагональной ступени J12000N номинальной производительности 1750м³/сутки, разработанной компанией Reda (США). Модернизированная нами ступень может иметь следующие основные проектные геометрические характеристики:

1.1. Дст = 158 мм; δк-а ≈89°; δк≈48° δа≈43°; r k-a ≈ 14 мм; bk-a ≈20 мм; hст = 131мм (т.е. на 8мм короче, чем у прототипа 139 мм).

Расчетный КПД ступени ηст = 75,56% (т.е. на 0,56% больше чем у прототипа).

1.2. Дст = 158 мм; δк-а ≈89°; δк≈48° δа≈43°; r k-a ≈ 20 мм; bk-a ≈20 мм; hст = 134 мм (т.е. на 5мм короче, чем у прототипа 139 мм).

Расчетный КПД ступени ηст = 77,35% (т.е. на 2,35% больше чем у прототипа).

1.3. Дст = 158 мм; δк-а ≈89°; δк≈48° δа≈43°; r k-a ≈ 30 мм; bk-a ≈20 мм; hст = 139 мм (т.е. такое же, как у прототипа 139 мм).

Расчетный КПД ступени ηст = 77,64% (т.е. на 2,64% больше чем у прототипа).

2. На Фиг.3 показана другая проектируемая диагонально-овальная ступень номинальной производительности 150м³/сутки. Эта ступень и имеет следующие основные геометрические характеристики

Дст = 89 мм; δк-а ≈150°; δк≈78° δа≈72°; r k-a ≈ 7мм; bk-a ≈ 8 мм; hст = 44 мм

Проектируемый расчетный КПД данной ступени ηст не менее 67% .

Наиболее оптимальная технология изготовления диагонально-овальных ступеней - это литье по выплавляемым моделям. Материалы рабочих колес и направляющих аппаратов таких ступеней, изготавливаемых с помощью литья - это модифицированный серый чугун или коррозионно-износостойкий чугун марки «Нирезист». Материал втулок - твердые сплавы. Ступени также можно изготовить из полимерных или композитных материалов.

Claims (7)

1. Ступень лопастного многоступенчатого насоса, состоящая, как минимум, из рабочего колеса, содержащего основной диск со ступицей и покрывной диск, между которыми расположены криволинейные лопасти, образующие межлопастные каналы рабочего колеса, по которым, под действием лопастей, движется перекачиваемая жидкость; и направляющего аппарата, содержащего верхний и нижний диски с размещенными между ними лопатками, образующие обратные межлопастные каналы, сходящиеся к горловине, по которым происходит движения жидкости к входу в рабочее колесо следующей ступени, отличающаяся тем, что периферийные участки проточных межлопастных каналов на выходе потока жидкости из рабочего колеса и обратных межлопастных проточных каналов направляющего аппарата на входе потока в направляющий аппарат в их меридиональном сечении образуют периферийные закругленные, переходящие друг в друга участки овальной формы, подчиняющиеся следующему отношению радиуса периферийного закругления каналов (rk-a) к их осевой ширине на выходе из рабочего колеса и на входе направляющего аппарата (bk-a)

0,7 ≤ (rk-a /bk-a) ≤ 1,5,

а внутренние участки межлопастных каналов, плавно сопрягающиеся с периферийными участками, в меридиональном сечении выполнены с наклоном к оси вращения рабочего колеса под острыми углами по направлению движения жидкости.

2. Ступень лопастного многоступенчатого насоса по п. 1, отличающаяся тем, что углы наклона внутренних участков проточных каналов плавно увеличиваются по мере отдаления от центра ступени.

3. Ступень лопастного многоступенчатого насоса по п. 1, отличающаяся тем, что радиус периферийного закругления межлопастных каналов является постоянной величиной.

4. Ступень лопастного многоступенчатого насоса по п. 1, отличающаяся тем, что в покровном диске рабочего колеса выполнены сквозные дренажные отверстия, обеспечивающие снижение осевых нагрузок на ступень.

5. Ступень лопастного многоступенчатого насоса по п. 1, отличающаяся тем, что ступень дополнительно содержит втулку, которая препятствует осевому перемещению рабочего колеса в осевом направлении относительно направляющего аппарата, неподвижно закрепляемого в корпусе многоступенчатого насоса, и позволяет сохранить необходимые зазоры между рабочим колесом и направляющим аппаратом.

Images