RU216881U1

RU216881U1 - Submersible pump for pumping low temperature liquids

Info

Publication number: RU216881U1
Application number: RU2022133866U
Authority: RU
Inventors: Александр Георгиевич Алымов; Михаил Николаевич Боровков; Пётр Алексеевич Зеленов; Илья Борисович Коробов; Дмитрий Юрьевич Рукавишников
Filing date: 2022-12-22
Publication date: 2023-03-06

Abstract

Погружной насос для перекачивания низкотемпературных жидкостей, способный обеспечить повышенный ресурс опор ротора и характеризующийся низкой частотой остановок на техническое обслуживание. Насос содержит одну или несколько рабочих ступеней, шнек, рабочие колеса и ротор электродвигателя, установленные на один вал. Ротор удерживается в радиальных гидростатических подшипниках. В насосе также присутствует страховочный шарикоподшипник. В страховочный шарикоподшипник установлена втулка, имеющая конусную поверхность. В верхней части вала установлена втулка с ответной конусной поверхностью. Страховочный шарикоподшипник воспринимает нагрузки на режимах пуска и останова насоса. Радиальные гидростатические подшипники воспринимают нагрузки в рабочем диапазоне характеристик насоса. Радиальные гидростатические подшипники содержат кольцевые проточки и дроссели. Дроссели установлены в гидростатические подшипники с применением разъёмного соединения. В гидростатических подшипниках установлены резервные подшипники скольжения. Резервные подшипники скольжения выполнены в виде втулок и изготовлены из антифрикционного материала. Зазор между поверхностью вала и поверхностью резервных подшипников скольжения имеет меньшую величину, чем зазор между поверхностью вала и поверхностями радиальных гидростатических подшипников. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Submersible pump for pumping low temperature liquids, capable of providing extended life of the rotor bearings and characterized by a low frequency of maintenance stops. The pump contains one or more working stages, a screw, impellers and an electric motor rotor mounted on one shaft. The rotor is held in radial hydrostatic bearings. The pump also has a safety ball bearing. A bushing having a conical surface is installed in the safety ball bearing. A bushing with a mating conical surface is installed in the upper part of the shaft. The safety ball bearing perceives the loads in the modes of starting and stopping the pump. Radial hydrostatic bearings take loads within the operating range of the pump. Radial hydrostatic bearings contain annular grooves and throttles. Throttles are installed in hydrostatic bearings using a detachable connection. The hydrostatic bearings are equipped with redundant plain bearings. Reserve plain bearings are made in the form of bushings and made of antifriction material. The gap between the shaft surface and the surface of the reserve plain bearings is smaller than the gap between the shaft surface and the surfaces of radial hydrostatic bearings. 3 w.p. f-ly, 3 ill.

Description

Настоящая полезная модель относится к области машиностроения, а именно насосостроения, и предназначена для использования при перекачивании сжиженных газов, например сжиженного природного газа.This utility model relates to the field of mechanical engineering, namely pump building, and is intended for use in pumping liquefied gases, such as liquefied natural gas.

Погружные насосы, а именно погружные насосы для перекачивания сжиженного газа, были изобретены в 1960-х годах XX в. Их изобретение часто связывают с именем инженера и предпринимателя Дж. К. Картера (патент США № 3369715, МПК F04D 29/60; F04D 9/00, дата публикации - 20.02.1968). К настоящему времени такие насосы получили весьма широкое распространение. Submersible pumps, namely submersible pumps for pumping liquefied gas, were invented in the 1960s of the XX century. Their invention is often associated with the name of the engineer and entrepreneur J. K. Carter (US patent No. 3369715, IPC F04D 29/60; F04D 9/00, publication date - 02/20/1968). To date, such pumps have become very widespread.

В конструкции таких насосов вертикальный ротор, как правило, содержит цельный вал и является общим для насоса и приводного электродвигателя, и закрепляется в шарикоподшипниках, смазываемых перекачиваемым сжиженным газом. Данные погружные насосы известны, в частности, из заявки США US 2019/085858 A1 (МПК F04D 29/059; F04D 29/40, дата публикации - 21.03.2019), а также близкого решения по патенту КНР CN 209800276 U (МПК F01D 25/22 F04D 1/00 F04D 13/06, дата публикации - 17.12.2019).In the design of such pumps, the vertical rotor, as a rule, contains a solid shaft and is common to the pump and the drive motor, and is fixed in ball bearings lubricated by the pumped liquefied gas. These submersible pumps are known, in particular, from US application US 2019/085858 A1 (IPC F04D 29/059; F04D 29/40, publication date - 03/21/2019), as well as a close decision on the PRC patent CN 209800276 U (IPC F01D 25 /22 F04D 1/00 F04D 13/06, publication date - 12/17/2019).

Технической проблемой погружных насосов для перекачивания сжиженного газа с шарикоподшипниками, смазываемыми перекачиваемым сжиженным газом, является их ограниченный ресурс. Следствием этого недостатка является необходимость в относительно частых остановках насосов для проведения технического обслуживания или ремонта насоса с заменой шарикоподшипников.The technical problem of submersible pumps for pumping liquefied gas with ball bearings lubricated by the pumped liquefied gas is their limited service life. A consequence of this disadvantage is the need for relatively frequent pump shutdowns for maintenance or repair of the pump with the replacement of ball bearings.

Наиболее близким к предлагаемому решению является погружной насос для перекачивания низкотемпературных жидкостей, например, сжиженного газа, вертикальный вал ротора которого также является общим для насоса и приводного электродвигателя и также закреплен в верхнем и нижнем шарикоподшипниках в области электродвигателя, но нижний конец вала которого опирается на гидростатический подшипник, питание которого осуществляется с напора перекачиваемого сжиженного газа (см., например, заявку на патент Японии № JPH 04334792 A, МПК F04D 29/04, 29/46, дата публикации - 20.11.1992). Данная конструкция насоса частично решает проблемы вышеуказанной конструкции, однако имеет и собственные технические недостатки:The closest to the proposed solution is a submersible pump for pumping low-temperature liquids, for example, liquefied gas, the vertical rotor shaft of which is also common to the pump and the drive motor and is also fixed in the upper and lower ball bearings in the area of the electric motor, but the lower end of the shaft is supported by a hydrostatic a bearing powered by the pressure of the pumped liquefied gas (see, for example, Japanese patent application No. JPH 04334792 A, IPC F04D 29/04, 29/46, publication date - 20.11.1992). This pump design partially solves the problems of the above design, but it also has its own technical disadvantages:

Во-первых, шарикоподшипники электродвигателя постоянно находятся в работе как при пуске и останове насоса, так и при нормальной эксплуатации, что вызывает их износ и сокращает межремонтный срок эксплуатации насоса. Firstly, the ball bearings of the electric motor are constantly in operation both when starting and stopping the pump, and during normal operation, which causes wear and reduces the overhaul life of the pump.

Во-вторых, гидростатический подшипник при пуске и останове насоса не создает достаточного радиального усилия и может быть поврежден при соприкосновении с ним вала.Secondly, the hydrostatic bearing does not generate sufficient radial force when starting and stopping the pump and can be damaged if the shaft comes into contact with it.

В свою очередь техническим результатом применения предлагаемой полезной модели является увеличение срока эксплуатации как гидростатического подшипника, так и шарикоподшипников и, следовательно, насосного агрегата в целом.In turn, the technical result of applying the proposed utility model is to increase the service life of both the hydrostatic bearing and ball bearings and, consequently, the pump unit as a whole.

Технический результат достигается тем, что применяемые шарикоподшипники, имеющие ограниченный ресурс, в качестве основных опор ротора не применяются, и данную задачу выполняют гидростатические подшипники. Радиальные гидростатические подшипники обеспечивают в узле жидкостное и граничное трение и тем самым предотвращают контакт между вращающимися и неподвижными элементами, что исключает износ элементов трибосопряжения при нормальной работе.The technical result is achieved by the fact that the ball bearings used, which have a limited resource, are not used as the main rotor bearings, and this task is performed by hydrostatic bearings. Radial hydrostatic bearings provide fluid and boundary friction in the assembly and thereby prevent contact between rotating and stationary elements, which eliminates wear of the tribocouple elements during normal operation.

В то же время, так как питание гидростатических подшипников осуществляется перекачиваемым сжиженным газом, несущий слой жидкости в зазоре радиальных гидростатических подшипников на режимах пуска и останова насоса практически отсутствует. Для предотвращения отказа радиальных гидростатических подшипников применяются страховочный шарикоподшипник и резервные подшипники, воспринимающие нагрузки в данных режимах. Смазка страховочного шарикоподшипника при этом осуществляется перекачиваемым сжиженным газом и практически не зависит от фактического расхода во внутренней части насоса. После стабилизации режима работы насоса страховочный подшипник выходит из контакта с валом, за счёт вывешивания вала в результате действия системы гидравлической разгрузки. Возникающие затем радиальные и осевые нагрузки в полном объёме воспринимаются радиальными гидростатическими подшипниками и системой гидравлической разгрузки соответственно. Страховочный подшипник при этом нагрузок не несет. Дополнительно радиальные гидростатические подшипники предохраняются от повреждения за счёт использования резервных подшипников скольжения, предотвращающих контакт вала и корпусов радиальных гидростатических подшипников, и имеющих рабочий зазор меньшей величины, чем в радиальном гидростатическом подшипнике. At the same time, since the hydrostatic bearings are powered by the pumped liquefied gas, there is practically no carrier layer of liquid in the gap of the radial hydrostatic bearings at the start and stop modes of the pump. To prevent failure of radial hydrostatic bearings, a safety ball bearing and reserve bearings are used that perceive loads in these modes. The lubrication of the safety ball bearing is carried out by the pumped liquefied gas and is practically independent of the actual flow rate in the inside of the pump. After stabilization of the pump operation mode, the safety bearing comes out of contact with the shaft, due to the hanging of the shaft as a result of the hydraulic unloading system. The subsequent radial and axial loads are fully taken up by the radial hydrostatic bearings and the hydraulic relief system, respectively. The safety bearing does not bear any load. In addition, radial hydrostatic bearings are protected from damage by using back-up plain bearings that prevent contact between the shaft and housings of radial hydrostatic bearings and have a smaller operating clearance than in a radial hydrostatic bearing.

Указанная совокупность признаков не является известной из уровня техники и проявляет новые свойства, заключающиеся в повышении ресурса опор ротора и снижении частоты остановок насоса на техническое обслуживание или ремонт, так как радиальные гидростатические подшипники фактически не подвержены износу, а страховочный шарикоподшипник работает под нагрузкой только на режимах пуска и останова насоса. Соответственно, он вырабатывает свой ресурс значительно позднее, чем при использовании шарикоподшипников в качестве основных опор, и при соблюдении условий эксплуатации не требует замены в течение всего срока службы насоса. The specified set of features is not known from the prior art and exhibits new properties, which consist in increasing the life of the rotor supports and reducing the frequency of pump shutdowns for maintenance or repair, since radial hydrostatic bearings are actually not subject to wear, and the safety ball bearing operates under load only in modes start and stop the pump. Accordingly, it develops its resource much later than when using ball bearings as main bearings, and, subject to operating conditions, does not require replacement during the entire life of the pump.

Полезная модель поясняется фиг. 1, фиг. 2а и фиг. 2б, где на фиг. 1 показан насос в разрезе, а на фиг. 2а и 2б - выносные виды подшипниковых узлов, показанных на фиг. 1.The utility model is illustrated in FIG. 1, fig. 2a and fig. 2b, where in Fig. 1 shows the pump in section, and Fig. 2a and 2b are detail views of the bearing assemblies shown in FIG. 1.

Погружной насос для перекачивания низкотемпературных жидкостей 1 содержит подвод 2, расположенный в нижней части насоса 1, рабочие ступени 3а (последняя ступень) и 3, включающие рабочие колёса 4а (принадлежит первой ступени) и 4 и направляющие аппараты 5, причем указанные рабочие колеса располагаются на роторе 6, включающем также втулку 7, электродвигателя 8, расположенного в полости 9, таким образом, что перед рабочим колесом первой ступени 4а установлен шнек 10, и систему гидравлической разгрузки 11 осевой силы, включающую один или более автономный контур 12. Кроме того, насос 1 содержит корпус 12 подшипника и крышку 13 с выполненными в них каналами 14а и 14б и кольцевыми проточками 15а и 15б, и радиальные гидростатические подшипники 16а и 16б содержащие, в свою очередь, дроссели 17, установленные с применением разъемного соединения, камеры 18 и резервные подшипники 19а и 19б из антифрикционного материала, и образующие подшипниковые зазоры 20а и 20б, причем вышеуказанные резервные подшипники 19а и 19б формируют зазоры 21а и 21б соответственно меньшие, чем зазоры 20а и 20б. В крышке 12, кроме вышеперечисленного, присутствует страховочный подшипник 22 с установленной в нем конусной втулкой 23 с поверхностью, соответствующей втулке 7. The submersible pump for pumping low-temperature liquids 1 contains a supply 2 located in the lower part of the pump 1, operating stages 3a (last stage) and 3, including impellers 4a (belonging to the first stage) and 4 and guide vanes 5, and these impellers are located on rotor 6, which also includes a sleeve 7, an electric motor 8 located in the cavity 9, in such a way that a screw 10 is installed in front of the first stage impeller 4a, and a hydraulic axial force relief system 11, including one or more autonomous circuits 12. In addition, the pump 1 contains a bearing housing 12 and a cover 13 with channels 14a and 14b made in them and annular grooves 15a and 15b, and radial hydrostatic bearings 16a and 16b containing, in turn, throttles 17 installed using a detachable connection, chambers 18 and reserve bearings 19a and 19b of anti-friction material, and forming bearing clearances 20a and 20b, and the above backup bearings 19a and 19b form gaps 21a and 21b respectively smaller than gaps 20a and 20b. In the cover 12, in addition to the above, there is a safety bearing 22 with a tapered bushing 23 installed in it with a surface corresponding to the bushing 7.

Полезная модель работает следующим образом.The utility model works as follows.

Сжиженный газ поступает в насос 1, проходя через подвод 2. Напор сообщается перекачиваемой жидкости в рабочих ступенях 3а и 3 посредством шнека 10, рабочих колёс 4а и 4 и направляющих аппаратов 5 за счёт вращения ротора 6 в электродвигателе 8. Выброс сжиженного газа из насоса 1 с сообщённым ему напором осуществляется непосредственно с последней рабочей ступени 3а. The liquefied gas enters the pump 1, passing through the inlet 2. The pressure is reported to the pumped liquid in the working stages 3a and 3 by means of the screw 10, the impellers 4a and 4 and the guide vanes 5 due to the rotation of the rotor 6 in the electric motor 8. Emission of liquefied gas from the pump 1 with the pressure communicated to it is carried out directly from the last working stage 3a.

Часть сжиженного газа при работе насоса отбирается от основного потока через каналы 14а, 14б в корпусе 12 подшипника и крышке 13 насоса и поступает в соответствующие кольцевые проточки 15а и 15б. Далее сжиженный газ проходит через дроссели 17, установленные с применением разъемного соединения, в камеры 18, распределённые по внутренней поверхности радиальных гидростатических подшипников 16а и 16б, откуда поступает в подшипниковые зазоры 20а и 20б. Смещение ротора 6 от центрального положения изменяет распределение давлений в зазорах 20а и 20б, вызывая в зоне уменьшения зазора локальное повышение давления, возвращающее ротор 6 в исходное положение. Таким образом, в подшипниковых зазорах 20а и 20б в нормальных условиях всегда присутствует сплошная плёнка из перекачиваемого сжиженного газа, разделяющая поверхности ротора 6 и неподвижных элементов 16а, 16б, 19а и 19б. Затем поток жидкости из камер 18 направляется к периферийной части радиальных гидростатических подшипников 16а и 16б, где установлены резервные подшипники скольжения 19а и 197б, представляющие собой втулки, выполненные из антифрикционного материала и формирующие зазоры 21а и 21б, причем зазоры 21а и 21б имеют меньшую величину, чем зазоры 20а и 20б, обеспечиваемые радиальными гидростатическими подшипниками 16а и 16б, что в случае работы насоса на режимах пуска и останова приводит к износу легкозаменяемых резервных подшипников скольжения 19а и 19б и предохраняет технически более сложные радиальные гидростатические подшипники 16а и 16б соответственно. Далее сжиженный газ сбрасывается в полость 9 электродвигателя.Part of the liquefied gas during pump operation is taken from the main flow through channels 14a, 14b in the bearing housing 12 and pump cover 13 and enters the corresponding annular grooves 15a and 15b. Next, the liquefied gas passes through the throttles 17, installed using a detachable connection, into the chambers 18, distributed along the inner surface of the radial hydrostatic bearings 16a and 16b, from where it enters the bearing clearances 20a and 20b. The displacement of the rotor 6 from the central position changes the pressure distribution in the gaps 20a and 20b, causing a local increase in pressure in the gap reduction zone, which returns the rotor 6 to its original position. Thus, in the bearing clearances 20a and 20b, under normal conditions, there is always a continuous film of pumped liquefied gas separating the surfaces of the rotor 6 and the fixed elements 16a, 16b, 19a and 19b. Then the fluid flow from the chambers 18 is directed to the peripheral part of the radial hydrostatic bearings 16a and 16b, where the reserve plain bearings 19a and 197b are installed, which are bushings made of antifriction material and forming gaps 21a and 21b, and the gaps 21a and 21b are smaller, than clearances 20a and 20b provided by radial hydrostatic bearings 16a and 16b, which, in the case of pump operation in start-up and stop modes, leads to wear of easily replaceable backup plain bearings 19a and 19b and protects technically more complex radial hydrostatic bearings 16a and 16b, respectively. Next, the liquefied gas is discharged into the cavity 9 of the electric motor.

Для обеспечения работы системы гидравлической разгрузки 11 осевой силы происходит дополнительный отбор сжиженного газа после сообщения ему напора в последней ступени 3а. После прокачки через систему разгрузки 11 сжиженный газ также поступает в полость 9 электродвигателя. Жидкость из полости электродвигателя через автономный контур 12 возвращается на всас насоса 1.To ensure the operation of the system of hydraulic unloading 11 of the axial force, an additional selection of liquefied gas takes place after giving it a pressure in the last stage 3a. After pumping through the unloading system 11, the liquefied gas also enters the cavity 9 of the electric motor. The liquid from the cavity of the electric motor through the autonomous circuit 12 returns to the suction of the pump 1.

При низких значениях напора, имеющих место при запуске насоса 1 и его останове, система гидравлической разгрузки осевой силы 11 неактивна и ротор 6 под действием силы тяжести находится в нижнем положении. В свою очередь в нижнем положении втулка 7 ротора 6 с конусной поверхностью находится в контакте с конусной втулкой 23, установленной в страховочном подшипнике 22. За счёт возникающей при их контакте плотной конусной посадки обеспечивается свободное вращение вала 6 в страховочном подшипнике 22.At low pressure values, which occur when the pump 1 is started and stopped, the hydraulic axial force relief system 11 is inactive and the rotor 6 is in the lower position under the action of gravity. In turn, in the lower position, the sleeve 7 of the rotor 6 with a conical surface is in contact with the conical sleeve 23 installed in the safety bearing 22. Due to the dense conical fit that occurs during their contact, the free rotation of the shaft 6 in the safety bearing 22 is ensured.

Claims

1. A submersible pump for pumping low-temperature liquids, for example, liquefied gas, containing a vertical rotor with a common shaft for the pump and the drive motor, a ball bearing mounted in a cover at the top of the submersible pump and at least two radial hydrostatic bearings fed from pressure pump, and characterized in that the pump is equipped with at least one backup plain bearing having a gap between the sleeve and the corresponding surface of the rotor is smaller than a similar gap in the radial hydrostatic bearing, and a movable sleeve is installed in the ball bearing, having a conical surface corresponding to that made on the top of the shaft.

2. A submersible pump according to claim 1, characterized in that the backup plain bearing is installed in the housing of the radial hydrostatic bearing and is a sleeve made of anti-friction material.

3. A submersible pump according to claim 1, characterized in that grooves are made in the housings of the radial hydrostatic bearings for the simultaneous supply of liquefied gas to all throttles installed in the housing of the radial hydrostatic bearing.

4. A submersible pump according to claim 1, characterized in that the throttles are installed in the housings of radial hydrostatic bearings using a detachable connection.