RU2443907C1

RU2443907C1 - Semisubmersible multi-stage pump unit

Info

Publication number: RU2443907C1
Application number: RU2010137380/06A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Валентинович Марков (RU); Дмитрий Валентинович Марков; Геннадий Васильевич Соболев (RU); Геннадий Васильевич Соболев; Юрий Тихонович Дурбайло (RU); Юрий Тихонович Дурбайло; Михаил Юрьевич Ковалев (RU); Михаил Юрьевич Ковалев
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Гидрогаз" (ЗАО "Гидрогаз")
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2012-02-27

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed unit comprises composite housing 1 with duct-type guide vanes 2 and cover 37 secured on composite string. Two-bearing rotor shaft 4 with impellers 3 and piston 12 of unloading device is coupled via shaft train with engine mounted on the plate. Proposed unit comprises two pairs of end seals 7-10 with separation chamber filed with gate fluid. Filter 38 is arranged at pump inlet. Chamber between piston 12 and double end seal 7, 8 communicates via control valve 19 with low-pressure area. Pumped fluid forced into unloading device is pre-cleaned by cyclone separator 16. Top section of housing 32 of lower bearing 6 has ledge 33 with narrow cutouts that feature width not exceeding 3 mm. Said lower bearing 6 represents an antifriction bearing separated from pumped fluid by double end seal 9, 10.

EFFECT: reliable log-term operation.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к насосостроению, в частности к насосным агрегатам для перекачивания любых, в том числе и агрессивных, пожаровзрывоопасных жидкостей из дренажных емкостей и приямков, с твердыми включениями с размерами до 10 мм с объемным содержанием до 5%.The invention relates to pump engineering, in particular to pumping units for pumping any, including aggressive, fire and explosion hazard liquids from drainage tanks and pits, with solid inclusions with sizes up to 10 mm with a volume content of up to 5%.

Известен полупогружной центробежный насосный агрегат, имеющий корпус, закрепленный на удерживающей его составной колонне (подвеске), рабочее колесо, установленное консольно на двухопорном роторе, соединенное с двигателем с помощью валопровода, двойное торцовое уплотнение с разделительной полостью, заполненное нейтральной жидкостью, отделяющее проточную часть насоса от пространства внутри подвески (Патент РФ №70944, МПК F04D 13/08).Known semi-submersible centrifugal pump unit having a housing mounted on its holding composite column (suspension), an impeller mounted cantilever on a double-supporting rotor, connected to the engine by means of a shaft shaft, a double mechanical seal with a dividing cavity filled with a neutral liquid, separating the pump flow part from the space inside the suspension (RF Patent No. 70944, IPC F04D 13/08).

Недостатком данной конструкции является невозможность использования при перекачивании рабочих сред при необходимости обеспечения больших напоров, отсутствие устройств, предотвращающих сброс давления перед уплотнением.The disadvantage of this design is the inability to use when pumping media when it is necessary to provide large heads, the absence of devices to prevent pressure relief before sealing.

Известен полупогружной многоступенчатый насосный агрегат, имеющий составной корпус с направляющими аппаратами канального типа, с рабочими колесами на валу ротора, валопроводы, установленные в герметичных подвесках на подшипниках качения, соединенные между собой через эластичные муфты, двигатель, разгрузочное устройство в виде поршня с полостью между последним и торцовым уплотнением, двойное торцовое уплотнение, фильтр перед всасывающим отверстием насоса (Официальный сайт ОАО «Сумской завод «Насосэнергомаш» - www.nempump.com, ОАО Сумский завод "НАСОСЭНЕРГОМАШ", электронасосный агрегат АНОУ 50-350). В узкую щель между поршнем и гильзой в корпусе насоса поступает перекачиваемая жидкость, которая через зазоры нижней опоры вытекает через отверстия в подвеске насоса в емкость. Торцовое уплотнение, расположенное за поршнем, изолирует пары перекачиваемой жидкости от полости верхней опоры.Known semi-submersible multi-stage pump unit having a composite housing with channel-type guiding devices, with impellers on the rotor shaft, shaft lines installed in sealed suspensions on rolling bearings, interconnected via elastic couplings, an engine, a piston-unloading device with a cavity between the latter and mechanical seal, double mechanical seal, filter in front of the suction inlet of the pump (Official website of OJSC Sumy Plant Nasosenergomash - www.nempump.com OJSC Sumsky for od "Nasosenergomash" electric pumps ANOU 50-350). The pumped fluid enters the narrow gap between the piston and the sleeve in the pump housing, which flows through the openings in the lower support through the openings in the pump suspension into the container. The mechanical seal located behind the piston isolates the vapor of the pumped fluid from the cavity of the upper support.

Недостатком данной конструкции является ее большая металлоемкость, необходимость изготовления валопровода из стали, обеспечивающей химическую стойкость в перекачиваемых агрессивных средах, увеличение диаметра и, следовательно, массы вала при увеличении глубины погружения насосного агрегата, высокая себестоимость насосного агрегата, снижение надежности при перекачивании загрязненных жидкостей, из-за ограниченной работоспособности и ненадежности подшипника скольжения, омываемого перекачиваемой средой и, как следствие этого, подверженного износу и заклиниванию, т.к. размер твердых включений для надежной работы подшипника не должен превышать 0,1 мм. Кроме того, недостатком данной конструкции является необходимость очень точной балансировки ротора насоса из-за большого момента инерции и неравномерности массы расположенных консольно, относительно нижней опоры вала, рабочих колес, потребность в высокой точности обработки посадки под подшипник скольжения для обеспечения его соосности между с посадочным диаметром для верхнего шарикоподшипника, низкий КПД и малый межремонтный промежуток времени. Увеличение щели между гильзой и поршнем разгрузочного устройства из-за износа воздействием твердых частиц и эрозии приводит к повышению давления в полости между торцом разгрузочного устройства и верхним торцовым уплотнением, а это ведет к увеличению осевой силы на ротор и к выходу из строя подшипников.The disadvantage of this design is its high metal consumption, the need to manufacture a shaft line made of steel, which provides chemical resistance in aggressive pumped fluids, an increase in diameter and, consequently, a shaft mass with an increase in the immersion depth of the pump unit, high cost of the pump unit, and a decrease in reliability when pumping contaminated liquids from - due to the limited performance and unreliability of the sliding bearing, washed by the pumped medium and, as a consequence of this, suspension conjugated wear and jamming, as the size of solid inclusions for reliable operation of the bearing should not exceed 0.1 mm. In addition, the disadvantage of this design is the need for very precise balancing of the pump rotor due to the large moment of inertia and uneven mass of the cantilever relative to the lower shaft bearings, impellers, the need for high precision machining of the fit under the sliding bearing to ensure its alignment between the bore diameter for the upper ball bearing, low efficiency and short overhaul time. An increase in the gap between the sleeve and the piston of the unloading device due to wear by the action of solid particles and erosion leads to an increase in pressure in the cavity between the end face of the unloading device and the upper mechanical seal, and this leads to an increase in the axial force on the rotor and to failure of the bearings.

Задачей данного изобретения является обеспечение надежной длительной работы насосного агрегата при перекачивании агрессивных и пожаро- и взрывоопасных сильнозагрязненных жидкостей с большими размерами и объемным содержанием твердых частиц, которые часто имеют место в приямках и дренажных емкостях.The objective of this invention is to ensure reliable long-term operation of the pumping unit when pumping aggressive and flammable and explosive highly contaminated liquids with large sizes and volumetric content of solid particles, which often occur in pits and drainage tanks.

Технический результат достигается тем, что в полупогружном многоступенчатом насосном агрегате, имеющем составной корпус с направляющими аппаратами канального типа, с рабочими колесами на двухопорном валу ротора, валопроводы, установленные в герметичных подвесках на подшипниках качения, соединенные между собой через эластичные муфты, двигатель, разгрузочное устройство в виде поршня с полостью между последним и торцовым уплотнением, двойное торцовое уплотнение, фильтр перед всасывающим отверстием насоса, согласно изобретению полость соединена через регулируемый клапан с областью низкого давления, а перекачиваемая жидкость подается в разгрузочное устройство, будучи предварительно очищенной от твердых примесей в циклонном сепараторе, а неотфильтрованная перекачиваемая жидкость не пропускается к поршню системой щелевых уплотнений за рабочим колесом последней ступени, кроме того, корпус нижней опоры ротора имеет цилиндрический выступ с узкими прорезями. Ширина прорезей может составлять не более 3 мм. Для нижней опоры ротора может использоваться подшипник качения, отделенный от перекачиваемой жидкости посредством двойного торцового уплотнения с разделительной полостью, заполненной нейтральной жидкостью.The technical result is achieved by the fact that in a semi-submersible multi-stage pump unit having a composite housing with channel-type guiding devices, with impellers on a two-bearing rotor shaft, shaft ducts installed in sealed suspensions on rolling bearings, interconnected via elastic couplings, an engine, an unloading device in the form of a piston with a cavity between the last and the mechanical seal, a double mechanical seal, a filter in front of the suction port of the pump, according to the invention, the cavity it is connected through an adjustable valve to the low-pressure region, and the pumped liquid is supplied to the unloading device, being previously cleaned of solid impurities in the cyclone separator, and the unfiltered pumped liquid is not passed to the piston by a system of gap seals behind the impeller of the last stage, in addition, the lower support housing the rotor has a cylindrical protrusion with narrow slots. The width of the slots can be no more than 3 mm. For the lower support of the rotor, a rolling bearing can be used, separated from the pumped liquid by a double mechanical seal with a separation cavity filled with a neutral liquid.

На фиг.1 изображен полупогружной многоступенчатый насосный агрегат, на фиг.2 - фрагмент проточной части этого агрегата.Figure 1 shows a semi-submersible multi-stage pumping unit, figure 2 is a fragment of the flowing part of this unit.

Многоступенчатый полупогружной насосный агрегат состоит из составного корпуса 1 с направляющими аппаратами 2 канального типа, ротора насоса с рабочими колесами 3, установленными на валу 4. Вал 4 ротора насоса имеет верхнюю и нижнюю опоры 5, 6. Нижняя опора 6 представляет собой роликовый подшипник качения, верхняя опора 5 - сдвоенный шарикоподшипник. Насосный агрегат имеет две пары торцовых уплотнений, установленных по схеме «тандем» - верхние - 7, 8 и нижние - 9, 10. На валу 4 ротора за рабочим колесом последней ступени 11 и верхним торцовым уплотнением 7 установлен поршень 12 разгрузочного устройства, за которым образована полость в корпусе 13 уплотнения. Разгрузочное устройство состоит из неподвижной гильзы 14 и поршня 12, между которыми имеется длинный кольцевой зазор. Для предотвращения износа твердыми частицами (содержащимися в перекачиваемой жидкости) наружной поверхности поршня 12 и внутренней поверхности гильзы 14 перекачиваемая рабочая жидкость, забираемая из напорного патрубка спирального отвода 15, очищается с помощью циклонного сепаратора 16, после чего по каналу 17 в корпусе 13 уплотнения поступает, очищенной от твердых частиц, в зазор между поршнем 12 и гильзой 14. Давление жидкости в этом щелевом зазоре снижается, после чего она попадает в полость перед уплотнением 7, и, далее через канал 18 - к автоматическому регулирующему клапану 19. Клапан 19 имеет в своем составе пружину, усилие которой регулируется винтом для установки в полости перед уплотнением 7 заданного давления, необходимого для создания осевой силы на разгрузочном устройстве при одновременном обеспечении этого давления, не выше допускаемого для безопасной работы торцового уплотнения 7. Перепускаемая клапаном 19 жидкость поступает по каналу 20 к штуцеру 21 - в область низкого давления, т.е. на вход рабочего колеса 3 второй или третьей ступени (в зависимости от допускаемого давления для торцового уплотнения 7). Возможно исполнение, когда слив жидкости после клапана 19 производится напрямую в емкость, в которую погружен насос. Вал 4 ротора насоса через упругодемпферную муфту 22 соединен с валопроводом 23, который, в свою очередь, через упругодемпферную муфту 22 соединяется с двигателем 24, установленным на опорной плите 25. Рабочие колеса 3 и поршень 12 стянуты на валу 4 в пакет гайкой 26, зафиксированной с помощью контргайки 27. Последняя ступень 11 насосного агрегата имеет спиральный отвод 15, фланец которого соединен с отводом 28, имеющим фланец 29, через который насос нагнетает жидкость в напорную магистраль. Составной корпус 1 закреплен к составной колонне 30 с помощью шпилек 31. Корпус 32 нижней опоры 6 вала 4 ротора имеет выступ 33 (в виде цилиндрического стакана) с узкими продольными прорезями, высота и ширина которых зависят от размеров твердых частиц в перекачиваемой жидкости и типа торцового уплотнения 9, которое выступ 33 защищает от попадания крупных частиц, но не превышают допустимых для торцового уплотнения размеров, в частности ширина прорези не превышает 3 мм. Полость между торцовыми уплотнениями 9 и 10, установленными по схеме «тандем», заполнена нейтральной затворной жидкостью при атмосферном давлении. Нижняя опора 6 герметизируется от перекачиваемой жидкости торцовыми уплотнениями 9 и 10 с одной стороны и крышкой 34 с неподвижным уплотнительным кольцом 35 - с другой. Такая конструкция насосного агрегата позволяет установить в нижней опоре 6 подшипник качения. Корпус 32 нижней опоры 6 закреплен на пилонах 36 к крышке 37 таким образом, что между ними образован всасывающий конфузорный коллектор. Крупные включения, содержащиеся в перекачиваемой рабочей жидкости, не пропускаются в насосный агрегат фильтром 38, выполненным в виде стакана из перфорированного листа и закрепленного на корпусе 32.A multi-stage semi-submersible pump unit consists of a composite housing 1 with channel guides 2, a pump rotor with impellers 3 mounted on the shaft 4. The pump rotor shaft 4 has upper and lower bearings 5, 6. The lower bearing 6 is a roller bearing, upper support 5 - double ball bearing. The pump unit has two pairs of mechanical seals installed according to the tandem scheme - upper - 7, 8 and lower - 9, 10. On the shaft 4 of the rotor behind the impeller of the last stage 11 and the upper mechanical seal 7 there is a piston 12 of the unloading device, behind which a cavity is formed in the seal housing 13. The unloading device consists of a fixed sleeve 14 and a piston 12, between which there is a long annular gap. To prevent wear by solid particles (contained in the pumped liquid) of the outer surface of the piston 12 and the inner surface of the sleeve 14, the pumped working fluid taken from the discharge pipe of the spiral outlet 15 is cleaned with a cyclone separator 16, after which it enters through the channel 17 in the seal housing 13, cleared of solid particles into the gap between the piston 12 and the sleeve 14. The fluid pressure in this slotted gap decreases, after which it enters the cavity before the seal 7, and then through the channel 18 to the machine control valve 19. Valve 19 incorporates a spring, the force of which is regulated by a screw to set a predetermined pressure in the cavity before the seal 7, which is necessary to create axial force on the unloading device while ensuring this pressure not higher than that allowed for the safe operation of the mechanical seal 7 Bypassed by the valve 19, the fluid enters through the channel 20 to the fitting 21 - in the low pressure region, i.e. to the input of the impeller 3 of the second or third stage (depending on the permissible pressure for the mechanical seal 7). Execution is possible when the liquid is drained after valve 19 directly into the tank into which the pump is immersed. The rotor shaft 4 of the pump through an elastic damper coupling 22 is connected to a shaft 23, which, in turn, is connected through an elastic damper coupling 22 to a motor 24 mounted on a base plate 25. The impellers 3 and the piston 12 are pulled together on the shaft 4 by a nut 26 fixed by means of a lock nut 27. The last stage 11 of the pump unit has a spiral outlet 15, the flange of which is connected to the outlet 28 having a flange 29, through which the pump pumps liquid into the pressure line. The composite housing 1 is fixed to the composite column 30 using pins 31. The housing 32 of the lower support 6 of the rotor shaft 4 has a protrusion 33 (in the form of a cylindrical cup) with narrow longitudinal slots, the height and width of which depend on the size of the solid particles in the pumped liquid and the type of mechanical seal 9, which protrusion 33 protects against ingress of large particles, but does not exceed the dimensions acceptable for mechanical seal, in particular, the width of the slot does not exceed 3 mm The cavity between the mechanical seals 9 and 10, installed according to the tandem scheme, is filled with a neutral barrier fluid at atmospheric pressure. The lower support 6 is sealed against the pumped liquid by mechanical seals 9 and 10 on the one hand and the cover 34 with the stationary sealing ring 35 on the other. This design of the pump unit allows you to install in the lower support 6 of the rolling bearing. The housing 32 of the lower support 6 is mounted on the pylons 36 to the cover 37 in such a way that a suction confuser collector is formed between them. Large inclusions contained in the pumped working fluid are not passed into the pumping unit by a filter 38 made in the form of a glass from a perforated sheet and fixed to the housing 32.

Насосный агрегат работает следующим образом.The pump unit operates as follows.

При включении электродвигателя 24 крутящий момент передается через валопровод 23 на вал 4 ротора насоса, приводя в движение рабочие колеса 3. Перекачиваемая рабочая жидкость, находящаяся в емкости, в которую погружен насосный агрегат, через фильтр 38 всасывается первым рабочим колесом 3 и нагнетается на вход в последующие ступени насосного агрегата, проходя через направляющие аппараты 2 канального типа. С последней ступени 11 рабочего колеса 3 перекачиваемая жидкость нагнетается в спиральный отвод 15, отвод 28 к фланцу 29 и далее в напорную магистраль. Часть нагнетаемой насосным агрегатом перекачиваемой среды из спирального отвода 15 поступает к циклонному сепаратору 16. Очищенная в сепараторе 16 перекачиваемая жидкость поступает в зону щели между поршнем 12 и гильзой 14, при этом загрязненная жидкость не попадает в эту зону, т.к. за рабочим колесом 3 последней ступени 11 имеется щелевое уплотнение. Давление в полости между поршнем 12 и торцовым уплотнением 7 поддерживается в пределах расчетных значений, допустимых по воздействию осевой силы на опору 5, с помощью настройки клапана 19, осуществляющего перепуск части перекачиваемой рабочей среды из-за поршня 12 в зону более низкого давления через канал 20. По мере возможного износа щели между поршнем 12 и гильзой 14 (вследствие эрозии в течение длительного времени эксплуатации) клапан 19 увеличивает слив, чем поддерживает давление за поршнем 12 на расчетном уровне, не допуская выхода из строя торцового уплотнения 7 и увеличения нагрузки на опору 5.When the motor 24 is turned on, the torque is transmitted through the shaft 23 to the pump rotor shaft 4, driving the impellers 3. The pumped working fluid in the tank into which the pump unit is immersed is sucked through the filter 38 by the first impeller 3 and pumped to the inlet subsequent stages of the pumping unit, passing through the guide apparatus 2 channel type. From the last stage 11 of the impeller 3, the pumped liquid is pumped into a spiral outlet 15, branch 28 to the flange 29 and then into the pressure pipe. Part of the pumped medium pumped by the pump unit from the spiral outlet 15 enters the cyclone separator 16. The pumped liquid cleaned in the separator 16 enters the gap zone between the piston 12 and the sleeve 14, while the contaminated liquid does not enter this zone, because behind the impeller 3 of the last stage 11 there is a gap seal. The pressure in the cavity between the piston 12 and the mechanical seal 7 is maintained within the calculated values permissible by the action of the axial force on the support 5 by adjusting the valve 19, bypassing part of the pumped medium due to the piston 12 to the lower pressure zone through the channel 20 As the gap between the piston 12 and the sleeve 14 is possibly worn (due to erosion over a long period of operation), the valve 19 increases the drain, which maintains the pressure behind the piston 12 at a design level, avoiding failure face seal 7 and increase the load on the support 5.

Таким образом, предлагаемая конструкция многоступенчатого полупогружного насосного агрегата, в отличие от ближайшего аналога, обеспечивает возможность перекачивать жидкости с большим содержанием твердых включений по размеру и объемному содержанию, имеет устройство автоматического регулирования осевой нагрузки на ротор насосного агрегата и может использоваться для опорожнения емкостей с пожаровзрывоопасными жидкостями с больших глубин. Ротор насоса нагружен меньшим изгибающим моментом из-за двухопорной схемы вала, что позволяет иметь его более жестким, легким и простым в изготовлении. Валы подвесок (валопроводы) изолированы от перекачиваемой рабочей среды, что не требует выполнения их из материалов, обеспечивающих химическую стойкость. Использование подшипника качения в нижней опоре повышает надежность и безотказность работы насосного агрегата. Масса и металлоемкость данной конструкции меньше, а КПД значительно выше за счет снижения потерь на сброс утечек из-за поршня и меньших потерь на трение в подшипниках качения.Thus, the proposed design of a multistage semisubmersible pumping unit, unlike the closest analogue, provides the ability to pump liquids with a high solids content in size and volumetric content, has a device for automatically controlling the axial load on the rotor of the pumping unit and can be used to empty containers with fire and explosion hazardous liquids from great depths. The pump rotor is loaded with less bending moment due to the double-shaft shaft design, which allows it to be more rigid, light and easy to manufacture. Suspension shafts (shaft shafts) are isolated from the pumped working medium, which does not require them to be made of materials providing chemical resistance. The use of a rolling bearing in the lower support increases the reliability and reliability of the pump unit. The mass and metal consumption of this design is less, and the efficiency is much higher due to the reduction of leakage losses due to the piston and lower friction losses in the rolling bearings.

Данная конструкция более технологична, не требует совместной обработки мест под посадку подшипников, что обеспечивает взаимозаменяемость секций, самих подшипников, хорошую ремонтопригодность.This design is more technological, does not require joint processing of seats for bearings, which ensures the interchangeability of the sections, the bearings themselves, good maintainability.

Насосный агрегат позволяет обеспечить напор до 640 м за счет варьирования количеством ступеней до 12 штук. Глубина погружения может увеличиваться за счет количества подвесок и имеет ограничения только по условиям монтажа и грузоподъемностью механизмов для установки насоса на горловину емкости.The pump unit allows you to provide a head up to 640 m by varying the number of stages up to 12 pieces. The immersion depth can be increased due to the number of suspensions and has limitations only in terms of installation and load capacity of mechanisms for installing the pump on the neck of the tank.

Claims

1. Semi-submersible multi-stage pump unit having a composite housing with channel-type guiding devices, with impellers on a two-bearing rotor shaft, shaft shafts installed in airtight suspensions on rolling bearings, interconnected via elastic couplings, an engine, a piston-unloading device with a cavity between the last and the mechanical seal, a double mechanical seal, a filter in front of the suction port of the pump, characterized in that the cavity is connected via a control valve to the region low pressure, and the pumped liquid is supplied to the unloading device, being previously cleaned of solid impurities in the cyclone separator, and the unfiltered pumped liquid is not passed to the piston by a system of gap seals behind the impeller of the last stage, in addition, the case of the lower rotor support has a cylindrical protrusion with narrow slots.

2. Semi-submersible multi-stage pumping unit according to claim 1, characterized in that the width of the slots is not more than 3 mm

3. Semi-submersible multi-stage pumping unit according to claim 1, characterized in that a roller bearing is used for the lower rotor support, separated from the pumped liquid by a double mechanical seal with a separation cavity filled with a neutral liquid.