Відцентровий насос двостороннього входу для перекачування нафти і в’язких нафтопродуктів

1 Відцентровий насос двостороннього входу для перекачування нафти і в'язких нафтопродуктів, що містить корпус, всередині якого встановлено лопатеве робоче колесо, що створює спільно з підводом і спіральним відводом корпусу проточну частину, який відрізняється тим, що Винахід відноситься до насособудування, і може бути використаний в конструкціях насосів, призначених для перекачування нафти і в'язких нафтопродуктів Як аналог вибраний насос типу «Д» (тобто відцентровий одноступінчатий (одноколісний) насос з горизонтальним роз'ємом корпусу і робочим колесом двостороннього входу), який застосовується для нафтової промисловості [1] Проточна частина цього насоса складається з підводу, робочого колеса двостороннього входу і спірального відводу Недоліком насоса-аналога є його низький к к д у зв'язку з великими гідравлічними втратами, виникаючими в цьому насосі при перекачуванні в'язких середовищ Як прототип вибраний відцентровий насос двостороннього входу, тобто насос типу «Д», який застосовується для нафтової промисловості [2] Проточна частина насоса-прототипу складається з підводу, робочого колеса двостороннього входу і спірального відводу Недоліком насоса-прототипу є те, що він, будучи спочатку створеним для перекачування води, робоче колесо містить від 3 до 5 лопатей, кут установки лопаті на виході складає від 18 до 25°, при цьому спіральний ВІДВІД виконаний розширеним в порівнянні зі спіральним відводом насоса, який використовується для перекачування води, на величину безрозмірного коефіцієнта, який враховує в'язкість нафти і в'язких нафтопродуктів, що перекачуються 2 Відцентровий насос по п 1, який відрізняється тим, що величина безрозмірного коефіцієнта, який враховує в'язкість нафти і в'язких нафтопродуктів, що перекачуються, знаходиться в межах від 1,1 до 1,6 3 Відцентровий насос по п 1, який відрізняється тим, що форми лопатей і меридіональних перерізів робочого колеса, а також підводу і відводу, виконано плавними не відповідає сучасному рівню техніко-економічних вимог в операціях, пов'язаних з перекачуванням нафти і в'язких нафтопродуктів, за основними своїми характеристиками, так як має низький к к д у зв'язку з великими гідравлічними втратами в насосі при перекачуванні в'язких середовищ В основу винаходу поставлена задача створення конструкції відцентрового насоса двостороннього входу, призначеного для перекачування нафти і в'язких нафтопродуктів, в якому шляхом нового поєднання конструктивних елементів його проточної частини забезпечується зниження гідравлічних втрат, тобто досягається підвищення економічності використання насоса при перекачуванні нафти і в'язких нафтопродуктів Поставлена задача вирішується тим, що у відцентровому насосі двостороннього входу для перекачування нафти і в'язких нафтопродуктів, який містить корпус, всередині якого встановлено лопатеве робоче колесо, що створює спільно з підводом і спіральним відводом корпусу проточну частину, робоче колесо містить від 3 до 5 лопатей, кут установки лопаті на виході складає від 18 до 25°, при цьому спіральний ВІДВІД виконаний розшире (О о ю 50699 виконуватися з двостороннім входом для забезпеним в порівнянні зі спіральним відводом насоса, чення високих показників по всмоктувальній здатякий використовується для перекачування води, ності на величину безрозмірного коефіцієнта, який враПо-друге, проточна частина насоса, яка склаховує в'язкість нафти і в'язких нафтопродуктів, що дається з підводу, робочого колеса і відводу, поперекачуються винна виконуватися розширеною відносно проточВеличина безрозмірного коефіцієнта, який ної частини, що проектується для умов враховує в'язкість нафти і в'язких нафтопродуктів, перекачування води Це пов'язано з тим, що із що перекачуються, знаходиться в межах від 1,1 до збільшенням в'язкості середовища, що перекачу1,6 ється, також збільшується і товщина прикордонноФорми лопатей і меридіональних переризів го шару, яка істотно впливає на пропускну спроробочого колеса, а також підводу і відводу, викоможність насоса нано плавними Перераховані ознаки пристрою складають Особливість роботи лопатевих насосів при суть винаходу транспортуванні в'язких рідин полягає в тому, що характеристики лопатевих насосів залежать від Наявність причинно-наслідного зв'язку між сув'язкості рідини, що перекачується (нафти і в'язких купністю істотних ознак винаходу і технічним ренафтопродуктів) Тому для практичних цілей необзультатом, що досягається, полягає в наступному хідно для кожного конкретного режиму експеримеЛопатеві насоси широко застосовуються в різнтальне встановлювати залежність впливу в'язконих галузях промисловості для перекачування сті рідини, що перекачується, на характеристики рідин, які мають різні фізико-хімічні властивості насоса, а також на параметри робочого процесу При цьому лопатеві насоси з однаковою проточперекачування ною частиною використовуються як для перекачування і води, так і для перекачування інших сереПри цьому важливо також правильно підбирадовищ, в тому числі і вуглеводневих, які мають ти параметри насосів і надавати їх робочим оргапідвищену в'язкість нам найбільш економічні з точки зору зниження гідравлічних втрат конструктивні форми і розміри, Так, наприклад, відома фірма KSB пропонує насамперед, для проточної частини насоса для перекачування води, морської води і сирої нафти спіральні насоси подвійного входу типу Як відомо із загальної теорії лопатевих насосів DVDS, DVSS, RJBMX, OLMX, які мають однакову [ 1 , 4 - 5], гідравлічна потужність, що передається проточну частину [3] Ці насоси забезпечують поробочим колесом рідини, яка перекачується, не дачу Q від 400 до 2000м3/год і натиск Н від 60 до залежить від и в'язкості Вплив збільшення в'язко600м сті рідини, що перекачується, виявляється у збільшенні втрат на дискове тертя і гідравлічних Досвід експлуатації існуючих насосів типу "Д" в втрат в проточній частині насоса, а також в зменнафтовій промисловості показав, що ці насоси, шенні протікання через щілини ущільнення будучи спочатку створеними для транспортування води, не відповідають сучасному рівню вимог за Критерієм для оцінки втрат при ЗМІНІ В'ЯЗКОСТІ основними своїми технічними характеристиками, рідини, що перекачується, є число Рейнольдса У насамперед по гідравлічним втратам та економічцей час теоретичний розрахунок втрат в проточній ності використання частині є неможливим внаслідок відсутності відповідної розрахунково-теоретичної бази Тому, через Так, у відцентрових насосах подача рідини неможливість виділення гідравлічних втрат із завідбувається за рахунок впливу лопатей робочого гального балансу енергії, параметри відомих наколеса при його обертанні на рідину На відміну сосів, а також конструктивні форми і розміри їх від об'ємних насосів, застосування відцентрових робочих органів, які обумовлюють економічну роводяних насосів, які широко застосовується в нафботу насосів при перекачуванні в'язких рідин, не товій і ХІМІЧНІЙ промисловості, для перекачування дозволяють підвищити економічність роботи насонафти і в'язких нафтопродуктів, без внесення несів обхідних конструктивних змін як елементів проточної частини, так і деталей ущільнення та інших Внаслідок цього зміна характеристик роботи вузлів, приводить до значних втрат економічності насоса при збільшенні в'язкості рідини, що перекаКрім того, використання стандартних водяних начується, оцінюється шляхом узагальнення сукупсосів для випадку перекачування нафти і в'язких ності експериментальних даних, отриманих для нафтопродуктів є неприпустимим за умовами зарізних режимів роботи насоса безпечення пожежо-та вибухобезпеки Так, із збільшенням в'язкості v рідині, що перекачується, меншає натиск П насоса і його к к д , а Зниження економічності використання водяних споживана потужність N збільшується Необхідні насосів при збільшенні в'язкості рідин, що перекапоправки визначаються по ВІДПОВІДНИМ графічнім чуються, відбувається внаслідок збільшення гідразалежностям поправочних величин від числа Рейвлічних втрат в проточній частині насоса і в ущільнольдса [1,4-5] неннях, а також через підвищення тертя на дисках та інших деталях насоса, які стикаються в процесі У міжнародному стандарті на випробування роботи з нафтою і в'язким нафтопродуктом У зв'янасосів ISO 9906 приведена номограма для перезку з цим для режимів перекачування в'язких серахунку характеристик, отриманих при перекачуредовищ типу нафти і в'язких нафтопродуктів, наванні води, для характеристик, що отримуються сос повинен проектуватися і виготовлятися з при перекачуванні в'язких середовищ урахуванням таких специфічних вимог У згаданій вище роботі [4] на основі аналізу відомих і отриманих результатів зроблено висновок По-перше, насос або його перший рівень (для про те, що спеціальне проектування проточної багатоступінчастих насосів), як правило, повинен 50699 частини при значеннях числа Рейнольдса Re > 3 5 У корпусі 1 насоса встановлений жорсткий вал 4 * 10 є недоцільним Для насосів типу НДС 600 4 на підшипникових опорах 5 і 6 На валу 4 закріп90 НДС 900 - 60, НДС 1000 - 120, НДС 800 - 50, лено відцентрове робоче колесо 7 двостороннього НДС 600 - 50 при значенні коефіцієнта кінематичвходу з лопатями 8 (на фіг 3 і фіг 4 їх 5 шт), яке ної в'язкості v 5 * 10 ну частину насоса Кут установки лопатей 8 на виході р2 знаходиться в межах від 18 до 25° (див В'язкість нафти і в'язких нафтопродуктів v нефігЗ) Форми лопатей 8, меридіональних перерізів обхідно обов'язково враховувати на стадії проекробочого колеса 7, підводу 2 і відводу 3 виконано тування як насоса, так і насосного агрегату загаплавними, тобто без різких змін їх перерізів лом, тобто коли передбачається можливість їх роботи на середовищах з підвищеною в'язкістю Вищезгадані конструктивні особливості робочих органів насоса, що пропонується, а саме роДосвід експлуатації насосів типу "Д", тобто набочого колеса і спірального відводу, в основному сосів спірального типу, при перекачуванні нафти і засновуються на результатах проведених експев'язких нафтопродуктів в'язкістю v < 80сСт, спроериментальних досліджень ктованих аналогічно до насосів, призначених для перекачування води, показав їх низьку економічОскільки В цей час не існує досить достовірноність го теоретичного критерію для вибору оптимальної КІЛЬКОСТІ лопатей Z робочого колеса (див фіг 2 і Таким чином, для забезпечення економічної фігЗ), то вибір шуканої КІЛЬКОСТІ Z засновується роботи відцентрового насоса, призначеного для виключно на аналізі результатів експериментів, які перекачування нафти і в'язких нафтопродуктів (з зображені на фіг 6 - 8 Аналіз отриманих експерикінематичною в'язкістю 80 - 250сСт), необхідно до ментальних результатів (див фіг 6 - 8) показує, що проточної частини насоса, спроектованого для при кінематичній в'язкості v 200сСт що враховують фізичні властивості нафти і в'язких оптимальне число лопатей складає Z = З нафтопродуктів, що перекачуються, а саме встановити в розширеному спіральному ВІДВОДІ спеціТаким чином, для досліджених значень в'язкоально спроектоване робоче колесо сті нафти і в'язких нафтопродуктів (v = 80 250сСт) діапазон значень числа лопатей робочого Форми лопатей, меридіональних перерізів роколеса лежить в межах від 3 до 5 (для порівняння бочого колеса, а також підводу і відводу, необхідв насосах, що перекачують низьков'язкі рідини з но виконувати плавними, тобто без різких змін в'язкістю v =1сСт, КІЛЬКІСТЬ лопатей звичайно перерізів, для забезпечення безвихрового харакскладає Z = 6 - 8) теру течи в насосі при перекачуванні нафти і в'язких нафтопродуктів Зменшення КІЛЬКОСТІ лопатей Z в робочому коТаким чином, кожна з вищезгаданих ВІДМІТНИХ лесі при перекачуванні в'язких рідин дозволяє ознак винаходу, а також їх сукупність, торкаються зменшити поверхню тертя Внаслідок цього при конструктивних особливостей виконання проточної великих значеннях в'язкості v меншають гідравліччастини насоса, яка впливає на його економічні втрати (характер поведінки кривих натиску Н), ність При цьому у разі відхилення конструктивних що виходить з фіг 6 При в'язкості v = 98сСт (див параметрів від меж, що заявляються, спостерігафіг 7) на оптимальному і перевантажувальному ється істотне зниження характеристик економічнорежимах напірна крива для Z = 5 проходить вище, сті проточної частини і погіршення роботи насоса ніж для Z = 3 4, 6, 7, а при в'язкості v = 255сСт загалом (див фіг 7) той же ефект спостерігається при Z = З На фіг 1 - 5 зображений відцентровий водяний насос двостороннього входу для перекачування Для того, щоб збільшити коефіцієнт реактивнафти і в'язких нафтопродуктів, де на фіг 1 зобраності робочого колеса 7, у винаході, що пропонужений загальний вигляд насоса, на фіг 2 - робоче ється, кут установки лопаті 8 на виході (рг) вибиколесо в перерізів, на фіг 3 - головний вигляд рорають в межах від 18 до 25° Внаслідок цього бочого колеса, на фіг 4 - насос з встановленим меншає швидкість Vu2 на виході з робочого колеса робочим колесом, на фіг 5 - перерізів А - А на 7, а також знижуються гідравлічні втрати в проточфіг 4, на фіг 6 - 8 зображено отримані експерименній частині тальні залежності, необхідні для проектування Що стосується спірального відводу 3, то задапроточної частини насоса, а саме залежність наний режим роботи по подачі у відцентровому натиску Н і продуктивності Q розробленого насоса сосі визначається прохідним перерізомом відводу, від числа лопатей робочого колеса Z при різних який визначається в основному розрахунковим значеннях v v = 1сСт (фіг 6), v = 98сСт (фіг 7), v = шляхом Розміри розрахункового перерізом спіра255сСт(фіг8) льного відведення 3 визначаються з співвідноВідцентровий водяний насос двостороннього входу для перекачування нафти і в'язких нафтопродуктів містить корпус 1 зі спіральним підводом 2 і відводом 3, збільшеним на величину безрозмірного коефіцієнта £', який залежить від в'язкості нафти і в'язких нафтопродуктів, що перекачуються (тобто ВІДВІД є виконаним збільшеним на 10 - 60% в порівнянні з початковим значенням розміру спірального відводу насоса, призначеного для перекачування води - див фіг 1) шення [1] д. _ e . Q іі! 0) К. де RH — початковий радіус перерізів спірального відводу, м, Rm — максимальний радіус перерізівспірального відводу.м, b — ширина перерізів спірального відводу, м, 50699 m — коефіцієнт, що враховує нерівномірність потоку за робочим колесом ( т = 1 1 1 в залежності від коефіцієнта ШВИДКОХІДНОСТІ), £' — безрозмірний коефіцієнт врахування в'язкості, Q — продуктивність насоса, м3/год, Н — натиск насоса, м, со — кутова швидкість обертання колеса, рад/с, Пг гідравлічний к к д , g — прискорення вільного падіння, м/с2, Кі — момент швидкості, що формується підводом, м2/с Безрозмірний коефіцієнт врахування в'язкості рідких середовищ, що перекачуються, вибирається в залежності від числа Рейнольдса Re по залежностям, наведеним, наприклад, в роботі [4] (див фіг 12 на стор 25) Встановлено, що шуканий коефіцієнт знаходиться в межах £' = 1 1 -ь 1 6 Причому при збільшенні в'язкості коефіцієнт 4" зростає, і навпаки Коефіцієнт, що враховує нерівномірність потоку за робочим колесом, тобто коефіцієнт т , вибирається в залежності від коефіцієнта ШВИДКОХІДНОСТІ, І знаходиться в межах m = 1 -ь 1,1 Момент швидкості, що формується підводом 2, тобто величина К І, визначається геометрією підводу, і розраховується, наприклад, по методиці, викладеній в роботі [5] Ліва частина рівності (1) визначає геометрію прохідного перешну відводу 3, а права — заданий режим роботи насоса 3 збільшенням в'язкості (тобто із зменшенням числа Re) коефіцієнт £' зростає Отже, для збереження рівності (1) необхідно пропорцюнально збільшувати його ліву частину, тобто збільшити геометричні розміри прохідного перерізу спіралі (значення b або Rm на фіг 4) Згідно З винаходом, КІЛЬКІСТЬ лопатей робочого колеса прийнята рівним від трьох до п'яти, кут установки лопаті робочого колеса на виході лежить в межах від 18 до 25°, а спіральний ВІДВІД виконано розширеним на величину безрозмірного коефіцієнта Таке виконання робочого колеса 7 і спірального відводу 3 дозволяє зменшити площу елементів проточної частини, де мають місце втрати на тертя, а також знизити швидкість в'язкої рідини, що перекачується Це в кінцевому результаті призводить до підвищення економічність роботи насоса Таким чином, в'язкість нафтопродуктів v обов'язково враховується на стадії проектування як відцентрового водяного насоса двостороннього входу, призначеного для перекачування нафти і в'язких нафтопродуктів, так і агрегату загалом, тобто коли передбачається можливість їх роботи на середовищах з підвищеною в'язкістю Як було вказано вище, при перекачуванні нафти і в'язких нафтопродуктів в проточній частині насоса різко збільшуються гідравлічні втрати і втрати на дискове тертя Виходячи з цього, а також на основі результатів проведених експериментальних досліджень, в передбачуваному до використання насосі для перекачування нафти і в'язких нафтопродуктів з метою зменшення гідравлічних втрат необхідно вносити конструктивні зміни в певній ПОСЛІДОВНОСТІ і при врахуванні наступних чин 8 ників 1 Проектується робоче колесо з числом лопатей Z = Z p K від трьох до п'яти (тобто при Z p K 200сСт - трилопатеве (Zp к = 3) робоче колесо - нове) 2 Робоче колесо розраховується і проектується з урахуванням товщини прикордонного шару і виконується розширеним в порівнянні з колесоморипналом, призначеним для перекачування води (так як меншає відносна швидкість W) 3 Для того, щоб збільшити коефіцієнт реактивності робочого колеса, значення кута установки лопаті на виході вибирають в межах від 18 до 25° (внаслідок чого меншає швидкість на виході з робочого колеса VU2) Експериментальне встановлено, що при відхиленні від вищезазначених значень кута установки лопаті на виході, коефіцієнт реактивності робочого колеса меншає, а гідравлічні втрати в проточній частині насоса збільшуються 4 Розрахунок ширини спірального відводу проводять при виконанні умови забезпечення ПОСТІЙНОСТІ моменту швидкості Кі = const (Кі = V u * R, де V u - окружна складова швидкості, м/с, R - радіус, м), що забезпечує більш широкі прохідні перерізи спіралі у порівнянні з розрахунковими значеннями У разі використання корпусу водяного насоса, призначеного для перекачування нафти і в'язких нафтопродуктів, його застосовують на меншу подачу в порівнянні з перекачуванням води (внаслідок зменшення швидкості) 5 Форми лопатей, меридіональних перерізів робочого колеса, підводу і відводу, виконують плавними без різких змін перерізів (для забезпечення безвихрового характеру течії) 6 Забезпечують шорсткість поверхні проточної частини насоса, значення якої не перевищує 3,2мкм 7 Підбирають водяні насоси з числом Рейнольдса Re > 3 5 * 10 8 Для зменшення втрат на дискове тертя вибирають оптимальний зазор між дисками робочого колеса, що обертаються, і стінками "пазух" відводу, довжину передніх ущільнень, а також забезпечують мінімально можливе значення шорсткості поверхні дисків робочого колеса і стінок "пазух" 9 Забезпечують відбір тиску на замикання торцевих ущільнень з передніх щілинних ущільнень, в яких відбувається нагрівання рідини, внаслідок чого в'язкість, а, отже, і втрати на дискове тертя у вузлах ущільнення, меншають 10 Робоче колесо повинно бути спеціально спроектоване для роботи у в'язкому середовищі При цьому кут установки лопаті на виході р2 повинен вибиратися з урахуванням можливості його зміни (від 18 до 25°) при ЗМІНІ ТОВЩИНИ прикордон ного шару 11 Деталі ротора, з'єднувальної муфти, які передають крутильний момент, а також ІНШІ складальні одиниці і деталі розраховують, виходячи з умови забезпечення МІЦНІСНИХ характеристик деталей при досягненні максимальної потужності на середовищах з підвищеною в'язкістю 12 Двигун також вибирається з умови можливості перекачування насосом нафти і в'язких наф 50699 10 топродуктів з максимально припустимою вязкістю, щення економічності його використання при перезаданою початковими вимогами, тобто на збількачуванні нафти і в'язких нафтопродуктів з шеній потужності кінематичною в'язкістю, що знаходиться в межах Крім того, деталі, що утворять ЩІЛИННІ ущільвід 80 до 250сСт нення, і які контактують з повітрям, виконуються з Джерела інформації матеріалів, які виключають іскроутворення при 1 Двопотоковий відцентровий насос Лопатеві та контакті роторних і статорних деталей, а двигун роторні насоси Каталог ЦІНТІхімнафтомаш М, застосовується у вибухобезпечному виконанні 1973 - С 8 Відцентровий водяний насос двостороннього 2 Абдурашитов С А , Тупиченков А А , Вершинин входу, призначений для перекачування нафти і И М , Тененгольц С М Насосы и компрессоры М в'язких нафтопродуктів, працює таким чином Недра, 1974 - С Ю Вал 4 приводиться у обертання від електро3 Программа насосов фирмы KSB Каталог фирдвигуна (на фіг 1 не показано) Нафта і в'язкий мы KSB - Кельн, 1995 - 42с нафтопродукт (на фіг 1 не показано) поступає до 4 Суханов Д Я Работа лопастных насосов на вязпідводу 2, потім на лопатки 8 робочого колеса 7, ких жидкостях - М Машгиз, 1952 - С 33 після чого під тиском, що створюється робочим 5 Михайлов А К , Малюшенко В В Лопастные наколесом, поступає до відводу З сосы М Машиностроение, 1977 -288с Завдяки заявленому конструктивному виконанню відцентрового насоса, досягається підви Фіг-1 Фіг. 2 Фн. З 11 50699 12 Фіг. 5 ФІг. 4 « 60 X V 1cSi 2..Э 40 2 - — Z** 3 .ні Z=5 2-6 & 7 •з X 3 0 -4 . — S _ _ ЗО 40 продуктивність Q, м^/гоя пр&ауїстненість Q, м^/і од ФІГ.б Фіг. 7 продуктивність Q, м'/гоя в ФІг. 8 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71