Статьи

Многоступенчатый центробежный насос

Оглавление

  • Глава 1. Многоступенчатый центробежный насос. Термины и определения.
  • Глава 2. Экспериментальные исследования центробежных насосов.

Глава 1. Многоступенчатый центробежный насос. Термины и определения.

Терминология, касающиеся элементов насоса разработана на основе терминов и определений, описывающих элементы скважных насосов SQ, SQE, производимых компанией Grundfos(http://ru.grundfos.com/content/dam/GMO/Documentation/catalogs/SQ-70008200-0815.pdf).

Ниже на фиг. 20 представлена спецификация материалов компонентов насоса типа SQ.

Многоступенчатый центробежный насос является элементом насосной установки. Насосная установка содержит, по крайней мере, центробежный насос и электродвигатель. Далее, для простоты изложения материала, термин «многоступенчатый центробежный насос» может заменяться на термин «центробежный насос» или «насос».

Центробежный насос является элементом насосной установки.

Центробежный насос содержит ступени центробежного насоса.

Насос, содержащий ступени, может называться многоступенчатым центробежным насосом. Количество ступеней в насосе i может быть, например, от 3 до 7 и более.

То есть, параметр i может принимать значения от 3 до 7 и более.

Каждая ступень насоса содержит: верхнюю промежуточную камеру с центральным отверстием; направляющий аппарат с диском и направляющими элементами; рабочее колесо, выполненное с возможностью зацепления (сцепления) с валом; нижнюю промежуточную камеру.

У современных многоступенчатых центробежных насосов ступени по конструкции идентичны. Например, у i- ступенчатого насоса, рабочее колесо j-той ступени идентично (по конструкции и размерам) рабочему колесу j+1-ой ступени.

Другой пример, верхняя промежуточная камера j-той ступени идентична (по конструкции и размерам) верхней промежуточной камере j+1-ой ступени.

j – это обозначение номера ступени от первой ступени – до i-той ступени.

Для простоты изложения материала, термин «направляющий аппарат с диском и направляющими элементами» может заменяться на термин «направляющий аппарат», «направляющий аппарат насоса».

Термин «верхняя промежуточная камера ступени насоса» определен с учетом местонахождения камеры относительно направляющего аппарата ступени насоса, при этом, продольную ось ступени насоса (и продольную ось направляющего аппарата) и саму ступень насоса ориентируют вертикально. То есть, верхняя промежуточная камера ступени насоса расположена сверху над направляющим аппаратом ступени насоса при ориентации продольной оси направляющего аппарата вертикально.

Термин «нижняя промежуточная камера ступени насоса» определен с учетом местонахождения камеры относительно направляющего аппарата ступени насоса, при этом, продольную ось ступени насоса и саму ступень насоса ориентируют вертикально. То есть, нижняя промежуточная камера ступени насоса расположена снизу под направляющим аппаратом ступени насоса.

Термин «нижняя ступень насоса» определен с учетом местонахождения ступени насоса относительно всасывающей полости насоса, при этом, продольную ось насоса и сам насос ориентируют вертикально.

Нижняя ступень насоса расположена наиболее близко (по сравнению с остальными ступенями насоса) к всасывающей полости насоса и расположена в нижней части насоса. При этом, насос и его продольная ось ориентированы вертикально, как показано на фиг. 1.

Термин «верхняя ступень насоса» определен с учетом местонахождения ступени насоса относительно всасывающей полости насоса, при этом, продольную ось насоса и сам насос ориентируют вертикально.

Верхняя ступень насоса наиболее удалена (по сравнению с остальными ступенями насоса) от всасывающей полости насоса и расположена в верхней части насоса. При этом, насос и его продольная ось ориентированы вертикально.

Срединная часть ступеней центробежного насоса – часть насоса, которая одинаково удалена от нижней ступени и от верхней ступени.

Для 3-х ступенчатого насоса срединная часть ступеней находится в области 2-й ступени – посередине пакетов ступеней. Для 7-и ступенчатого насоса срединная часть ступеней находится в области 4-й ступени. Для 6-и ступенчатого насоса срединная часть ступеней находится между 5-й и 7-й ступенями насоса.

Верхняя промежуточная камера (см. фиг. 1фиг. 2фиг. 3фиг. 7) – деталь ступени насоса, участвующая (совместно с направляющими элементами направляющего аппарата) в направлении потока жидкости от периферии диска (кромки диска) направляющего аппарата в центральное отверстие верхней промежуточной камеры.

Рабочее колесо ступени насоса (см. фиг. 1фиг. 2фиг. 5фиг. 11) – деталь или сборка деталей, содержащая лопасти. В рабочем колесе движение жидкости и необходимый напор создаются за счёт центробежной силы, возникающей при воздействии лопастей рабочего колеса на жидкость.

Направляющий аппарат (см. фиг. 1фиг. 2фиг. 4фиг. 9) с диском и направляющими элементами – это деталь или сборка деталей, которая участвует в направлении потока жидкости с выхода рабочего колеса насоса j-той ступени на вход рабочего колеса насоса верхней j-1-ой ступени.

Нижняя промежуточная камера (см. фиг. 1фиг. 2фиг. 6фиг. 13фиг. 14) – деталь ступени насоса, участвующая (совместно с направляющими элементами направляющего аппарата) в направлении потока жидкости с выхода рабочего колеса насоса к периферии направляющего аппарата (периферии диска направляющего аппарата).

Диаметр рабочего колеса насоса численно равен максимальному диаметру из диаметров наружных границ всевозможных поперечных сечений рабочего колеса насоса. Или, другими словами, диаметр рабочего колеса насоса численно равен максимальному диаметру из диаметров наружных границ всевозможных поперечных сечений, проходящих через рабочее колесо насоса.

На фиг. 11 диаметр рабочего колеса показан позицией 51. Поперечное сечение лежит в поперечной плоскости, проходящей через рабочее колесо насоса. Поперечное сечение перпендикулярно продольной оси 53 рабочего колеса. На фиг. 11 поперечное сечение обозначено, как сечение Б-Б.

Максимальный диаметр наружной границы поперечного сечения рабочего колеса насоса выбирают из всех возможных диаметров наружных границ поперечных сечений, проходящих через рабочее колесо насоса, сравнивая их и выбирая максимальный.

Диаметр границы поперечного сечения рабочего колеса насоса – это верхняя грань расстояний между всевозможными парами точек, расположенных на границе сечения.

Определение термина «диаметр границы поперечного сечения» разработано на основании определения термина «диаметр», данного в источнике: Математика. Большой энциклопедический словарь / Главный редактор Ю.В.Прохоров. - 3-е издание. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2000. 848 с.: ил.

Поперечное сечение рабочего колеса насоса – это сечение, проходящее через рабочее колесо насоса и ориентированное перпендикулярно продольной оси рабочего колеса насоса. Продольная ось рабочего колеса насоса параллельна продольной оси вала насоса, см. позицию 56 на фиг. 1.

На фиг. 21фиг. 22 и фиг. 23 показана поперечная плоскость, проходящая через рабочее колесо насоса. Поперечное сечение лежит в поперечной плоскости, проходящей через рабочее колесо насоса.

Диаметр диска направляющего аппарата ступени насоса численно равен максимальному диаметру наружной границы поперечного сечения диска направляющего аппарата ступени насоса.

Максимальный диаметр наружной границы поперечного сечения диска направляющего аппарата ступени насоса выбирают из диаметров наружных границ всех возможных поперечных сечений, проходящих через диск направляющего аппарата ступени насоса, сравнивая их и выбирая максимальный.

Диаметр наружной границы поперечного сечения диска направляющего аппарата ступени насоса – верхняя грань расстояний между всевозможными парами точек, расположенных на границе сечения.

На фиг. 10 позицией 45 обозначена наружная граница поперечного сечения диска направляющего аппарата. Или наружная граница поперечного сечения, проходящего через диск направляющего аппарата. Также линией 45 на фиг. 10 показана кромка диска направляющего аппарата ступени насоса.

Позицией 19 на фиг. 2 и позицией 46 на фиг. 10 обозначен диаметр диска направляющего аппарата.

Поперечное сечение диска направляющего аппарата ступени насоса – это сечение, проходящее через диск направляющего аппарата ступени насоса и ориентированное перпендикулярно продольной оси диска направляющего аппарата ступени насоса. Продольная ось диска направляющего аппарата (см. позицию 48 на фиг. 9) ступени насоса параллельна продольной оси вала насоса, см. позицию 56 на фиг. 1.

На фиг. фиг. 24фиг. 25фиг. 26 и фиг. 27 показана поперечная плоскость, проходящая через диск направляющего аппарата насоса. Поперечное сечение лежит в поперечной плоскости, проходящей через диск направляющего аппарата насоса.

В общем случае, диаметр границы сечения детали – верхняя грань расстояний между всевозможными парами точек, расположенных на границе сечения.

Определение термину «диаметр границы сечения детали» разработано с учетом определения термину «диаметр», приведенного в источнике: Математика. Большой энциклопедический словарь / Главный редактор Ю.В.Прохоров. - 3-е издание. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2000. 848 с.: ил.

Максимальный внутренний диаметр верхней промежуточной камеры ступени насоса показан: позицией 20 на фиг. 2, позицией 39 на фиг. 7 и фиг. 8.

Максимальный внутренний диаметр нижней промежуточной камеры ступени насоса показан: позицией 20 на фиг. 2, позицией 54 на фиг. 13 и фиг. 14.

В таблицах 1 и 2 представлены технические облики базовых многоступенчатых центробежных насосов. Частота оборотов у насосов от 8000 об/мин до 12500 об/мин. Количество ступеней – 3 и 7.

В таблицах используются следующие обозначения:

Diна - диаметр направляющего аппарата ступени i-ступенчатого насоса. Диаметры направляющих аппаратов ступеней одинаковы.

Diнас - диаметр рабочего колеса ступени i-ступенчатого насоса. Диаметры рабочих колес ступеней одинаковы.

Diовпк - диаметр отверстия верхней промежуточной камеры ступени i-ступенчатого насоса. Диаметры отверстий верхних промежуточных камер ступеней одинаковы.

Diвпк - внутренний диаметр верхней промежуточной камеры ступени i-ступенчатого насоса. Внутренние диаметры верхних промежуточных камер ступеней одинаковы.

Diнпк - внутренний диаметр нижней промежуточной камеры ступени i-ступенчатого насоса. Внутренние диаметры нижних промежуточных камер ступеней одинаковы.

В статье под положительным эффектом понимается снижение гидродинамического воздействия со стороны движущейся жидкости на элементы насоса при его работе. Гидродинамическое воздействие оценивается виброускорением и виброперемещением элемента конструкции насоса.

Удобно снижение гидродинамического воздействия показывать уменьшением виброускорения. Виброперемещение – величина, производная от виброускорения.

Базовая конструкция насоса – конструкция насоса, описанная ниже в главе 2.

В исследованиях для определения виброперемещения и виброускорения использовали двухканальный виброанализатор Диана-2М.

Средние за сутки значения виброускорения и виброперемещения определяли следующим образом. Замеры виброускорения и виброперемещения осуществляли виброанализатором Диана-2М один раз в час, каждый час в течение суток. Всего за сутки 24 замера. После чего, определялись среднеарифметические значения виброускорения и виброперемещения за сутки. В таблице 3 приведены средние значения виброускорения за 1- сутки наблюдения, за 30-е сутки наблюдения (через месяц), на 60-е сутки и на 90-е сутки наблюдения. В таблице 16 приведены средние значения виброускорения за 1- сутки наблюдения и на 90-е сутки наблюдения.

Перечень фигур на чертежах.

На фиг. 1 представлен фрагмент продольного разреза центробежного насоса.

На фиг. 2 представлен фрагмент продольного разреза одной ступени насоса с показом основных элементов ступени.

На фиг. 3 изображен вид сверху и сбоку на верхнюю промежуточную камеру.

На фиг. 4 изображен вид сверху и сбоку на направляющий аппарат.

На фиг. 5 изображен вид сверху и сбоку на рабочее колесо.

На фиг. 6 изображен вид сверху и сбоку на нижнюю промежуточную камеру.

На фиг. 7 представлено продольное сечение верхней промежуточной камеры.

На фиг. 8 представлен вид А (снизу) на верхнюю промежуточную камеру.

На фиг. 9 представлено продольное сечение направляющего аппарата.

На фиг. 10 представлено поперечное сечение А-А направляющего аппарата.

На фиг. 11 представлено продольное сечение рабочего колеса.

На фиг. 12 представлено поперечное сечение Б-Б рабочего колеса.

На фиг. 13 представлено продольное сечение нижней промежуточной камеры.

На фиг. 14 представлен вид Б (сверху) на нижнюю промежуточную камеру.

На фигурах пронумерованы следующие элементы:

  1. высота ступени насоса.
  2. высота ступени насоса.
  3. высота ступени насоса.
  4. рабочее колесо.
  5. канал между лопатками рабочего колеса.
  6. направляющий аппарат.
  7. направляющий элемент на верхней поверхности диска направляющего аппарата.
  8. направляющий элемент на нижней поверхности диска направляющего аппарата.
  9. уплотнительная прокладка, выполняющая функцию подшипника скольжения и уплотнения.
  10. уплотнительная прокладка, выполняющая функцию подшипника скольжения и уплотнения.
  11. уплотнительная прокладка, выполняющая функцию подшипника скольжения и уплотнения.
  12. верхняя промежуточная камера.
  13. нижняя промежуточная камера.
  14. рабочее колесо.
  15. рабочее колесо.
  16. верхняя промежуточная камера.
  17. стрелка, показывающая направление движения потока жидкости.
  18. диаметр рабочего колеса.
  19. диаметр диска направляющего аппарата.
  20. максимальный внутренний диаметр нижней и верхней промежуточных камер ступени насоса.
  21. вход в рабочее колесо насоса.
  22. выход из ступени насоса. Зазора между кромкой отверстия верхней промежуточной камеры и валом.
  23. выход из ступени насоса. Зазора между кромкой отверстия верхней промежуточной камеры и валом.
  24. стенка верхней промежуточной камеры.
  25. выход из ступени насоса. Зазора между кромкой отверстия верхней промежуточной камеры и валом.
  26. диаметр центрального отверстия верхней промежуточной камеры ступени насоса.
  27. диаметр центрального отверстия верхней промежуточной камеры ступени насоса.
  28. вал насоса.
  29. верхняя промежуточная камера ступени насоса.
  30. центральное отверстие верхней промежуточной камеры ступени насоса.
  31. диск направляющего аппарата ступени насоса.
  32. направляющий элемент на верхней поверхности диска направляющего аппарата.
  33. направляющий элемент на нижней поверхности диска направляющего аппарата.
  34. рабочее колесо ступени насоса.
  35. нижняя промежуточная камера ступени насоса.
  36. верхняя промежуточная камера ступени насоса.
  37. центральное отверстие верхней промежуточной камеры ступени насоса.
  38. диаметр центрального отверстия верхней промежуточной камеры ступени насоса.
  39. максимальный внутренний диаметр верхней промежуточной камеры ступени насоса.
  40. диск направляющего аппарата ступени насоса.
  41. направляющий элемент на нижней поверхности диска направляющего аппарата.
  42. направляющий элемент на верхней поверхности диска направляющего аппарата.
  43. уплотнительная прокладка, выполняющая функцию подшипника скольжения и уплотнения.
  44. уплотнительная прокладка, выполняющая функцию подшипника скольжения и уплотнения.
  45. наружная граница поперечного сечения диска направляющего аппарата.
  46. диаметр диска направляющего аппарата.
  47. плоскость поперечного сечения, проходящая через диск направляющего аппарата.
  48. продольная ось направляющего аппарата. Совпадает с продольной осью вала.
  49. рабочее колесо ступени насоса.
  50. наружная граница поперечного сечения рабочего колеса ступени насоса. Кромка рабочего колеса ступени насоса.
  51. диаметр рабочего колеса ступени насоса.
  52. продольная ось нижней промежуточной камеры ступени насоса.
  53. продольная ось рабочего колеса.
  54. максимальный внутренний диаметр нижней промежуточной камеры ступени насоса.
  55. нижняя промежуточная камера ступени насоса.
  56. продольная ось вала насоса, совпадает с продольными осями рабочего колеса, направляющего аппарата, верхней и нижней промежуточных камер.
  57. диск направляющего аппарата.
  58. кромка диска направляющего аппарата.
  59. кромка диска направляющего аппарата.
  60. стенка нижней промежуточной камеры.
  61. корпус насоса.

В статье описан базовый многоступенчатый центробежный насос. Насос содержит корпус (на фиг. 2показан фрагмент 61 корпуса), вал 28, ступени насоса 1, 2, 3. Многоступенчатый насос может содержать от 3 до 7 ступеней.

Каждая ступень насоса содержит: верхнюю промежуточную камеру 12 с центральным отверстием 22, направляющий аппарат 6 с диском и направляющими элементами 7 и 8, рабочее колесо 4, нижнюю промежуточную камеру 13.

Диаметры 18 рабочих колес ступеней насоса Diнас принимают значения от 35 мм до 45 мм. Диаметры 19 дисков направляющих аппаратов 6 ступеней Diна принимают значения от 45 мм до 55 мм, при выполнении условия:

Diнас - Diна > 7 мм.

Диаметры 27 центральных отверстий верхних промежуточных камер 12 ступеней Diовпк принимают значения от 18 мм до 30 мм.

Максимальные внутренние диаметры 20 верхних промежуточных камер 12 ступеней Diвпкпринимают значения от 50 мм до 60 мм, при выполнении условия:

Diвпк - Diна > 4 мм.

Максимальные внутренние диаметры 20 нижних промежуточных камер 13 ступеней Diнпк принимают значения от 50 мм до 60 мм, при выполнении условия:

Diнпк - Diна > 4 мм.

Многоступенчатый центробежный насос выполнен с возможностью работы на частоте вращения от 8000 до 12500 об/мин.

Работает насос следующим образом.

Вращающий момент на вал насоса передается с вала электродвигателя. Электродвигатель на фигурах не показан. Вал 28 (см. фиг. 1) насоса соединен с рабочими колесами 4, 14 и 15 ступеней насоса. Вращающий момент с вала насоса передается на рабочие колеса ступеней через зубчатое зацепление.

Во время работы насоса, жидкость поступает на вход рабочего колеса нижней ступени насоса. На фиг. 1 стрелками 17 показан маршрут движения потока жидкости через ступени насоса. Жидкость, попадая на вход 21 рабочего колеса, проходит по каналам 5 между лопатками рабочего колеса, проходит между направляющими элементами 8, проходит между кромкой 58 диска направляющего аппарата и стенками нижней и верхней промежуточных камер 13 и 12, проходит между направляющими элементами 7, проходит через зазор 22 между кромкой отверстия верхней промежуточной камеры и валом, и попадает на вход, расположенной выше ступени. Далее поток аналогичным образом проходит через верхние ступени на выход из насоса.

Поток жидкости, движущийся через ступени насоса, оказывает гидродинамическое воздействие на торцы лопаток рабочего колеса, при натекании на них потока. Также поток оказывает гидродинамическое воздействие на направляющие элементы направляющего аппарата, на диск направляющего аппарата, на стенки нижней и верхней промежуточных камер.

В силу не нулевой толщины лопаток рабочего колеса, во время работы насоса возникает периодическое (пульсирующее) гидродинамическое воздействие потока жидкости, обтекающего лопатки, на элементы направляющего аппарата, а также на другие элементы ступени насоса.

Из опыта эксплуатации центробежных насосов известно, что частота гидродинамического воздействия может быть близка к одной из низших частот собственных колебаний насоса или его элемента, например, рабочего колеса. В этом случае возникают и развиваются резонансные гидродинамические процессы в работающем насосе – вибрация элементов и в целом насоса. В случае совпадения частоты гидродинамического воздействия с одной из частот собственных колебаний насоса или его элемента, возникает и стремительно развивается резонансный режим работы насоса, который приводит к поломке насоса. В процессе работы насоса (приработке его элементов), частоты его собственных колебаний могут изменяться. В этом случае, значение одной из частот собственных колебаний может приближаться к значению частоты гидродинамического воздействия. Наступает гидродинамический резонансный или близкий к резонансному, режим работы насоса. Опасные резонансные процессы развиваются во времени, значения виброускорения и виброперемещения существенно растут.

При разработке конструкций ступеней были проведены исследования динамических характеристик насосов с этими ступенями. В таблицах 1 и 2 представлены технические облики 12 насосов (базовых насосов). Ступени насоса выполнены с использованием высокопрочной пластмассы. Детали обрабатывались на токарном станке с ЧПУ 160 НТ.

В таблице 3 представлено изменение среднего за сутки значения виброускорения на корпусе в срединной части ступеней центробежного насоса в течение трех месяцев наблюдения, в зависимости от технического облика насоса.

Виброускорение замеряли на корпусе в срединной части ступеней центробежного насоса в течение трех месяцев наблюдения.

Виброускорение замеряли и в других местах корпуса, но принципиальной разницы в показаниях не было.

Для 3-х ступенчатого насоса срединная часть ступеней находится в области 2-й ступени – посередине пакетов ступеней. Для 7-и ступенчатого насоса срединная часть ступеней находится в области 4-й ступени.

В исследованиях для определения виброускорения использовали двухканальный виброанализатор Диана-2М. При замерах работали по прилагаемой к прибору инструкции.

Средние за сутки значения виброускорения определяли следующим образом. Замеры виброускорения осуществляли виброанализатором Диана-2М один раз в час, каждый час в течение суток. Всего за сутки 24 замера. После чего, определялись среднеарифметические значения виброускорения за сутки. Результаты замеров помещены в таблицу 3.

Из таблицы 3 видно, что за три месяца работы у всех насосов виброускорение выросло в 1.7-2.1 раза.

Средние за сутки значения виброперемещения определяли следующим образом. Замеры виброперемещения осуществляли также виброанализатором Диана-2М один раз в час, каждый час в течение суток. Всего за сутки 24 замера. После чего, определялись среднеарифметические значения виброперемещения за сутки.

Замеры среднего за сутки значения виброперемещения в срединной части ступеней центробежных насосов (облики насосов приведены в таблицах 1 и 2) в течение трех месяцев наблюдения показали, что виброперемещение за 90 суток наблюдения выросло с 17 мкм (в первые сутки) до 98 мкм (на девяностые сутки).

Причиной роста виброускорения и виброперемещения у базовых насосов является сближение одной из низших частот собственных колебаний с частотой гидродинамического воздействия. Опасное сближение вышеуказанных частот может привести к резонансу конструкции насоса и его разрушению.

Глава 2. Экспериментальные исследования центробежных насосов.

Надежность насосов определяется рядом факторов, в том числе повышенной вибрацией, которая, в первую очередь, сказывается на техническом состоянии подшипников, уплотнений, устройств сопряжения валов, элементов корпуса насоса. Различают вибрации механического, электротехнического и гидродинамического происхождения. Зачастую эти виды вибрации взаимосвязаны. Эксплуатация насосов показывает, что наиболее опасна вибрация гидродинамического происхождения, особенно, возникающая при работе насосов на повышенных скоростях вращения рабочих колес. При такой работе насосов происходит интенсивное динамическое воздействие на гидравлическую часть насосов, которое воспринимается механической частью и передается на подшипники, уплотнения, корпус и другие элементы насоса. Данный вид вибрации, в итоге, приводит к повреждению и разрушению подшипников, смещению и биению валов, разрушению уплотнений, к вибрации и разрушению трубопроводов, соединенных с насосами.

Гидродинамическая вибрация возникает вследствие резонансных или близких к резонансу колебательных процессов, происходящих внутри центробежного насоса. Основной причиной колебательных процессов являются ударные процессы, возникающие во время работы насоса при взаимодействии потока с лопатками рабочего колеса, элементами направляющего аппарата и корпусом в целом.

Из уровня техники известны центробежные насосы с конструктивными особенностями, направленными на снижение опасных вибраций.

Так, известен регулируемый центробежный насос (Патент РФ 80519, опубликованный 10.02.2009), содержащий корпус с всасывающим патрубком и отводом, и расположенное в корпусе рабочее колесо, имеющее лопатки, закрепленный на валу ведущий диск и ведомый диск, установленный с возможностью осевого перемещения, при этом, корпус насоса снабжен крышкой, установленной с возможностью осевого перемещения и связанной с ведомым диском, лопатки закреплены на ведущем диске, а в ведомом диске выполнены пазы или прорези для расположения лопаток. Конструктивные особенности этого насоса направлены на предотвращение опасных вибраций за счет регулирования расхода перекачиваемой насосом жидкости.

Также, известен центробежный насос с улучшенными технико-экономическими характеристиками, конкретно, с пониженной вибрацией, с повышенными надежностью и ресурсом (Патент РФ 2485352, опубликованный 20.06.2013). В центробежном насосе, состоящем из корпуса и крышки корпуса, между корпусом и крышкой установлен ротор, состоящий из вала и рабочего колеса с лопатками, при этом ротор насоса установлен во внешних по отношению к корпусу насоса консольных опорах подшипников, последние согласно изобретению выполнены в виде подшипников качения двух типов: сферического двухрядного роликового подшипника, воспринимающего осевую нагрузку вала насоса, и «плавающего» тороидального роликоподшипника, оба подшипника установлены на валу на конических стяжных втулках с осевым разрезом. Эта особенность насоса позволяет снизить вибрации.

В патенте РФ 2476844, опубликованном 27.02.2013, описан центробежный насос, содержащий корпус, вал, рабочее колесо и характеризующийся тем, что при сборке на вал насоса устанавливают пары рабочих колес, подобранных таким образом, чтобы в каждой паре колеса имели равный или близкий по величине, но противоположный или близкий к нему по направлению дисбаланс. Технический результат заключается в увеличении межремонтного периода насоса за счет снижения вибраций насоса при уменьшении трудоемкости процесса уравновешивания ротора.

Известен погружной многоступенчатый центробежный насос с пакетной схемой сборки ступеней насоса (патент РФ 161445, опубл. 20.04.2016), содержащий корпус со ступенями насоса, каждая из которых содержит корпус, вал, верхний и промежуточные радиальные подшипники и ступени, включающие в себя рабочие колеса и направляющие аппараты, с индивидуальными осевыми опорами, причем ступени объединены в пакеты, и в каждом пакете ступеней насоса ступица радиально-упорного подшипника скольжения вынесена внутрь установленного ниже направляющего аппарата.

Недостатком этого насоса является большой уровень вибрации, при работе многоступенчатого центробежного насоса, а также развитие и усиление вибрационных процессов с течением времени работы насоса.

Известен погружной многоступенчатый центробежный насос (патент РФ 135024, опубл. 27.11.2013), содержащий корпус, вал, ступени насоса, каждая ступень насоса содержит рабочее колесо, направляющий аппарат, и рабочее колесо выполнено в виде верхнего основного диска с верхней осевой опорой и со ступицей, нижнего покрывного диска с нижней осевой опорой колеса с опорной поверхностью, лопастей, закрепленных между верхним диском и нижним диском, и из направляющего аппарата, установленного в корпусе насоса посредством цилиндрической обоймы, выполненного в виде лопаточного покрывного диска с опорной поверхностью, цилиндрической обоймы с кольцеобразной стенкой, лопаток, опорного бурта направляющего аппарата с опорной поверхностью, при этом опорная поверхность нижней осевой опоры рабочего колеса и опорная поверхность опорного бурта направляющего аппарата покрыты твердосплавным металлическим слоем, причем рабочее колесо твердосплавным металлическим слоем осевой опоры контактирует с твердосплавным металлическим слоем опорного бурта направляющего аппарата, образуя пару трения.

Недостатком этого насоса является большой уровень вибрации, при работе многоступенчатого центробежного насоса, а также развитие и усиление вибрационных процессов с течением времени работы насоса.

Также известен погружной многоступенчатый насос для добычи нефти (патент РФ 2547681, опубл. 10.02.2015) в условиях, осложненных отложением солей, содержащий ступени с рабочими колесами и направляющими аппаратами, выполненными в виде верхнего и нижнего дисков с размещенными между ними лопатками, и оснащенный постоянным кольцевым магнитом, и постоянный кольцевой магнит установлен в пазухе, выполненной на наружной поверхности верхнего диска направляющих аппаратов, расположенных в нижних ступенях насоса, при этом количество ступеней, в которых установлены кольцевые магниты, выбрано из условия прохождения по ним нефти в течение не менее 100 секунд.

Недостатком насоса является большой уровень вибрации, при работе многоступенчатого центробежного насоса, а также развитие и усиление вибрационных процессов с течением времени работы насоса.

Известен многоступенчатый центробежный насос (патент РФ 2287086, опубл. 10.11.2006) с устройством для уравновешивания радиальных сил, содержащий установленные на одном валу и размещенные в корпусе насоса электродвигатель и блок рабочих колес, а также торцовые уплотнения, опоры скольжения и осевую пяту, и устройство для уравновешивания радиальных сил выполнено в виде поворотной радиальной гидростатической пяты, установленной со стороны первой ступени блока рабочих колес в зоне опоры скольжения на втулке вала насоса, причем в радиальной пяте выполнены соединенные между собой каналом полость и расточка, которая гидравлически связана с напорным трактом насоса.

Недостатком этого насоса является большой уровень вибрации, при работе многоступенчатого центробежного насоса, а также развитие и усиление вибрационных процессов с течением времени работы насоса.

На первом этапе исследований были изготовлены 12 насосов с различными характеристиками ступеней. Характеристики насосов приведены в таблице 1 и 2.

В формализованном виде любой из 12 центробежных насосов может быть описан следующим образом:

многоступенчатый центробежный насос, содержащий корпус, вал, ступени насоса, причем количество ступеней насоса i от 3 до 7, и каждая ступень насоса содержит: верхнюю промежуточную камеру с центральным отверстием, направляющий аппарат с диском и направляющими элементами, рабочее колесо, нижнюю промежуточную камеру; и диаметры рабочих колес ступеней насоса Diнас принимают значения от 35 мм до 45 мм;

диаметры дисков направляющих аппаратов ступеней Diна принимают значения от 45 мм до 57.5 мм, при выполнении условия:

Diнас - Diна > 7 мм.

диаметры центральных отверстий верхних промежуточных камер ступеней Diовпк принимают значения от 18 мм до 30 мм;

максимальные внутренние диаметры верхних промежуточных камер ступеней Diвпк принимают значения от 50 мм до 60 мм, при выполнении условия:

Diвпк - Diна > 2.5 мм.

максимальные внутренние диаметры нижних промежуточных камер ступеней Diнпк принимают значения от 50 мм до 60 мм, при выполнении условия:

Diнпк - Diна > 2.5 мм.

и многоступенчатый центробежный насос выполнен с возможностью работы на частоте вращения от 8000 до 12500 об/мин.

В таблице 3 представлено изменение среднего за сутки значения виброускорения на корпусе в срединной части ступеней центробежного насоса в течение трех месяцев наблюдения, в зависимости от технического облика насоса.

Для 3-х ступенчатого насоса срединная часть ступеней находится в области 2-й ступени – посередине пакетов ступеней. Для 7-и ступенчатого насоса срединная часть ступеней находится в области 4-й ступени.

В таблицах 1 и 2 используются следующие обозначения:

Diна - диаметр направляющего аппарата ступени i-ступенчатого насоса. Диаметры направляющих аппаратов ступеней одинаковы.

Diнас - диаметр рабочего колеса ступени i-ступенчатого насоса. Диаметры рабочих колес ступеней одинаковы.

Diовпк - диаметр отверстия верхней промежуточной камеры ступени i-ступенчатого насоса. Диаметры отверстий верхних промежуточных камер ступеней одинаковы.

Diвпк - внутренний диаметр верхней промежуточной камеры ступени i-ступенчатого насоса. Внутренние диаметры верхних промежуточных камер ступеней одинаковы.

Diнпк - внутренний диаметр нижней промежуточной камеры ступени i-ступенчатого насоса. Внутренние диаметры нижних промежуточных камер ступеней одинаковы.

В таблицах 1 и 2 представлены технические облики 12 насосов (базовых насосов). Ступени насоса выполнены с использованием высокопрочной пластмассы. Детали обрабатывались на токарном станке с ЧПУ 160 НТ.

В таблице 3 представлено изменение среднего за сутки значения виброускорения на корпусе в срединной части ступеней центробежного насоса в течение трех месяцев наблюдения, в зависимости от технического облика насоса.

Виброускорение замеряли на корпусе в срединной части ступеней центробежного насоса в течение трех месяцев наблюдения.

Виброускорение замеряли и в других местах корпуса, но принципиальной разницы в показаниях не было.

Для 3-х ступенчатого насоса срединная часть ступеней находится в области 2-й ступени – посередине пакетов ступеней. Для 7-и ступенчатого насоса срединная часть ступеней находится в области 4-й ступени.

В исследованиях для определения виброускорения использовали двухканальный виброанализатор Диана-2М.

Средние за сутки значения виброускорения определяли следующим образом. Замеры виброускорения осуществляли виброанализатором Диана-2М один раз в час, каждый час в течение суток. Всего за сутки 24 замера. После чего, определялись среднеарифметические значения виброускорения за сутки.

Результаты замеров помещены в таблицу 3.

Из таблицы 3 видно, что за три месяца работы у всех насосов виброускорение выросло в 1.7-2.1 раза.

Средние за сутки значения виброперемещения (таблица с пиброперемещениями в статье не размещена) определяли следующим образом. Замеры виброперемещения осуществляли также виброанализатором Диана-2М один раз в час, каждый час в течение суток. Всего за сутки 24 замера. После чего, определялись среднеарифметические значения виброперемещения за сутки.

Замеры среднего за сутки значения виброперемещения в срединной части ступеней центробежных насосов (облики насосов приведены в таблицах 1 и 2) в течение трех месяцев наблюдения показали, что виброперемещение за 90 суток наблюдения выросло с 17 мкм (в первые сутки) до 98 мкм (на девяностые сутки).

Причиной роста виброускорения и виброперемещения у этих насосов является сближение одной из низших частот собственных колебаний с частотой гидродинамического воздействия. Опасное сближение вышеуказанных частот может привести к резонансу конструкции насоса и его разрушению.

Таблица 1

Технические облики многоступенчатых центробежных насосов. 
Частота оборотов от 8000 об/мин до 12500 об/мин. Количество ступеней i = 3.
Технический облик насосаОблики насосов
123456
Частота оборотов, об/мин8000800010000100001250012500
Diнас , мм354535453545
Diна , мм4557.54557.54557.5
Diовпк , мм183018301830
Diвпк , мм5060506
0
5060
Diнпк , мм506050605060

Таблица 2

Технические облики многоступенчатых центробежных насосов. 
Частота оборотов от 8000 об/мин до 12500 об/мин. Количество ступеней i = 7.
Технический облик насосаОблики насосов
123456
Частота оборотов, об/мин8000800010000100001250012500
Diнас , мм354535453545
Diна , мм4557.54557.54557.5
Diовпк , мм183018301830
Diвпк , мм506050605060
Diнпк , мм506050605060

Таблица 3

Изменение среднего за сутки значения виброускорения на корпусе в срединной части ступеней центробежного насоса в течение трех месяцев наблюдения, в зависимости от технического облика насоса, м/с2
Технический облик насосаСутки
1306090
141*648083
244678890
35475109111
459106125127
564110130133
667122138141
799153187191
8108174221227
9121201240242
10134215257262
11163238287291
12177253295301

Примечание. Замеры виброускорения осуществляли один раз в час в течение суток. Всего за сутки 24 замера.

*) Значение виброусколения математически правильно округлено с использованием оператора round(а), где а – значение виброускорения.

Многоступенчатый центробежный насос. Фигуры.

fig

Фиг. 1

fig

Фиг. 2

fig

Фиг. 3

fig

Фиг. 4

fig

Фиг. 5

fig

Фиг. 6

fig

Фиг. 7

fig

Фиг. 8

fig

Фиг. 9

fig

Фиг. 10

fig

Фиг. 11

fig

Фиг. 12

fig

Фиг. 13

fig

Фиг. 14

fig

Фиг. 20. Спецификация насоса.

fig

Фиг. 21

fig

Фиг. 22

fig

Фиг. 23

fig

Фиг. 24

fig

Фиг. 25

fig

Фиг. 26

fig

Фиг. 27

Разработчик материала Криштафович Алексей Юрьевич 
Материал опубликован в сети Интернет «03» апреля 2017 года.

cc-by 
Материалы представленные на страницах сайта распространяются по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 Всемирная (CC-BY 4.0), поэтому перепечатка и распространение этих материалов приветствуется при обязательном указании автора.

Возврат к списку