RU2616328C1

RU2616328C1 - Single-gear centrifugal pumping unit

Info

Publication number: RU2616328C1
Application number: RU2016128485A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Кушнарев; Иван Владимирович Кушнарев; Юрий Сергеевич Обозный
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Нефтекамский машиностроительный завод" (ООО "НКМЗ")
Priority date: 2016-07-13
Filing date: 2016-07-13
Publication date: 2017-04-14
Also published as: CA3036362A1; EA201900061A1; JP6810240B2; BR112019000595A2; CL2019000088A1; AU2020273342A1; WO2018013010A1; EP3486500A1; JP2019521282A; US20190242401A1; AU2017295552A1; EP3486500A4; NZ750655A; EA035529B1; MX2019000518A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: single-gear centrifugal pump unit includes a centrifugal single-gear double entry, the driving motor, the coupling, connecting their shafts, a support frame for mounting the pump and motor housing consisting of a base and a cover, the inlet and outlet, the rotor with the impeller fixed thereon mounted in the support bearings and the volute. Volute is configured as a single independent part, and a part of its outer surface provided for placement in housings made for this lid and body surfaces correspond to the shape of these lodgements. The impeller and volute are made interchangeable pairs, where the parameters of the impeller and a helical outlet in each pair calculated from the maximum efficiency while ensuring the required flow and pressure.

EFFECT: creation of a single-gear centrifugal pump assembly with a maximum efficiency in modes other than nominal, while simplifying its construction and giving it versatility.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к насосным установкам, предназначенным для перекачивания воды, водных растворов, а также нефти, нефтепродуктов и сходных с ними жидкостей по магистральным, технологическим и вспомогательным трубопроводам.The invention relates to the field of mechanical engineering, namely to pumping units intended for pumping water, aqueous solutions, as well as oil, oil products and similar liquids through main, technological and auxiliary pipelines.

В каталоге «Центробежные нефтяные насосы для магистральных трубопроводов»» под общей редакцией В.А. Головина, М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1989, с. 5, описаны центробежные горизонтальные одноступенчатые насосы типа НМ, предназначенные для перекачивания нефти по магистральным трубопроводам, включающие корпус со спиральным отводом и размещенное в корпусе рабочее колесо двухстороннего входа. Использование спирального отвода направлено на уменьшение радиальных сил, действующих на ротор, и, соответственно, на снижение вибраций и повышение надежности насоса, однако при работе такого насоса на подачах ниже номинальных увеличиваются пульсации давления, вибрации насоса, что ведет к существенному снижению его КПД и надежности. Эти недостатки указанных известных насосов связаны с тем, что их конструкция предусматривает использование только одного спирального отвода, рассчитанного только на номинальный режим, что влечет за собой потери энергии при его взаимодействии с рабочим колесом, которое вынуждено работать при ином режиме, т.е. при подачах ниже или выше номинальных.In the catalog "Centrifugal oil pumps for main pipelines" "under the general editorship of V.A. Golovina, M., TsINTIkhimneftemash, 1989, p. 5, centrifugal horizontal single-stage pumps of the NM type are described, designed for pumping oil through main pipelines, including a housing with a spiral outlet and an impeller of a two-way inlet located in the housing. The use of a spiral outlet is aimed at reducing the radial forces acting on the rotor, and, accordingly, at reducing vibrations and increasing the reliability of the pump, however, when such a pump is operated at feeds below nominal, pressure pulsations and pump vibrations increase, which leads to a significant decrease in its efficiency and reliability . These disadvantages of these known pumps are related to the fact that their design provides for the use of only one spiral outlet, designed only for the nominal mode, which entails energy losses during its interaction with the impeller, which is forced to work in a different mode, i.e. at feeds below or above nominal.

Известно применение в центробежных насосах сменных рабочих колес, рассчитанных на соответствующие уменьшенные или увеличенные подачи, но, несмотря на то, что замена рабочих колес приводит к некоторому изменению картины течения жидкости и небольшому повышению экономичности насоса на соответствующих режимах, отличных от номинальных, и некоторому увеличению надежности его работы по сравнению с работой насоса с колесом для номинального режима, эта мера является недостаточной, поскольку в конструкции насоса также предусмотрено использование только одного спирального отвода, рассчитанного только на номинальный режим, что влечет за собой потери энергии при его взаимодействии с рабочим колесом, рассчитанный на режим, отличный от номинального. Потери энергии в данном случае приводят к дополнительной потери КПД до 8% по отношению к оптимальному сочетанию рабочего колеса и спирального отвода.It is known that centrifugal pumps use replaceable impellers designed for corresponding reduced or increased feeds, but despite the fact that replacing the impellers leads to a slight change in the fluid flow pattern and a slight increase in pump efficiency in the corresponding modes other than nominal, and some increase reliability of its operation in comparison with the operation of a pump with a wheel for rated operation, this measure is insufficient, since the design of the pump also provides of only one spiral tap, calculated only for the rated mode, which entails a loss of energy due to its interaction with the impeller, designed for a mode other than nominal. Energy losses in this case lead to an additional loss of efficiency of up to 8% with respect to the optimal combination of the impeller and spiral bend.

В патенте RU 57393 U1 описан центробежный насос с рабочим колесом двухстороннего входа, спиральной отвод, образованный полостями в крышке и в корпусе, а также сменный направляющий аппарат с 4-мя предлагаемыми вариантами конструктивного выполнения. Отмечено, что применение направляющего аппарата в сменном блоке с рабочим колесом двустороннего входа позволяет получить максимальный КПД в диапазоне подач от 0,3 Q_ном до 1,25 Q_ном с обеспечением требуемых напоров, минимальных радиальных сил и вибраций, т.к. при расчете этого блока на заданные параметры получается оптимальная проточная часть. Однако подвод и отвод в каждом описанном конструктивном выполнении рассчитаны на максимальную подачу, входные условия каждого рабочего колеса согласованы с выходными условиями подвода, а выходные условия каждого направляющего аппарата - с одним и тем же спиральным отводом, который выполнен в виде полостей в крышке и в корпусе, что определяет такие же недостатки, как и описанные выше, связанные с использованием одного и того же спирального отвода, т.к. преобразование энергии жидкости происходит по всей длине отвода, рассчитанного в свою очередь не на оптимальную, а на максимальную подачу. Даже при условии оптимального взаимодействия рабочего колеса и направляющего аппарата в таком насосе неизбежны потери энергии, поскольку после прохождения жидкости через рабочее колесо и направляющий аппарат она поступает в отвод, рассчитанный только на один режим. Кроме того, в случае необходимости замены такого уже действующего насоса, установленного на магистрали, на насос с другими расчетными характеристиками необходимо произвести также демонтаж трубопровода, что является трудоемкой операцией, требующей вложения дополнительных денежных средств к стоимости нового насоса, а необходимость использования направляющих аппаратов усложняет конструкцию насоса, повышает стоимость его изготовления и увеличивает неблагоприятное шумовое воздействие на окружающую среду.Patent RU 57393 U1 describes a centrifugal pump with an impeller of a two-way inlet, a spiral outlet formed by cavities in the lid and in the housing, as well as a replaceable guide vane with 4 proposed design options. It is noted that the use of a guide vane in a replaceable unit with a double-sided impeller allows maximum efficiency in the feed range from 0.3 Q _nom to 1.25 Q _nom with the required pressure, minimum radial forces and vibrations, as when calculating this block for the given parameters, the optimal flow part is obtained. However, the inlet and outlet in each described structural design are designed for maximum feed, the input conditions of each impeller are consistent with the output conditions of the supply, and the output conditions of each guide vane with the same spiral outlet, which is made in the form of cavities in the lid and in the housing , which determines the same disadvantages as described above associated with the use of the same spiral tap, because liquid energy is converted over the entire length of the outlet, which, in turn, is designed not for optimal, but for maximum supply. Even with optimal interaction between the impeller and the guide vane in such a pump, energy losses are inevitable, since after the fluid has passed through the impeller and the guide vane, it enters a tap designed for only one mode. In addition, if it is necessary to replace such an existing pump installed on the highway with a pump with other design characteristics, it is also necessary to dismantle the pipeline, which is a time-consuming operation requiring additional investment in the cost of a new pump, and the need to use guide vanes complicates the design pump, increases the cost of its manufacture and increases the adverse noise impact on the environment.

Заявляемое изобретение направлено на создание одноступенчатого центробежного насосного агрегата с максимально возможным КПД на режимах, отличных от номинальных, при упрощении его конструкции и придании ей универсальности.The invention is aimed at creating a single-stage centrifugal pumping unit with the highest possible efficiency in modes other than nominal, while simplifying its design and giving it universality.

Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что одноступенчатый центробежный насосный агрегат включает центробежный одноступенчатый насос двухстороннего входа, приводной электродвигатель, муфту, соединяющую их валы, опорную раму для крепления насоса и электродвигателя, корпус, состоящий из основания и крышки, входной и выходной патрубки, ротор с рабочим колесом, установленный в опорных подшипниках, и спиральный отвод, При этом, согласно изобретению, спиральный отвод выполнен в виде отдельной самостоятельной детали, а части его внешней поверхности, предусмотренные для размещения в выполненных для этого ложементах крышки и корпуса, соответствуют форме поверхностей этих ложементов, причем рабочее колесо и спиральный отвод выполнены попарно сменными, а параметры рабочего колеса и спирального отвода в каждой паре рассчитываются на максимальное значение эффективности (максимум КПД) при обеспечении требуемой подачи и напора. Предпочтительно выполнять сменные спиральные отводы литыми в виде единой литой детали с разделительной перегородкой, разделяющей поток жидкости по ходу движения.The specified technical result is ensured due to the fact that the single-stage centrifugal pump unit includes a centrifugal single-stage double-sided pump, a drive motor, a coupling connecting their shafts, a support frame for mounting the pump and electric motor, a housing consisting of a base and a cover, an inlet and outlet nozzle, a rotor with an impeller installed in the thrust bearings, and a spiral outlet, Moreover, according to the invention, the spiral outlet is made as a separate independent part, and the parts of its outer surface intended for placement in the lid and case made in the lodges for this correspond to the shape of the surfaces of these lodges, with the impeller and the spiral outlet made in pairs replaceable, and the parameters of the impeller and spiral outlet in each pair are calculated for the maximum value of efficiency (maximum Efficiency) while ensuring the required flow and pressure. It is preferable to make replaceable spiral bends cast in the form of a single cast part with a dividing wall that separates the fluid flow in the direction of travel.

Изобретение поясняется с помощью графических материалов, где на фиг. 1 показан общий вид одноступенчатого центробежного насосного агрегата; на фиг. 2 показан разрез насоса по оси трубопровода в вертикальной плоскости; на фиг. 3 показана схематическая компоновка крышки, сменной проточной части и корпуса насоса в разрезе по оси трубопровода в вертикальной плоскости; на фиг. 4 показаны возможные варианты выполнения сменных спиральных отводов с постоянным внешним присоединительным профилем и различным внутренним гидродинамическим профилем, рассчитанным на оптимальный режим работы и максимальную эффективность.The invention is illustrated using graphic materials, where in FIG. 1 shows a general view of a single-stage centrifugal pump unit; in FIG. 2 shows a sectional view of a pump along a pipe axis in a vertical plane; in FIG. 3 shows a schematic layout of a cover, a replaceable flow part and a pump housing in a section along the axis of the pipeline in a vertical plane; in FIG. 4 shows possible embodiments of removable spiral bends with a constant external connecting profile and various internal hydrodynamic profiles, designed for optimal operation and maximum efficiency.

Как показано на графических материалах, одноступенчатый центробежный насосный агрегат включает центробежный одноступенчатый насос 1 двухстороннего входа (в дальнейшем насос), приводной электродвигатель 2, муфту 3, соединяющую их валы 4, опорную раму 5 для крепления насоса 1 и электродвигателя 2, корпус насоса 1, состоящий из основания 6 и крышки 7, входной 8 и выходной 9 патрубки, ротор 10 с рабочим колесом 11, установленный в опорных подшипниках 12, спиральный отвод 13. Как показано на графических материалах, спиральный отвод 13 выполнен в виде отдельной самостоятельной детали, а части его внешней поверхности, предусмотренные для размещения в выполненных для этого ложементах 14 и 15 основания 6 и крышки 7, соответствуют форме поверхностей этих ложементов 14 и 15. Рабочее колесо 11 и спиральный отвод 13 выполняются попарно сменными, причем параметры рабочего колеса 11 и спирального отвода 13 в каждой паре рассчитываются на максимальное значение эффективности при обеспечении требуемой подачи и напора. Предпочтительно выполнять сменные спиральные отводы 13 литыми, они могут содержать разделительную перегородку 16 для разделения потока жидкости по ходу движения.As shown in the graphic materials, a single-stage centrifugal pump unit includes a centrifugal single-stage pump 1 of a two-way input (hereinafter pump), a drive motor 2, a coupling 3 connecting their shafts 4, a support frame 5 for mounting the pump 1 and electric motor 2, pump housing 1, consisting of a base 6 and a cover 7, an inlet 8 and an outlet 9 nozzles, a rotor 10 with an impeller 11 installed in the thrust bearings 12, a spiral outlet 13. As shown in the graphic materials, the spiral outlet 13 is made as a separate a separate independent part, and the parts of its external surface, intended for placement in the made tool holders 14 and 15 of the base 6 and the cover 7, correspond to the shape of the surfaces of these tool holders 14 and 15. The impeller 11 and the spiral outlet 13 are pairwise interchangeable, and the working parameters the wheels 11 and the spiral bend 13 in each pair are calculated on the maximum value of efficiency while ensuring the required flow and pressure. It is preferable to make replaceable spiral bends 13 cast, they may contain a dividing wall 16 for dividing the fluid flow in the direction of travel.

Работает насос таким же образом, как и другие известные центробежные одноступенчатые насосы двухстороннего входа. При вращении вала 4 насоса перекачиваемая среда через входной патрубок 8 поступает к рабочему колесу 11, в результате взаимодействия лопастей которого с потоком перекачиваемой среды происходит преобразование энергии привода в энергию потока. Из рабочего колеса 11 перекачиваемая среда поступает в спиральный отвод, где происходит выравнивание потока, и через выходной патрубок - в трубопровод.The pump operates in the same way as other well-known centrifugal single-stage double-entry pumps. When the pump shaft 4 rotates, the pumped medium through the inlet pipe 8 enters the impeller 11, as a result of the interaction of the blades of which with the flow of the pumped medium, the drive energy is converted into flow energy. From the impeller 11, the pumped medium enters a spiral outlet, where the flow is balanced, and through the outlet pipe into the pipeline.

Реализованная в конструкции насоса возможность использования пары «рабочее колесо - спиральный отвод», которая рассчитана, изготовлена для работы в оптимальном режиме, способствует минимизированию радиальных сил, действующих на ротор, что, соответственно, способствует работе насоса с низкими вибрациями и повышает его надежность.The possibility of using the “impeller - spiral bend” pair, which is designed and manufactured to operate in the optimal mode, is implemented that helps minimize the radial forces acting on the rotor, which, accordingly, contributes to the operation of the pump with low vibrations and increases its reliability.

Преимущество заявленного изобретения, касающееся возможности использования одного и того же корпуса для получения насосов с разными характеристиками, определяется тем, что он является базовой деталью и представляет собой сложную отливку из углеродистой, или нержавеющей стали, состоящую из собственного корпуса и крышки. Поэтому в случае изменения условий эксплуатации (уменьшения напора на уже действующей магистрали, или изменения расхода через уже действующую магистраль) нет необходимости или неэффективно использовать уже действующий насос, или демонтировать его и устанавливать новый, рассчитанный на новые условия. Достаточно установить новую пару «рабочее колесо-отвод», рассчитанную на новые условия эксплуатации, в уже имеющийся корпус и получить насос с новыми соответствующими расчетными характеристиками. Тем самым происходит значительная экономия денежных средств в связи с отсутствием необходимости демонтировать старый насос и изготавливать новый насос в новом корпусе. Особенно актуально решение проблемы получения насоса с новыми характеристиками на базе старого в связи с отсутствием необходимости демонтажа трубопровода, но котором установлен и действует старый насос.The advantage of the claimed invention regarding the possibility of using the same housing to obtain pumps with different characteristics is determined by the fact that it is a basic part and is a complex casting made of carbon or stainless steel, consisting of its own housing and cover. Therefore, in the event of a change in operating conditions (a decrease in pressure on an existing line, or a change in flow rate through an existing line), it is not necessary either to use an existing pump inefficiently or to dismantle it and install a new one designed for new conditions. It is enough to install a new pair of "impeller-outlet", designed for new operating conditions, in an existing housing and get a pump with new relevant design characteristics. Thereby, significant monetary savings occur due to the lack of the need to dismantle the old pump and manufacture a new pump in a new housing. The solution to the problem of obtaining a pump with new characteristics on the basis of the old one is especially relevant in connection with the absence of the need to dismantle the pipeline, but which the old pump is installed and operating.

Кроме того, реализованная в насосе возможность замены рабочих колес для использования их в оптимальном режиме позволяет продлевать срок службы всего насоса, т.к. рабочие колеса являются быстроизнашиваемыми деталями, а их можно изготавливать из дорогостоящих высокопрочных износостойких материалов, например из стали 20X13, 12Х18Н12М3ТЛ, или аналогичных сталей и материалов.In addition, the possibility of replacing the impellers in the pump to use them in the optimal mode allows you to extend the life of the entire pump, because impellers are wear parts, and they can be made of expensive high-strength wear-resistant materials, for example, steel 20X13, 12X18H12M3TL, or similar steels and materials.

Поскольку разъем корпуса насоса горизонтальный, обеспечивается возможность вскрытия, осмотра, ремонта, замены отдельных деталей и всего ротора без демонтажа трубопроводов, т.к. напорный и всасывающий патрубки подсоединены к нижней части корпуса.Since the pump housing connector is horizontal, it is possible to open, inspect, repair, replace individual parts and the entire rotor without dismantling the pipelines, as discharge and suction nozzles are connected to the bottom of the housing.

Таким образом, заявленное изобретение в представленной совокупности признаков, каждый из которых выполняет свою функцию, обеспечивает создание одноступенчатого центробежного насосного агрегата с максимальным КПД на режимах, отличных от номинального, при упрощении его конструкции, придании ей универсальности, долговечности, удобства эксплуатации.Thus, the claimed invention in the presented set of features, each of which performs its function, provides the creation of a single-stage centrifugal pump unit with maximum efficiency in modes other than nominal, while simplifying its design, giving it versatility, durability, and ease of use.

Claims

1. A single-stage centrifugal pumping unit, including a centrifugal single-stage double-sided pump, a drive motor, a coupling connecting their shafts, a support frame for mounting the pump and electric motor, the pump includes a housing consisting of a base and a cover, an input and output nozzle, a rotor with mounted on it by the impeller installed in the thrust bearings, and a spiral outlet, characterized in that the spiral outlet is made in the form of a separate independent part, and part of its external surface The tees provided for placement of the cover and the body in the made tool holders correspond to the shape of the surfaces of these tool holders, while the impeller and spiral outlet are pairwise interchangeable, and the parameters of the impeller and spiral outlet in each pair are calculated for the maximum efficiency while ensuring the required supply and pressure.

2. A single-stage centrifugal pumping unit according to claim 1, characterized in that the replaceable spiral bends are made in the form of a single cast part and contain a dividing wall that separates the fluid flow in the direction of travel.