[1]Полезная модель относится к машиностроению, а именно к бесконтактным (динамическим) уплотнительным узлам рабочих колес насосов, и может быть использована для магистральных центробежных насосов, перекачивающих нефть и нефтепродукты, в том числе автомобильный бензин, дизельное топливо, топливо для реактивных двигателей и авиационный бензин.
[2]Ввиду различия давлений на выходе из рабочего колеса насоса и у входа в него возникает возможность перетекания жидкости из отводного канала (зоны высокого давления) через пространство между передним диском рабочего колеса и крышкой корпуса в подводной канал (зону низкого давления) насоса. Поэтому производительность насоса (Q) становится меньше производительности его рабочего колеса (Qk) на величину вышеуказанной утечки жидкости. Отсюда объемный КПД центробежного насоса будет равен:
[3]
[4]Увеличения объемного КПД центробежного насоса можно достичь уменьшением утечки жидкости. Для этого у входа в рабочее колесо устанавливается бесконтактное уплотнение, которое служит для уменьшения объемных потерь и увеличения КПД путем снижения протечек перекачиваемой среды из напорной части (зоны высокого давления) во всасывающую (зону низкого давления) через зазор между ротором и статором.
[5]Бесконтактные уплотнения работают по принципу создания между уплотняемыми поверхностями минимально возможного зазора - щели, в котором дросселируется уплотняемая среда. Уплотняющий эффект бесконтактных уплотнений основан на использовании гидравлического сопротивления кольцевых дросселей с малым радиальным зазором. Наличие указанного зазора практически исключает трение между уплотнением и валом, что приводит к повышению надежности и долговечности уплотнительного узла.
[6]Главным недостатком бесконтактных уплотнений являются протечки уплотняемой жидкости. Величина протечки зависит от конфигурации зазора и формы поверхности уплотнения, которые выбираются таким образом, чтобы свести до минимума переток из напорной полости во всасывающий патрубок, определяющий объемный КПД насоса.
[7]Из уровня техники известно щелевое уплотнение рабочего колеса насоса, содержащее уплотнительное кольцо, установленное в проточной части корпуса насоса, и сменное кольцо, установленное на рабочем колесе насоса (RU 2 636 969 С1, 29.11.2017, F04D 29/16, патентообладатель: АО «Гидрогаз"). В процессе работы через зазор (щель), образованный сменным кольцом, установленным с натягом на рабочем колесе насоса, и кольцом, установленным в корпусе насоса, прокачивается рабочая жидкостная среда.
[8]Внутренняя поверхность уплотнительного кольца, установленного в корпусе насоса, является сплошной и гладкой, в связи с чем в зазоре не создается дополнительное сопротивление потоку перекачиваемой жидкости, что приводит к повышенному расходу жидкости через уплотнение и, следовательно, низкой эффективности работы щелевого уплотнения насоса в целом и соответственно снижению КПД насоса.
[9]Одним из решений по уменьшению перетоков и повышению эффективности являются лабиринтные щелевые уплотнения. Лабиринтное уплотнение представляет собой щелевое уплотнение, содержащее специальные канавки, которые резко изменяют проходное сечение канала.
[10]Принцип работы лабиринтных щелевых уплотнений основан на создании дополнительного сопротивления потоку и разделению пространства уплотняемого зазора (щели) на малые объемы, которые препятствуют протеканию основного потока по нему.
[11]Из числа лабиринтных щелевых уплотнений наиболее перспективными являются сотовые (ячеистые) уплотнения.
[12]Из уровня техники известно сотовое уплотнение, используемое для снижения утечек газа внутри двигателя, в частности, между статором и ротором турбин, представляющее собой основу в виде кольца, на внутренней поверхности которой путем механической обработки создана конструкция из сотовых ячеек (RU 2 515 869 С2, 20.05.2014, В23Н 9/10, патентообладатель: СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE)).
[13]Недостаток известного сотового уплотнения заключается в неэффективности применения данного уплотнения в магистральном центробежном насосе, перекачивающем жидкостные вязкие среды, например, нефть или нефтепродукты, и сложности изготовления.
[14]При использовании указанного уплотнения в магистральном насосе, перекачивающем жидкостную вязкую среду, например, нефть или нефтепродукты, в отличие от газовых турбин, при входе жидкостной среды из зоны низкого давления проточной части насоса в полость рабочего колеса (через обойму) еще до попадания в зону высокого давления поток жидкостной среды будет встречать препятствия на своем пути в виде сотовых ячеек, что приведет к повышению турбулентности потока жидкостной среды и развитию вихрей, препятствующих протеканию основного потока жидкостной среды и способствующих возврату части жидкостной среды через уплотнение в обратном направлении, и как следствие повышению перетоков, снижающих эффективность работы уплотнения и как следствие КПД насоса.
[15]Кроме того, создание сотовых ячеек на поверхности кольца посредством механической обработки усложняет процесс изготовления уплотнения.
[16]Из уровня техники известно сотовое уплотнение вращающегося вала, содержащее обойму, наполненную сотовым заполнителем, образующим ячеистую структуру и охватывающим вал с кольцевым уплотнительным зазором, при этом обойма выполнена разъемной, а каждая из частей обоймы снабжена лабиринтными вставками, установленными в зоне разъема, герметично закрепленными с ней и сотовым заполнителем (SU 928120 А1, 15.05.1982, F16J 15/447, патентообладатель: Сумский филиал Харьковского ордена Ленина политехнического института им. В.И. Ленина).
[17]Недостаток известного сотового уплотнения также заключается в неэффективности применения данного уплотнения в магистральном центробежном насосе, перекачивающем жидкостные вязкие среды, например, нефть или нефтепродукты.
[18]Указанное сотовое уплотнение предназначено для использования в турбоагрегатах, рабочей средой которых является газ или пар.
[19]Согласно изобретению, сотовый наполнитель заполняет всю внутреннюю поверхность обоймы. Таким образом, при использовании указанного уплотнения в магистральном насосе, перекачивающем жидкостную вязкую среду, например, нефть или нефтепродукты, при входе жидкостной среды из зоны низкого давления проточной части насоса в полость рабочего колеса (через обойму) еще до попадания в зону высокого давления поток жидкостной среды будет встречать препятствия на своем пути в виде сотовых ячеек, что приведет повышению турбулентности потока и развитию вихрей, препятствующих протеканию основного потока и способствующих возврату части жидкостной среды через уплотнение в обратном направлении, и как следствие повышению перетоков, снижающих эффективность работы уплотнения и как следствие КПД насоса.
[20]Кроме того, согласно изобретению, размеры ячеек сотового заполнителя походу потока среды выполнены различными.
[21]Однако, при использовании сотового уплотнения в магистральном насосе, перекачивающем жидкостную вязкую среду, такую как нефть или нефтепродукты, размер ячейки оказывает значительное влияние на эффективность работы уплотнения.
[22]Оптимальные размеры ячейки (высота и диаметр вписанной окружности) определяются на основании результатов гидродинамических расчетов и испытаний. Оптимальный размер ячейки характеризуется наименьшим расходом через уплотнение. При уменьшении или увеличении размера ячейки относительно оптимального баланс трехмерной структуры течения в щели и соте смещается, что приводит к увеличению расхода через уплотнение.
[23]При слишком маленьком размере ячеек, сотовая структура будет представлять собой поверхность сходную с применением сплошной поверхности с большой шероховатостью, что не позволит в достаточной мере формироваться трехмерному потоку в ячейке для создания сопротивлению осевому потоку в зазоре. Слишком большой размер ячейки за счет вязкостных свойств жидкости будет формировать трехмерную структуру течения с меньшей скоростью в ячейке и также будет оказывать меньшее влияние на создание сопротивления осевому потоку в зазоре.
[24]Кроме того, согласно изобретению, обойма сотового уплотнения выполнена составной, и включает в себя две полуобоймы, соединенные между собой.
[25]Однако при использовании данного технического решения в магистральном центробежном насосе, перекачивающим вязкую жидкость, такую как нефть или нефтепродукты, отсутствие целостности обоймы приведет к снижению герметичности и повышению расхода жидкости через уплотнение, в связи с чем приведет к снижению эффективности работы уплотнения и как следствие КПД насоса.
[26]К наиболее близкому аналогу (прототипу) можно отнести сотовое уплотнение вращающегося вала, направленное на повышение уплотняющей способности, содержащее секционную обойму с сотовым заполнителем, образующим ячеистую структуру с ячейками, выполненными с циклическими переменными по ходу потока уплотняемой среды размерами, охватывающую вал с кольцевым уплотнительным зазором, при этом ячейки с одинаковыми размерами расположены в обойме по меньшей мере по одной винтовой линии (SU 1707376 А1, 23.01.1992, F16L 15/44, патентообладатель: Ю.И. Кондрунин).
[27]Недостаток известного сотового уплотнения также заключается в неэффективности применения данного уплотнения в магистральном центробежном насосе, перекачивающем жидкостные вязкие среды, например, нефть или нефтепродукты.
[28]Согласно изобретению, сотовый наполнитель с ячейками, выполненными с циклическими переменными по ходу потока уплотняемой среды размерами, заполняет всю внутреннюю поверхность обоймы.
[29]При использовании указанного уплотнения в магистральном насосе, перекачивающем жидкостную вязкую среду, например, нефть или нефтепродукты, при входе жидкостной среды из зоны низкого давления проточной части насоса в полость рабочего колеса (через обойму) еще до попадания в зону высокого давления поток жидкостной среды будет встречать препятствия на своем пути в виде сотовых ячеек, что приведет повышению турбулентности потока и развитию вихрей, препятствующих протеканию основного потока и способствующих возврату части жидкостной среды через уплотнение в обратном направлении, и как следствие повышению перетоков, что снижает эффективность работы уплотнения и соответственно КПД насоса.
[30]Дополнительно на снижение эффективности работы уплотнения влияет размер ячеек. При уменьшении или увеличении размера ячейки относительно оптимального баланс трехмерной структуры течения в щели и соте смещается, что приводит к увеличению расхода через уплотнение.
[31]Кроме того, учитывая, что бесконтактные уплотнения предназначены для создания минимального зазора (0,1-0,3 мм) между вращающимися и неподвижными деталями, эффективность работы бесконтактного уплотнения магистрального центробежного насоса зависит от надежности закрепления уплотнения в корпусе насоса от возможного осевого и радиального перемещения (проворота), которое может повлиять на увеличение расхода жидкости через него, связанного с износом трущихся поверхностей, или привести к заклиниванию насоса.
[32]Таким образом, к недостатку прототипа также следует отнести невозможность надежного закрепления сотового уплотнения в корпусе центробежного насоса в неподвижном состоянии ввиду отсутствия на наружной поверхности обоймы элементов крепления.
[33]Задачей полезной модели является создание сотового щелевого уплотнения для магистральных насосов двухстороннего входа повышенной эффективности за счет снижения объемных утечек, обеспечивающего повышение КПД насоса.
[34]Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении КПД магистрального центробежного насоса за счет повышения эффективности работы сотового уплотнения рабочего колеса магистрального центробежного насоса путем снижения объемных утечек жидкости через уплотнение.
[35]Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что сотовое щелевое уплотнение рабочего колеса магистрального насоса, включающее цельное металлическое кольцо, содержащее внутреннюю и наружную поверхности, и сотовый элемент, отличается тем, что выполнено с возможностью установки в проточную часть магистрального насоса, при этом внутренняя поверхность цельного металлического кольца образована входной частью, предназначенной для входа потока жидкости из подвода магистрального насоса в полость рабочего колеса магистрального насоса, и уплотнительной частью, выполненной с возможностью размещения обода рабочего колеса магистрального насоса с образованием кольцевого уплотняющего зазора между уплотнительной частью внутренней поверхности цельного металлического кольца и внешней поверхностью обода рабочего колеса магистрального насоса и радиального зазора между входной частью внутренней поверхности цельного металлического кольца и торцом обода рабочего колеса магистрального насоса, входная часть внутренней поверхности цельного металлического кольца выполнена с криволинейным сужением по потоку жидкости до минимального внутреннего диаметра, который соответствует внутреннему диаметру обода рабочего колеса, и продолжает форму проточной части насоса, уплотнительная часть внутренней поверхности цельного металлического кольца выполнена цилиндрической с внутренним диаметром, величина которого больше величины минимального внутреннего диаметра входной части внутренней поверхности цельного металлического кольца на величину, равную удвоенной сумме высоты кольцевого уплотняющего зазора и толщины стенки обода рабочего колеса магистрального насоса, а сотовый элемент выполнен из сотоленты с шестигранными ячейками, закрепленной на уплотнительной части внутренней поверхности цельного металлического кольца посредством пайки с отступом от входной части внутренней поверхности цельного металлического кольца на величину, равную величине радиального зазора между входной частью внутренней поверхности цельного металлического кольца и торцом обода рабочего колеса магистрального насоса, над которым на наружной поверхности цельного металлического кольца выполнен выступающий поясок с отверстием под установку штифта для фиксации сотового щелевого уплотнения в корпусе и крышке магистрального насоса от смещения в осевом и радиальном направлении.
[36]Предпочтительно шестигранные сотовые ячейки имеют диаметр вписанной окружности 3,2 мм или диаметр вписанной окружности 4,8 мм.
[37]Дополнительно выходная часть внутренней поверхности цельного металлического кольца может быть выполнена двухступенчатой.
[38]Дополнительно на наружной поверхности цельного металлического кольца выполнена канавка для установки уплотнительного элемента.
[39]Цельное металлическое кольцо выполняется из легированной коррозионностойкой стали, предпочтительно из стали 20X13, 30X13 или 40X13.
[40]Сотолента выполняется из никелевой стали, предпочтительно из стали ХН78Т.
[41]Полезная модель поясняется графически, где на фиг. 1 изображен общий вид заявленного сотового щелевого уплотнения рабочего колеса магистрального насоса, на фиг. 2 -заявленное сотовое щелевое уплотнение рабочего колеса магистрального насоса в разрезе, на фиг. 3-вид А на фиг. 2, на фиг. 4 - сотовое щелевое уплотнение, установленное в магистральном насосе, на фиг. 5 - разрез А - А фиг. 4.
[42]Позициями на фиг. 1-5 обозначены:
[43]1 - сотовое щелевое уплотнение;
[46]4 - цельное металлическое кольцо;
[47]5 - внутренняя поверхность цельного металлического кольца;
[48]6 - наружная поверхность цельного металлического кольца;
[50]8 - входная часть внутренней поверхности цельного металлического кольца;
[51]9 - уплотнительная часть внутренней поверхности цельного металлического кольца;
[52]10 - обод рабочего колеса;
[53]11 - кольцевой уплотняющий зазор;
[54]12 - радиальный зазор;
[55]13 - выступающий поясок;
[63]Сотовое щелевое уплотнение (1) рабочего колеса (2) магистрального насоса, выполненное с возможностью установки в проточную часть насоса, включает цельное металлическое кольцо (4), содержащее внутреннюю (5) и наружную (6) поверхности, и сотовый элемент (7).
[64]Внутренняя поверхность цельного металлического кольца (5) функционально образована входной частью (8) и уплотнительной частью (9).
[65]Входная часть внутренней поверхности цельного металлического кольца (8) предназначена для входа потока жидкости из подвода (3) магистрального насоса через проточную часть в полость рабочего колеса (2) магистрального насоса.
[66]Входная часть внутренней поверхности цельного металлического кольца (8) выполнена с криволинейным сужением по потоку жидкости до минимального внутреннего диаметра (Овн.вх.min) (т.е. от большего внутреннего диаметра к меньшему) и продолжает форму проточной части насоса, где DBH.Bx.min соответствует внутреннему диаметру обода рабочего колеса (10).
[67]Данная форма входной части внутренней поверхности цельного металлического кольца (8) обеспечивает возможность беспрепятственного течения жидкостной среды через сотовое щелевое уплотнение (1) из подвода магистрального насоса в полость рабочего колеса (2), за счет чего снижается объемный расход перетоков через уплотнение и повышается КПД насоса.
[68]Уплотнительная часть (9) внутренней поверхности цельного металлического кольца (5) выполнена с возможностью размещения внутри нее обода рабочего колеса (10) магистрального насоса с образованием кольцевого уплотняющего зазора (11) между уплотнительной частью внутренней поверхности цельного металлического кольца (9) и внешней поверхностью обода рабочего колеса (10) магистрального насоса и радиального зазора (12) между входной частью внутренней поверхности цельного металлического кольца (8) и торцом обода рабочего колеса (10) магистрального насоса.
[69]При течении жидкости через кольцевой уплотняющий зазор (11) жидкость, в частности нефть или нефтепродукт, теряет скорость и давление, в результате чего осуществляется снижение перетока между зонами высокого и низкого давления магистрального насоса.
[70]Наличие радиального зазора (12) между входной частью внутренней поверхности цельного металлического кольца (8) и торцом обода рабочего колеса (10) магистрального насоса позволяет избежать касания (трения) между торцом рабочего колеса (2) и сотовым щелевым уплотнением (1) при осевом ходе рабочего колеса (2) во время его вращения, которое может привести к заклиниванию насоса или быстрому износу сотового щелевого уплотнения (1), увеличению высоты кольцевого уплотняющего зазора (11), что способствует повышению объемного расхода протечки жидкости через уплотнительный узел, снижению эффективности уплотнения и соответственно КПД насоса.
[71]Таким образом, выполнение уплотнительной части (9) внутренней поверхности цельного металлического кольца (5) с возможностью размещения внутри нее обода рабочего колеса (10) магистрального насоса с образованием кольцевого уплотняющего зазора (11) и радиального зазора (12) обеспечивает повышение эффективности работы сотового щелевого уплотнения (1) и КПД магистрального центробежного насоса за счет снижения объемных утечек жидкости через уплотнение из зоны высокого давления насоса в зону низкого давления.
[72]Уплотнительная часть внутренней поверхности цельного металлического кольца (9) выполнена цилиндрической с внутренним диаметром (Эвн.упл). При этом величина внутреннего диаметра уплотнительной части внутренней поверхности цельного металлического кольца (Эвн.упл.) больше величины минимального внутреннего диаметра входной части внутренней поверхности цельного металлического кольца (Эвн.вх.min) на величину, равную удвоенной сумме высоты кольцевого уплотняющего зазора (11) и толщины стенки обода рабочего колеса магистрального насоса (10).
[73]В результате чего, при установке сотового щелевого уплотнения (1) в проточную часть магистрального насоса внутренняя поверхность стенки обода рабочего колеса (10) будет являться продолжением формы проточной части магистрального насоса, что обеспечивает возможность беспрепятственного течения жидкостной среды через сотовое щелевое уплотнение (1) из подвода магистрального насоса в полость рабочего колеса (2), за счет чего снижается объемный расход перетоков (утечки) через уплотнение и повышается КПД насоса.
[74]При увеличении внешнего диаметра цельного металлического кольца (4) в целях повышения эффективности путем увеличения дополнительного сопротивления уплотнительная часть внутренней поверхности цельного металлического кольца (9) может быть выполнена двухступенчатой.
[75]Цельное металлическое кольцо (4) выполнено из легированной коррозионностойкой стали, предпочтительно из стали 20X13, стали 30X13 или стали 40X13, что также оказывает влияние на повышение эффективности уплотнения и повышения КПД насоса стечением времени.
[76]На уплотнительной части внутренней поверхности цельного металлического кольца (9) методом пайки (припоя) неразъемно на заводе изготовителе установлен сотовый элемент (7), который представляет собой сотоленту с шестигранными ячейками.
[77]Сотовый элемент (7) предназначен для создания сопротивления перетокам, возникающим между зонами всасывания и нагнетания в насосе.
[78]Сложная форма ячейки увеличивает трение потока перекачиваемой жидкости о стенки сотовой структуры, способствуют образованию трехмерной структуры потока, что ведет к снижению осевой составляющей скорости потока утечки, и как следствие, уменьшает величину расхода утечки через уплотнение.
[79]При многократном дросселировании и внезапном расширении перекачиваемой жидкости, происходящем при последовательном протекании потока через кольцевой уплотняющий зазор (11) и пространство сотовых ячеек сложной формы, вследствие значительного гидравлического сопротивления уменьшается давление перекачиваемой жидкости, что также ведет к снижению утечки через уплотнение.
[80]Таким образом, по мере работы магистрального центробежного насоса, сотовый элемент (7) за счет своей формы создает дополнительное сопротивление перекачиваемой жидкости и осуществляет торможение потока, что снижает объемные утечки и повышает КПД насоса.
[81]Наилучший эффект может быть достигнут при соблюдении оптимальных конструктивных параметров сотовой ячейки.
[82]Экспериментально установлено, что для насосов НМ 10000-210 и НМ 1250-260 оптимальными параметрами обладают шестигранные сотовые ячейки с диаметром вписанной окружности 3,2 мм и диаметром вписанной окружности 4,8 мм соответственно.
[83]Оптимальные размеры ячейки (высота/диаметр вписанной окружности) определяются на основании результатов гидродинамических расчетов и испытаний. Оптимальный размер ячейки характеризуется наименьшим расходом через уплотнение. При уменьшении или увеличении размера ячейки относительно оптимального баланс трехмерной структуры течения в зазоре и соте смещается, что приводит к увеличению расхода через уплотнение.
[84]Если будет слишком маленький размер соты, сотовый элемент будет представлять собой поверхность, сходную с применением сплошной поверхности с большой шероховатостью, что не позволит в достаточной мере формироваться трехмерному потоку в ячейке для создания сопротивления осевому потоку в зазоре. Слишком большой размер ячейки за счет вязкостных свойств жидкости будет формировать трехмерную структуру течения с меньшей скоростью в ячейке и также будет оказывать меньшее влияние на создание сопротивления осевому потоку в зазоре.
[85]В целях обеспечения изностойкости при попадании абразивных элементов в проточную часть уплотнения сотовый элемент (сотолента) выполнен из никелевой стали, предпочтительно из стали ХН78Т, что также оказывает влияние на повышение эффективности уплотнения и повышения КПД насоса с течением времени.
[86]При этом сотолента припаяна к уплотнительной части внутренней поверхности цельного металлического кольца (9) с отступом (19) от входной части внутренней поверхности цельного металлического кольца (8) на величину, равную величине радиального зазора (12).
[87]Над указанным отступом (19) на наружной поверхности цельного металлического кольца (6) выполнен выступающий поясок (13) для фиксации сотового щелевого уплотнения (1) в корпусе (16) и крышке (17) магистрального насоса от смещения в осевом направлении путем установки выступающего пояска (13) в ответные пазы на корпусе (16) и крышке (17) насоса.
[88]В выступающем пояске (13) выполнено отверстие (14) для фиксации сотового щелевого уплотнения (1) в корпусе (16) насоса от смещения в радиальном направлении (проворота) путем установки штифта (15) в отверстие (14) и ответное отверстие в корпусе (16) насоса.
[89]Таким образом обеспечивается надежная фиксация сотового щелевого уплотнения (1) в проточной части насоса в неподвижном состоянии, что минимизирует риск изменения высоты кольцевого уплотняющего зазора (11) и касания (трения) между вращающимся рабочим колесом (2) и сотовым щелевым уплотнением (1), которое может привести к заклиниванию насоса или быстрому износу уплотнительной части внутренней поверхности цельного металлического кольца (9) сотового щелевого уплотнения (1), увеличению высоты кольцевого уплотняющего зазора (11), и соответственно повышению объемного расхода протечки жидкости через уплотнительный узел, снижению эффективности уплотнения и КПД насоса.
[90]В связи с чем надежная фиксация сотового щелевого уплотнения (1) в проточной части магистрального насоса в его корпусе (16) и крышке (17) посредством выступающего пояска (13) с отверстием под установку штифта обеспечивает повышение эффективности работы сотового щелевого уплотнения (1) и КПД магистрального центробежного насоса за счет снижения объемных утечек жидкости через уплотнение из зоны высокого давления насоса в зону низкого давления.
[91]Наличие отступа (19) между сотовым элементом (7) и входной частью внутренней поверхности цельного металлического кольца (8) и расположение над ним выступающего пояска (13) с отверстием (14) обеспечивает отсутствие касания (трения) между сотовым элементом (7) и штифтом (15), сохранение целостности и работоспособности сотового элемента (7).
[92]Дополнительно на наружной поверхности (6) цельного металлического кольца (4) может быть выполнена канавка (20) для установки уплотнительного элемента, например, резинового кольца, что дополнительно повышает эффективность уплотнения и КПД магистрального насоса, снижая утечки перекачиваемой жидкости через бесконтактное сотовое щелевое уплотнение (1).
[93]Сотовое щелевое уплотнение магистрального насоса работает следующим образом.
[94]Принцип работы сотовых уплотнений основан на создании сопротивления основному потоку перекачиваемой рабочей среды и дополнительного сопротивления потоку, движущемуся в окружном направлении и, кроме того, разделению пространства уплотняемой щели (зазора) на малые объемы, в которых автономно развиваются вихри, препятствующие протеканию основного потока.
[95]При работе магистрального центробежного насоса поток перекачиваемой жидкости, например, нефти или нефтепродукта, движется из подвода (3) насоса через проточную часть корпуса (16) и поступает во входную часть внутренней поверхности цельного металлического кольца (8), откуда за счет ее формы беспрепятственно попадает в полость рабочего колеса (2) насоса.
[96]Рабочее колесо (2) преобразует механическую энергию, получаемую насосом от привода, в гидравлическую энергию и передает ее перекачиваемой жидкой среде. В процессе вращения рабочего колеса (2), установленного на валу (18), жидкая среда, находящаяся между его лопатками, благодаря центробежной силе нагнетается в отвод, а затем выбрасывается из насоса через напорный патрубок, освобождая занимаемое пространство.
[97]По мере того как освобождается пространство между лопастями рабочего колеса (2) растет давление, что позволяет новой порции жидкости поступать из трубопровода.
[98]Из-за разницы давлений на входе и выходе из рабочего колеса (2) насоса, часть жидкости стремится вернуться обратно, в связи с чем образуется переток перекачиваемой жидкости из области высокого давления в область низкого давления.
[99]Для предотвращения утечек перекачиваемой жидкой среды из насосного агрегата перед рабочим колесом (2) размещается уплотнение.
[100]Из полости рабочего колеса (2) часть перекачиваемой жидкости попадает в кольцевой уплотняющий зазор (11).
[101]Проходя по кольцевому уплотняющему зазору (11) в осевом направлении жидкость теряет скорость и попадает в пространство шестигранной ячейки сотового элемента (7). Сложная форма ячейки увеличивает трение потока о стенки сотовой структуры, способствуют образованию трехмерной структуры потока, что ведет к снижению осевой составляющей скорости потока утечки, и как следствие, уменьшает величину расхода утечки через уплотнение.
[102]При многократном дросселировании и внезапном расширении перекачиваемой жидкости, происходящем при последовательном протекании потока через кольцевой уплотняющий зазор (11) и пространство сотовых ячеек сложной формы, вследствие значительного гидравлического сопротивления уменьшается давление перекачиваемой жидкости, что также ведет к снижению утечки через уплотнение.
[103]На основании выполнения гидродинамических расчетов, а также испытаний установлено, что предпочтительно для достижения технического результата использовать в качестве сотовых элементов (7) сотоленты с шестигранными сотовыми ячейками с диаметром вписанной окружности 3,2 мм и с шестигранными сотовыми ячейками с диаметром вписанной окружности 4,8 мм.
[104]Пример осуществления полезной модели.
[105]В целях исследования эффективности применения сотовых щелевых уплотнений в магистральных центробежных насосах осуществлены гидродинамические расчеты методом конечных элементов и моделирование потока перекачиваемой жидкости в программном комплексе ANSYS CFX с применением щелевого уплотнения традиционной конструкции с плоской щелью, а также сотовых щелевых уплотнений заявленной конструкции с различными параметрами сотовых ячеек.
[106]Для моделирования использовались следующие параметры:
[107]- давление на выходе: О МПа;
[108]- начальное давление на входе: 1,65 МПа (для насоса НМ 10000-210) и 2,041 МПа (для насоса 1250-260);
[109]- скорость вращения: 3000 об/мин;
[110]- модель турбулентности: SST;
[111]- шаг по времени: 0,0001 с;
[112]- начальное давление на входе в щелевой зазор принято, как 0,8 от рабочего давления (Центробежные насосы для нефтяной промышленности. - Москва: Гостоптехиздат, 1957 г. );
[113]- высота шестигранных сотовых ячеек 4,5 мм и 6,5 мм с припуском под механическую обработку соответственно.
[114]Результаты моделирования потока в различных конструкциях щелевых уплотнений приведены в таблице 1.
[115]
[116]
[117]Эффективность уплотнения определяется величиной относительного расхода утечки QOTH - отношением расхода утечки через сотовое уплотнение заявленной конструкции к расходу утечки через традиционное щелевое уплотнение (с плоской щелью).
[118]Таким образом, из таблицы 1 видно, что наибольший расход утечки (9,972 м3/ч и 10,404 м3/ч) происходит через щелевое уплотнение традиционный конструкции в связи с отсутствием сопротивления потоку перекачиваемой жидкости. При применении сотовых щелевых уплотнений заявленной конструкции объем утечки значительно снижается. Наиболее эффективно применение сотовых элементов с диаметром вписанной окружности 3,2 мм и 4,8 мм.
[119]Учитывая изложенное, заявленная полезная модель приводит к повышению КПД магистрального центробежного насоса за счет повышения эффективности работы сотового уплотнения рабочего колеса магистрального центробежного насоса путем снижения объемных утечек жидкости через уплотнение.
