EA035529B1

EA035529B1 - Single-stage centrifugal pumping unit

Info

Publication number: EA035529B1
Application number: EA201900061A
Authority: EA
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: 2017-07-07
Publication date: 2020-06-30
Also published as: JP2019521282A; RU2616328C1; MX2019000518A; JP6810240B2; CL2019000088A1; EA201900061A1; WO2018013010A1; EP3486500A1; AU2017295552A1; EP3486500A4; US20190242401A1; BR112019000595A2; AU2020273342A1; CA3036362A1; NZ750655A

Abstract

The invention relates to mechanical engineering, namely to pumping installations designed for pumping water, water solutions, as well as oil, oil products and the like through the main, process and auxiliary pipelines, and is directed toward providing a single-stage centrifugal pumping unit which demonstrates peak efficiency in non-nominal modes while having a simplified design and being universal in nature. To this end, a single-stage centrifugal pumping unit comprises a centrifugal single-stage double entry pump, an electric drive motor, a coupling, connecting their shafts, a support frame for mounting the pump housing and the electric motor thereon, a housing, which consists of a base and a cover, inlet and outlet manifolds, a rotor with an impeller mounted thereon, the rotor being installed in support bearings, and a volute configured according to the invention in the form of a separate, independent component, and parts of the outside surface thereof, which are intended to be accommodated in cradles provided for this purpose in the cover and the housing, correspond to the shape of the surfaces of said cradles. The impeller and the volute are replaceable as a pair, the parameters of the impeller and the volute in each pair are calculated to provide maximum efficiency while ensuring the requisite feed and pressure. The replaceable volutes are made as an integrated cast component and comprise a baffle separating the fluid flow during the movement.

Description

Область техникиTechnology area

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 designed for pumping water, aqueous solutions, as well as oil, petroleum products and similar liquids through main, process and auxiliary pipelines.

Предшествующий уровень техникиPrior art

Из каталога Центробежные нефтяные насосы для магистральных трубопроводов под общей редакцией В.А. Головина, М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1989, с.5, известны 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 в них 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 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.From the catalog Centrifugal oil pumps for main pipelines edited by V.A. Golovina, M., TsINTIkhimneftemash, 1989, p. 5, centrifugal horizontal single-stage pumps of the NM type are known, designed for pumping oil through main pipelines, including a casing with a volute and a double-entry impeller located in the casing. The use of a spiral bend in them 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 operates at feed rates below nominal, pressure pulsations and pump vibrations increase, which leads to a significant decrease in its efficiency and reliability ... These disadvantages of the known pumps are associated with the fact that their design provides for the use of only one volute, 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, рассчитанным на режим, отличный от номинального. Потери энергии в данном случае приводят к дополнительной потере КПД до 8% по отношению к оптимальному сочетанию рабочего колеса и спирального отвода.It is known to use replaceable impellers in centrifugal pumps, designed for the corresponding reduced or increased feed, but despite the fact that replacing the impellers leads to some change in the fluid flow pattern and a slight increase in the pump efficiency in the corresponding modes different from the nominal, and a slight increase the reliability of its operation in comparison with the operation of the pump with the impeller for the nominal mode, this measure is insufficient, since the pump design also provides for the use of only one volute, designed only for the nominal mode, which entails energy losses during its interaction with the impeller, designed for a mode different from the nominal. Energy losses in this case lead to an additional loss of efficiency up to 8% in relation to the optimal combination of the impeller and the spiral bend.

В патенте RU 57393 U1 описан центробежный насос с рабочим колесом двухстороннего входа, включающий спиральной отвод, образованный полостями в крышке и в корпусе, а также сменный направляющий аппарат с четырьмя 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_hom до 1,25 Q_hom с обеспечением требуемых напоров, минимальных радиальные 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 a double-entry impeller, including a volute formed by cavities in the cover and in the housing, as well as a replaceable guide vane with four proposed design options. It is noted that the use of a guide vane in a replaceable unit with a double-entry impeller allows obtaining the maximum efficiency in the flow range from 0.3 Q _hom to 1.25 Q _hom while ensuring the required heads, minimum radial forces and vibrations, since when calculating this block for the given parameters, an optimal flow path is obtained. However, the inlet and outlet in each described design are designed for the maximum flow, the input conditions of each impeller are coordinated with the output conditions of the input, and the output conditions of each guide vane - with the same volute, which is made in the form of cavities in the cover and in the body , which determines the same disadvantages as described above, associated with the use of the same spiral bend, since the energy conversion of the liquid occurs along the entire length of the outlet, which, in turn, is calculated not for optimal, but for maximum flow. Even under the condition of optimal interaction of the impeller and the guide vane in such a pump, energy losses are inevitable, since after the liquid passes through the impeller and the guide vane, it enters the outlet designed for only one mode. In addition, if it is necessary to replace such an already operating pump installed on the pipeline with a pump with different design characteristics, it is also necessary to dismantle the pipeline, which is a laborious operation that requires the investment of additional funds to the cost of the 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.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Техническим результатом настоящего изобретения является создание одноступенчатого центробежного насосного агрегата с максимально возможным КПД на режимах, отличных от номинальных, при упрощении его конструкции и придания ей универсальности.The technical result of the present invention is the creation of a single-stage centrifugal pumping unit with the maximum possible efficiency at modes other than nominal, while simplifying its design and making it universally.

Указанный технический результат достигается за счет того, что одноступенчатый центробежный насосный агрегат включает центробежный одноступенчатый насос двухстороннего входа, приводной электродвигатель, муфту, соединяющую их валы, опорную раму для крепления корпуса 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 пода- 1 035529 чи 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 achieved due to the fact that the single-stage centrifugal pumping unit includes a centrifugal single-stage pump of a double-sided inlet, a drive motor, a coupling connecting their shafts, a support frame for fastening the pump housing and an electric motor, a housing consisting of a base and a cover, inlet and outlet nozzles , a rotor with an impeller installed in support bearings, and a spiral bend, In this case, according to the invention, the spiral bend is made in the form of a separate independent part, and the parts of its outer surface provided for placement in the cover and housing made for this purpose correspond to the shape of the surfaces of these cradles, and the impeller and the volute are replaceable in pairs, and the parameters of the impeller and the volute 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 piece with a dividing baffle separating the liquid flow in the direction of travel.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

Изобретение поясняется следующими графическими материалами.The invention is illustrated by the following graphic materials.

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.FIG. 1 shows a general view of a single-stage centrifugal pump unit; in fig. 2 shows a section of the pump along the axis of the pipeline in a vertical plane; in fig. 3 shows a schematic layout of the cover, replaceable flow path and pump casing in section along the pipeline axis in the vertical plane; in fig. 4 shows the possible variants of execution of replaceable spiral bends with a constant external connecting profile and different internal hydrodynamic profile, designed for optimal operation and maximum efficiency.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществленияDetailed Description of Preferred Embodiments

Для обеспечения всестороннего понимания сути настоящего изобретения в дальнейшем описании излагаются его многочисленные специфические особенности.In order to provide a comprehensive understanding of the essence of the present invention, the following description sets forth numerous specific features thereof.

В соответствии с настоящим изобретением одноступенчатый центробежный насосный агрегат включает приводной электродвигатель 2, центробежный одноступенчатый насос 1 двухстороннего входа (в дальнейшем насос), соединяющую их выходные валы муфту 3, корпус насоса 17, состоящий из основания 6 и крышки 7, входного патрубка 8 и выходного патрубка 9, ротора 10 с рабочим колесом 11, и установленный в опорных подшипниках 12 спиральный: отвод 13, опорную раму 5 для крепления корпуса насоса 17 и электродвигателя 2. Как показано на фиг. 3, 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.In accordance with the present invention, a single-stage centrifugal pump unit includes a drive motor 2, a centrifugal single-stage pump 1 of a two-way inlet (hereinafter referred to as a pump), a coupling 3 connecting their output shafts, a pump casing 17 consisting of a base 6 and a cover 7, an inlet pipe 8 and an outlet a branch pipe 9, a rotor 10 with an impeller 11, and a spiral installed in the support bearings 12: a branch 13, a support frame 5 for fastening the pump housing 17 and the electric motor 2. As shown in FIG. 3, the spiral bend 13 is made in the form of a separate independent part, and the parts of its outer surface provided for placement in the cradles 14 and 15 of the base 6 and the cover 7 made for this purpose correspond to the shape of the surfaces of these lodgments 14 and 15. Impeller 11 and the spiral bend 13 are made in pairs, replaceable, and the parameters of the impeller 11 and the spiral outlet 13 in each pair are calculated for the maximum value of efficiency while ensuring the required flow and head. It is preferable to make replaceable spiral branches 13 cast; they may contain a dividing baffle 16 for dividing the liquid 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 далее через выходной патрубок - в трубопровод.The pump works 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 the spiral branch, where the flow is equalized, and then through the outlet branch pipe into the pipeline.

Реализованная в конструкции насоса возможность использования пары рабочее колесо - спиральный отвод, которая рассчитана, и 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.Implemented in the pump design, the possibility of using a pair of impeller - volute, which is designed and manufactured for optimal operation, helps to 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 насос является базовой деталью и представляет собой сложную отливку из углеродистой или нержавеющей стали, состоящую собственно из корпуса и крышки. Поэтому в случае изменения условий эксплуатации насоса (уменьшения напора на уже действующей магистрали, или изменения расхода через уже действующую магистраль) нет необходимости 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, на котором установлен и действует старый насос.The advantage of the claimed invention regarding the possibility of using the same body to obtain pumps with different characteristics is determined by the fact that the pump is a basic part and is a complex carbon or stainless steel casting, consisting of the body and the cover itself. Therefore, in the event of a change in the operating conditions of the pump (a decrease in the pressure on an already operating line, or a change in flow rate through an already operating line), there is no need to ineffectively use the existing pump or dismantle it and install a new one designed for the new conditions. It is enough to install a new pair of impeller-outlet, designed for the new operating conditions, into the existing casing and get a pump with new corresponding design characteristics. This results in significant cost savings due to the lack of the need to dismantle the old pump and manufacture a new pump in a new housing. It is especially important to solve the problem of obtaining a pump with new characteristics based on the old one due to the absence of the need to dismantle the pipeline on which the old pump is installed and operates.

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 быстро изнашиваемыми деталями и их можно изготавливать из дорогостоящих высокопрочных износостойких материалов, например из стали 20X13, 12Х18Н12М3ТЛ или аналогичных сталей и материалов.In addition, the possibility of replacing impellers implemented in the pump for their optimal use allows to extend the service life of the entire pump, because impellers are quickly wearing parts and they can be made of expensive high-strength wear-resistant materials, for example, steel 20X13, 12X18N12M3TL or similar steels and materials.

С учетом того, что разъем корпуса насоса горизонтальный, обеспечивается возможность вскрытия, осмотра, ремонта, замены отдельных деталей насоса и всего ротора без демонтажа трубопроводов, т.к. напорный и всасывающий патрубки насоса подсоединены к нижней части корпуса насоса.Taking into account the fact that the pump casing connector is horizontal, it is possible to open, inspect, repair, replace individual pump parts and the entire rotor without dismantling the pipelines, since the discharge and suction connections of the pump are connected to the bottom of the pump casing.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Настоящее изобретение в представленной совокупности признаков может быть применено при создании одноступенчатого центробежного насосного агрегата с максимальным КПД на режимах, отличных от номинального, при упрощении его конструкции, придания ей универсальности, долговечности, удобства эксплуатации.The present invention in the presented set of features can be used to create a single-stage centrifugal pump unit with maximum efficiency at modes other than nominal, while simplifying its design, making it versatile, durable, and easy to operate.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM

1. Одноступенчатый центробежный насосный агрегат, включающий центробежный одноступенчатый насос двухстороннего входа, приводной электродвигатель, соединяющую их валы муфту, при этом насос содержит корпус, состоящий из основания и крышки, входной и выходной патрубки, ротор с закрепленным на нем рабочим колесом, установленный в опорных подшипниках, и спиральный отвод, опорную раму для крепления корпуса насоса и электродвигателя, отличающийся тем, что спиральный отвод выполнен в виде отдельной самостоятельной детали, а части его внешней поверхности, предусмотренные для размещения в выполненных для этого ложементах крышки и корпуса насоса, соответствуют форме поверхностей этих ложементов, при этом рабочее колесо и спиральный отвод выполнены попарно сменными, причем параметры рабочего колеса и спирального отвода в каждой паре рассчитываются на максимальное значение эффективности при обеспечении требуемой подачи и напора.1. A single-stage centrifugal pump unit, including a single-stage centrifugal pump of a double-sided inlet, a drive motor, a coupling connecting their shafts, while the pump contains a housing consisting of a base and a cover, inlet and outlet nozzles, a rotor with an impeller attached to it, installed in the supporting bearings, and a volute, a support frame for fastening the pump housing and an electric motor, characterized in that the volute is made in the form of a separate independent part, and the parts of its outer surface provided for placement in the lid and pump housing made for this correspond to the shape of the surfaces of these cradles, while the impeller and the volute are replaceable in pairs, and the parameters of the impeller and the volute in each pair are calculated for the maximum efficiency value while ensuring the required flow and head.

2. Одноступенчатый центробежный насосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что сменные спиральные отводы выполнены в виде единой литой детали и содержат разделительную перегородку, разделяющую поток жидкости по ходу движения.2. A single-stage centrifugal pump unit according to claim 1, characterized in that the replaceable spiral bends are made in the form of a single cast piece and contain a dividing baffle separating the liquid flow in the direction of travel.