Типовые конструкции насосов для перемещения нефтепродуктов.Динамические насосы Динамические лопастные насосы Лопастные насосы являются основным типом насосов (не менее 75% промышленных насосов) по производительности, универсальности и распространенности. Работа динамических лопастных насосов, к которым относят центробежные, осевые и вихревые, основанная на отличном и одновременно общем принципе действия - силового взаимодействия лопасти с окружающий его жидкостным потоком. Лопастной насос осуществляет преобразование энергии за счет динамического взаимодействия между потоком жидкой среды и лопастями рабочего колеса, которые являются их рабочим органом и вращаются. При вращении рабочего колеса жидкая среда, находящяяся в межлопаточном канале, лопатками отбрасывается к периферии, выходит в отвод и далее в напорный трубопровод. При вращении колеса в потоке жидкости возникает разность давлений по обе стороны каждой из лопастей и силовое взаимодействие жидкостного потока с лопастным колесом. Силы давления лопастей на поток создают вынужден вращательное и поступательное движение жидкости, увеличивая ее давление и скорость, и, как следствие, механическую энергию. Общность процессов передачи механической энергии от рабочего тела к потоку ведет к сходным эксплуатационных характеристикам. Отличие этих типов насосов заключается в направлении течения: в центробежных насосах поток жидкости в области лопастного колеса имеет радиальное направление, и поэтому создаются условия для работы центробежных сил; в осевых насосах поток жидкости параллельный оси вращения лопастного колеса в корпусе вихревого насоса образуется своеобразный парный кольцевой вихревое движение. Центробежные насосы Центробежный насос - насос, в котором движение жидкости и необходимый напор создаются за счет центробежной силы, которая создается под действием лопаток рабочего колеса на транспортируемую жидкость. Центробежные насосы являются одним из самых распространенных разновидностей динамических гидравлических машин. Они применяются для транспортировки нефти и нефтепродуктов (не коррозионных и сернистых коррозионных), сжиженных нефтяных газов, жирных кислот, окисленного парафина, фракций с нафтеновых кислот и др.. Центробежные насосы классифицируют по следующим признакам 1. Количество рабочих колес - одноступенчатые (одноколесные), двухступенчатые (двухколесные) многоступенчатые (многоколесных) одноколесные насосы могут выполняться с консольным расположением вала - консольные; многоступенчатыми изготавливают основном высоконапорные насосы. 2. Напор - низкий, средний напора, высокий. 3. Способ подвода жидкости к рабочему колесу - с односторонним входом жидкости в рабочее колесо, с двусторонним входом жидкости в рабочее колесо. 4. Расположение вала - горизонтальное, вертикальное. 5. Способ разъема корпуса - горизонтальный, вертикальный. 6. Способ отвода жидкости из рабочего колеса в спиральный канал корпуса - со спиральным отводом, с кольцевым отводом, с направляющим аппаратом (турбинный). 7. Степень быстроходности рабочего колеса - тихоходные, нормальные, быстроходные. 8. Способ соединения с двигателем - приводные (с редуктором или со шкивом), непосредственного соединения с электродвигателем с помощью муфт. 9. Число потоков - однопоточные, двухпоточные, многопоточные; 10. Конструкции рабочего колеса - с закрытым рабочим колесом, с открытым рабочим колесом. 11. Тип ротора - с мокрым ротором, с сухим ротором. 12. Конструкция корпуса - однокорпусные, секционного типа.
Рисунок 7 - Принципиальная схема центробежного насоса 1 - рабочая камера, 2 - рабочее колесо; 3 - направляющий аппарат; 4 – вал; 5 - лопатка рабочего колеса; 6 - лопатка направляющего аппарата; 7 - нагнетательный патрубок; 8 – подшипник; 9 - корпус насоса (опорная стойка); 10 - гидравлическое торцевое уплотнение вала (сальник); 11 - всасывающий патрубок. Центробежный насос состоит из следующих основных элементов (рисунок 7): спирального корпуса 9, рабочего колеса 2, которое расположено внутри корпуса и закрепляется на валу 4 с помощью шпонки. На рабочем колесе вал вращается с большой угловой скоростью в подшипниках 8, в месте прохода вала через корпус для уплотнения применены сальники 10. До двух патрубков 7, и 11 корпуса присоединяются всасывающий и напорный трубопроводы соответственно. Жидкость в корпус насоса поступает через всасывающий патрубок 11 и попадает в центральную часть вращающегося рабочего колеса вдоль оси его вращения. Всасывание жидкости осуществляется за счет разрежения перед лопатками 6 рабочего колеса. Для создания большего напора и лучшего обтекания жидкости лопаткам предоставляют специальную выпуклую форму, причем рабочее колесо должно вращаться выпуклой стороной лопаток в направлении нагнетания. Под действием лопаток рабочего колеса вследствие подвода энергии виде крутящего момента жидкость начинает вращаться и центробежной силой отбрасывается от центра к периферии колеса в спиральную часть корпуса и далее через нагнетательный патрубок в напорный трубопровод. В результате действия лопаток рабочего колеса на частицы жидкости кинетическая энергия двигателя преобразуется в давление и скоростной напор струи жидкости. Таким образом устанавливается непрерывное перемещение жидкости через насос. Корпус насоса 9 предназначен для соединения всех элементов насоса в энергетическую гидравлическую машину. Ниже приведены некоторые из разновидностей центробежных насосов, применяемых при перемещении нефти и нефтепродуктов. Преимущества центробежных насосов по сравнению с насосами других типов: - Пологие характеристики Н = f (Q) и η = f (Q), в результате чего высокие значения напоров Н и высокие значения КПД сохраняются в широком диапазоне подач Q; - Большая частота вращения, что позволяет в качестве привода для насосов использовать электродвигатели и турбины; - Плавная форма изменения мощности N, что позволяет выполнить пуск насоса при закрытой выходной задвижке (или при закрытом обратном клапане); - Устойчивость в работе насосов и расширение технических показателей Н и Q при последовательном и параллельном соединении насосов при работе на один трубопровод; - Плавное протекание переходных процессов при изменении режима работы гидросистемы; - Расположение насоса выше уровня жидкости в расходной емкости; - Изменение показателей насосов H, Q, η за счет различных факторов: обтачивание диаметра рабочего колеса, изменения частоты вращения, изменения частоты электроснабжения и др.; - Невысокая стоимость насоса благодаря использованию в конструкции насоса сравнительно дешевых конструкционных материалов (сталь, чугун, полимерные материалы); - Простота технического обслуживания и эксплуатации; - Высокая надежность в работе; - Большие подачи жидкости Q; - Равномерное с малыми пульсациями давления поток жидкости; - Возможность успешной работы на загрязненных жидкостях.
В то же время, центробежные насосы обладают и рядом недостатков: - Требуют заливки перед пуском; - Имеют склонность к кавитации; - Имеют пониженное значение КПД при перекачивании вязких жидкостей; - Имеют небольшое значение КПД при малой подачи жидкости Q; Центробежные насосы целесообразно использовать в области больших подач жидкости Q и низких и средних напоров жидкости Н.
Осевые насосы. Осевой (пропеллерный) насос - лопастной насос, в котором жидкость перемещается через рабочее колесо в направлении его оси. Насосы такого типа предназначены для подачи нефти к нефтяным магистральных насосов и создания необходимого для их работы кавитационного запаса. Эти насосы также применяются для перекачивания больших количеств жидкостей, при небольших напорах, главным образом, для создания циркуляции жидкостей в различных аппаратах. Осевые насосы классифицируют по следующим признакам: 1. Расположение оси лопастей - перпендикулярно, параллельно и диагонально относительно оси насоса. 2. Тип установки лопастей - с жестко закрепленными лопастями, с поворотными лопастями.
Рисунок 13 - Схема осевого насоса: 1 – корпус; 2 - направляющий аппарат; 3 - рабочее колесо; 4 - лопасти.
Отличительной особенностью осевых насосов является конструкция и функционирования рабочего колеса (рисунок 13). Рабочее колесо насоса, по форме близкое к гребному винту, расположенное в корпусе на основном валу (промежуточный вал, соединенный с ведущим электродвигателем, который находится вне корпуса насоса, подсоединяется к основному валу). Оно состоит из рабочего колеса 3, на котором закреплено несколько лопастей 4, представляющие собой обтекаемое изогнутое крыло с закрученной передней кромкой, которая набегает на поток. Жидкость подводится к рабочих колес небольших осевых насосов с помощью конических патрубков. В больших насосах для этой цели служат камеры и изогнутые всасывающие трубы сложной формы. При перемещении профиля лопасти, вызываемого вращением рабочего колеса, в жидкости, за счет изменения скорости ее течения вдоль нижней и верхней поверхности профиля, давление над профилем должна повыситься, а под профилем - понизиться. Благодаря этому создается напор насоса. Рабочее колесо насоса вращается в корпусе 1, в результате чего основная масса жидкости в пределах колеса движется в осевом направлении, что и определило название насоса. Двигаясь поступательно, жидкость, которая перекачивается, одновременно несколько закручивается рабочим колесом. Для устранения вращательного движения жидкости служит направляющий аппарат, через который она проходит перед выходом в коленчатый отвод, сочетающегося с напорным трубопроводом. Жидкость подводится к рабочих колес небольших осевых насосов с помощью конических патрубков. В больших насосов для этой цели служат камеры и изогнутые всасывающие трубы сложной формы. За насосом установлен направляющий аппарат 2 для преобразования вращательного движения жидкости в поступательное Колеса работают с отрицательной высотой всасывания - для обеспечения поступления жидкости в рабочее колесо давление на входе должно бать больше атмосферного. Для этого ось рабочего колеса насоса устанавливается ниже расчетного уровня жидкости в емкости на величину необходимого подпора (кавитационного запаса). Завышение отметки оси рабочего колеса вызывает образование кавитационных явлений, приводящих к разрушению камеры и лопастей колеса. Конструкция предусматривает возможность ремонта рабочего колеса без разборки агрегата. Характерной особенностью является функционирование насосов с поворотными лопастями является то, что их наклон можно изменять. Изменением наклона лопастей рабочего колеса достигается регулирование подачи с поддержкой КПД на высоком уровне. Кроме того, отличительной особенностью их рабочего колеса является высокий коэффициент быстроходности, который может достигать до полутора тысяч оборотов в минуту. Возможность изменения угла установки лопастей в насосах позволяет регулировать подачу и напор насоса в гораздо более широких пределах, чем в насосах с жестко закрепленными лопастями колеса. Осевые насосы отличаются простотой конструкции и компактностью, меньшей по сравнению с центробежными насосами массой, возможностью подачи загрязненных жидкостей. Компактность конструкции особенно ценна при подаче больших расходов жидкости, так как позволяет значительно сократить размеры насосной станции. Недостатком осевых насосов является о невозможности получения таких же больших напоров, как в центробежного насоса. Так, снижение скорости в 2 раза по сравнению с центробежным насосом приведет к снижению давления в 4 раза. В то же время, геометрические характеристики осевого насоса привели к снижению давления, но значительно увеличилась площадь живого сечения, что приводит к увеличению подачи.
Вихревые насосы Вихревой насос - динамический насос, жидкость в котором перемещается по периферии рабочего колеса в тангенциальном направлении. Преобразование механической энергии привода в потенциальную энергию потока (напор) происходит за счет вихрей, генерируемых лопастным колесом в рабочем канале насоса. Вихревые насосы предназначены для для использования на предприятиях нефтехимической промышленности, для откачивания жидкости с высокой упругостью пара (например, пропан, бутан), чистых и маловязких жидкостей, сжиженных газов, в качестве дренажных насосов для перекачки горячего конденсата. Вихревые насосы классифицируют по следующим признакам: 1. Количество ступеней - одноступенчатые, многоступенчатые. 2. Положения вала - вертикальные, горизонтальные (консольные). 3. Тип рабочего колеса - открытые, закрытые.
Рисунок 14 - Схема вихревого насоса закрытого типа 1 - рабочее колесо; 2 – лопасть; 3 – корпус; 4 - всасывающий патрубок; 5 - напорный патрубок
Рабочим органом вихревого насоса является рабочее колесо 1 с радиальными или наклонными лопастями 2 (рисунок 14), помещенное в цилиндрический корпус 3 и эксцентрично расположенное с малыми торцевыми зазорами. Колесо имеет возможность перемещаться по валу для обеспечения равномерного торцевого зазора с обеих сторон. Рабочее колесо вихревого насоса аналогично колесу центробежного насоса засасывает жидкость из внутренней части канала и нагнетает ее во внешнюю, в результате чего возникает продольный вихрь. В боковых и периферической стенках корпуса являются концентрические канал 2, начинающийся в всасывающего патрубка и заканчивается в напорном. Канал прерывается перемычкой, служит уплотнением между напорной и всасывающей областями. Жидкость поступает через всасывающий патрубок 4 в канал, перемещается по нему рабочим колесом и уходит в напорный патрубок 5. При движении в корпусе жидкость находится под воздействием центробежной силы, возникающей вследствие ее вращения вместе с рабочим колесом, и всасывающим действием пазов между отдельными лопастями колеса. При прохождении жидкости через рабочее колесо в вихревом насосе, как и в центробежном, увеличиваются кинетическая энергия жидкости (увеличивается ее скорость) и потенциальная энергия давления. Жидкость вошла через всасывающий патрубок в насос, попадает в межлопаточное пространство, в котором ей сообщается механическая энергия. Центробежные силы выбрасывают ее с колеса. В кольцевом канале жидкость движется по винтовой траекториям и через некоторое расстояние снова попадает в межлопаточное пространство, где снова получает прирост механической энергии. Принципиальное отличие вихревого насоса от центробежного и осевого заключается в том, что жидкость поступает в кожух и выходит из него по касательной к рабочему колесу. В насосах закрытого типа (рисунок 14) лопатки рабочего колеса короткие, они имеют специальную перемычку, разделяющую канал на две части. Их внутренний радиус равен внутреннему радиусу канала. Жидкость поднимается с всасывающего патрубка 4 непосредственно в канал поступает на рабочее колесо на большем радиусе, при больших круговых и относительных скоростях. Поэтому кавитационные качества вихревых насосов закрытого типа очень низкие. Движение на входном участке канала насоса закрытого типа сложное, так как на движение жидкости из всасывающего патрубка в канал накладывается продольный вихрь. Для улучшения кавитационных качеств насоса закрытого типа перед вихревым рабочим колесом подключают центробежную ступень. Такой насос называется центробежно-вихревого. В насосах открытого типа (рисунок 15) внутренний радиус лопаток меньше внутреннего радиуса канала. Открытые колеса имеют канал прямоугольного сечения, лопасти у них длинные. Жидкость поднимается с всасывающего патрубка 1, поступает в подвод 2, из которого через всасывающий окно 3 подводится к лопаткам рабочего колеса 4 и затем поступает в канал 5. От типа колеса зависят его кавитационные свойства, а также способность самовсасывания и возможность работы на газожидкостной смеси. Далее жидкость перемещается по каналу рабочим колесом и через напорный отверстие 8 поступает в отвод 6 и напорный патрубок 7. Условия входа жидкости на лопатки колеса вихревого насоса открытого типа и лопастного насоса мало отличаются. Поэтому теория кавитации лопастных насосов применима и для вихревых насосов открытого типа. Осуществляя винтообразное вихревое перемещение, жидкость за время ее пребывания в насосе несколько раз побывает вблизи ротора и получит от него определенную энергию. В результате такого многоступенчатого контакта вихревые насосы по сравнению с такими же (по размерам и скорости вращения) центробежными насосами развивают в 3-7 раз больше напор, но работают с более низким (в 2-3 раза) КПД. Для перекачки быстро застывающих жидкостей вихревые насосы выпускаются с корпусом, который обогревается, а для обеспечения самовсасывания они изготавливаются с воздушным колпаком. Следует отметить, что при работе с воздушным колпаком КПД. насоса снижается на 4-6%. Поэтому, если глубина всасывания небольшая или насос находится под наливом, установление колпака не требуется.
Рисунок 15 - Схема вихревого насоса открытого типа 1 - всасывающий патрубок; 2 – подвод; 3 - всасывающее окно; 4 - рабочее колесо; 5 - межлопаточный канал; 6 – отвод; 7 - напорный патрубок; 8 - напорное отверстие
Вихревые насосы имеют хорошие конструктивные данные - незначительную металлоемкость на единицу мощности и малые габариты. Вихревые насосы в многоступенчатом исполнении значительно расширяют диапазон рабочих давлений при малых подачах, снижая коэффициент быстроходности до значений, характерных для насосов объемного типа. Число оборотов вихревого насоса ограничено лишь кавитационными явлениями. Таким образом, насос может быть непосредственно соединен с электродвигателем. Вихревые насосы обычно применяют при необходимости создания большого напора при малой подаче. Недостатком вихревых насосов является сравнительно невысокий КПД - для идеального вихревого насоса он не превышает 45%; КПД реальных насосов обычно не превышает 30%. Низкий КПД препятствует применению вихревого насоса при больших мощностях. Это обстоятельство ограничивает область использования вихревых насосов. Однако, при очень малых подачах они конкурируют с центробежными. Также к недостаткам относят быстрый износ их деталей при работе на жидкостях, содержащих взвешенные твердые частицы. При попадании такой жидкости в насос колесо и корпус подвергаются интенсивному абразивному износу, и зазор между ними увеличивается. Это негативно сказывается на работе насоса, так как даже незначительное увеличение зазора между колесом и корпусом приводит к заметному снижению КПД.
|
