турбонасосный агрегат и способ перекачивания холодной, горячей и промышленной воды

Формула изобретения

1. Турбонасосный агрегат, характеризующийся тем, что содержит турбинный узел, образующий привод турбонасосного агрегата и включающий корпус подвода рабочего тела типа газа, объединенный с сопловым аппаратом, выполненным в виде диска с наклонными, предпочтительно, сверхзвуковыми соплами, активную, по меньшей мере, одноступенчатую турбину, имеющую вал с рабочим колесом, состоящим не менее чем из одного диска с лопатками и межлопаточными каналами; а также расположенный за турбиной по вектору потока рабочего тела корпус выхода отработанного рабочего тела; кроме того, турбонасосный агрегат содержит опорный узел, включающий прикрепленный к корпусу выхода отработанного рабочего тела корпус ходовой части турбонасосного агрегата не менее чем с двумя подшипниковыми опорами и ходовой частью вала, а также насосный узел, включающий насос с корпусом проточной части, ротор с валом и шнекоцентробежным рабочим колесом, причем вал турбины, вал ходовой части агрегата и вал ротора насоса объединены в общий приводной вал турбонасосного агрегата, при этом корпус проточной части насосного узла выполнен сборным, включающим корпус входа с патрубком осевого подвода перекачиваемой среды, корпус отвода, состоящий из фронтального кольцевого элемента, соединенного с корпусом входа, а также из уступообразного в поперечном сечении тыльного кольцевого элемента, связанного с фронтальным, которые совместно образуют проточную полость с объемом, достаточным для размещения шнекоцентробежного рабочего колеса, автомата осевой разгрузки ротора и спирального отвода, при этом шнекоцентробежное рабочее колесо выполнено в виде конструктивно объединенного со шнеком многозаходного центробежного рабочего колеса, образующего крыльчатку, предпочтительно, закрытого типа, и включает основной и покрывной диски с системой расположенных между ними лопаток, разделенных межлопаточными каналами, причем лопатки выполнены, предпочтительно, различной длины и переменной высоты по длине, убывающей к выходу из рабочего колеса с соблюдением условия квазиравенства площади поперечного сечения на входе в межлопаточный канал, образованный двумя смежными лопатками максимальной длины и суммарной площади поперечного сечения на выходе расположенных между ними более коротких каналов, разделенных промежуточной лопаткой меньшей длины, при этом число лопаток и соответственно межлопаточных каналов на выходе кратно, не менее чем в два раза превышает число лопаток и соответственно каналов на входе в рабочее колесо, а активный объем динамического заполнения совокупности межлопаточных каналов рабочего колеса насоса выполнен с вариантной возможностью выброса на проток за один оборот рабочего колеса (4,7÷45)×10 ^-5 м³/об перекачиваемой среды, кроме того, спиральный отвод насосного узла выполнен в виде двухзаходной улитки с разнесением заходных устий, преимущественно, на 180° по радиальной закрутке и с диффузорно расширяющимися каналами с разностью площадей выходного и входного сечений, отнесенной к длине канала, с градиентом расширения G по ходу закрутки, принятым из условия квазиравенства скоростей потоков в каждом канале улитки и составляющим G=0,87-0,95.

2. Турбонасосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что лопатки центробежного рабочего колеса насоса в вариантном исполнении с одноступенчатым чередованием длины последних выполнены с радиальным удалением заходных вершин коротких лопаток от оси рабочего колеса, не менее чем в 1,3 раза превышающим радиальное удаление заходных вершин длинных лопаток, предпочтительно, с расположением вершин коротких лопаток на радиальном расстоянии, соответствующем малому радиусу r середины длины длинных лопаток в диапазоне r±15%.

3. Турбонасосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что шнек выполнен не менее чем двухзаходным со спиральными лопастями и пустотелым валом, который, по меньшей мере, большей частью длины выполнен охватывающим заведенный в него участок приводного вала турбонасосного агрегата и снабжен плавным расширением в зоне перехода канала шнека в многозаходный канал центробежного колеса с углом наклона к оси вала большей части формообразующей контура перехода, вариантно составляющим в зоне расширения вала 18°÷30°, а спиральные лопасти шнека выполнены, преимущественно, с переменными, по меньшей мере, на части длины радиусом и/или шагом спиральной закрутки, в том числе с возможностью возрастания по ходу потока перекачиваемой среды.

4. Турбонасосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что для отвода перекачиваемой среды из проточной части корпуса насоса последний снабжен патрубком отвода, выполненным, преимущественно, диффузорным, тангенциального типа.

5. Турбонасосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что автомат осевой разгрузки ротора выполнен содержащим кольцевую пяту, уступообразно закрепленную или выполненную на тыльной стенке корпуса проточной части, а также включает кольцевой поясок, размещенный на тыльной стороне основного диска рабочего колеса и сопряженный с пятой с образованием переточного кольцевого канала, имеющим кольцевые внутреннюю и внешнюю боковые стенки, причем кольцевая пята автомата осевой разгрузки ротора снабжена кольцевым столиком, консольным в поперечном сечении с выступающим бортиком, торец которого выполнен ответным торцу внутренней стенки пояска с образованием на выходе из переточного канала торцевого щелевого уплотнения с возможностью регулируемого пульсирующего выхода из последнего избытка перекачиваемой среды, а образованное между ответными боковыми стенками уступа кольцевой пяты и пояска боковое щелевое уплотнение выполнено с обеспечением возможности пульсирующего пропуска в переточный канал перекачиваемой среды из зоны высокого давления автомата осевой разгрузки с возвратом в зону низкого давления, предпочтительно, в заходную часть полости рабочего колеса через выполненное в основном диске рабочего колеса, по меньшей мере, одно перепускное отверстие и созданием при этом пульсирующего изменения усилия осевой разгрузки ротора.

6. Турбонасосный агрегат по п.5, отличающийся тем, что на покрывном диске рабочего колеса насоса выполнено щелевое уплотнение, при этом торцовое щелевое уплотнение на основном диске рабочего колеса выполнено радиусом, большим, чем радиус щелевого уплотнения на покрывном диске, а торец пяты автомата осевой разгрузки ротора выполнен диаметром, меньшим или равным диаметру щелевого уплотнения на покрывном диске рабочего колеса.

7. Турбонасосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что корпус подвода рабочего тела турбинного узла снабжен подводящим патрубком и коллектором, включающим осесимметричную герметичную кольцевую оболочку, по меньшей мере, большая часть которой имеет форму типа продольно усеченного фрагмента тора или тороида, герметично присоединенного с напорной стороны к диску соплового аппарата по внешней и внутренней кольцевым кромкам.

8. Турбонасосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что сопла соплового аппарата выполнены в диске в количестве 8÷15, преимущественно 12, и продольными осями радиально эквидистантно удалены от оси турбины, а также разнесены по условной окружности на равные углы, определенные в диапазоне (24÷45)°.

9. Турбонасосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что лопатки рабочего колеса турбины выполнены выпукло-вогнутыми по ширине, а толщина лопатки принята переменной в направлении вектора потока рабочего тела с максимумом, преимущественно, в средней части хордовой ширины лопатки, при этом хордовая ширина лопатки в проекции на условную хордовую плоскость, соединяющую заходную и выходную боковые кромки лопатки, принята не превышающей радиальную высоту лопатки, а общее количество лопаток рабочего колеса турбины принято в 2,6÷34,4 раз превышающим количество сопел в сопловом аппарате.

10. Турбонасосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что корпус отвода отработанного рабочего тела выполнен герметичным со скошенной кольцевой стенкой, оппозитной выходным кромкам межлопаточных каналов рабочего колеса турбины, и снабжен, преимущественно, тангенциальным патрубком выхода отработанного рабочего тела.

11. Турбонасосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что вал ходовой части агрегата выполнен консольным, при этом одна из консолей образует вал турбины, а другая образует вал насоса, причем вал ходовой части с указанными консолями образует общий вал турбонасосного агрегата.

12. Турбонасосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что вал ротора турбонасосного агрегата оперт на корпус ходовой части через упомянутые подшипниковые опоры, преимущественно, снабженные шарикоподшипниками, один из которых, предпочтительно, зафиксирован в осевом направлении, а другой, предпочтительно, выполнен плавающим, причем оба указанных подшипника выполнены с возможностью защиты рабочих полостей уплотнениями, в том числе типа лабиринтов, при этом вал ротора выполнен полым и снабжен на проток с системой жидкостного охлаждения, а, по меньшей мере, шарикоподшипник со стороны турбины выполнен с возможностью дополнительного воздушного охлаждения посредством вентилятора.

13. Турбонасосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что смонтирован на жесткой, предпочтительно, сварной раме с возможностью последующей установки на фундамент с возможностью разъемной фиксации посредством системы анкеров.

14. Турбонасосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что вариантно предназначен для перекачивания горячей, холодной, промышленной воды, нефти и продуктов крекинга нефти с напором до 750 м и возможностью подачи (расхода) от 20 до 1000 м ³/ч, в том числе при номинальной частоте вращения ротора 9,85·10⁴ (±20%) об/мин.

15. Способ перекачивания холодной, горячей и промышленной воды, характеризующийся тем, что перекачивание выполняют с использованием, по меньшей мере, одного турбонасосного агрегата, который выполнен по любому из пп.1-14.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что перекачивание холодной типа водопроводной воды производят в системе водоснабжения промышленных, гражданских и жилых комплексов.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что перекачивание горячей воды производят, в том числе с избыточным давлением до 2 МПа и более и с температурой 85-105°С и более, в системе отопления и/или горячего водоснабжения промышленных, гражданских и жилых комплексов.

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что перекачивание промышленной воды производят для питания котлов энергетических и промышленных предприятий.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к турбонасосостроению, а именно к турбонасосным агрегатам, предназначенным для подачи промышленной воды в паровые котлы, а также продуктов нефтепереработки на нефте-, газоперерабатывающих, химических и нефтехимических, металлургических и других предприятиях, а также к способу перекачивания упомянутых жидких сред.

Известен турбонасосный агрегат, содержащий корпус насоса, корпус турбины, корпус подшипниковых опор насоса и турбины, подпружиненный ротор, узел разгрузки осевых сил и закрепленные на корпусах ограничительные упоры. Корпус подшипниковой опоры турбины жестко установлен в промежуточный корпус. Упор в корпусе турбинной подшипниковой опоры выполнен подвижным в осевом направлении в виде упругого элемента и втулки с ограничителем осевого перемещения со стороны подшипника (RU 2083860 С1, опубл. 10.07.1997).

Известен турбонасосный агрегат, содержащий корпус, ротор, установленный на подшипниковых опорах, закрепленные на корпусе ограничительные упоры и автомат осевой разгрузки ротора. Автомат осевой разгрузки расположен между упорами. Между вторым упором и наружной обоймой подшипниковой опоры, а также между пятой автомата осевой разгрузки и ротором выполнены зазоры. Ротор подпружинен в направлении пяты автомата (RU 2083881 С1, опубл. 10.07.1997).

Известен турбонасосный агрегат, содержащий корпус и ротор со шнеком, центробежным колесом и гидротурбиной, установленный на подшипники скольжения с питанием перекачиваемой жидкостью, упорные устройства - гидравлическую пяту основную и пусковую пяту для восприятия осевых сил. Агрегат также содержит подшипник, питаемый от встроенного лабиринтного насоса, и подшипник, питаемый от перепада давления жидкости между полостью гидротурбины и центробежным колесом. Сливная камера гидравлической пяты сообщена с входом центробежного колеса. Шнек имеет винтовую решетку лопастей на периферии, образующих совместно осевихревую ступень с большим проходным сечением на входе, чем на выходе. В диске центробежного колеса выполнены отверстия, посредством которых сливная камера гидравлической пяты сообщена с входом центробежного колеса (RU 2341689 С2, опубл. 20.12.2008).

Известен турбонасосный агрегат, включающий турбинный узел с коллектором подвода рабочего тела, с сопловым аппаратом, ротор с рабочим колесом турбины, корпус выхода отработанного рабочего тела, опорный узел, насосный узел с рабочим колесом и автоматом осевой разгрузки. (Валюхов С.Г., Веселов В.Н. Экспериментальная отработка турбонасосного агрегата ТНА 100/580 с торцевыми уплотнениями на опорах качения: Труды VI международной научно-технической конференции "СИНТ"11", ООО "Воронежская Международная Конференция", УДК621.675(063), ISBN 978-5-904786-98-4, стр.42-45.)

Недостатками известных решений являются повышенная конструктивная сложность агрегатов, недостаточная защита от кавитации насоса и невысокая долговечность работы агрегата.

Задача настоящего изобретения заключается в разработке турбонасосного агрегата, наделенного повышенным ресурсом, надежностью работы и эффективностью подачи перекачиваемой среды потребителю при одновременном снижении материалоемкости и повышении компактности и КПД агрегата при уменьшении электроемкости на единицу массы перекачиваемой среды, в том числе в повышении вариантной универсальности турбонасосного агрегата, а также в разработке способа перекачивания различных жидких сред от холодной, горячей воды до нефти, нефтепродуктов.

Поставленная задача в части турбонасосного агрегата решается тем, что турбонасосный агрегат, согласно изобретению, содержит турбинный узел, образующий привод турбонасосного агрегата и включающий корпус подвода рабочего тела типа газа, объединенный с сопловым аппаратом, выполненным в виде диска с наклонными, предпочтительно, сверхзвуковыми соплами, активную, по меньшей мере, одноступенчатую турбину, имеющую вал с рабочим колесом, состоящим не менее чем из одного диска с лопатками и межлопаточными каналами; а также расположенный за турбиной по вектору потока рабочего тела корпус выхода отработанного рабочего тела; кроме того, турбонасосный агрегат содержит опорный узел, включающий прикрепленный к корпусу выхода отработанного рабочего тела корпус ходовой части турбонасосного агрегата не менее чем с двумя подшипниковыми опорами и ходовой частью вала, а также насосный узел, включающий насос с корпусом проточной части, ротор с валом и шнекоцентробежным рабочим колесом, причем вал турбины, вал ходовой части агрегата и вал ротора насоса объединены в общий приводной вал турбонасосного агрегата, при этом корпус проточной части насосного узла выполнен сборным, включающим корпус входа с патрубком осевого подвода перекачиваемой среды, корпус отвода, состоящий из фронтального кольцевого элемента, соединенного с корпусом входа, а также из уступообразного в поперечном сечении тыльного кольцевого элемента, связанного с фронтальным, которые совместно образуют проточную полость с объемом, достаточным для размещения шнекоцентробежного рабочего колеса, автомата осевой разгрузки ротора и спирального отвода, при этом шнекоцентробежное рабочее колесо выполнено в виде конструктивно объединенного со шнеком многозаходного центробежного рабочего колеса, образующего крыльчатку, предпочтительно, закрытого типа, и включает основной и покрывной диски с системой расположенных между ними лопаток, разделенных межлопаточными каналами, причем лопатки выполнены, предпочтительно, различной длины и переменной высоты по длине, убывающей к выходу из рабочего колеса с соблюдением условия квазиравенства площади поперечного сечения на входе в межлопаточный канал, образованный двумя смежными лопатками максимальной длины и суммарной площади поперечного сечения на выходе расположенных между ними более коротких каналов, разделенных промежуточной лопаткой меньшей длины, при этом число лопаток и соответственно межлопаточных каналов на выходе кратно, не менее чем в два раза превышает число лопаток и соответственно каналов на входе в рабочее колесо, а активный объем динамического заполнения совокупности межлопаточных каналов рабочего колеса насоса выполнен с вариантной возможностью выброса на проток за один оборот рабочего колеса (4,7÷45)×10^-5 м³/об перекачиваемой среды, кроме того, спиральный отвод насосного узла выполнен в виде двухзаходной улитки с разнесением заходных устий, преимущественно, на 180° по радиальной закрутке и с диффузорно расширяющимися каналами с разностью площадей выходного и входного сечений, отнесенной к длине канала, с градиентом расширения G по ходу закрутки, принятым из условия квазиравенства скоростей потоков в каждом канале улитки и составляющим G=0,87-0,95.

При этом лопатки центробежного рабочего колеса насоса в вариантном исполнении с одноступенчатым чередованием длины последних могут быть выполнены с радиальным удалением заходных вершин коротких лопаток от оси рабочего колеса, не менее чем в 1,3 раза превышающим радиальное удаление заходных вершин длинных лопаток, предпочтительно, с расположением вершин коротких лопаток на радиальном расстоянии, соответствующем малому радиусу г середины длины длинных лопаток в диапазоне r±15%.

Шнек может быть выполнен не менее чем двухзаходным со спиральными лопастями и пустотелым валом, который, по меньшей мере, большей частью длины выполнен охватывающим заведенный в него участок приводного вала турбонасосного агрегата и снабжен плавным расширением в зоне перехода канала шнека в многозаходный канал центробежного колеса, с углом наклона к оси вала большей части формообразующей контура перехода, вариантно составляющим в зоне расширения вала 18°÷30°, а спиральные лопасти шнека выполнены, преимущественно, с переменными, по меньшей мере, на части длины радиусом и/или шагом спиральной закрутки, в том числе с возможностью возрастания по ходу потока перекачиваемой среды.

Для отвода перекачиваемой среды из проточной части корпуса насоса последний может быть снабжен патрубком отвода, выполненным, преимущественно, диффузорным, тангенциального типа.

Автомат осевой разгрузки ротора может быть выполнен содержащим кольцевую пяту, уступообразно закрепленную или выполненную на тыльной стенке корпуса проточной части, а также включает кольцевой поясок, размещенный на тыльной стороне основного диска рабочего колеса и сопряженный с пятой с образованием переточного кольцевого канала, имеющим кольцевые внутреннюю и внешнюю боковые стенки, причем кольцевая пята автомата осевой разгрузки ротора снабжена кольцевым столиком, консольным в поперечном сечении с выступающим бортиком, торец которого выполнен ответным торцу внутренней стенки пояска с образованием на выходе из переточного канала торцевого щелевого уплотнения с возможностью регулируемого пульсирующего выхода из последнего избытка перекачиваемой среды, а образованное между ответными боковыми стенками уступа кольцевой пяты и пояска боковое щелевое уплотнение выполнено с обеспечением возможности пульсирующего пропуска в переточный канал перекачиваемой среды из зоны высокого давления автомата осевой разгрузки с возвратом в зону низкого давления, предпочтительно, в заходную часть полости рабочего колеса через выполненное в основном диске рабочего колеса, по меньшей мере, одно перепускное отверстие и созданием при этом пульсирующего изменения усилия осевой разгрузки ротора.

На покрывном диске рабочего колеса насоса может быть выполнено щелевое уплотнение, при этом торцовое щелевое уплотнение на основном диске рабочего колеса выполнено радиусом, большим, чем радиус щелевого уплотнения на покрывном диске, а торец пяты автомата осевой разгрузки ротора выполнен диаметром, меньшим или равным диаметру щелевого уплотнения на покрывном диске рабочего колеса.

Корпус подвода рабочего тела турбинного узла может быть снабжен подводящим патрубком и коллектором, включающим осесимметричную герметичную кольцевую оболочку, по меньшей мере, большая часть которой имеет форму типа продольно усеченного фрагмента тора или тороида, герметично присоединенного с напорной стороны к диску соплового аппарата по внешней и внутренней кольцевым кромкам.

Сопла соплового аппарата могут быть выполнены в диске в количестве 8÷15, преимущественно, 12 и продольными осями радиально эквидистантно удалены от оси турбины, а также разнесены по условной окружности на равные углы, определенные в диапазоне (24÷45)°.

Лопатки рабочего колеса турбины могут быть выполнены выпукло-вогнутыми по ширине, а толщина лопатки принята переменной в направлении вектора потока рабочего тела с максимумом, преимущественно, в средней части хордовой ширины лопатки, при этом хордовая ширина лопатки в проекции на условную хордовую плоскость, соединяющую заходную и выходную боковые кромки лопатки, принята не превышающей радиальную высоту лопатки, а общее количество лопаток рабочего колеса турбины принято в 2,6÷34,4 раз превышающим количество сопел в сопловом аппарате.

Корпус отвода отработанного рабочего тела может быть выполнен герметичным со скошенной кольцевой стенкой, оппозитной выходным кромкам межлопаточных каналов рабочего колеса турбины, и снабжен, преимущественно, тангенциальным патрубком выхода отработанного рабочего тела.

Вал ходовой части агрегата может быть выполнен консольным, при этом одна из консолей образует вал турбины, а другая образует вал насоса, причем вал ходовой части с указанными консолями образует общий вал турбонасосного агрегата.

Вал ротора турбонасосного агрегата может быть оперт на корпус ходовой части через упомянутые подшипниковые опоры, преимущественно, снабженные шарикоподшипниками, один из которых, предпочтительно, зафиксирован в осевом направлении, а другой, предпочтительно, выполнен плавающим, причем оба указанных подшипника выполнены с возможностью защиты рабочих полостей уплотнениями, в том числе типа лабиринтов, при этом вал ротора выполнен полым и снабжен на проток с системой жидкостного охлаждения, а, по меньшей мере, шарикоподшипник со стороны турбины выполнен с возможностью дополнительного воздушного охлаждения посредством вентилятора.

Турбонасосный агрегат может быть смонтирован на жесткой, предпочтительно, сварной раме с возможностью последующей установки на фундамент с возможностью разъемной фиксации посредством системы анкеров.

Турбонасосный агрегат вариантно может быть предназначен для перекачивания горячей, холодной, промышленной воды, нефти и продуктов крекинга нефти с напором до 750 м и возможностью подачи (расхода) от 20 до 1000 м³/ч, в том числе при номинальной частоте вращения ротора 9,85·10⁴ (±20%) об/мин.

Поставленная задача в части способа перекачивания решается тем, что в способе перекачивания холодной, горячей и промышленной воды, согласно изобретению, перекачивание выполняют с использованием, по меньшей мере, одного турбонасосного агрегата, конструктивно описанного выше.

При этом перекачивание холодной типа водопроводной воды могут производить в системе водоснабжения промышленных, гражданских и жилых комплексов.

Перекачивание горячей воды могут производить в том числе с избыточным давлением до 2 МПа и более и с температурой 85-105°С и более в системе отопления и/или горячего водоснабжения промышленных, гражданских и жилых комплексов.

Перекачивание промышленной воды могут производить для питания котлов энергетических и промышленных предприятий.

Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, состоит в разработке турбонасосного агрегата, наделенного повышенным ресурсом, надежностью работы и эффективностью подачи перекачиваемых жидких сред, а также в разработке способа перекачивания упомянутых сред.

Это достигается совокупностью разработанных в изобретении конструктивно-технологических решений основных узлов агрегата и параметров их работы, а именно, конструкции вала ротора с радиально-упорной системой подшипниковых опор и уплотнений; конструкции рабочего колеса турбины, сопел соплового аппарата с заявленными параметрами; формы коллектора подвода и корпуса отвода рабочего тела в турбинном узле, а также выполнения насосного узла с рабочим колесом шнекоцентробежного типа с заявленными параметрами и найденным решением автомата осевой разгрузки ротора. Использование расположенного на входе в рабочее колесо насоса шнека обеспечивает высокие антикавитационные качества насоса, а двухзавитковый спиральный отвод в корпусе насоса обеспечивает радиальную разгруженность во всем диапазоне изменения режимов работы агрегата.

При этом выполнение турбонасосного агрегата в предлагаемом в изобретении исполнении позволяет исключить утечки перекачиваемой среды и пара, а также упрощает агрегат, существенно уменьшая материалоемкость и повышая компактность и КПД агрегата. Кроме того применение в качестве привода турбины, работающей с рабочим телом типа газа, существенно сокращает энергопотребление.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображен турбонасосный агрегат, вид сбоку;

на фиг.2 - турбонасосный агрегат, продольный разрез;

на фиг.3 - лопатки рабочего колеса турбины, сечение;

на фиг.4 - расположение сопла в диске соплового аппарата, продольный разрез;

на фиг.5 - шнекоцентробежное рабочее колесо насоса, продольный разрез;

на фиг.6 - центробежное рабочее колесо насоса, основной диск с лопатками, продольное сечение,

на фиг.7 - центробежное рабочее колесо насоса и автомат осевой разгрузки ротора, фрагмент, продольное сечение.

Турбонасосный агрегат содержит турбинный узел 1, образующий привод турбонасосного агрегата. Турбинный узел включает корпус 2 подвода рабочего тела типа газа, объединенный с сопловым аппаратом 3, а также активную, по меньшей мере, одноступенчатую турбину и расположенный за турбиной по вектору потока рабочего тела корпус 4 отвода отработанного рабочего тела - газа.

Сопловый аппарат 2 выполнен в виде диска с наклонными, предпочтительно, сверхзвуковыми соплами 5, которые выполнены конфузорно-диффузорными. Турбина снабжена валом 6 с рабочим колесом 7, состоящим не менее чем из одного диска с лопатками 8 и межлопаточными каналами.

Турбонасосный агрегат содержит опорный узел 9, включающий прикрепленный к корпусу 4 отвода рабочего тела корпус 10 ходовой части турбонасосного агрегата не менее чем с двумя подшипниковыми опорами 11 и ходовой частью вала 12.

Турбонасосный агрегат содержит также насосный узел 13, включающий насос с корпусом 14 проточной части, ротор с валом 15 и шнекоцентробежным рабочим колесом 16.

При этом вал 6 турбины, вал 12 ходовой части агрегата и вал 15 ротора насоса объединены в общий вал турбонасосного агрегата.

Корпус 14 проточной части насоса выполнен сборным. Корпус 14 насоса включает корпус 17 входа с патрубком 18 осевого подвода перекачиваемой среды, корпус 19 отвода, состоящий из фронтального кольцевого элемента, соединенного с корпусом 17 входа, а также из уступообразного в поперечном сечении тыльного кольцевого элемента 20, связанного с фронтальным элементом. Совместно они образуют проточную полость 21 с объемом, достаточным для размещения шнекоцентробежного рабочего колеса 16, автомата осевой разгрузки ротора и спирального отвода 22.

Шнекоцентробежное рабочее колесо 16 выполнено в виде конструктивно объединенного со шнеком 23 многозаходного центробежного рабочего колеса, образующего крыльчатку, предпочтительно, закрытого типа.

Центробежное рабочее колесо включает основной и покрывной диски 24 и 25 соответственно с системой расположенных между ними лопаток 26, разделенных межлопаточными каналами 27. Лопатки 26 выполнены, предпочтительно, различной длины и переменной высоты по длине, убывающей к выходу из рабочего колеса с соблюдением условия квазиравенства площади поперечного сечения на входе в межлопаточный канал 27, образованный двумя смежными лопатками 26 максимальной длины и суммарной площади поперечного сечения на выходе расположенных между ними более коротких каналов, разделенных промежуточной лопаткой 26 меньшей длины. Число лопаток 26 и соответственно межлопаточных каналов 27 на выходе кратно, не менее чем в два раза превышает число лопаток и соответственно каналов на входе в рабочее колесо 16.

Активный объем динамического заполнения совокупности межлопаточных каналов 27 рабочего колеса насоса выполнен с вариантной возможностью выброса на проток за один оборот рабочего колеса (4,7÷45)×10^-5 м³/об перекачиваемой среды.

Спиральный отвод 22 насосного узла выполнен в виде двухзаходной улитки с разнесением заходных устий, преимущественно, на 180° по радиальной закрутке и с диффузорно расширяющимися каналами 28 с разностью площадей выходного и входного сечений, отнесенной к длине канала 28, с градиентом расширения G по ходу закрутки, принятым из условия квазиравенства скоростей потоков в каждом канале улитки и составляющим G=0,87-0,95.

Лопатки 26 центробежного рабочего колеса насоса в вариантном исполнении с одноступенчатым чередованием длины последних выполнены с радиальным удалением заходных вершин коротких лопаток от оси рабочего колеса, не менее чем в 1,3 раза превышающим радиальное удаление заходных вершин длинных лопаток, предпочтительно, с расположением вершин коротких лопаток на радиальном расстоянии, соответствующем малому радиусу г середины длины длинных лопаток в диапазоне r±15%.

Шнек 23 выполнен не менее чем двухзаходным со спиральными лопастями 29 и пустотелым валом. Вал, по меньшей мере, большей частью длины выполнен охватывающим заведенный в него участок приводного вала турбонасосного агрегата. Шнек 23 снабжен плавным расширением в зоне 30 перехода канала шнека 23 в многозаходный канал центробежного колеса. Угол наклона к оси вала большей части формообразующей контура перехода вариантно составляет в зоне расширения вала 18°÷30°. Спиральные лопасти 29 шнека выполнены, преимущественно, с переменными, по меньшей мере, на части длины радиусом и/или шагом спиральной закрутки, в том числе с возможностью возрастания по ходу потока перекачиваемой среды, начиная с заходного участка 31.

Для отвода перекачиваемой среды из проточной части корпуса 14 насоса последний снабжен патрубком 32 отвода, выполненным, преимущественно, диффузорным, тангенциального типа.

Автомат осевой разгрузки ротора содержит кольцевую пяту 33, уступообразно закрепленную или выполненную на тыльной стенке корпуса 14 проточной части насоса. Автомат осевой разгрузки также включает кольцевой поясок 34, размещенный на тыльной стороне основного диска 24 рабочего колеса 16 и сопряженный с пятой 33 с образованием переточного кольцевого канала 35, имеющим кольцевые внутреннюю и внешнюю боковые стенки. Кольцевая пята 33 автомата осевой разгрузки ротора снабжена кольцевым столиком 36, консольным в поперечном сечении с выступающим бортиком, торец которого выполнен ответным торцу внутренней стенки пояска 34 с образованием на выходе из переточного канала 35 торцевого щелевого уплотнения 37 с возможностью регулируемого пульсирующего выхода из последнего избытка перекачиваемой среды.

Образованное между ответными боковыми стенками уступа кольцевой пяты 33 и пояска 34 боковое щелевое уплотнение 38 выполнено с обеспечением возможности пульсирующего пропуска в переточный канал 35 перекачиваемой среды из зоны высокого давления автомата осевой разгрузки с возвратом в зону низкого давления, предпочтительно, в заходную часть полости рабочего колеса 16 через выполненное в основном диске 24 рабочего колеса, по меньшей мере, одно перепускное отверстие 39 и созданием при этом пульсирующего изменения усилия осевой разгрузки ротора.

На покрывном диске 25 рабочего колеса 16 насоса выполнено щелевое уплотнение 40. Торцовое щелевое уплотнение 37 на основном диске 24 рабочего колеса 16 выполнено радиусом, большим, чем радиус щелевого уплотнения 40 на покрывном диске 25. Торец пяты 33 автомата осевой разгрузки ротора выполнен диаметром, меньшим или равным диаметру щелевого уплотнения 40 на покрывном диске 25 рабочего колеса.

Корпус 2 подвода рабочего тела турбинного узла 1 снабжен подводящим патрубком 41, коллектором 42 и крышкой 43. Коллектор 42 включает осесимметричную герметичную кольцевую оболочку, по меньшей мере, большая часть которой имеет форму типа продольно усеченного фрагмента тора или тороида, герметично присоединенного с напорной стороны к диску соплового аппарата 3 по внешней и внутренней кольцевым кромкам 44.

Сопла 5 соплового аппарата 3 выполнены в диске в количестве 8÷15, преимущественно, 12 и продольными осями радиально эквидистантно удалены от оси турбины и разнесены по условной окружности на равные углы, определенные в диапазоне (24÷45)°.

Лопатки 8 рабочего колеса 7 турбины выполнены выпукло-вогнутыми по ширине. Толщина лопатки 8 принята переменной в направлении вектора потока рабочего тела с максимумом _max, преимущественно, в средней части хордовой ширины лопатки. Хордовая ширина лопатки 8 в проекции на условную хордовую плоскость, соединяющую заходную и выходную боковые кромки лопатки, принята не превышающей радиальную высоту лопатки. Общее количество лопаток 8 рабочего колеса 7 турбины принято в 2,6÷34,4 раз превышающем количество сопел 5 в сопловом аппарате 3.

Корпус 4 отвода отработанного рабочего тела выполнен герметичным со скошенной кольцевой стенкой 45, оппозитной выходным кромкам межлопаточных каналов рабочего колеса 7 турбины, и снабжен, преимущественно, тангенциальным патрубком 46 выхода отработанного рабочего тела.

Вал 12 ходовой части агрегата выполнен консольным, при этом одна из консолей образует вал 6 турбины, а другая образует вал 15 насоса. Вал 12 ходовой части с указанными консолями образует общий вал турбонасосного агрегата.

Вал ротора турбонасосного агрегата оперт на корпус 10 ходовой части через подшипниковые опоры 11, преимущественно, снабженные шарикоподшипниками 47, один из которых, предпочтительно, зафиксирован в осевом направлении, а другой, предпочтительно, выполнен плавающим. Шарикоподшипники 47 выполнены с возможностью защиты рабочих полостей уплотнениями, в том числе типа лабиринтов 48. Вал ротора выполнен полым и снабжен на проток системой жидкостного охлаждения. По меньшей мере, шарикоподшипник 47 со стороны турбины выполнен с возможностью дополнительного воздушного охлаждения посредством вентилятора 49.

Турбонасосный агрегат смонтирован на жесткой, предпочтительно, сварной раме 50 с возможностью последующей установки на фундамент с возможностью разъемной фиксации посредством системы анкеров.

Турбонасосный агрегат вариантно предназначен для перекачивания горячей, холодной, промышленной воды, нефти и продуктов крекинга нефти с напором до 750 м и возможностью подачи (расхода) от 20 до 1000 м³/ч, в том числе при номинальной частоте вращения ротора 9,85·10⁴ (±20%) об/мин.

В способе перекачивания холодной, горячей и промышленной воды, перекачивание выполняют с использованием, по меньшей мере, одного турбонасосного агрегата, конструктивно описанного выше.

Перекачивание холодной типа водопроводной воды производят в системе водоснабжения промышленных, гражданских и жилых комплексов.

Перекачивание горячей воды производят в том числе с избыточным давлением до 2 МПа и более и с температурой 85-105°С и более в системе отопления и/или горячего водоснабжения промышленных, гражданских и жилых комплексов.

Перекачивание промышленной воды производят для питания котлов энергетических и промышленных предприятий.

Работа турбонасосного агрегата осуществляется следующим образом.

После прогрева конструкции и слива конденсата из полости корпуса 4 отвода отработанного рабочего тела (газа) турбинного узла 1 запускают турбонасосный агрегат. При этом проточная полость 21 корпуса 14 насоса заполнена перекачиваемой жидкостью до клапана на напорной магистрали, находящегося на выходе из насоса.

Открывают регулируемый клапан, подающий пар под давлением в коллектор 42 и через двенадцать сопел 5 соплового аппарата 3 на вход в турбину. Разгоняют пар под перепадом до сверхзвуковых скоростей, передавая рабочему колесу 7 турбины кинетическую энергию. При этом ротор турбины выходит на номинальные обороты 170 с ^-1 (10200 об/мин).

Неуравновешенная площадь турбины создает на роторе осевую силу в сторону насоса, которую через вал воспринимает упорный подшипник 47, которую после выхода на номинальные обороты компенсирует автомат осевой разгрузки.

В насосном узле 13 перекачиваемая среда через патрубок 18 подвода, попадая на вход в шнекоцентробежное рабочее колесо 16, перемещается от центра к периферии под действием центробежных сил, приобретая при этом кинетическую энергию и получая закрутку в направлении вращения рабочего колеса.

После выхода из рабочего колеса 16 поток переходит в двухзаходный спиральный отвод 22, расширяющийся к патрубку 32 отвода перекачиваемой среды с соблюдением условия квазиравенства скоростей потоков в каждом канале 31 отвода. Из отвода 22 перекачиваемая среда попадает в патрубок 32 отвода и поступает в трубопровод для дальнейшего транспортирования.

При этом на номинальных оборотах ротора на шнекоцентробежное рабочее колесо 16 насоса также действует осевая сила. Эта осевая сила направлена в сторону турбины и пяты 39 автомата осевой разгрузки из-за разности диаметров щелевых уплотнений 38, 40 на рабочем колесе и расположения зазора торцового щелевого уплотнения 37. Под воздействием указанной осевой силы ротор сдвигается, либо уменьшая торцовой зазор между рабочим колесом 16 и пятой 39 или наоборот раскрывая зазор в торцевом уплотнении 37, занимает равновесное положение, компенсируя осевую силу на упорном подшипнике 47.

Торцовые уплотнения 51 в полости корпуса 4 отвода рабочего тела не пропускают перекачиваемую и охлаждающую их жидкость с одной стороны в полость турбины для исключения гидроударов при попадании воды в горячую полость, ведущих к эрозии конструктивных элементов. С другой стороны не пускают водный конденсат в полость опорного узла 9, которая сообщена с атмосферой через отверстие 52 в нижней зоне корпуса 10 ходовой части, предназначенное для слива допустимых утечек.

Дополнительно полость подшипника 47 защищена вращающимся лабиринтным уплотнением 48. В насосной части установлено одинарное торцовое уплотнение 53, не допускающее перекачиваемую среду в подшипниковую полость, отделенную вращающимся лабиринтным уплотнением 48. В случае незначительной негерметичности торцового уплотнения 53 они выводятся из проточной полости 21 через отверстие 52 в корпусе 10 ходовой части. В процессе работы турбонасосного агрегата ротор и шарикоподшипники 47 охлаждают обдувом воздуха посредством вентилятора 49.

Во время работы обороты ротора фиксируют двумя датчиками 54 оборотов и датчиками вибрации, расположенными на корпусе 10 ходовой части. Фиксируют виброскорость, которая не должна превышать допустимых величин.

Останов турбонасосного агрегата осуществляют, закрывая клапан подачи пара, и после падения давления за насосом и остановки ротора закрывают задвижку на напорной магистрали насоса. Воду для охлаждения торцовых уплотнений 53 подают в полость турбинного узла 1 до полного остывания корпуса турбины.

Таким образом, за счет разработанных в изобретении конструктивно-технологических решений основных узлов агрегата и параметров их работы достигают повышения ресурса агрегата, надежности работы и эффективности подачи перекачиваемой среды потребителю при одновременном снижении материалоемкости и повышении компактности и КПД турбонасосного агрегата.