Модернизация уплотнения вала и подшипникого узла вертикального шламового насоса ВШН-150 (6Ш8)-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

В данном дипломном проекте предлагается модернизация уплотнения вала и подшипникого узла вертикального шламового насоса. Был проведен анализ имеющихся прототипов вертикальных шламовых насосов. В результате данного анализа был выбран прототип ВШН-150 (вертикальный шламовый насос). Обоснована предлагаемая модернизация. Выполнены необходимые расчеты, освещены вопросы безопасности и экологичности проекта. Произведен расчет ожидаемого экономического эффекта.
Дипломный проект состоит из: графического материала общим объемом в количестве 4-х листов формата А1, и пояснительной записки объемом 81 машинописный лист, включающие 17 рисунков, 16 таблиц и список литературы включающий 20 пунктов.
В качестве прототипа выбран насос вертикальный шламовый ВШН-150. Данный насос является одним из самых распространенных шламовых насосов на буровых Западной Сибири. Применяется при бурении скважин для перекачивания промывочного раствора с удельным весом 1.3 т/м3 и подачи
Отработанного раствора в гидроциклонную установку для очистки от выбуренной породы. Насос работает при перекачивании раствора с температурой не более 50 градусов цельсия и содержанием твердых частиц до 20 мм. Внешний вид насоса приведен на рисунке 2.1.
Технические характеристики насоса ВШН-150 следующие:
- производительность — 150 м3/час;
- напор — 30 м;
- мощность привода — 30 кВт;
- частота вращения вала — 1500 об/мин;
- масса — не более 600 кг;
Габаритные размеры. мм;
- длина — 620;
- ширина — 860;
- высота — 1810;
Агрегат предназначен:
- перекачивания бытовых и промышленных сточных вод и других загрязненных жидкостей;
- перекачивания промывочного раствора, применяемого при бурении скважин;
- подачи отработанного промывочного раствора в гидроциклонную установку для очистки от выбуренной породы.
Анализ выхода из строя:
Наиболее важной проблемой являются утечки рабочей жидкости через торцевое уплотнение и выхода из строя шариковых однорядно упорных подшипников, что приводит к частому ремонту насоса.

Вывод: В качестве прототипа выбран насос вертикальный шламовый ВШН-150. Так как данный насос является одним из самых распространенных шламовых насосов на буровых Западной Сибири. Применяется при бурении скважин.

В результате выполнения патентного поиска были найдены патенты, отражающие существующие предложения по улучшению данного типа насосов. Анализ авторских свидетельств и патентов [3,4,5,6,7,8,9] показал наличие множества изобретений. Наиболее близким к задаче данного дипломного проекта является «герметичный центробежный насосный агрегат» [3].
1. Герметичный центробежный насос, содержащий корпус с размещенным в нем рабочим колесом. Приводимым во вращение цилиндрической магнитной муфтой, ведущая полумуфта которой соединена с приводным валом электродвигателя, а ведомая с рабочим колесом. Причем полумуфты установлены коаксиально, разделены экраном в виде герметично закрепленного в корпусе цилиндрического стакана и выполнены многополюсными с чередованием полюсов, отличающийся тем, что в него введен измеритель износа цилиндрической стенки стакана, между полюсами ведущей и ведомой полумуфт. Причем цилиндрический стакан выполнен с переменной толщиной стенки вдоль его образующей, а участок наименьшей толщины стенки расположен между полюсами ведущей и ведомой полумуфт.
2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что измеритель износа цилиндрической стенки стакана выполнен в виде датчика ее радиального перемещения между полюсами полумуфт.








3. Насос по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что датчик радиального перемещения цилиндрической стенки стакана выполнен в виде толкателя, размещенного с возможностью контакта с цилиндрической стенкой стакана по радиусу к оси вала рабочего колеса в отверстии, выполненном в корпусе.
4. Насос по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что датчик радиального перемещения цилиндрической стенки стакана выполнен в виде измерителя электрической емкости конденсатора, образованного зазором между цилиндрической стенкой стакана и ведущей полумуфтой, причем цилиндрическая стенка является одной из обкладок конденсатора.
5. Насос по пп. 1 4, отличающийся тем, что по меньшей мере ведущая полумуфта выполнена в виде кольцевого магнитопровода, к цилиндрической поверхности которого, обращенной к цилиндрической стенке стакана, прикреплены постоянные магниты, закрытые со стороны стакана цилиндрической немагнитной металлической втулкой, являющейся второй обкладкой конденсатора.
6. Насос по п. 1, отличающийся тем, что измеритель износа цилиндрической стенки выполнен в виде по меньшей мере одного тензометрического преобразователя, прикрепленного к ее наружной поверхности между полюсами ведущей и ведомой полумуфт.
7. Насос по п. 1, отличающийся тем, что измеритель износа цилиндрической стенки стакана выполнен в виде по меньшей мере одного индукционного датчика, прикрепленного к ее наружной поверхности в зазоре между полумуфтами.
8. Насос по пп. 1 7, отличающийся тем, что полумуфты выполнены с размерами, выбранными из соотношения S1 /S2 0,21 0,25, где S1 толщина магнита; S2 толщина магнитопровода;




9. Насос по пп. 1 8, отличающийся тем, что поверхность магнитопровода, противоположная поверхности, на которой установлены магниты, выполнена с переменным профилем, а постоянные магниты прикреплены с размещением их стыков в зонах максимальной толщины магнитопровода, причем размеры магнитопровода выбраны из соотношения S2/S3 1,4 2,0, где S2 – максимальная толщина магнитопровода; S3 минимальная толщина магнитопровода.

10. Лабиринтное уплотнение вала - Лабиринтное уплотнение вала относится к бесконтактным уплотнительным устройствам лабиринтного типа для герметизации валов машин. В лабиринтном уплотнении зоны сужения образованы закрепленными на валу кольцевыми втулками. Зоны расширения образованы установленными на валу между втулками тонкостенными гофрированными шайбами, локально контактирующими своими смежными гофрами с торцами противостоящих втулок. Изобретение упрощает конструкцию устройства. 2 ил. Изобретение относится к области машиностроения, а именно к бесконтактным уплотнительным устройствам лабиринтного типа для герметизации валов машин.
Из анализа уровня техники известны бесконтактные уплотнения с кольцевыми канавками на наружной поверхности вала (см. кн.: Васильцов Э.А. "Бесконтактные уплотнения", Л., Машиностроение, 1974, с. 14, табл. 1).
Наиболее близким аналогом (прототипом) является уплотнение (источник тот же, с. 47, рис. 36), содержащее корпус и размещенный с радиальным зазором в цилиндрическом отверстии корпуса вал, на наружной поверхности которого выполнены кольцевые проточки прямоугольного профиля, образующие с корпусом гидравлический тракт с чередующимися зонами сужения и расширения потока.




Недостаток устройства - низкая эффективность герметизации в ряде случаев применения: при окружной скорости менее 10 м/с, давлении более 0,5 мПа, при работе на маловязких жидкостях типа керосина.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является усовершенствование конструкции устройства.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении герметизации устройства, в расширении возможностей его применения.
Средство достижения указанного технического результата состоит в том, что в известном устройстве, включающем корпус и размещенный в цилиндрическом отверстии корпуса вал с выполненными на его наружной поверхности кольцевыми цилиндрическими проточками, образующими с корпусом гидравлический тракт с чередующимися зонами сужения и расширения потока, зоны сужения образованы закрепленными на валу кольцевыми втулками, а зоны расширения установленными на валу между втулками тонкостенными гофрированными шайбами, локально контактирующими своими гофрами с противостоящими торцами смежных втулок.
Доказательство достижения технического результата будет рассмотрено ниже.
Предлагаемое устройство изображено на фиг. 1 (продольный разрез) и фиг. 2 (вид по А на фиг. 1, развертка вала).
Устройство состоит из корпуса 1, в цилиндрическом отверстии 2 которого с радиальным зазором 3 установлен вал 4. На валу 4 закреплены с упором в его бурт 5 и крепежный элемент 6 (например, гайку на валу 4) кольцевые втулки 7, образующие с корпусом 1 зоны сужения 8, и чередующиеся с ними шайбы 9, размещенные между втулками 7 в зонах расширения 10.

Шайбы 9 выполнены тонкостенными с гофрированными вдоль окружности торцами. Шайбы 9, одна или несколько, могут иметь различную форму (фиг. 2, варианты исполнения гофрированных шайб 9) - волнообразную, зигзагообразную, пилообразную и пр. Шайбы 9 своими выступами 11 контактируют с противостоящими торцами смежных втулок 7.
При этом радиальные размеры втулок 7 и шайбы 9 одинаковы (фиг. 1). Между крепежным элементом 6 и валом 4 установлена регулировочная прокладка 12, обеспечивающая локальное контактирование между собой втулок 7 и шайб 9 с необходимым из конструктивных соображений осевым поджатием после сборки устройства.
Устройство работает следующим образом.
Поток рабочей среды, попадая в зоны расширения 10, изменяет направление движения с образованием вихрей, турбулизируется. Наличие в зонах расширения гофрированных шайб 9 приводит дополнительно к механическому воздействию на шток, поскольку шайбы 9 перекрывают тракт вдоль проточки выступами 11 (гофрами) и выталкивают рабочую среду в зазор 3, аналогично действию центробежного лопаточного аппарата. Это приводит к дополнительному возмущению потока, турбулизации, повышает гидравлическое сопротивление тракта, способствует уменьшению утечки через уплотнение.
Оптимальная конфигурация гофрированных шайб 9 подбирается экспериментально в зависимости от свойств рабочей среды, размеров устройства, оборотов вала, параметров потока и технических требований к уплотнению.
Устройство не представляет технических трудностей для изготовления известными приемами металлообработки (мехобработка, штамповка и др.).



Формула изобретения: - Лабиринтное уплотнение вала, включающее корпус и размещенный в цилиндрическом отверстии корпуса вал с выполненными на его наружной поверхности кольцевыми цилиндрическими проточками, образующими с корпусом гидравлический тракт с чередующимися зонами сужения и расширения потока, отличающееся тем, что зоны сужения образованы закрепленными на валу кольцевыми втулками.
Зоны расширения - установленными на валу между втулками тонкостенными гофрированными шайбами, локально контактирующими своими гофрами с противостоящими торцами смежных втулок.
Мною было рассмотрено большое количество патентов, из них был выбран один патент в качестве аналога. Данный аналог является наиболее близким техническим решением, к данному изобретению. Изобретение представляет из себя устройство по оснащению насоса ВШН -150 лабиринтным уплотнением и модернизации подшипников, с применением подшипников - конических радиальноупорных. Замена подшипников увеличивает ресурс насоса на 50%, что повысит надежность данного узла.
Описание узла до модернизации:

В вертикальном шламовом насосе ВШН 150 включающий спиральный корпус, внутри которого помещено, посаженное на вал, рабочее колесо с лопатками с проходным сечением достаточным для пропуска кусков твердого материала, при этом конец вала насоса закреплен двумя шарикоподшипниками, установленными в станине. Нижний конец вала проходит через подшипник, смазкой подшипника служит перекачиваемая жидкость.




Насос предназначен для перекачки гидросмеси с содержанием твердых частиц до 20% по объему при наибольшей их величине не больше 20 мм.
К недостаткам прототипа следует отнести довольно жесткие технологические требования к параметрам перекачиваемого сыпучего абразива.
Наиболее часто подвергаются ремонту, замена уплотнения вала, самого рабочего органа и частая замена подшипникого узла.

Описание узла после модернизации:
  Как было отмечено ранее, наиболее важной проблемой являются утечки рабочей жидкости через уплотнения и выход из строя шариковых однорядных упорных подшипников, что приводит к частому ремонту насоса.
Предлагаемый способ решения проблемы состоит в следующем - в корпусе насоса делается лабиринтное уплотнение, что позволяет создать воздушную подушку между валам и уплотнением, тем самым уплотнение будет работать намного дольше обычного. Замена подшипников на конические радиально упорные позволит выдерживать радиальные и осевые нагрузки на вал насоса. Конический радиальноупорный подшипник увеличивает ресурс насоса на 50%.

Вывод: Выполнение патентного поиска, с целью выявления известных путей повышения ресурса работы насоса ВШН 150 показало целесообразность модернизации подшипникового узла и уплотнения. Предположительно, предлагаемая модернизация позволит увеличить ресурс работы насоса в 2 раза. Для более точного определения ресурса работы необходимо проведение соответствующих расчетов.