CC BY
158
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
уДК 6216646602 и. П. АИСТОВ
А. В. СВИЩЁВ
Омский государственный технический университет
ПЕРСПЕКТИВНОЕ НАСОСНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОМПРЕССОРНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Рассматриваются насосное оборудование технологического назначения, эксплуатируемое в различных условиях. Одним из путей обеспечения работоспособности и повышения эффективности насосного оборудования является совершенствование гидросистем этих насосов. Проведен анализ научно-технической литературы и патентных материалов, который позволил выявить современные тенденции развития насосного оборудования (конструкций шестеренных насосов), а именно: упрощение конструкции; удобство эксплуатации и ремонта; снижение габаритных размеров, массы, шума и вибрации изготовления; повышение надежности, ресурса работы, механического и объемного КПД и т.д., что позволяет повысить технический уровень насосного оборудования, предназначенного для подачи смазочной жидкости к узлам трения компрессоров.
Ключевые слова: насосное оборудование, гидропривод, компрессоры, гидромашина.
Газотурбинные компрессорные и насосные уста- Рабочая жидкость гидросистемы выполняет функ-новки в настоящее время пока не нашли широко- ции смазывания и охлаждения деталей ШН. го применения в химической промышленности [1]. Также применение в химической промышленно-
Для подачи смазки узлов трения компрессоров, как сти получили поршневые, шестеренные и центро-правило, используются шестеренные насосы (ШН). бежные насосы, различного технологического на-
Рис. 1. Шестеренный насос [7]
значения. В химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности все большее применение находят ШН, которые используют для перекачивания вязких быстрозастывающих жидкостей, сжиженных газов, а также различных рабочих жидкостей при высоких давлениях. Их основным преимуществом является конструкционная простота, компактность, надежность в работе и сравнительно высокий КПД.
Однако ШН обладают недостатками, которые пытаются решить различными конструктивными и технологическими мероприятиями, основными из которых являются [2 — 6]: чувствительность к механическим примесям в перекачиваемой рабочей жидкости; пульсация нагнетаемого рабочего давления и неравномерность подачи рабочей жидкости; повышенная виброакустическая активность, причем существует однозначная связь между пульса-ционной производительностью ШН и уровнем его акустического шума; наличие зубчатого зацепления в качающем узле насоса обуславливает характерные свойства, присущие зубчатым механизмам; постепенный рост зазоров (увеличение зазоров в торцевых уплотнениях шестерен, торцевых и осевых зазорах уплотнений подшипников, и т. п.) в процессе эксплуатации насоса из-за износа деталей, связанное с этим увеличение внутренних утечек рабочей жидкости, и как следствие — уменьшение объемного КПД насоса; дополнительные динамические и радиальные нагрузки на подшипники, из-за периодического запирания рабочей жидкости в межзубном пространстве шестерен во время процесса перекачки, которые также ведут к увеличению виброакустической активности шестеренных насосов.
В статье приведен обзор патентной литературы по конструкциям ШН, направленным на устранение какой-либо доли указанных недостатков.
На рис. 1 представлен ШН [7], конструкция которого направлена на снижение скорости изнашивания приводного вала за счет ликвидации утечки жидкости в зону трения приводной вал — корпус и снижения скорости изнашивания трибосопряже-ний вал — верхняя крышка, вал — нижняя опорная пластина и ведомая шестерня — ось ведомой шестерни. Техническим результатом является повышение долговечности насоса.
Рис. 2. Шестеренный насос [8]
Результаты испытаний этого насоса шестеренного на прядильных машинах ОАО «Каменскволок-но» показали стабильную и надежную работу описанной конструкции. На 11% снизилась неравномерность подачи насоса при изменении давления на входе жидкости в насос и выходе ее из насоса. Прекратилось просачивание жидкости через три-босопряжения верхняя крышка шестеренного механизма — приводной вал — корпус насоса. Срок эксплуатации шестеренного дозирующего насоса в сравнении со сроком эксплуатации известной конструкции увеличился в 1,2—1,3 раза.
Техническим результатом предложенной конструкции является усовершенствование компенсации торцовых зазоров, оптимизация сил прижатия уплотнительных втулок, локализация зон влияния высокого давления на корпус, улучшение уплотнений полостей высокого и низкого давления. Вследствие этого снижаются объемные и механические потери, повышается долговечность машины.
На рис. 2 приведена конструкция ШН [8], который относится к области насосного оборудования для использования подачи рабочей жидкости для смазки узлов трения.
На рис. 2 указано: 1 — корпус, 2, 6 — ведущая и ведомая шестерни. На торцах ведущей шестерни 2 — установлены уплотнительные втулки 9, а также тарельчатые пружины — 3. На ведомой шестерне 6 — установлены пластины 5, диаметры которых равны диаметру окружности вершин зубьев шестерни, так, чтобы тарельчатые пружины 3 набегали на пластины 5 в зоне зацепления шестерен. Шестерни установлены на игольчатых подшипниках 4, которые, в свою очередь, помещены во втулки 8. Задачей, решаемой изобретением, является исключение трения по торцам шестерен и утечек рабочей жидкости по торцам шестерен.
Технической задачей, на решение которой направлена конструкция ШН [9], являются гидромашины с повышенными механическим и объемным КПД, которые достигаются как за счет усовершенствования конструкции камер компенсации торцовых зазоров и оптимизации сил прижатия уплотни-тельных втулок, так и за счет локализации зон воздействия высокого давления на корпус путем улучшения уплотнений полостей высокого и низкого давления. Такая конструкция шестеренной гидромашины разрешает устранить заклинивание уплот-нительных втулок, обеспечивает их оптимальное поджатие к торцам шестерен и герметизацию полостей высокого и низкого давления в корпусе машины, благодаря чему, по сравнению с прототипом, снижаются объемные и механические потери и повышается долговечность машины.
Рис. 3. Шестеренный насос [12]
В изобретении [10] приведена конструкция компактной шестеренной гидромашины с малыми объемными и механическими потерями за счет рационального торцевого уплотнения шестерен и дальнейшего повышения степени локализацией зоны воздействия высокого давления на внутренние полости. Предложенная шестеренная гидромашина позволяет устранить приклинивание, неравномерный износ подшипниковых втулок и восьмеркоо-бразных пластин, значительно уменьшить внутренние перетечки рабочей жидкости из полости высокого давления в полость низкого давления и т. д. Проведенные испытания подтвердили высокую эффективность предложенной машины и достижение технического результата по всем упомянутым аспектам.
В некоторых конструкциях ШН недостатком является неподвижность подшипников при изгибе шестерен в цапфах под действием давления нагнетаемой жидкости на венцы шестерен. Неподвижность подшипников под нагрузкой изгибающей цапфы шестерни в подшипниках приводит к уменьшению площади трения цапфы в подшипнике вплоть до двухточечной, на входе цапфы в подшипник и на выходе. Масляный клин из-за возросших сил трения выдавливается, и зона трения превращается в зону сухого трения с перегревом цапф, что приводит к их заклиниванию в подшипниках и вы-
ходу насоса из строя. В решении, представленном в изобретении [11], предлагается установка самоустанавливающихся подшипников при любых нагрузках (давлениях) и возникающих прогибах цапф шестерен, исключающих уменьшение площади трения цапф в подшипниках.
На рис. 3 представлена конструкция ШН с гидравлической компенсацией торцевых зазоров [12].
Изобретение направлено на снижение габаритов и веса насоса за счет упрощения конструкции устройства гидравлической компенсации торцевых зазоров. Для достижения указанного технического результата в ШН каналы подвода рабочей жидкости сообщены с полостью нагнетания, а в камерах поджима расположены фторопластовые манжеты, внутри которых установлены упругие уплотнительные кольца, сообщенные с каналами подвода с возможностью поджатия подвижных подшипников к рабочим торцам шестерен.
На рис. 4 представлена конструкция ШН, которая может применяться в смазочных устройствах компрессоров для оборудования с возможностью изменения объема смазной жидкости [13].
Недостатком насосов данного ШН является низкая скорость регулирования, невысокий КПД. Задачей изобретения является повышение скорости регулирования и КПД насоса. Технический результат достигается тем, что ШН регулируемый, содержащий корпусные детали, ведущий вал с ведущей шестерней, вращающийся в подшипниках скольжения, опорный вал с ведомой шестерней, управляемый штоком ползун с уводящей втулкой, шестеренные обоймы, установленные с возможностью изменения длины зацепления шестерен, снабжен плунжерами, а в ползуне выполнены плунжерные камеры с отверстиями, при этом в зубьях верхней шестеренной обоймы выполнены продольные отверстия, а в нижней шестерне — пазы с возможностью изменения длины зацепления шестерен при совмещении пазов в шестерне и отверстий в зубьях обоймы с отверстиями в ползуне.
Изобретение [14] относится к ШН, предназначенным для подачи смазочной жидкости к узлам трения компрессоров. В предлагаемом насосе изменена и упрощена конструкция поджимной обоймы, что устраняет факторы, приводящие к ее разрушению, упрощению конструкции, повышению надежности работы насоса. Технический результат при использовании изобретения заключается в устране-
Рис. 4. Шестеренный насос [13]
Рис. 5. Шестеренный насос [15]
46
нии факторов, приводящих к разрушению поджимной обоймы, упрощении конструкции, повышении надежности работы шестеренного насоса. Увеличен также ресурс насоса путем введения системы двойной компенсации торцового износа, снижена металлоемкость изделия и повышена технологичность изготовления.
На рис. 5 приведена конструкция ШН [15], обладающая возможностью двойной компенсации торцового износа шестерен: за счет поджима рабочей жидкостью компенсирующих металлических пластин из алюминиевого сплава и дополнительной герметизации рабочей камеры подвижным полиамидным уплотнительным пояском трапецеидального сечения.
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что дополнительно введенное в конструкцию насоса уплотнение, разделяющее области нагнетания и всасывания, выполнено комбинированным и состоит из взаимодействующих друг с другом по принципу клинового механизма резиновой прокладки и полиамидного пояска, предохраняющего прокладку от выдавливания из канавки камеры поджима в торцовой зазор, гарантированно уплотняющего торцевые поверхности компенсатора и корпуса.
Проведенный анализ насосного оборудования для компрессорных и технологических установок нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств позволил выявить современные тенденции развития насосного оборудования, а именно, основные направления которого направленны на: упрощение конструкции насоса; повышение надежности, ресурса работы, механического и объемного КПД, технологичности изготовления; повышение удобства эксплуатации и ремонта; применение для изготовления деталей и узлов новых материалов с высокими техническими характеристиками; снижение массы, габаритных размеров, шума и вибрации, стоимости изготовления и т. д., что позволяет повысить технический уровень насосного оборудования, предназначенного для подачи смазочной жидкости к узлам трения компрессоров.
Библиографический список
1. Пластинин, П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчет / П. И. Пластинин. — М. : Колос, 2002. — 456 с.
2. Аистов, И. П. Влияние качества сборки на типовые дефекты шестеренных насосов авиационного назначения / И. П. Аистов // Сборка в машиностроении, приборостроении. — 2007. - № 12. - С. 51-54.
3. Аистов, И. П. Особенности расчета нагруженного состояния и формирование назначенного ресурса шестеренных насосов / И. П. Аистов, Л. О. Штриплинг // Известия вузов. Машиностроение. - 2008. - № 7. - С. 11-16.
4. Аистов, И. П. Оценка износа пары трения авиационного агрегата на основе теории фрикционной усталости / И. П. Аистов, А. В. Свищёв // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — 2011. — Т. 13, № 4 (3). - С. 940-943.
5. Буренин, В. В. Новые конструкции шестеренных насосов для химических производств / В. В. Буренин // Химическая техника. - 2012. - № 1. - С. 23-27.
6. Буренин, В. В. Шестеренные насосы для химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств : обзорная информация / В. В. Буренин // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2005. - № 10. - С. 23-25.
7. Пат. 2307260 Российская Федерация, МПК Б 04 С2/08. Шестеренный дозирующий насос / Миньков Д. В., Лакунин В. Ю., Иванов А. С., Слугин И. В., Башкиров О. М., Миньков М. Д., Донцов А. М. ; заявитель Миньков Д. В. ; патентообладатель ООО «Рос ДМ». - № 2006120261/06 ; заявл. 09.06.06 ; опубл. 27.09.07, Бюл. № 27.
8. Пат. 2291986 Российская Федерация, МПК Б 04 С2/08. МПК Б 01 С19/00. Шестеренный насос / Поскребышев В. А., Исько А. Б., Егоров Д. В., Тарновская Е. В. ; заявитель Поскребышев В. А. ; патентообладатель Братский гос. ун-т. -№ 2005124902/06 ; заявл. 04.08.05 ; опубл. 20.01.07, Бюл. № 2.
9. Пат. 2313005 Российская Федерация, МПК Б 04 С2/08. Шестеренная гидромашина / Захарчук Ю. В., Скрицкий В. Ф. ; патентообладатель Захарчук Ю. В., Скрицкий В. Ф. -№ 2005128095/06 ; заявл. 08.09.05 ; опубл. 20.12.07, Бюл. № 35.
10. Пат. 2343315 Российская Федерация, МПК Б 04 С2/08. Шестеренная гидромашина / Захарчук Ю. В., Скрицкий В. Ф. ; патентообладатель Захарчук Ю. В., Скрицкий В. Ф. -№ 2007115721/06 ; заявл. 25.04.07; опубл. 10.01.09. Бюл. № 1.
11. Пат. 2380573 Российская Федерация, МПК Б 04 С2/08. Шестеренный насос / Георгиевский М. Г., Георгиевский Г. М. ; патентообладатель Георгиевский М. Г., Георгиевский Г. М. -№ 2006130416/06 ; заявл. 23.08.06 ; опубл. 27.01.10, Бюл. № 3.
12. Пат. 2384738 Российская Федерация, МПК Б 04 С2/08. Шестеренная насос / Макасеев Л. И., Кемов В. Ф. ; заявитель Макасеев Л. И. ; патентообладатель ОАО «Омское машиностроительное конструкторское бюро». - № 2008140828/06 ; заявл. 14.10.08 ; опубл. 20.03.10, Бюл. № 8.
13. Пат. 2177085 Российская Федерация, МПК Б 04 С2/08, Б 04 С15/04. Шестеренный регулируемый / Бодогазин С. Б. ; заявитель и патентообладатель ОАО «Уралкалий». -№ 99109525/06 ; заявл. 07.05.99 ; опубл. 20.12.01, Бюл. № 35, ч. II.
14. Пат. 2209342 Российская Федерация, МПК Б 04 С2/08. Насос шестеренный / Чечевичкин В. А., Первичко А. С. ; заявитель Чечевичкин В. А. ; патентообладатель ОАО «Гидроагрегат». - № 2001114151/06 ; заявл. 29.05.01 ; опубл. 27.07.2003, Бюл. № 21 (III ч.).
15. Пат. 2210005 Российская Федерация, МПК Б 04 С2/08. Шестеренный гидронасос / Сорокин Н. А., Сироткина В. С., Шу-лекин В. Е., Богатырев С. А., Нестеров А. Л., Петряков В. К., Сафонов В. В., Левушкин С. Н. ; заявитель Сорокин Н. А. ; патентообладатель ОАО «Саратовдизельаппарат». - № 2002106471/06 ; заявл. 12.03.02 ; опубл. 10.08.03, Бюл. № 22, (III ч.).
АИСТОВ Игорь Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры «Промышленная экология и безопасность».
СВИЩЁВ Алексей Викторович, аспирант, ассистент кафедры «Организация и управление наукоемкими производствами».
Адрес для переписки: aistov_i@mail.ru
Статья поступила в редакцию 19.05.2014 г. © И. П. Аистов, А. В. Свищёв
