Двухфазный насос-смеситель
Предлагается полезная модель "Двухфазный насос-смеситель", применяющийся в составе комплексов на нефтяных и газовых месторождениях для приготовления смеси из сыпучих и жидких компонентов для осуществления процесса гидравлического разрыва пластов. Известен двухфазный насос-смеситель с вертикальным расположением ведущего вала в составе агрегата для приготовления смеси. Известное устройство содержит корпус с кольцевой камерой смешения, размещенное в нем рабочее колесо в виде диска с двухсторонним расположением лопастей на его торцевых поверхностях, ведущий вал жестко соединенный с рабочим колесом и шнеком для подачи сыпучего компонента. Такое выполнение устройства отличается интенсивным износом торцев лопастей рабочего колеса, не обеспечивает длительную эксплуатацию рабочего колеса и технологию приготовления смеси. В предлагаемом устройстве двухфазного насоса-смесителя лопасти рабочего колеса со стороны подвода сыпучего компонента установлены с зазором относительно корпуса насоса, соотношение наружных диаметров лопастей со стороны подвода сыпучего Дс и жидкого Дж компонентов находятся в пределах (1,15-1,3), а лопасти со стороны подвода сыпучего компонента выполнены с чередованием длинных и коротких и расположены, например, в направлении хорд под одинаковыми углами с касательными к образующей ступицы рабочего колеса, при этом длина короткой лопасти ограничена диаметром рабочего колеса и патрубком подвода сыпучего компонента, а длинной - диаметром рабочего колеса и его ступицей. 2илл.
Заявляемая полезная модель относится к области, касающейся конструкций центробежных насосов-смесителей для приготовления смесей из сыпучих и жидких компонентов с обеспечением предварительного подъема давления, и используется преимущественно в составе комплексов для гидравлического разрыва пластов на нефтяных и газовых месторождениях.
Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели является Двухфазный насос-смеситель, защищенный патентом РФ №2215193 с приоритетом от 21.03.2002 г. Указанное устройство содержит корпус с патрубками подвода сыпучего и жидкого компонентов, камерами смешения и патрубком отвода готовой смеси, размещенный в корпусе приводной вал с закрепленными на нем шнеком и рабочим колесом с двухсторонним расположением на его поверхностях лопастей для подачи сыпучего и жидкого компонентов, соответственно. Недостатком указанного устройства является низкий ресурс рабочего колеса вследствие износа торцов лопастей, подающих сыпучий компонент. В результате этого увеличивается зазор между лопастями и корпусом и возникает опасность попадания жидкого компонента в зону подачи сыпучего компонента. Для обеспечения нормального технологического процесса (соблюдения дозировки и расхода сыпучего компонента) необходимо исключить попадание жидкого компонента в зону подачи сыпучего компонента, так как при попадании жидкого компонента в зону сыпучего компонента происходит смачивание последнего, его слипание и, как следствие, - затрудняется его дозирование и подача в камеру смешения. Также в зазор между неподвижным корпусом и перемещающимися относительно него торцами лопастей проникают высокой твердости частицы
сыпучего компонента, происходит их расклинивание, что вызывает интенсивный износ контактирующих поверхностей.
Целью предлагаемого технического решения является повышение надежности устройства, качества получаемой смеси в широком диапазоне расходов компонентов и максимальной производительности.
Эта цель достигается благодаря тому, что в двухфазном насосе-смесителе, содержащем корпус с патрубками подвода сыпучего и жидкого компонентов, кольцевой камерой смешения и патрубком отвода готовой смеси, размещенный в корпусе приводной вал с закрепленными на нем шнеком и рабочим колесом со ступицей и закрепленными на его торцевых поверхностях лопастями со стороны подвода сыпучего и жидкого компонентов, соответственно, - лопасти рабочего колеса со стороны подвода сыпучего компонента установлены с зазором (1-2) мм относительно корпуса, соотношение наружных диаметров лопастей со стороны подвода сыпучего Дс и жидкого Дж компонентов находится в пределах Дс/Дж=(1,15-1,3), а лопасти со стороны подвода сыпучего компонента выполнены разной длины с чередованием длинных и коротких лопастей, при этом они расположены, например, в направлении хорд под одинаковыми углами с касательными к образующей ступицы рабочего колеса, причем длина короткой лопасти ограничена диаметром рабочего колеса и патрубком подвода сыпучего компонента, а длинной - диаметром рабочего колеса и его ступицей.
Полезная модель «Двухфазный насос-смеситель» представлена на:
фиг.1 - продольный разрез насоса-смесителя, фиг.2 - вид на рабочее колесо со стороны подвода сыпучего компонента.
Насос-смеситель содержит корпус 1, патрубки 2 и 3 подачи, соответственно, сыпучего и жидкого компонентов, камеру смешения 4, патрубок 5 отвода приготовленной смеси, размещенный в корпусе приводной вал 6, с закрепленными на нем шнеком 7 и рабочим колесом 8 со ступицей 9 и закрепленными на торцевых поверхностях колеса длинными 10 и короткими 11 лопастями со стороны подвода сыпучего компонента и лопастями 12 со стороны подвода жидкого компонента, установленным с зазором «А» между лопастями 10 и 11 и корпусом 1.
Устройство работает следующим образом. Приводной вал 6 передает вращение на жестко связанные с ним шнек 7 и рабочее колесо 8. Сыпучий компонент через патрубок 2 поступает на шнек 7, в результате взаимодействия с последним и под действием собственного веса приобретает скорость в направлении лопастей 10 и 11 рабочего колеса 8, сбрасывается в камеру смешения 4 корпуса 1. Жидкий компонент через патрубок 3 поступает к лопастям 12 рабочего колеса 8, в результате взаимодействия с которыми происходит увеличение скорости и давления жидкого компонента, а затем, попадая в камеру смешения 4, перемешивается с сыпучим компонентом. Полученная смесь отводится по патрубку 5 к потребителю. Давление и расход приготовленной смеси регулируются изменением частоты вращения приводного вала 6. Вследствие того, что при вращающемся рабочем колесе 8 в камере смешения 4 возникает избыточное давление, под действием которого жидкость вытесняется не только в патрубок отвода смеси 5, но также и в межлопастные каналы рабочего колеса 8 со стороны подвода сыпучего компонента. Вращающиеся лопасти 10 и 11 подают навстречу жидкому компоненту воздух (или взвесь воздуха с сыпучим компонентом), плотность которого значительно меньше, что препятствует созданию противодавления, достаточного для вытеснения жидкого компонента из мелопастных каналов. Проникновению жидкости в межлопастные каналы препятствует давление, которое создают лопасти 10 и 11 своей периферийной частью, взаимодействующей с жидкостью, поступаающей из камеры смешения 4. При уравнивании давления в камере смешения 4 и противодавления, создаваемого лопастями 10 и 11, в межлопастных каналах устанавливается динамическое равновесие. В результате жидкость проникает внутрь межлопастных каналов рабочего колеса 8 на глубину, зависящую от профиля лопастей 10 и 11, давления в камере смешения 4, величины зазора «А», расхода перекачиваемой жидкости, частоты вращения приводного вала 6 и других факторов. При недостаточной величине противодавления, создаваемого лопастями 10 и 11, жидкость поступает к патрубку 2, смачивает сыпучий компонент, последний слипается, его сыпучесть снижается, расход сыпучего компонента уменьшается, соблюдение технологического процесса приготовления смеси затрудняется, а качество смеси ухудшается
Как известно из теории гидродинамических машин, давление, развиваемое рабочим колесом в геометрически подобных центробежных насосах, при прочих равных условиях, пропорционально пятой степени диаметра колеса. Увеличение Дс, а следовательно длиных лопастей со стороны подвода сыпучего компонента, обеспечивает более высокое давление, препятствующее поступлению жидкости в межлопастные каналы. Диапазон соотношения диаметров величиной (1,15÷1,3) обусловлен тем, что его минимальное значение 1,15 позволяет компенсировать потерю давления, развиваемого лопастями подачи сыпучего компонента при увеличении зазора «А» до 1...2 мм, а увеличение соотношения диаметров свыше 1,3 нецелесообразно с конструктивной точки зрения. При малом числе лопастей, что характерно для рабочих колес, подающих сыпучие компоненты, повысить создаваемый колесом напор можно также путем увеличения числа лопастей, в предлагаемом техническом решении - увеличением общего числа лопастей за счет добавления коротких.
Применение лопастей различной длины со стороны подвода сыпучего компонента позволяет за счет длинных лопастей повысить противодавление, развиваемое рабочим колесом, а за счет коротких лопастей уменьшить объем межлопастных каналов и сократить область вихревых течений жидкости в них, что исключает попадание жидкости в патрубок подвода сыпучего компонента. Так как короткие лопасти не перекрывают отверстие в корпусе для подвода сыпучего компонента, то проходное сечение подвода сыпучего компонента не уменьшается.
Снизить износ поверхностей лопастей 10 и 11 и корпуса 1 можно путем установки зазора «А» величиной (1-2) мм, в котором не происходит расклинивания частиц сыпучего компонента. Кроме того, увеличение зазора до оптимального значения позволяет снизить требования к перекосам, люфтам и осевым биениям деталей, увеличить диаметр рабочего колеса с обеспечением предложенного соотношения диаметров лопастей со стороны подвода сыпучего Дс и Дж со стороны подвода жидкого компонентов, повысив тем самым максимальную производительность насоса-смесителя как по сыпучему, так и по жидкому компонентам.
Двухфазный насос-смеситель, содержащий корпус с патрубками подвода сыпучего и жидкого компонентов, кольцевой камерой смешения и патрубком отвода приготовленной смеси, размещенный в корпусе приводной вал с закрепленными на нем шнеком и рабочим колесом со ступицей и закрепленным на его торцевых поверхностях лопастями со стороны подвода сыпучего и жидкого компонентов соответственно, отличающийся тем, что в нем лопасти рабочего колеса со стороны подвода сыпучего компонента установлены с зазором (1-2) мм относительно корпуса, соотношение наружных диаметров лопастей со стороны подвода сыпучего Дс и жидкого Дж компонентов находится в пределах Дс/Дж=(1,15-1,3), а лопасти со стороны подвода сыпучего компонента выполнены разной длины с чередованием длинных и коротких лопастей, при этом лопасти расположены, например, в направлении хорд под одинаковыми углами с касательными к образующей ступицы рабочего колеса, причем длина короткой лопасти ограничена диаметром рабочего колеса и патрубком подвода сыпучего компонента, а длинной - диаметром рабочего колеса и его ступицей.
