Многоступенчатый центробежный насос

 

Изобретение предназначено преимущественно для добычи нефти. Насос состоит из корпуса (1) с пакетом направляющих аппаратов (2) и вала (3) с рабочими колесами (4). Колеса (4) размещены на валу поочередно с защитными втулками (5). Между группами ступеней насоса размещены промежуточные подшипниковые опоры вала (3). Каждое колесо имеет возможность осевого смещения и кольцевой опорой (7) нижнего диска (6) оперто на нижерасположенный аппарат (2) или промежуточную опору, которая выполнена из двух кольцевых П-образных в сечении деталей (8) и (9), телескопически встречно сопряженных друг с другом и с отверстиями (12) и (13) в их основаниях (10) и (11). Внутренние стенки (19) и (21) деталей опоры, обращенные к валу (3) и втулкам (5) под ними, образуют кольцевую полость, в которой размещен упругопластичный материал (23), например фторопласт, в виде одной монолитной манжеты или в виде группы манжет, в сечении представляющих собой равнобокие трапеции. Такое исполнение насоса устраняет условия для возникновения и развития интенсивного износа элементов насоса от вибрации и продольного изгиба вращающейся длинномерной динамически неуравновешенной детали, каковой является вал насоса. 1 ил.

Изобретение относится к оборудованию для добычи нефти и может быть использовано при изготовлении или ремонте погружных электроцентробежных насосов.

Известен многоступенчатый центробежный насос /1/, содержащий корпус и размещенный в нем вал. В корпусе закреплены направляющие аппараты, а на валу - рабочие колеса, между которыми установлены защитные втулки. Цилиндрическая внешняя поверхность втулок, размещенных по меньшей мере в местах изгибов вала от воздействующих на него нагрузок, и сопрягаемая - при изгибе вала - с ней поверхность направляющего аппарата имеют высокотвердые покрытия; последние могут быть выполняемы и в виде отдельно изготовленных обечаек.

Подобная конструкция насоса не исключает полностью, и не демпфирует даже частично, радиально-вращательных биений (соударений) сопрягающихся поверхностей высокотвердых покрытий (обечаек); в известной конструкции - хромоникелевых и никельалюминиевых обечаек (покрытий) защитной втулки и направляющего аппарата, то есть вибрация динамически неуравновешенной длинномерной детали, каковой является вал насоса, имеет место быть. Кроме того, хром и никель достаточно дороги и дефицитны.

Известен многоступенчатый центробежный насос /2/ для нефтяных скважин, содержащий корпус с закрепленными в нем направляющими аппаратами и вал с рабочими колесами, между которыми установлены защитные втулки, функционально являющиеся элементами подшипников скольжения, а также и резинометаллические подшипники, являющиеся промежуточными (дополнительными) опорами вала, как вращающейся длинномерной детали.

В известном насосе промежуточные резинометаллические подшипники не обеспечивают стабильной (во времени) и надежной защиты рабочих ступеней насоса от износа, что ведет к прогрессивному снижению КПД в процессе эксплуатации; в том числе негативным фактором является и то, что резинометаллические подшипник, как таковой, не обладает способностью демпфировать вибрацию, а, как известно из практики, именно вибрационные, особенно высокочастотные перемещения подвижных деталей (вал с рабочими колесами и защитными втулками) относительно неподвижных (корпус с направляющими аппаратами) приводят к интенсивному радиальному износу деталей в присутствии абразивных материалов (мехпримеси в продукции скважины) и значительно сокращает жизнь внутрискважинному подвесному оборудованию и всей насосной системе.

Следует отметить, к тому же, что и очень малые начальные радиальные зазоры между трущимися (контактирующими) поверхностями обеих деталей промежуточной подшипниковой опоры, то есть между поверхностями детали на валу и детали в корпусе, вибрацию не устраняют, влияя лишь на ее частотный спектр и амплитуду; увеличение же амплитуды вибрации и интенсивности износа деталей любого подшипника - всего лишь вопрос времени.

Требуемый технический результат изобретения заключается в устранении условий для возникновения и усиления вибрации насоса путем ее демпфирования и автокомпенсации радиального износа трущейся пары деталей промежуточной подшипниковой опоры вала.

Для этого в многоступенчатом центробежном насосе, содержащем корпус с закрепленными в нем направляющими аппаратами, установленный в корпусе - посредством концевых и промежуточных подшипниковых опор - вал с поочередно размещенными на нем рабочими колесами и защитными втулками, причем каждое рабочее колесо снабжено кольцевой опорой нижнего диска, каждая из промежуточных опор выполнена из двух кольцевых П-образных в сечении деталей, телескопически встречно сопряженных друг с другом. В основаниях этих деталей выполнены отверстия. Одна из П-образных деталей неподвижно закреплена в корпусе между направляющими аппаратами, а осевая подвижность другой П-образной детали ограничена штифтом, размещенным частично в ней, а частично в продольном пазе неподвижной детали. Внешняя цилиндрическая поверхность защитной втулки, торец внутренней стенки П-образной неподвижной детали и наружная цилиндрическая поверхность внутренней стенки П-образной подвижной детали образуют кольцевую полость, которая замкнута выступом основания П-образной подвижной детали в направлении защитной втулки. На основании этой же детали выполнен еще один выступ - для контакта со штатной кольцевой опорой вышерасположенного (по валу) рабочего колеса насоса. В полости, образованной защитной втулкой и телескопически встречно сопряженными друг с другом двумя, П-образными в сечении, кольцевыми деталями, размещен упругопластичный (вязкоупругий) материал, например фторопласт и/или композит на его основе; для достижения требуемого технического результата использования изобретения необходим именно такой материал, обладающий некоторой упругостью, высокой пластичностью (вязкостью), африкционный и, к тому же, химически инертный к высокоагрессивной скважинной продукции.

Сопоставительный анализ существенных (необходимых и достаточных) признаков заявляемого технического решения с признаками прототипа (2) позволяет утверждать о соответствии его критерию "новизна", а "существенность отличий" (или "изобретательский уровень", или "неочевидность") базируются на анализе известных решений в исследуемой и смежных областях техники, так как в них не обнаружены технические решения с признаками, сходными (эквивалентными) с существенными признаками заявляемого решения и проявляющими те же свойства.

На чертеже изображен фрагмент конструкции многоступенчатого центробежного насоса со ступенями нагнетания и расположенной между ними одной из промежуточных подшипниковых опор вала на корпус насоса.

Насос содержит корпус 1 с направляющими аппаратами 2 и установленный в корпусе посредством концевых (не показаны) и промежуточных опор вал 3 с поочередно размещенными на нем рабочими колесами 4 и защитными втулками 5. Нижний диск 6 каждого рабочего колеса снабжен кольцевой опорой 7 для передачи осевой нагрузки с рабочего колеса на корпус при работе насоса. Каждая промежуточная опора вала выполнена из двух кольцевых, П-образных в сечении, деталей 8 и 9, которые телескопически встречно сопряжены друг с другом. В основаниях этих деталей (позиции 10 и 11 на фигуре) выполнены отверстия 12 и 13. П-образная деталь 8, как изображено на фигуре согласно изобретения, закреплена в корпусе между направляющими аппаратами 2, то есть неподвижна. Другая П-образная деталь (позиция 9) ограниченно осеподвижна, так как ее телескопическое сопряжение с деталью 8 ограничено линейным размером продольного паза 14 в последней и штифтом 15, который установлен в теле П-образной детали 9. Основание 11 этой детали снабжена двумя выступами, позиции 16 и 17 соответственно. Выступ 16 выполнен для контакта со штатной кольцевой опорой 7 вышерасположенного рабочего колеса. Выступ 17 выполнен для замыкания /запирания/ кольцевой полости (отдельной позицией на фигуре не показана), образованной внешней цилиндрической поверхностью 18 защитной втулки, торцом 20 внутренней стенки 19 неподвижной детали 8 и внешней цилиндрической поверхностью 22 внутренней стенки 21 П-образной осеподвижной детали 9. Образованная сопряжением вышеуказанных деталей 5, 8 и 9 кольцевая полость заполнена, то есть в ней размещен упругопластичный материал 23. Этот материал может быть размещен в полости в виде одной манжеты или, как изображено на фигуре, в виде нескольких манжет, разобщенных между собой разделительно-нажимными кольцами (на фигуре отдельной позицией не показаны). Оптимальным исполнением манжеты или манжет из упругопластичного материала 23 является равенство его суммарной поверхности, прилегающей к поверхности 18 защитной втулки, с суммарной поверхностью, прилегающей к поверхности 22 детали 9.

Как показала практика конструирования, изготовления и ремонта подобных изделий, оптимальный линейный размер - высота - промежуточной опоры приблизительно равен суммарной высоте двух рабочих ступеней насоса.

Приводом для погружного многоступенчатого центробежного насоса используется погружной электродвигатель, ротор которого стыкуется с валом насоса.

Насос работает по общеизвестной схеме, то есть - при вращении вала 3 с рабочими колесами 4 - на вход насоса поступает перекачиваемая жидкость, которая последовательно (показано стрелками на фигуре), из ступени в ступень, а также и через П-образные детали 8 и 9 каждой промежуточной опоры, набирая напор, перемещается наверх, к выходу и далее, в соответствующие коммуникации. Однако особенностью выполнения промежуточных опор, установленных между валом и корпусом и между группами ступеней насоса, является то, что упругопластичный материал 23, например африкционный, высоковязкий (то есть с малой пластической деформацией под действием внешних усилий) фторопласт, выполняет роль надежного демпфера. Демпфирование вибрации обеспечено за счет незначительной начальной упругости и пластичности материала 23, то есть практически беззазорная фиксация защитной втулки вала от непосредственных, в том числе и радиальных, вибрационного характера, контактов с деталями 8 и 9 промежуточной опоры обеспечена именно наличием и проявлением специфических свойств материала 23 под действием осевого, сжимающего материал, усилия, возникающего только при работе насоса на вышерасположенном рабочем колесе и передаваемого на осеподвижную П-образную деталь 9 с кольцевой опоры 7 этого колеса. К тому же, наличие некоторой упругости (жесткости) материала 23 предотвращает потерю и/или утечку его, как высоковязкой, но все же текучей, смазки через конструктивные зазоры сопряженных деталей насоса при его бездействии, то есть при вынужденных остановках или хранении, что в дальнейшем не требует ревизирования состояния насоса при предстоящем запуске.

Источники информации.

1. Патент РФ N 2018716, кл. F 04 D 1/06, 29/04; приор. 21.03.90, публ. 30.08.94.

2. Беззубов А.В., Щелкалин Ю.В. Насосы для добычи нефти. Справочник рабочего. М.: Недра, 1986, с. 40-49 (прототип).

Формула изобретения

Многоступенчатый центробежный насос, содержащий корпус с закрепленными в нем направляющими аппаратами, установленный в корпусе посредством концевых и промежуточных подшипниковых опор вал с поочередно размещенными на нем рабочими колесами и защитными втулками, причем каждое рабочее колесо снабжено кольцевой опорой нижнего диска для передачи осевых нагрузок с него на корпус при работе насоса, отличающийся тем, что каждая из промежуточных опор выполнена из двух кольцевых П-образных в сечении деталей, телескопически встречно сопряженных друг с другом, с отверстиями в основаниях, одна из которых неподвижна, то есть жестко закреплена в корпусе между направляющими аппаратами, осевая подвижность другой П-образной детали обеспечена размером продольного паза в неподвижной детали с выступающим в паз штифтом, установленным в теле подвижной детали, основание которой снабжено двумя выступами, один из которых выполнен для контакта с кольцевой опорой вышерасположенного по валу рабочего колеса, а другой выполнен для замыкания кольцевой полости, образованной наружной цилиндрической поверхностью защитной втулки, торцом внутренней стенки неподвижной П-образной детали промежуточной опоры и внешней цилиндрической поверхностью внутренней стенки подвижной детали промежуточной опоры, при этом в образованной кольцевой полости размещен упругопластичный материал, например фторопласт и/или композит на его основе.

РИСУНКИ

Рисунок 1