Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса

 

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в скважинных насосах для откачки пластовой жидкости. Ступень насоса содержит рабочее колесо и направляющий аппарат. На внешнем краю верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса расположены ребра. Верхняя поверхность ведущего диска рабочего колеса в сечении ступени, проходящем через ось вращения рабочего колеса и пересекающем верхнюю поверхность любого из ребер, отделена от нижней поверхности наружного диска, установленного над рабочим колесом направляющего аппарата, лабиринтным зазором. Зазор выполнен приближенно равномерной ширины по всей его протяженности. Ширина зазора определяется как расстояние от произвольной точки верхней поверхности рабочего колеса указанного выше сечения ступени до ближайшей к указанной произвольной точке точки наружного диска направляющего аппарата. Изобретение направлено на улучшение условий работы ступени за счет выноса продуктов износа и абразивных частиц и уменьшение возможности заклинивания колеса при сохранении кпд ступени неизменным. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Настоящее изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в многоступенчатых центробежных скважинных насосах, предназначенных для откачки пластовой жидкости.

Известен центробежный насос, в котором рабочее колесо выполнено содержащим ведущий диск с лопатками. На поверхности ведущего диска в известном устройстве выполнено утолщение, в котором сформированы несквозные выемки [1].

Выемки на рабочем колесе в центробежном насосе известной конструкции не участвуют в процессе перекачивания жидкости, не влияют на структуру потока перекачиваемой жидкости или газожидкостной смеси и соответственно не позволяют улучшить структуру потока газожидкостной смеси при наличии в перекачиваемой смеси значительных объемов газа.

Устройством, наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению, является ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса [2] , содержащая рабочее колесо с ведущим диском и расположенными на нем лопастями, а также направляющий аппарат с лопатками, диаметр расположения входных кромок которых больше диаметра наружного диска направляющего аппарата, причем на краю верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса расположены ребра.

Известное устройство выполнено с обеспечением формирования бокового кольцевого канала, образованного кольцевым углублением в ведущем диске рабочего колеса, закрытого наружным диском направляющего аппарата таким образом, что вертикальная стенка углубления с внешнего края углубления частично перекрывается вертикальной стенкой, сформированной на наружном диске направляющего аппарата с формированием минимально возможного зазора между перекрывающимися частями указанных стенок. Между наружным диском направляющего аппарата и ведущим диском рабочего колеса со стороны внутреннего края углубления расположена упорная шайба.

Известное устройство при его использовании в многоступенчатых центробежных насосах обеспечивает повышение напора при малых подачах и повышение стабильности характеристик при работе с содержащими газ жидкостными смесями, а формирование бокового кольцевого канала обеспечивает снижение массы ступени и расход металла. Щелевое уплотнение, образованное перекрывающимися стенками наружного диска направляющего аппарата и ведущего диска рабочего колеса, ограничивает объем, в котором происходит формирование тороидального вихря при воздействии ребер на пластовую жидкость, что положительно сказывается на кпд ступени в целом.

Вместе с тем, формирование бокового кольцевого канала в ступени известной конструкции существенно снижает надежность работы ступени, так как выносу твердых частиц из объема кольцевого канала препятствует указанное выше щелевое уплотнение, и при накоплении продуктов износа ступеней или твердых частиц пластовой жидкости возможно заклинивание ступени и выход насоса из строя.

Настоящее изобретение обеспечивает возможность создания ступени погружного центробежного насоса, которая позволяет улучшить условия работы за счет выноса продуктов износа и абразивных частиц под действием центробежных сил, уменьшить возможность заклинивания рабочего колеса при сохранении неизменным кпд ступени.

Указанный выше технический результат достигается за счет того, что в ступени погружного центробежного многоступенчатого насоса, содержащей рабочее колесо и направляющий аппарат, согласно изобретению на внешнем краю верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса расположены ребра, а верхняя поверхность ведущего диска рабочего колеса в сечении ступени, проходящем через ось вращения рабочего колеса и пересекающем верхнюю поверхность любого из ребер на протяжении от внешнего края установленной на ведущем диске рабочего колеса опорной шайбы до внешнего края ведущего диска рабочего колеса, отделена от нижней поверхности наружного диска, установленного над рабочим колесом направляющего аппарата, лабиринтным зазором приближенно равномерной ширины по всей протяженности зазора, где ширина зазора определяется как расстояние от произвольной точки верхней поверхности рабочего колеса указанного выше сечения ступени до ближайшей к указанной произвольной точке точки наружного диска направляющего аппарата.

При этом отклонение ширины зазора, определенной для любой произвольной точки верхней поверхности рабочего колеса сечения ступени от средней ширины зазора, составляет не более 30%.

Кроме того, направляющий аппарат может быть выполнен с лопатками, диаметр расположения входных кромок которых больше диаметра наружного диска направляющего аппарата.

Лабиринтный зазор может иметь, по крайней мере, два изгиба.

Края ребер, расположенные со стороны оси вращения рабочего колеса, могут быть выполнены в виде единого целого с кольцом, расположенным на верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса. При этом поверхность кольца со стороны оси вращения рабочего колеса может иметь цилиндрическую форму. Кроме того, поверхность кольца со стороны оси вращения рабочего колеса может являться конической поверхностью с вершиной конуса, лежащей ниже поверхности ведущего диска рабочего колеса.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено: на фиг. 1, 3 - две установленные последовательно ступени, выполненные в соответствии с заявленным изобретением; на фиг. 2, 4 - вид сверху ведущего диска рабочего колеса, выполненного согласно изобретению.

Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса (фиг.1, 3) содержит рабочее колесо 1 и направляющий аппарат 2. Рабочее колесо 1 выполнено с ведомым диском 3, ведущим диском 4, лопастями 5, верхней (в рабочем положении насоса) 6 и боковой 7 поверхностями, втулкой 8, предназначенной для сопряжения через шпонку с общим валом насоса (на чертеже не изображен). В рабочем колесе образованы каналы, ограниченные жестко связанными между собой ведомым диском 3, лопастями 5 и ведущим диском 4. Направляющий аппарат 2 содержит внутренний диск 9, наружный диск 10 и лопатки 11, диаметр расположения входных кромок 12 которых больше диаметра наружного диска 10 направляющего аппарата 2. Выполненные в направляющем аппарате 2 каналы образованы дисками 9, 10 и лопатками 11. Внутренний диск 9 жестко связан с кольцом 13, наружным диском 10 (через лопатки 11) и цапфой 14, сопряженной с втулкой 8 рабочего колеса 1. На диске 3 и 4 закреплены антифрикционные опорные шайбы 15, выполненные, например, из текстолита.

На внешнем краю верхней поверхности ведущего диска 4 расположены ребра 17, которыми сформированы несквозные выемки 16 ведущего диска 4 рабочего колеса 1. Верхняя поверхность 6 ведущего диска 4 рабочего колеса 1 в сечении ступени, проходящем через ось вращения рабочего колеса 1 и пересекающем верхнюю поверхность любого из ребер 17 на протяжении от внешнего края установленной на ведущем диске 4 рабочего колеса опорной шайбы 18 до внешнего края ведущего диска 4 рабочего колеса 1, отделена от нижней поверхности 22 наружного диска 10, установленного над рабочим колесом 1 направляющего аппарата 2 лабиринтным зазором приближенно равномерной ширины по всей протяженности зазора. Ширина зазора определяется как расстояние от произвольной точки верхней поверхности 6 рабочего колеса 1 указанного выше сечения ступени до ближайшей к указанной произвольной точке точки наружного диска 10 направляющего аппарата 2. Отклонение ширины зазора, определенной для любой произвольной точки верхней поверхности 6 рабочего колеса 1 сечения ступени от средней ширины зазора, составляет не более 30%. Лабиринтный зазор имеет три изгиба.

Края ребер 17, расположенные со стороны оси вращения рабочего колеса 1, выполнены в виде единого целого с кольцом 19, расположенным на верхней поверхности ведущего диска 4 рабочего колеса 1. В одном из случаев исполнения поверхность указанного кольца со стороны оси вращения рабочего колеса имеет цилиндрическую форму (фиг.1, 2). В другом из случаев исполнения поверхность указанного кольца со стороны оси вращения рабочего колеса является конической поверхностью с вершиной конуса, лежащей ниже поверхности ведущего диска рабочего колеса (фиг.3, 4).

При работе насоса пластовая жидкость поступает в каналы рабочего колеса 1, приводимого в движение валом насоса, и при прохождении потока жидкости через каналы рабочих колес формируется напор жидкости как за счет центробежных сил, так и за счет действия лопастей рабочего колеса на поток жидкости. Далее жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 1, в которых осуществляется создание дополнительного напора и направление потока на рабочее колесо следующей ступени. После выхода из каналов рабочего колеса 1 пластовая жидкость движется потоком, формируемым кольцом 13 направляющего аппарата 2, к каналам направляющего аппарата. В процессе движения выемки 16 вращающегося рабочего колеса 1 формируют тороидальный вихрь, между выходом из каналов рабочего колеса 1 и входом в каналы направляющего аппарата 2. За счет формирования тороидального вихря повышается напор ступени на малых расходах перекачиваемой жидкости, а также осуществляется эффективное перемешивание жидкости с газовыми включениями и диспергация газовых пузырей в перекачиваемой жидкости. Кроме того, разделение поверхностей ведущего диска 4 рабочего колеса 1 и наружного диска 10 направляющего аппарата 2 зазором приближенно постоянной ширины исключает возможность накопления твердых частиц в объеме зазора, а использование лабиринтного зазора исключает формирование тороидального вихря только на периферии рабочего колеса 1 вблизи мест расположения ребер 17, что повышает эффективность дробления газовых пузырей и повышает кпд ступени по сравнению со ступенью с прямолинейным зазором.

Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР 1617208, кл. F 04 D 29/08, 1990.

2. Патент РФ 2138691, кл. F 04 D 13/10, 1/06, 31/00, 1999.

Формула изобретения

1. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса, содержащая рабочее колесо и направляющий аппарат, отличающаяся тем, что на внешнем краю верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса расположены ребра, а верхняя поверхность ведущего диска рабочего колеса в сечении ступени, проходящем через ось вращения рабочего колеса и пересекающем верхнюю поверхность любого из ребер на протяжении от внешнего края установленной на ведущем диске рабочего колеса опорной шайбы до внешнего края ведущего диска рабочего колеса, отделена от нижней поверхности наружного диска, установленного над рабочим колесом направляющего аппарата, лабиринтным зазором приближенно равномерной ширины по всей протяженности зазора, где ширина зазора определяется как расстояние от произвольной точки верхней поверхности рабочего колеса указанного выше сечения ступени до ближайшей к указанной произвольной точке точки наружного диска направляющего аппарата.

2. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что отклонение ширины зазора, определенной для любой произвольной точки верхней поверхности рабочего колеса сечения ступени, от средней ширины зазора составляет не более 30%.

3. Ступень по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что направляющий аппарат выполнен с лопатками, диаметр расположения входных кромок которых больше диаметра наружного диска направляющего аппарата.

4. Ступень по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что лабиринтный зазор имеет, по крайней мере, два изгиба.

5. Ступень по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что края ребер, расположенные со стороны оси вращения рабочего колеса, выполнены в виде единого целого с кольцом, расположенным на верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса.

6. Ступень по п.5, отличающаяся тем, что поверхность кольца со стороны оси вращения рабочего колеса имеет цилиндрическую форму.

7. Ступень по п.5, отличающаяся тем, что поверхность кольца со стороны оси вращения рабочего колеса является конической поверхностью с вершиной конуса, лежащей ниже поверхности ведущего диска рабочего колеса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4