Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса

 

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности при создании погружных центробежных насосов, предназначенных для добычи нефти из скважин с высоким содержанием газа в пластовой жидкости. Ступень насоса содержит направляющий аппарат и рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопатками. На верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены отделенные друг от друга ориентированные в радиальном направлении выступы. Боковые поверхности выступов расположены под ненулевым углом к радиусу ведущего диска, проходящему через этот выступ. Выступы расположены по окружности ведущего диска на приближенно одинаковом угловом расстоянии относительно друг друга и выполнены с возможностью выполнения функции дополнительных лопаток рабочего колеса. Изобретение направлено на повышение стабильности характеристик ступени при работе в двух- или трехфазных газожидкостных средах, обеспечение высокого напора при малых подачах без снижения прочности и надежности ступени, а также на повышение КПД ступени. 11 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности при создании погружных центробежных насосов, предназначенных для добычи нефти из скважин с высоким содержанием газа в пластовой жидкости, преимущественно снабженных ступенями, изготовленными методами порошковой металлургии или точного литья.

Известна ступень погружного насоса, описанная в патенте US 4664592 A, F 04 D 29/08, 12.05.1987 и содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопатками. На верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены соединенные между собой выступы, которые расположены по окружности ведущего диска на приближенно одинаковом угловом расстоянии относительно друг от друга. Выступы выполнены в форме Г-образных лопастей и предназначены для механической очистки нижней поверхности наружного диска направляющего аппарата.

Недостаток описанного аналога состоит в том, что его лопасти не предназначены для перекачивания жидкости и их наличие практически не воздействует на поток газожидкостной смеси.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения (прототипом) является ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса (см. патент RU 2138691 C1, 27.09.1999, F 04 D 13/10), содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопатками. На верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнен выступ, в котором выполнены закрытые с внутренней стороны диска ячейки, расположенные по периметру ведущего диска на приближенно одинаковом угловом расстоянии относительно друг от друга и образующие вихревой венец.

Известное устройство, при его использовании в многоступенчатых центробежных насосах, обеспечивает повышение напора при малых подачах и повышение стабильности характеристик насоса при добыче нефти из скважин с высоким содержанием газа в пластовой жидкости, так как при вращении рабочего колеса, снабженного описанным вихревым венцом, происходит формирование вихревого потока на периферии ведущего диска рабочего колеса. Однако наличие вихревого венца затрудняет движение жидкости в радиальном направлении между ведущим диском и наружной крышкой направляющего аппарата, что приводит к образованию застойной зоны в промежутке, ограниченном глухой внутренней стенкой вихревого венца, в которой скапливаются абразивные механические примеси и газовые пузыри, попадающие в зазор между ступицей рабочего колеса и отверстием направляющего аппарата. Это приводит к ускорению износа трущихся поверхностей за счет абразивного износа и формирования зон сухого трения и, соответственно, снижению надежности ступени. Кроме того, газовые пузырьки, скапливающиеся в указанной зоне, сливаясь, образуют крупные газовые пузыри, которые периодически выходят из этой зоны и попадают на вход рабочего колеса следующей ступени, образуя газовые пробки и усиливая вибрацию рабочего колеса. В прототипе эффективность работы вихревого венца напрямую зависит от высоты его ячеек, что приводит к необходимости увеличения вертикального габарита ступени и к снижению технологичности конструкции рабочего колеса из-за значительной высоты частей, выступающих над поверхностью ведущего диска, что особенно важно при изготовлении рабочего колеса методами порошковой металлургии и точного литья. Кроме того, наличие вихревого венца требует выполнения кольцевой выточки в наружном диске направляющего аппарата, необходимой для нормального формирования вихревого потока и размещения выступов при "всплытии" рабочего колеса. Наличие указанной выточки приводит к снижению прочности и, соответственно, надежности направляющего аппарата или необходимости увеличения вертикального габарита ступени.

Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании износостойкой ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, которая может быть использована при создании погружных центробежных насосов, предназначенных для добычи нефти из малодебитных скважин с высоким содержанием газа в пластовой жидкости.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении надежности ступени, обеспечивающей повышенный напор при малых подачах и стабильные характеристики при работе в двух- или трехфазных газожидкостных средах, с одновременным повышением технологичности конструкции рабочего колеса ступени.

Согласно изобретению ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса содержит направляющий аппарат и рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопатками. На верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены отделенные друг от друга ориентированные в радиальном направлении выступы, боковые поверхности которых расположены под ненулевым углом к радиусу ведущего диска рабочего колеса, проходящему через этот выступ. При этом выступы расположены по окружности ведущего диска на приближенно одинаковом угловом расстоянии относительно друг от друга и выполнены с возможностью выполнения функции дополнительных лопаток рабочего колеса.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, выступы выполнены в форме лопастей.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, верхняя поверхность ведущего диска за исключением выступов может быть выполнена плоской.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, верхняя поверхность ведущего диска между выступами может быть выполнена в виде части конической поверхности с углом при вершине не менее 120^o, а остальная часть верхней поверхности ведущего диска выполнена плоской.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, внешние, по отношению к оси рабочего колеса, кромки выступов не выступают за внешнюю боковую поверхность ведущего диска рабочего колеса.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, между внутренней, по отношению к оси рабочего колеса, кромкой каждого выступа и боковой поверхностью выступающей над верхней поверхностью ведущего диска части ступицы рабочего колеса имеется свободное пространство.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, боковые поверхности каждого выступа могут представлять собой часть цилиндрической поверхности.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, боковые поверхности каждого выступа могут представлять собой часть винтовой поверхности.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, боковые поверхности каждого выступа могут быть расположены под ненулевым углом к верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, внутренняя кромка каждого выступа может быть выполнена в виде части цилиндрической поверхности.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, часть выступов может иметь длину, меньшую чем длина остальных выступов, которые могут быть расположены поочередно с указанными менее длинными выступами по окружности верхнего диска рабочего колеса.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, количество выступов превышает количество лопаток рабочего колеса.

На фиг. 1 изображен разрез ступени насоса, выполненной в соответствии с изобретением.

На фиг.2 - первый вариант выполнения рабочего колеса ступени насоса.

На фиг.3 - сечение А-А на фиг.2.

На фиг.4, 5 - варианты сечения В-В на фиг.2.

На фиг.6 - второй вариант выполнения рабочего колеса ступени насоса.

На фиг.7-10 - варианты выполнения дополнительных лопаток.

Ступень 1 погружного центробежного многоступенчатого насоса содержит направляющий аппарат 2 и рабочее колесо 3. Рабочее колесо содержит ступицу 4, предназначенную для установки рабочего колеса на вал насоса, а также ведущий 5 и ведомый 6 диски с размещенными между ними лопатками 7. На верхней поверхности А ведущего диска 5 на одинаковом расстоянии относительно друг друга по окружности ведущего диска расположены ориентированные в радиальном направлении выступы, которые выполнены в форме лопастей и представляют собой дополнительные центробежные лопатки 8 рабочего колеса 3, образующие центробежный венец. Боковые поверхности B₁ и В₂ соседних лопаток 8 образуют канал В, открытый как с внешней, так и с внутренней стороны по отношению к оси рабочего колеса для обеспечения возможности прохода пластовой жидкости во внутреннюю часть пространства между ведущим диском рабочего колеса и наружной крышкой направляющего аппарата, ограниченную внутренними кромками 12 лопаток 8 и боковой поверхностью ступицы 4 рабочего колеса. Причем лопатки 8 выполнены таким образом, чтобы движение потока между ведущим диском рабочего колеса и наружной крышкой направляющего аппарата происходило приближенно параллельно верхней поверхности А ведущего диска 5.

Боковые поверхности каждой лопатки 8 повернуты в сторону, противоположную направлению поворота лопаток 7, то есть в направлении вращения рабочего колеса (показано стрелкой), и расположены под углом α к радиусу ведущего диска рабочего колеса, проведенному через середину внутренней кромки этой лопатки. Высоту, длину, ширину лопаток, а также угол их поворота (α) определяют экспериментально для соответствующих условий эксплуатации, исходя из требуемого напора, габаритных размеров ступени, а также обеспечения условия снижения вероятности всплытия ступени в рабочей зоне.

Количество дополнительных лопаток 8 должно превышать количество основных лопаток 7 рабочего колеса для уменьшения дисбаланса рабочего колеса при ступени, что обеспечивает уменьшение местного износа и снижения вибрации рабочего колеса.

В наилучшем варианте выполнения устройства лопатки 7 выполнены в виде многогранных призм, при этом вариант, показанный на фиг.7, отличается наибольшей технологичностью при изготовлении методами порошковой металлургии и точного литья из-за лучшей заполняемости соответствующих полостей матрицы или пресс-формы, а вариант, показанный на фиг.8, согласно которому одна из боковых поверхностей лопатки имеет три грани, обеспечивает улучшение условий протекания потока, вследствие расширения входной и выходной зоны канала В, однако боковые поверхности лопаток также могут быть выполнены в виде части цилиндрической или винтовой поверхности, в частности, таким образом, как показано на фиг.10.

Внешняя кромка 13 каждой лопатки является продолжением боковой поверхности ведущего диска 5 рабочего колеса, но не выступает за нее. Лопатки 8 могут быть наклонены по отношению к верхней поверхности ведущего диска 5 рабочего колеса в направлении вращения рабочего колеса. Верхняя поверхность ведущего диска 5 между лопатками 8 может быть выполнена плоской (см. фиг.5) или в виде части конической поверхности С (см. фиг.4) с углом при вершине конуса в пределах от 120 до 175^o, что позволяет увеличить полезную рабочую поверхность лопаток без увеличения осевого размера ступени, при этом высота внутренней кромки 12 лопатки должна составлять не менее 10% от высоты внешней кромки 13 лопатки 8.

Внутренняя кромка 12 лопатки для улучшения структуры потока может быть выполнена в виде части цилиндрической поверхности (см. фиг.8). Часть лопаток может быть выполнена меньшей длины, чем длина остальных лопаток, которые расположены поочередно с указанными менее длинными лопатками по окружности верхнего диска рабочего колеса (см. фиг.6).

Нижняя поверхность D наружного диска направляющего аппарата от ее внешнего края до кольцевой выточки 9, образующего нижнюю опорную поверхность направляющего аппарата, выполнена плоской и расположена с зазором h относительно верхней плоскости любой из лопаток 8.

Устройство работает следующим образом.

Подводимая через направляющий аппарат предыдущей ступени пластовая жидкость проходит через каналы рабочего колеса 3, приводимого в движением валом насоса, увеличивая свою кинетическую энергию. Покидая рабочее колесо, пластовая жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 2, где кинетическая энергия жидкости преобразуется в давление. Затем через указанные каналы жидкость направляется на вход рабочего колеса следующей ступени, а часть жидкости, отражаясь от стенки 10 направляющего аппарата, попадает в пространство между наружным диском направляющего аппарата и ведущим диском рабочего колеса. Через верхнюю кромку 11 и со стороны внутренней кромки 12 лопаток жидкость попадает в канал B, где она захватывается лопатками 8, повернутыми в направлении вращения рабочего колеса, таким образом между наружным диском направляющего аппарата и ведущим диском рабочего колеса формируется поток с выраженной центробежной составляющей, движущийся приближенно параллельно верхней поверхности ведущего диска, причем часть жидкости проходит через внутреннюю часть пространства между наружным диском направляющего аппарата и ведущим диском рабочего колеса, что обеспечивает эффективное вымывание абразивных частиц, содержащихся в пластовой жидкости, из указанного пространства и исключает возможность скапливания в нем газовых пузырьков. При этом сохраняется описанный в прототипе эффект возрастания напора в левой части напорно-расходной характеристики, а ее наклон остается монотонно-падающим. Кроме того, обеспечивается эффективное перемешивание жидкости с газовыми включениями и диспергация газовых пузырей в перекачиваемой жидкости, что существенно повышает стабильность работы насоса в двух- и трехфазных газожидкостных средах.

Формула изобретения

1. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса, содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопатками, на верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены отделенные друг от друга ориентированные в радиальном направлении выступы, боковые поверхности которых расположены под ненулевым углом к радиусу ведущего диска рабочего колеса, проходящему через этот выступ, при этом выступы расположены по окружности ведущего диска на приближенно одинаковом угловом расстоянии относительно друг от друга и выполнены с возможностью выполнения функции дополнительных лопаток рабочего колеса.

2. Ступень по п.1, характеризующаяся тем, что выступы выполнены в форме лопастей.

3. Ступень по п.1 или 2, характеризующаяся тем, что верхняя поверхность ведущего диска за исключением выступов выполнена плоской.

4. Ступень по п.1 или 2, характеризующаяся тем, что верхняя поверхность ведущего диска между выступами выполнена в виде части конической поверхности с углом при вершине не менее 120°, а остальная часть верхней поверхности ведущего диска выполнена плоской.

5. Ступень по любому из предыдущих пунктов, характеризующаяся тем, что внешние, по отношению к оси рабочего колеса, кромки выступов не выступают за внешнюю боковую поверхность ведущего диска рабочего колеса.

6. Ступень по любому из предыдущих пунктов, характеризующаяся тем, что между внутренней, по отношению к оси рабочего колеса, кромкой каждого выступа и боковой поверхностью выступающей над верхней поверхностью ведущего диска части ступицы рабочего колеса имеется свободное пространство.

7. Ступень по любому из пп.1-6, характеризующаяся тем, что боковые поверхности каждого выступа представляют собой часть цилиндрической поверхности.

8. Ступень по любому из пп.1-6, характеризующаяся тем, что боковые поверхности каждого выступа представляют собой часть винтовой поверхности.

9. Ступень по любому из пп.1-6, характеризующаяся тем, что боковые поверхности каждого выступа расположены под ненулевым углом к верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса.

10. Ступень по любому из предыдущих пунктов, характеризующаяся тем, что внутренняя кромка каждого выступа выполнена в виде части цилиндрической поверхности.

11. Ступень по любому из предыдущих пунктов, характеризующаяся тем, что часть выступов имеет длину, меньшую чем длина остальных выступов, которые расположены поочередно с указанными менее длинными выступами по окружности верхнего диска рабочего колеса.

12. Ступень по любому из предыдущих пунктов, характеризующаяся тем, что количество выступов превышает количество лопаток рабочего колеса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10