Входной модуль погружного центробежного многоступенчатого насоса
Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано при создании погружных центробежных многоступенчатых насосов для добычи нефти из скважин. Входной модуль насоса содержит вал, выполненный с возможностью восприятия осевой нагрузки от вала нижней модуль-секции насоса и без возможности передачи осевой нагрузки на вал протектора погружного электродвигателя. В корпусе входного модуля образована дополнительная полость (ДП), расположенная в нижней части входного модуля. В ДП расположена осевая опора вала. При этом в боковой стенке ДП выполнено, по крайней мере, одно отверстие для соединения ДП с затрубным пространством. Изобретение направлено на повышение надежности, долговечности и КПД, а также снижение трудоемкости изготовления модуль-секций насоса без снижения надежности, долговечности и повышения трудоемкости изготовлении протектора погружного электродвигателя, на повышение универсальности входного модуля и обеспечение совместимости погружных электродвигателей и насосов, относящихся к насосным агрегатам разных конструкций, а также увеличение надежности и долговечности осевой опоры входного модуля. 4 з. п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано, в частности, в нефтедобывающей промышленности при создании погружных центробежных многоступенчатых насосов, предназначенных для добычи нефти из скважин.
Известен входной модуль погружного центробежного многоступенчатого насоса, описанный в кн. Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти. Международный транслятор, М., 1999, изд. "Наука и Техника", Фирма ИНТАК, МФ “Технонефтегаз”, с. 92-93, рис.2.1-2.2, содержащий корпус, выполненный с возможностью соединения с корпусом нижней модуль-секции насоса и корпусом протектора погружного электродвигателя, вал, установленный в корпусе с возможностью вращения, средства для передачи крутящего момента от вала протектора погружного электродвигателя к валу входного модуля и от вала входного модуля к валу нижней модуль-секции насоса. В корпусе входного модуля образована полость притока, открытая со стороны верхней части модуля, и каналы для соединения полости притока с затрубным пространством. Вал выполнен без возможности восприятия осевой нагрузки от вала модуль-секции насоса, присоединяемой выше входного модуля, при этом каждая модуль-секции насоса содержит осевую опору вала.
Недостатком описанного аналога является то, что осевая опора, обеспечивающая восприятие осевых сил, действующих на вал модуль-секции находится непосредственно в корпусе соответствующей модуль-секции, то есть осевая опора находится в потоке откачиваемой среды, что приводит к снижению напора и коэффициента полезного действия (КПД) насоса. Кроме того, наличие осевой опоры увеличивает вибрацию модуль-секции в процессе работы и создает дополнительные нагрузки на радиальные опоры вала, так как силы, действующие в осевой опоре, находящейся на консоли вала, воздействует на нижерасположенную радиальную опору вала и снижают срок ее службы. При остановках насоса часть механических примесей, находящихся вместе с откачиваемой средой в колонне насосно-компрессорных труб, может проникнуть в полости осевой опоры верхней модуль-секции и вывести опору из строя при последующем пуске насоса.
Кроме того, известен входной модуль погружного центробежного многоступенчатого насоса, см. там же, с. 165, вал которого выполнен с возможностью восприятия осевой нагрузки от вала модуль-секции насоса, присоединяемой выше входного модуля, и с возможностью передачи осевой нагрузки на вал протектора погружного электродвигателя, присоединяемого ниже входного модуля, при этом осевая опора размещена в корпусе протектора.
Недостатком такой конструкции является то, что осевое усилие от валов всех модуль-секций насоса через вал входного модуля передается одной осевой опоре протектора электродвигателя, которая нагревается в процессе работы насоса, что приводит к дополнительному нагреву масла, заполняющего внутренние полости электродвигателя, и заставляет снабжать протектор специальной системой для частичного охлаждения масла и, соответственно, усложняет конструкцию протектора и увеличивает трудоемкость его изготовления.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является входной модуль погружного центробежного многоступенчатого насоса, описанный в авторском свидетельстве SU 928076 А, 19.05.1982, F 04 D 13/10, содержащий корпус, выполненный с возможностью установки на свободном конце вала модуль-секции насоса и соединения с корпусом нижней модуль-секции насоса и корпусом протектора погружного электродвигателя. В корпусе образована полость притока, открытая со стороны верхней части модуля, каналы для соединения полости притока с затрубным пространством и дополнительная полость, расположенная в нижней части входного модуля. В дополнительной полости расположена осевая опора вала модуль-секции насоса, выполненная в виде упорного подшипника скольжения, включающего в себя установленную на валу пяту и установленный в корпусе подпятник.
Основными недостатками прототипа являются, во-первых, невозможность установки входного модуля на погружные насосы, конструкция нижней модуль-секции которых отличается от описанной в прототипе, во-вторых, ограниченная грузоподъемность осевой опоры и, соответственно, ограниченное количество модуль-секций, которые могут входить в состав насоса, а также отсутствие возможности вымывания продуктов износа упорного подшипника, скапливающихся в дополнительной полости, что может привести к преждевременному выходу из строя осевой опоры.
Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании входного модуля погружного центробежного многоступенчатого насоса, обеспечивающего восприятие осевой нагрузки от валов модуль-секций насоса.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в обеспечении возможности повышения надежности, долговечности и КПД, а также снижении трудоемкости изготовления модуль-секций погружного центробежного многоступенчатого насоса без снижения надежности, долговечности и повышения трудоемкости изготовлении протектора погружного электродвигателя, в повышении универсальности входного модуля и обеспечении совместимости погружных электродвигателей и насосов, относящихся к насосным агрегатам разных конструкций, а также в увеличении надежности и долговечности осевой опоры входного модуля.
Входной модуль погружного центробежного многоступенчатого насоса в соответствии с заявленным изобретением содержит корпус, выполненный с возможностью соединения с корпусом нижней модуль-секции насоса и корпусом протектора погружного электродвигателя, вал, установленный в корпусе с возможностью вращения, средства для передачи крутящего момента от вала протектора погружного электродвигателя к валу входного модуля и от вала входного модуля к валу нижней модуль-секции насоса. При этом вал входного модуля выполнен с возможностью восприятия осевой нагрузки от вала нижней модуль-секции насоса и без возможности передачи осевой нагрузки на вал протектора погружного электродвигателя. В корпусе образована полость притока, открытая со стороны верхней части модуля, по крайней мере, один канал для соединения полости притока с затрубным пространством и дополнительная полость, расположенная в нижней части входного модуля. В дополнительной полости расположена осевая опора вала, представляющая собой упорный подшипник скольжения, содержащий установленную на валу пяту и установленный в корпусе подпятник. При этом в боковой стенке дополнительной полости выполнено, по крайней мере, одно отверстие для соединения дополнительной полости с затрубным пространством.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения упорный подшипник скольжения может состоять из, по крайней мере, двух секций, при этом подпятник, по крайней мере, одной секции подшипника может состоять из верхней и нижней части, верхняя часть подпятника может быть выполнена с возможностью взаимодействия с пятой соответствующей секции подшипника и связана с корпусом с возможностью осевого перемещения, нижняя часть подпятника может быть закреплена в корпусе без возможности осевого перемещения, а между верхней и нижней частью подпятника может быть установлен упругий компенсирующий элемент, выполненный с возможностью передачи осевого усилия от верхней части подпятника к нижней.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения упорный подшипник скольжения может состоять из, по крайней мере, двух секций, при этом вал может быть связан с пятой, по крайней мере, одной секции подшипника посредством упругого компенсирующего элемента с возможностью осевого перемещения относительно пяты.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения упругий компенсирующий элемент может представлять собой тарельчатую пружину.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, по крайней мере, одно отверстие в боковой стенке дополнительной камеры может быть выполнено на уровне поверхности трения упорного подшипника.
Перемещение осевой опоры валов насоса в корпус входного модуля позволяет устранить большую часть недостатков, присущих первым двум аналогам. В связи с тем, что осевая сила не передается на вал протектора электродвигателя, исключается необходимость установки в нем усиленной осевой опоры, соответственно, не происходит дополнительного нагрева электродвигателя теплом, создаваемым осевой опорой. Описанная конструкция входного модуля также позволяет исключить необходимость размещения осевых опор в насосных секциях и, следовательно, снизить уровень вибрации насоса и потери напора, увеличить надежность, долговечность работы и КПД насоса.
Наличие вала со средствами для передачи крутящего момента и осевой опоры позволяет использовать входной модуль заявленной конструкции в составе погружных насосных агрегатов практически всех известных конструкций, причем обеспечивается возможность соединения в насосный агрегат насосных секций и погружного электродвигателя, относящихся к разным конструктивным типам, например возможно использование насосных модуль-секций, не имеющих осевой опоры вала, совместно с погружным электродвигателем, предназначенным для использования только в насосных агрегатах с модуль-секциями, имеющими осевые опоры.
При этом в полной мере технический результат может быть достигнут при использовании заявленного входного модуля в составе погружного насоса с модуль-секциями, не имеющими осевой опоры вала.
Размещение осевой опоры в нижней части модуля позволяет уменьшить сопротивление потоку перекачиваемой жидкости и повысить КПД насоса.
Наличие отверстий в боковой стенке дополнительной полости, соединяющих ее с затрубным пространством, обеспечивает возможность вымывания продуктов износа упорного подшипника из дополнительной полости. В частности, расположение отверстий на уровне поверхности трения обеспечивает возможность выбрасывания продуктов износа из дополнительной полости под действием центробежной силы.
Использование многорядного подшипника скольжения позволяет требуемым образом увеличивать грузоподъемность осевой опоры и использовать входной модуль заявленной конструкции в составе насоса с любым количеством модуль-секций. Применение в подшипнике скольжения упругих элементов позволяет равномерно распределять нагрузку между всеми подшипниками, а использование тарельчатых пружин обеспечивает требуемое усилие сжатия упругого элемента.
Возможность осуществления изобретения, охарактеризованного приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием конструкции входного модуля погружного центробежного многоступенчатого насоса, предназначенного для добычи нефти из скважин, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, сопровождаемое графическими материалами, на которых изображено следующее:
На фиг.1 изображен входной модуль заявленной конструкции.
На фиг.2 изображен однорядный упорный подшипник входного модуля (увеличено).
На фиг.3 изображена схема первого варианта выполнения многорядного упорного подшипника входного модуля.
На фиг.4 изображена схема второго варианта выполнения многорядного упорного подшипника входного модуля.
Входной модуль 1 погружного центробежного многоступенчатого насоса содержит корпус 2, состоящий из соединенных между собой основания 3, головки 4 с фланцем 5 для присоединения к нижней модуль-секции насоса (на чертеже не показана) и крышки 6, снабженной присоединительным фланцем 7 для соединения с протектором электродвигателя насосной установки (на чертеже не показан). Цилиндрическая головка 4 корпуса образует полость притока 8, открытую со стороны верхней части модуля, а в основании 3 выполнены каналы 9 для соединения полости притока с затрубным пространством, при этом в зоне расположения входных отверстий каналов установлена сетка 10, предотвращающая попадание в полость притока крупных частиц механических примесей. В соосных центральных отверстиях основания 3 и крышки 6 с помощью двух пар радиальных подшипников скольжения 11 установлен вал 12, соответствующие концы которого с помощью шлицевых муфт 13 и 14 могут быть соединены с валом протектора электродвигателя и валом модуль-секции насоса.
В нижней части основания 3 образована дополнительная полость 15 закрытая крышкой 6. Полость 15 изолирована от полости притока 8 с помощью уплотнений щелевого типа. В дополнительной полости размещена осевая опора 16, предназначенная для восприятия осевой силы, действующей на торец вала 12, осевая опора представляет собой упорный подшипник скольжения. Пята 17 упорного подшипника содержит установленную на валу ступицу 18, в которой закреплен антифрикционный элемент 19. Осевое усилие от вала 12 передается на ступицу посредством упорного кольца 20 и пакета втулок 21, при этом ступица 18 зафиксирована от поворота с помощью шпонки 22. Подпятник 23 осевой опоры с антифрикционным элементом 24 установлен в выточке верхней торцевой поверхности крышки 6 и закреплен от поворота с помощью штифтов 25. В боковой стенке основания, образующей дополнительную полость 15, на уровне поверхности трения упорного подшипника выполнены отверстия 26 для соединения дополнительной полости с затрубным пространством при работе насоса.
Входной модуль предназначен для использования в составе погружного центробежного многоступенчатого насоса с модуль-секциями такой конструкции, при которой осевая сила, равная произведению давления жидкости на площадь верхней торцевой поверхности вала модуль-секции, передается на торец вала расположенной ниже модуль-секции. При этом после сборки насосного агрегата с входным модулем заявленной конструкции вал нижней модуль-секции, к которой присоединяется входной модуль, будет опираться на торец вала 12, а вал протектора электродвигателя, на который опираются валы модуль-секции насосных агрегатов известных конструкции, окажется установлен с осевым зазором относительно вала 12.
Возможно выполнение входного модуля как с описанным выше однорядным упорным подшипником осевой опоры (см. Фиг.1), так и с многорядным подшипником скольжения увеличенной грузоподъемности, что позволяет использовать входной модуль в составе насоса с любым требуемым количеством модуль-секций.
При этом возможно два варианта выполнения многорядного подшипника. В соответствии с первым вариантом исполнения (Фиг.3) подпятник 27 каждой из секций подшипника состоит из верхней 27а и нижней 27b частей, при этом верхняя часть подпятника снабжена антифрикционным элементом 28, взаимодействующим с антифрикционным элементом 29 пяты 30 соответствующей секции подшипника и связана с корпусом 2 с возможностью осевого перемещения. Нижняя часть подпятника 27b закреплена в корпусе 2 без возможности осевого перемещения, а между верхней и нижней частью подпятника установлена тарельчатая пружина 31, выполненный с возможностью передачи осевого усилия от верхней части подпятника к нижней, это обеспечивает равномерное распределение нагрузки между всеми секциями подшипника. Согласно второму варианту исполнения подшипника (Фиг.4) равномерное распределение нагрузки обеспечивается за счет того, что вал 12 связан с пятой 32 каждой секции подшипника посредством тарельчатой пружины 33 с возможностью осевого перемещения относительно пяты 32, которая опирается на неподвижный подпятник 34.
Для защиты от засорения собранного входного модуля и его повреждения при транспортировке предусмотрены защитные крышки 35 и 36, закрепленные на присоединительных фланцах 5 и 7 соответственно.
При сборке погружного центробежного насоса агрегата снимают защитные крышки 35 и 36 с присоединительных фланцев входного модуля 1. Присоединительный фланец 5 с помощью крепежных болтов соединяют с соответствующим фланцем нижней модуль-секции насоса, при этом шлицевой конец вала нижней модуль секции размещают в отверстии шлицевой муфты 13. После этого нижнюю модуль-секцию с входным модулем закрепляют с помощью специальной оснастки вертикально над устьем скважины, где перед этим подвешивают электродвигатель с протектором. Затем фланец 7 соединяют с присоединительным фланцем протектора электродвигателя, а шлицевой конец вала протектора размещают в отверстии шлицевой муфты 14. Аналогичным образом присоединяют остальные модуль-секции насоса, при этом вал каждой модуль-секции под действием своего веса сдвигается вниз до упора в торец вала расположенной ниже модуль-секции, а вал нижней модуль-секции упирается в торец вала 12 входного модуля.
Устройство работает следующим образом.
Суммарная осевая сила от валов насосных модуль-секций, действующая на верхний торец вала 12, через кольцо 20 и втулки 21 передается на ступицу пяты 18 подшипника с антифрикционным элементом 19 и воспринимается антифрикционным элементом 24 неподвижного подпятника 23. Охлаждение и смазка осевой опоры в процессе работы насоса обеспечивается за счет отверстий 26, связывающих дополнительную полость с затрубным пространством, при этом под действием вращающейся с высокой скоростью пяты 18 пластовая жидкость на значительной скорости проходит через дополнительную полость 15, обеспечивая эффективное охлаждение трущихся поверхностей и вымывание продуктов износа.
Формула изобретения
1. Входной модуль погружного центробежного многоступенчатого насоса, содержащий корпус, выполненный с возможностью соединения с корпусом нижней модуль-секции насоса и корпусом протектора погружного электродвигателя, вал, установленный в корпусе с возможностью вращения, средства для передачи крутящего момента от вала протектора погружного электродвигателя к валу входного модуля и от вала входного модуля к валу нижней модуль-секции насоса, при этом вал входного модуля выполнен с возможностью восприятия осевой нагрузки от вала нижней модуль-секции насоса и без возможности передачи осевой нагрузки на вал протектора погружного электродвигателя, в корпусе образована полость притока, открытая со стороны верхней части модуля, по крайней мере, один канал для соединения полости притока с затрубным пространством и дополнительная полость, расположенная в нижней части входного модуля, в дополнительной полости расположена осевая опора вала, представляющая собой упорный подшипник скольжения, содержащий установленную на валу пяту и установленный в корпусе подпятник, при этом в боковой стенке дополнительной полости выполнено, по крайней мере, одно отверстие для соединения дополнительной полости с затрубным пространством.
2. Входной модуль по п.1, характеризующийся тем, что упорный подшипник скольжения состоит из, по крайней мере, двух секций, при этом подпятник, по крайней мере, одной секции подшипника состоит из верхней и нижней части, верхняя часть подпятника выполнена с возможностью взаимодействия с пятой соответствующей секции подшипника и связана с корпусом с возможностью осевого перемещения, нижняя часть подпятника закреплена в корпусе без возможности осевого перемещения, а между верхней и нижней частью подпятника установлен упругий компенсирующий элемент, выполненный с возможностью передачи осевого усилия от верхней части подпятника к нижней.
3. Входной модуль по п.1, характеризующийся тем, что упорный подшипник скольжения состоит из, по крайней мере, двух секций, при этом вал связан с пятой, по крайней мере, одной секции подшипника посредством упругого компенсирующего элемента с возможностью осевого перемещения относительно пяты.
4. Входной модуль по п.2 или 3, характеризующийся тем, что упругий компенсирующий элемент представляет собой тарельчатую пружину.
5. Входной модуль по любому из предыдущих пунктов, характеризующийся тем, что, по крайней мере, одно отверстие в боковой стенке дополнительной камеры выполнено на уровне поверхности трения упорного подшипника.
РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
