Многоступенчатый погружной осевой насос

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано для подъема из скважин пластовых жидкостей и газожидкостных смесей. Насос содержит осевые ступени, состоящие из статорного аппарата и рабочего колеса (РК). РК выполнено в виде втулки (В), имеющей со стороны входа в РК диаметр, определяемый в зависимости от наружного диаметра РК, подачи насоса, частоты вращения и коэффициента диаметра РК. На торцевых поверхностях В закреплены шайбы из износостойкого материала. На боковой поверхности по винтовой линии расположены лопасти с определенным шагом и имеющие скругленную форму входных кромок с определенными углами наклона к торцам В. Статорный аппарат имеет В, в которой на торцевых поверхностях выполнены бурты, а на боковой поверхности установлены лопатки с определенной густотой лопаточной решетки. Изобретение направлено на повышение технологичности изготовления и экономичности насоса, снижение трудоемкости, увеличение надежности и долговечности работы. 5 ил.

 

Изобретение относится к насосостроению, в частности к многоступенчатым осевым насосам, и может быть использовано в системах водозабора, нефтяной, нефтегазовой, горно-добывающей и других отраслях промышленности для подъема из буровых скважин пластовых жидкостей и газожидкостных смесей повышенного газосодержания.

Современные требования, предъявляемые к насосному оборудованию, в большей мере определяются соответствующими показателями качества выполнения их рабочих органов, состоящих из рабочего колеса и статорного аппарата, технологичность конструкции которых напрямую связана с формой их лопастей.

Известна конструкция многоступенчатого погружного осевого насоса, выбранная в качестве прототипа, содержащего последовательно расположенные на валу внутри корпуса восемь осевых ступеней, каждая из которых имеет рабочее колесо с профилированными лопастями и статорный аппарат с профилированными лопатками (см. книгу Ломакина А.А. Центробежные и осевые насосы, Москва-Ленинград, Машиностроение, 1966 г., с.346, 347, рис.235).

Недостатком известной конструкции являются сложность и трудоемкость изготовления рабочих колес и статорных аппаратов, обусловленные тем, что лопасти рабочего колеса и лопатки в статорном аппарате имеют сложные аэродинамические профили, изготовление которых требует длительной доводки с использованием ручного труда. Кроме того, данная конструкция в условиях ограниченных радиальных габаритов имеет низкую экономичность насоса и не обеспечивает надежную работу на газожидкостных смесях с высоким газосодержанием.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания многоступенчатого осевого насоса, в котором путем повышения технологичности элементов ступени обеспечивается снижение трудоемкости изготовления, что позволяет увеличить количество ступеней и одновременно напор насоса при сохранении высокой экономичности, а также расширить диапазон бессрывной работы насоса на газожидкостных смесях с высоким газосодержанием за счет повышения надежности и долговечности.

Поставленная задача достигается тем, что в многоступенчатом погружном насосе, содержащем последовательно расположенные на валу внутри корпуса осевые ступени, каждая из которых состоит из рабочего колеса и статорного аппарата, согласно изобретению, рабочее колесо выполнено в виде втулки, имеющей со стороны входа в колесо диаметр, равный

где D_н.рк - наружный диаметр рабочего колеса;

k_d=3,2-4,5 - коэффициент диаметра рабочего колеса;

Q - подача насоса;

n - частота вращения,

на торцевых поверхностях ее закреплены шайбы, изготовленные из антифрикционного износостойкого материала, а на боковой поверхности втулки по винтовой линии с шагом, равным

где - втулочное отношение на входе в рабочее колесо, расположены лопасти, имеющие скругленную форму входных кромок, с углами наклона к торцам втулки, подчиняющимися закону

где β_л(r_i) - угол наклона лопасти на радиусе r_i;

S - шаг винтовой линии;

r_i - радиус, отсчитываемый от оси рабочего колеса до текущей точки на поверхности лопасти,

и густотой лопастной решетки на внешнем диаметре, обусловленной соотношением

где τ_н.рк - густота лопастной решетки рабочего колеса на внешнем диаметре;

l_н.рк - длина лопасти на внешнем диаметре;

z_рк - число лопастей,

при этом статорный аппарат имеет втулку, в которой на торцевых поверхностях расположены бурты, а на боковой поверхности установлены радиально в направлении, параллельном оси ступени, лопатки со скругленными входными и выходными кромками, имеющими густоту лопаточной решетки на среднем диаметре, определяемую соотношением

где τ_cp.ca - густота лопаточной решетки статорного аппарата на среднем диаметре;

l_са - длина лопатки;

z_са - число лопаток;

D_cp.ca - средний диаметр лопатки статорного аппарата.

За счет размещения с определенным шагом по винтовой линии на втулке рабочего колеса лопастей получаем простую конструкцию, которая имеет высокую технологичность изготовления осевого рабочего колеса, а также появляется возможность автоматизировать изготовление одной из самых массовых и трудоемких деталей рабочего колеса. Кроме того, появляется возможность увеличить число ступеней в насосе от нескольких десятков до нескольких сотен (400 и более), существенно повысив при этом напор насоса. Гидродинамическая характеристика винтовых лопастей позволяет в условиях ограниченных радиальных габаритов достигать в насосе высокой экономичности, составляющей в зависимости от сочетания его рабочих параметров 70-80%.

Колеса данной конструкции имеют высокий коэффициент реактивности (до 0,85), что позволяет упростить конструкцию статорного аппарата за счет отказа от выправляющей функции.

Применение в статорном аппарате прямых радиальных лопаток позволяет осуществлять осевой подвод рабочей жидкости к рабочему колесу последующей ступени.

Выполнение входных кромок лопастей рабочего колеса и лопаток статорного аппарата скругленными обеспечивает высокие энергетические качества колеса и аппарата за счет уменьшения вихревых потерь, которые неизбежно возникают при ударном натекании на входе с тыльной стороны лопастей и лопаток. Скругленные выходные кромки лопаток статорного аппарата при необходимой густоте лопастной решетки обеспечивают на выходе из аппарата и на входе в рабочее колесо последующей ступени эпюры полей скоростей в потоке рабочей жидкости, близкие к равномерным.

Наличие на торцевых поверхностях втулки рабочего колеса шайб, выполненных из износостойкого антифрикционного материала, и буртов на торцевых поверхностях втулки статорного аппарата позволяет осуществить

разгрузку рабочего колеса от действия осевой силы без дополнительных гидравлических и с минимальными механическими потерями мощности в паре трения, доля которых в общем балансе энергии не превышает 5...8%.

Выбор величины втулочного отношения рабочего колеса по указанной зависимости обеспечивает получение максимально возможной экономичности насоса.

Выбор шага винтовой линии по указанной зависимости обеспечивает совпадение расчетной подачи с оптимальной по к.п.д.

За счет изменения длины и числа лопастей (лопаток) рабочего колеса (статорного аппарата) соответственно при сохранении густоты лопастной (лопаточной) решетки соответственно в указанном диапазоне возможно варьирование осевыми габаритами ступени, и, соответственно, напором насоса с заданной суммарной длиной сборки ступеней.

Использование совокупности всех существенных признаков, включая отличительные, позволяет повысить технологичность изготовления рабочих органов насоса, снизить трудоемкость изготовления, повысить экономичность и напор, увеличить надежность и долговечность работы насоса в нефтяной, нефтегазовой и горно-добывающей промышленности, в том числе, на газожидкостной смеси с высоким содержанием газа.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 схематически изображен предлагаемый многоступенчатый погружной осевой насос.

На фиг.2 изображены рабочее колесо и статорный аппарат в аксонометрии.

Многоступенчатый погружной осевой насос содержит входной модуль 1 (фиг.1) и от одной до пяти в зависимости от требуемого напора насоса модуль-секций 2 (фиг.1). Соединение модулей 2 между собой и входного модуля 1 насоса с электродвигателем - фланцевое. Уплотнение межмодульных соединений осуществляется резиновыми кольцами 3 (фиг.1). Соединение валов 4 (фиг.1) модуль-секций 2 между собой и вала 5 (фиг.1) входного модуля 2 с валом гидрозащиты двигателя осуществляется при помощи шлицевых муфт 6, 7 (фиг.1). В состав модуль-секций 2 входят: корпус 8 (фиг.1), пакет осевых ступеней, состоящий из рабочего колеса 9 (фиг.1, 2), статорного аппарата 10 (фиг.1, 2) и межступенчатой втулки 11 (фиг.1), а также верхнего и нижнего подшипников 12 и 13 (фиг.1), верхней осевой опоры 14 (фиг.1), головки 15 (фиг.1) и основания 16 (фиг.1). Соединение верхнего подшипника 12 с головкой 15 и корпусом 8, а также основания 16 с корпусом 8 - резьбовое, уплотненное резиновыми кольцами 17 (фиг.1). На каждом основании модуль-секций 2 установлено по два стальных ребра 18 (фиг.1), предназначенных для защиты плоского кабеля питания электродвигателя от механических

повреждений о стенки обсадной трубы скважины при проведении спускоподъемных операций с погружным насосом. Корпус 19 (фиг.1) входного модуля 1, являющегося приемной частью насоса, имеет всасывающие отверстия 20 (фиг.1) и сетку (фильтр) 21 (фиг.1) для входа перекачиваемой среды. Вал входного корпуса имеет собственные радиальные опоры 22 (фиг.1). Рабочее колесо 9 (фиг.2) выполнено в виде втулки 23 (фиг.2) с закрепленными на ее торцевых поверхностях шайбами 24, 25 (фиг.2), изготовленными из антифрикционного износостойкого материала. На боковой поверхности втулки 23 по винтовой линии с постоянным шагом размещены лопасти 26 (фиг.2), входные кромки 27 (фиг.2) которых скруглены по радиусу, равному половине толщины лопасти. Статорный аппарат 10 (фиг.2) имеет втулку 28 (фиг.2), на торцевых поверхностях которой выполнены бурты 29, 30 (фиг.2), а на боковой поверхности размещены радиально установленные лопатки 31 (фиг.2), входная 32 (фиг.2) и выходная кромки 33 (фиг.2), которые также закруглены по радиусу, равному половине толщины лопатки.

Насос работает следующим образом. Перекачиваемая среда, обтекая лопасти 26 рабочего колеса, повышает свой напор за счет ударного натекания на их входные кромки 27. Выходящий из рабочих колес 9 поток перекачиваемой среды раскручивается в статорных аппаратах 10 и входит в рабочие колеса последующих ступеней осевым.

Осевая сила, действующая на рабочие колеса на установившихся режимах работы, воспринимается нижней индивидуальной торцовой опорой, состоящей из шайбы 24 и бурта 29. В период пусков и остановок, а также при работе на расходах, превышающих оптимальный по к.п.д., осевая нагрузка на рабочие колеса может уменьшиться до нуля, а затем изменить направление на противоположное. При этом рабочие колеса всплывают и работают на верхней индивидуальной торцевой опоре, состоящей из шайбы 25 и бурта 30. Остаточное осевое усилие на роторы модуль-секций воспринимает имеющаяся в каждом из них верхняя осевая опора 14. Радиальные усилия, действующие на ротор, воспринимаются верхним 12 и нижним 13 подшипниками на концах валов модуль-секций, а также радиальными подшипниками 34, установленными в каждом статорном аппарате.

Использование предлагаемой конструкции насоса имеет по сравнению с существующими следующие преимущества:

- повышается технологичность изготовления и снижается трудоемкость;

- обеспечивается возможность автоматизации процесса;

- повышаются напорность и экономичность;

- повышаются надежность и долговечность;

- обеспечивается возможность широкого использования в нефтяной, нефтегазовой и горно-добывающей промышленности с высоким т.э.п.

Многоступенчатый погружной осевой насос, содержащий последовательно расположенные на валу внутри корпуса осевые ступени, каждая из которых состоит из рабочего колеса и статорного аппарата, отличающийся тем, что рабочее колесо выполнено в виде втулки, имеющей со стороны входа в колесо диаметр, равный

где D_н.рк - наружный диаметр рабочего колеса;

k_D=3,2÷4,5 - коэффициент диаметра рабочего колеса;

Q- подача насоса;

n - частота вращения,

и на торцевых поверхностях ее закреплены шайбы, изготовленные из антифрикционного износостойкого материала, а на боковой поверхности втулки по винтовой линии с шагом, равным

где - втулочное отношение на входе в рабочее колесо,

расположены лопасти, имеющие скругленную форму входных кромок, с углами наклона к торцам втулки, подчиняющимися закону

где β_л(r_i) - угол наклона лопасти на радиусе r_i;

S - шаг винтовой линии;

r_i - радиус, отсчитываемый от оси рабочего колеса до текущей точки на поверхности лопасти,

и густотой лопастной решетки на внешнем диаметре, обусловленным соотношением:

где τ_н.рк - густота лопастной решетки рабочего колеса на внешнем диаметре;

l_н.рк - длина лопасти на внешнем диаметре;

z_рк - число лопастей,

при этом статорный аппарат имеет втулку, в которой на торцевых поверхностях расположены бурты, а на боковой поверхности установлены радиально в направлении, параллельном оси ступени, лопатки со скругленными входными и выходными кромками, имеющими густоту лопаточной решетки на среднем диаметре, определяемую соотношением:

где τ_ср.са - густота лопаточной решетки статорного аппарата на среднем диаметре;

l_сa- длина лопатки;

z_ca - число лопаток;

D_cp.ca - средний диаметр лопатки статорного аппарата.