Погружной электронасосный агрегат
Изобретение относится к гидромашиностроению, а более точно к многоступенчатым электронасосным агрегатам модульного типа для нефтедобывающей промышленности, с помощью которых поднимают нефть или воду из скважин, колодцев и т.п. Погружной электронасосный агрегат содержит погружной электродвигатель и сопряженный с ним погружной многоступенчатый насос модульного типа. В корпусе насоса на валу установлены рабочие колеса с выполненными в них ускоряющими гидравлическими насадками. Насадки выполнены коническими и радиальными. В каждом модуле дополнительно размещен стакан, дно которого жестко соединено с рабочим колесом, а боковая поверхность расположена с зазором относительно кромки колеса и корпуса модуля. В результате обеспечивается создание в рабочем колесе максимальной кинетической энергии потока жидкости и ее преобразование в потенциальную с большим, чем на предыдущем уровне техники, КПД. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к гидромашиностроению, а более точно к многоступенчатым электронасосным агрегатам модульного типа для нефтедобывающей промышленности, с помощью которых поднимают нефть или воду из скважин, колодцев, резервуаров и открытых водоемов.
В настоящее время в нефтедобывающей промышленности широко используются многоступенчатые электронасосные агрегаты модульного типа, в модулях которых рабочие колеса выполнены закрытыми или открытыми и имеют проточные каналы, расширяющиеся от центра к периферии. В таких каналах нарушается гидродинамический закон "непрерывности потока жидкости", что вызывает возникновение вихревых отрывных течений и кавитацию, вследствие чего снижается энергетический КПД насоса, его напор и производительность, а также разрушается конструкционный материал любой прочности (см. Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти (расчет и конструкция). М.: Недра, 1968, с.272).
В традиционном электронасосном агрегате жидкость на выходе колеса каждого модуля ударно тормозится о стенку корпуса с поворотом на 180°, что является причиной снижения скорости в два раза. После этого жидкость дополнительно тормозится о лопасти преобразователя, размещенного между соседними ступенями, в результате чего преобразование кинетической энергии потока жидкости в потенциальную (т.е. напор) осуществляется с большими потерями.
Вышеописанные недостатки частично устранены в погружном электронасосном агрегате, известном из патента Франции №2509804, F 04 D 13/08, опубл. 21.01.1983. Известный агрегат содержит погружной электродвигатель и погружной многоступенчатый насос модульного типа, рабочие колеса которого имеют форму усеченного конуса. На боковой поверхности каждого рабочего колеса выполнены открытые винтовые каналы (лопасти), однако суммарное сечение проточных каналов на входе меньше, чем на выходе. Следовательно, повторяются отрывные течения и связанные с ними негативные эффекты. Кроме того, в проточных каналах жидкость имеет радиальную составляющую скорости, обусловливающую дополнительные потери. Полезным направлением движения жидкости является параллельное оси модуля.
Применяемый в традиционном и описанном выше агрегате метод дросселирования потока жидкости - не единственный и не лучший. Например, преобразование кинетической энергии потока жидкости в потенциальную методом "затопленной струи" является более эффективным с точки зрения КПД, но требует увеличения габаритов ступени.
Известен выбранный в качестве прототипа настоящего изобретения погружной электронасосный агрегат, содержащий погружной электродвигатель и сопряженный с ним погружной многоступенчатый насос модульного типа, в корпусе которого на валу установлены рабочие колеса с выполненными в них коническими и радиальными ускоряющими гидравлическими насадками (см. патент РФ №2122653, F 04 D 13/08, опубл. 27.11.1998). В известном агрегате рабочее колесо вместо традиционных лопастей имеет ускоряющие гидравлические насадки, повернутые своими выходными отверстиями в направлении входа следующего модуля. В процессе работы известного агрегата кинетическая энергия потока жидкости преобразуется в потенциальную за счет затопления скоростной струи в объем жидкости между двумя ступенями, в котором отсутствуют твердые тела, тормозящие струю.
Как показали испытания опытных образцов, прототип характеризуется следующими недостатками:
1. Преобразование кинетической энергии в потенциальную методом "затопленной струи" существенно увеличивает массу и габариты ступени, что неприемлемо.
2. Изогнутый насадок переменного сечения требует технологию "выплавляемых моделей", что непродуктивно и дорого для серийного производства. При изготовлении насадка любым другим способом сложно получить необходимую степень чистоты его поверхности, что приводит к снижению скорости потока и энергетическим потерям.
3. Поворот насадка на угол 90° уменьшает длину той его части, которая является гидроусилителем, снижая скорость струи на срезе колеса.
Задачей настоящего изобретения является выполнение погружного электронасосного агрегата таким образом, чтобы одновременно обеспечивалось создание в рабочем колесе максимальной кинетической энергии потока жидкости и преобразование кинетической энергии в потенциальную (в напор) с большим, чем на предыдущем уровне техники, КПД.
Технический результат достигается тем, что в погружном электронасосном агрегате, содержащем погружной электродвигатель и сопряженный с ним погружной многоступенчатый насос модульного типа, в корпусе которого на валу установлены рабочие колеса с выполненными в них коническими и радиальными ускоряющими гидравлическими насадками, согласно изобретению каждый модуль снабжен стаканом, дно которого жестко соединено с рабочим колесом, а боковая поверхность расположена с зазором относительно кромки колеса и корпуса модуля.
Снабжение каждого модуля агрегата соединенным с рабочим колесом стаканом, боковая поверхность которого расположена с зазором относительно кромки колеса, и который, по сути, представляет собой диффузор, обеспечивает наиболее полное преобразование кинетической энергии струи жидкости на срезе конфузорного насадка в потенциальную энергию (напор) без известных на предшествующем уровне техники энергетических потерь, обусловленных ударами струи жидкости о неподвижную преграду внутри корпуса модуля. Совокупность вышеуказанных признаков обеспечивает повышение кинетической энергии потока жидкости и ее преобразование в напор с большим, чем на предшествующем уровне техники, КПД.
Для достижения указанной задачи также предпочтительно, чтобы зазор между кромкой колеса и боковой поверхностью преобразователя составлял не менее 4 мм. Указанная экспериментально установленная величина зазора позволяет преобразовать до 90% кинетической энергии в напор, способствуя, таким образом, повышению КПД агрегата.
В частном случае, на внутренней поверхности крышки корпуса, по меньшей мере, одного модуля могут быть выполнены направляющие тонкостенные ребра, вогнутые по направлению вращения рабочего колеса.
Другой частный случай осуществления изобретения предусматривает закрепление на внутренней поверхности крышки корпуса, по меньшей мере, одного модуля шайбы с выполненными на ее обращенной к рабочему колесу поверхности тонкостенными ребрами, вогнутыми по направлению вращения рабочего колеса.
Наличие направляющих ребер в одном и другом случае осуществления изобретения позволяет преобразовывать остаточную скорость жидкости в напор без существенных потерь. Непогашенная часть скорости жидкости усиливается насадками следующей ступени, в результате чего кинетическая энергия жидкости используется наиболее полно, что способствует повышению КПД агрегата в целом.
Для упрощения изготовления насадков целесообразно, чтобы каждое колесо содержало четное число насадков, и при этом каждая пара насадков располагалась симметрично относительно оси вращения колеса.
Предпочтительно также использовать в составе агрегата погружной электродвигатель, выполненный с возможностью регулирования частоты вращения вала по амплитуде напряжения при неизменной частоте питающего тока. Это позволяет дистанционно (с поверхности Земли) осуществлять гибкую регулировку производительности насоса без необходимости замены электродвигателя в тех случаях, когда требуется изменить (снизить или повысить) дебит скважины.
Предпочтительно также, чтобы вал электродвигателя и вал насоса были сопряжены через шарнирно-сдвоенную муфту. Возможно также выполнение вала насоса составным из, по меньшей мере, двух частей, и при этом каждые две сопряженные части целесообразно соединять между собой через шарнирно-сдвоенную муфту. Использование шарнирно-сдвоенной муфты позволяет с большей точностью передавать вращающий момент от ведущего вала к ведомому (в частности, от вала электродвигателя к валу протектора), что повышает КПД агрегата и надежность сопрягаемых соединений.
Далее изобретение будет описано более подробно на конкретном примере его осуществления с использованием прилагаемых чертежей, на которых:
- на фиг.1 изображен погружной электронасосный агрегат, общий вид,
- на фиг.2 - часть погружного насоса в зоне сопряжения двух модулей, продольный разрез,
- на фиг.3 - рабочее колесо, вертикальный разрез,
- на фиг.4 - то же, что на фиг.3, вид сверху с горизонтальным вырезом в области расположения гидравлических насадков,
- на фиг.5 - модуль насоса с закрепленной на его крышке шайбой с тонкостенными направляющими ребрами, вертикальный разрез,
- на фиг.6 - то же, что на фиг.5, вид сверху с горизонтальным осевым вырезом.
Как это показано на фиг.1, погружной электронасосный агрегат включает электродвигатель 1, в качестве которого в частном случае может быть использован параметрический электродвигатель, частота вращения вала которого регулируется по амплитуде напряжения при неизменной частоте питающего тока (см. патент США №5559385, Яловега Н.В. и др., 24.09.1996). Агрегат включает также сетку-фильтр 2, внутри которой вал электродвигателя 1 через муфту (не показана) сопряжен с валом первой ступени погружного многоступенчатого модульного насоса 3. Также через муфты сопрягаются между собой валы смежных ступеней погружного насоса, которых, в зависимости от решаемой задачи, может быть две, три и более. При этом для сопряжения валов может быть использована шарнирно-сдвоенная муфта, описанная в патенте РФ №2155887, Яловега Н.В. и др., 10.09.2000. Известная муфта при невысокой металлоемкости и габаритах обеспечивает передачу вращающего момента от ведущего вала к ведомому без искажений закономерности передаваемого момента по форме и времени и одновременно исключает передачу вибрационных и ударных нагрузок, что наиболее актуально в случае протяженных многозвенных систем с несколькими точками сопряжения, работающих с высокой частотой вращения, к которым и относятся погружные электронасосные агрегаты. Электродвигатель 1 питается от трехфазного источника переменного тока (не показан) посредством многожильного кабеля 4, который фиксируется при помощи крепежных хомутов 5. Агрегат может также содержать обратный и спускной клапаны в одном корпусе 6.
Каждая ступень насоса 3 содержит корпус (не показан), внутри которого симметрично относительно вала 7 один над другим размещены модули 8, количество которых может варьироваться в каждом конкретном случае в зависимости от глубины погружения первой ступени насоса 3 для обеспечения необходимого напора. Модуль 8 (см. фиг.2 и 5) включает в себя цилиндрическую боковую стенку, имеющую уступ на верхней кромке и соответствующий ему по размерам выступ на нижней кромке, а также выполненную со стенкой за единое целое крышку с центральным отверстием, диаметр которого превышает диаметр вала 7 для обеспечения прохождения потока жидкости из одного модуля в другой. В зоне перехода от боковой стенки к крышке внутреннюю поверхность модуля целесообразно выполнять в виде части сферической или эллиптической или иной подобной поверхности во избежание разрывов сплошности и потерь скорости движения пристеночного потока жидкости, обусловленных гидравлическим сопротивлением обтекаемой поверхности. Каждый модуль 8 может быть выполнен литьем из любого приемлемого материала (например, чугуна). Уступы и выступы, предназначенные для герметичного сопряжения каждого модуля с двумя смежными с ним (верхним и нижним), могут быть выполнены, например, фрезерованием.
Внутри каждого модуля 8 установлено рабочее колесо 9, ступица которого сопрягается с валом 7 любым подходящим способом, например с помощью шпонки и скользящей посадки. В каждом колесе 9 выполнен центральный входной канал и, по меньшей мере, два радиальных конических насадка 12, образующих радиальные конфузоры (фиг.3). Помимо колеса 9 в каждом модуле 8 размещен обращенный открытым торцом вверх стакан 10, дно которого жестко соединено (например, при помощи сварки) с колесом 9 и имеет центральное отверстие, сопряженное по своей кромке с входным каналом колеса 9, а боковая поверхность расположена с зазором относительно кромки колеса 9 и корпуса модуля 8 (его боковой стенки). При этом величина зазора между боковой поверхностью стакана 10 и кромкой колеса 9 предпочтительно составляет не менее 4 мм по радиусу. Стакан 10 также неподвижно соединен с поверхностью 11 подшипника скольжения колеса 9. Предпочтительно, чтобы стакан 10 охватывал как можно больший объем внутреннего пространства модуля 8, что может быть достигнуто, в частности, увеличением высоты боковой поверхности стакана 10.
Для уменьшения вероятности образования в зоне крышки кольцевых течений жидкости и связанных с этими течениями потерь скорости на внутренней поверхности крышки модуля 8 при помощи болтового соединения (или сварки) закреплена шайба с центральным отверстием и с выполненными на ее обращенной к рабочему колесу поверхности тонкостенными ребрами 13, вогнутыми по направлению вращения рабочего колеса, как это лучше показано на фиг.5. Ребра 13 могут быть также выполнены за единое целое с крышкой, например, литьем.
Описанный электронасосный агрегат работает следующим образом.
Поскольку глубина скважины всегда известна заранее, а уровень откачиваемой жидкости в скважине может быть легко измерен до начала работы агрегата, подбор необходимого количества используемых ступеней насоса 3 и необходимого количества модулей 8 на каждую ступень не представляет трудности.
Сопряженные между собой электродвигатель 1 и необходимое число ступеней насоса 3 опускают в скважину и откачиваемая жидкость через сетку-фильтр 2, по меньшей мере, частично заполняет первую ступень насоса 3. Затем на обмотку электродвигателя 1 подают напряжение, постепенно увеличивая его уровень от 0,1 от номинала до номинального, при этом вал электродвигателя 1 плавно запускает насос 3, чтобы не взмучивать поступающую в насос 3 жидкость. Поток жидкости через центральный входной канал поступает во вращающееся рабочее колесо 9, где он ускоряется при прохождении конических радиальных насадков 12 и приобретает максимальную скорость на срезе последних. При выходе из конфузора 12 ускоренная струя жидкости попадает в пространство между колесом 9 и вращающимся отражателем 10, которое играет роль диффузора, преобразуя значительную часть кинетической энергии струи в напор за счет ее затопления. Часть струи контактирует с внутренней поверхностью отражателя 10, но за счет вращения последнего в том же направлении, что и колесо 9, контакт части струи жидкости с отражателем не приводит к существенным потерям кинетической энергии, как это было бы в случае соударения с неподвижной стенкой в традиционных насосных агрегатах. Таким образом, большая по сравнению с прототипом часть кинетической энергии струи преобразуется в напор, что обеспечивает необходимое увеличение последнего.
При использовании модулей 8, на крышках которых закреплены твердотельные преобразователи в виде шайбы с центральным отверстием и тонкостенными направляющими ребрами 13 (или на крышках которых выполнены тонкостенные направляющие ребра 13), за счет вогнутой формы последних обеспечивается передача потока из одного модуля 8 в другой с наименьшим гидравлическим сопротивлением без образования существенных кольцевых течений в центральной зоне верхней части полости модуля 8 и связанных с этими течениями потерь кинетической энергии. Таким образом, использование направляющего аппарата, включающего направляющие ребра 13, приводит к существенному увеличению напора и повышению КПД агрегата по сравнению с прототипом.
1. Погружной электронасосный агрегат, содержащий погружной электродвигатель и сопряженный с ним погружной многоступенчатый насос модульного типа, в корпусе которого на валу установлены рабочие колеса с выполненными в них коническими и радиальными ускоряющими гидравлическими насадками, отличающийся тем, что каждый модуль снабжен стаканом, дно которого жестко соединено с рабочим колесом, а боковая поверхность расположена с зазором относительно кромки колеса и корпуса модуля.
2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что зазор между кромкой колеса и боковой поверхностью преобразователя составляет не менее 4 мм.
3. Агрегат по п.1 или 2, отличающийся тем, что на внутренней поверхности крышки корпуса, по меньшей мере, одного модуля выполнены направляющие тонкостенные ребра, вогнутые по направлению вращения рабочего колеса.
4. Агрегат по п.1 или 2, отличающийся тем, что на внутренней поверхности крышки корпуса, по меньшей мере, одного модуля закреплена шайба с выполненными на ее обращенной к рабочему колесу поверхности тонкостенными ребрами, вогнутыми по направлению вращения рабочего колеса.
