Погружной многоступенчатый модульный центробежный насос

Изобретение относится к погружным центробежным электронасосным агрегатам для добычи нефти из скважин. Погружной насос содержит ряд аналогичных модуль-секций (МС), валы которых последовательно соединены между собой посредством шлицевых муфт. Каждая МС имеет корпус, в котором установлены пакеты ступеней, состоящие из рабочего колеса и направляющего аппарата, и основание, которое ввернуто в корпус МС. В корпусе основания установлен без зазора съемный радиальный подшипник скольжения (РП) с осевыми каналами для прохода перекачиваемой жидкости и выполнена внешняя цилиндрическая проточка. Съемный РП имеет ступицу, расположенную в центре корпуса РП с коническими фасками на торцах, выдвинутую вперед в противоположную сторону потока жидкости на 1/3 своей длины относительно корпуса РП. Ступица закреплена к корпусу РП четырьмя лопатками, выполняющими роль ребер жесткости и имеющими закругленные профили передней и задней частей. Лопатки установлены с наклоном в 45 градусов относительно вертикальной плоскости торца и оси корпуса РП и расположены по окружности на 90 градусов друг к другу. Изобретение направлено на уменьшение радиального биения нижнего конца вала и радиальной вибрации, а также и гидравлических сопротивлений в нижнем РП при входе жидкости на первое рабочее колесо МС насоса. 5 ил.

 

Изобретение относится к технике по отбору жидкости из глубоких скважин, в частности к погружным центробежным электронасосным агрегатам, предназначенным для добычи нефти из скважин.

Известен насосный агрегат, содержащий погружной электродвигатель с гидрозащитой, насосные модуль-секции, имеющие зажимные пластины, последовательно соединенные между собой, модуль-входной и модуль-головку [Нефтепромысловое оборудование. Справочник / под редакцией Е.И.Бухаленко - М., Недра, 1990. - С.124-127]. Соединение корпусов модулей фланцевое при помощи болтов, а соединение валов при помощи шлицевых муфт.

Недостатком известной конструкции модульного исполнения является низкая устойчивость к вибрации, приводящая к снижению долговечности и работоспособности насоса, и повышенные гидравлические сопротивления на входе жидкости в насосную секцию, что снижает эффективность эксплуатации насосных агрегатов.

Наиболее близким техническим решением является конструкция модуль-секции насоса, представляющая корпус, внутри которого размещена сборка ступеней насоса, состоящая из направляющих аппаратов, неподвижно закрепленных за счет торцевого натяга с одной стороны корпусом верхнего радиального подшипника, а с другой стороны ввинченным на резьбе основанием с наружным фланцем болтового соединения [Монтаж оборудования и ремонт скважинных электронасосов. Справочник / С.А.Махмудов, М.С.Абузорли. - М., Недра, 1995. - С.50-51].

Вал модуль-секции насоса с установленными на нем ступенями, в которых расположены рабочие колеса, вращающиеся на радиальных подшипниках ступиц направляющих аппаратов. Один конец вала размещен в ступице верхнего радиального подшипника скольжения, а другой в ступице нижнего радиального подшипника скольжения, корпус которого установлен между направляющим аппаратом первой ступени насоса и основанием, ввернутым на резьбе в корпус модуль-секции. Нижний радиальный подшипник скольжения представляет собой цилиндрический корпус с осевыми отверстиями для прохождения потока перекачиваемой жидкости и цилиндрической ступицы, внутри которой запрессована пустотелая втулка (вкладыш), образующая защитной втулкой, закрепленной на валу насоса шпонкой, радиальную опору скольжения. Внутренняя поверхность ступицы с вкладышем является радиальным подшипником вала, а наружная цилиндрическая поверхность корпуса - опорой радиальной, воспринимающей нагрузку от вала насоса и передающей ее корпусу модуль-секции.

К недостаткам указанной конструкции модуль-секции насоса можно отнести, во-первых, то, что концевая нижняя часть вала имеет радиальную опору, расположенную на значительном расстоянии от места сочленения шлицевой муфтой; во-вторых, наличие радиального зазора между внутренней поверхностью корпуса модуль-секции и наружной цилиндрической поверхностью корпуса нижнего радиального подшипника, являющейся радиальной опорой; в-третьих, выполнение ступицы радиального подшипника значительной радиальной толщины (связанной с необходимостью выпрессовки сборки пакета ступеней с валом при разборке насоса) и имеющей торцевую поверхность, расположенную перпендикулярно потоку жидкости со стороны входа в секцию насоса, являющейся источником повышенных гидравлических сопротивлений; в-четвертых, большая длина корпуса основания за счет установленных на нем зажимных пластин для крепления кабеля, что приводит к увеличению длины консольной части вала насоса.

Первое и четвертое обстоятельства приводят к тому, что свободный нижний консольный конец вала имеет неоправданно длинную часть, которая, имея малую жесткость, при работе насоса отклоняется от оси вращения, вызывая радиальные биения под действием центробежных сил от неуравновешенности вращающейся на свободном конце шлицевой муфты. В результате возникающая радиальная вибрация вызывает преждевременный износ радиальных подшипников, приводящая к уменьшению долговечности и потери работоспособности насоса.

Второе обстоятельство, заключающееся в наличии радиального зазора между наружной цилиндрической поверхностью корпуса подшипника, приводит к дополнительному источнику радиальной вибрации нижнего конца вала. Цилиндрическая наружная поверхность корпуса подшипника касается корпуса модуль-секциии односторонне, создавая двойной диаметральный зазор с противоположной стороны, обеспечивая, таким образом, возможность перекоса подшипника и радиального смещения нижнего конца вала насоса.

Динамическая неуравновешенность сборки "вал - рабочие колеса" и "конец вала - шлицевая муфта" создает радиальные биения в ступице нижнего радиального подшипника, корпус которого, не имея жесткого крепления с корпусом модуль-секции, способствует увеличению радиальной вибрации насоса, приводящей к резкому снижению долговечности и потере работоспособности насосного агрегата. Третье обстоятельство вызывает увеличение гидравлических сопротивлений потоку жидкости при входе в первую ступень модуль-секции насоса.

Задачей изобретения является повышение работоспособности и эффективности насоса.

Техническим результатом является снижение радиального биения нижнего конца вала и, следовательно, радиальной вибрации, а также и гидравлических сопротивлений в нижнем радиальном подшипнике при входе жидкости на первое рабочее колесо модуль-секции насоса.

Указанный технический результат достигается тем, что погружной многоступенчатый модульный центробежный насос содержит ряд аналогичных модуль-секций, валы которых последовательно соединены между собой посредством шлицевых муфт, каждая модуль-секция имеет корпус, в котором установлены пакеты ступеней, состоящие из рабочего колеса и направляющего аппарата, и основание, которое ввернуто на в корпус модуль секции, в корпусе основания установлен без зазора съемный радиальный подшипник скольжения с осевыми каналами для прохода перекачиваемой жидкости. Особенностью погружного многоступенчатого модульного центробежного насоса является то, что в корпусе основания выполнена внешняя цилиндрическая проточка, одной стороной образующая вертикальный фланец, а другой - конический участок, обеспечивающий переход от меньшего до наружного диаметра корпуса основания с сохранением на наклонном переходном участке условия равнопрочности цилиндрической и конической частей корпуса основания, съемный радиальный подшипник скольжения имеет ступицу с коническими фасками на торцах, расположенную в центре корпуса подшипника и выдвинутую вперед в противоположную сторону потока жидкости на 1/3 своей длины относительно корпуса подшипника. Ступица закреплена к корпусу подшипника четырьмя лопатками, выполняющими роль ребер жесткости и являющимися направляющими для потока жидкости, имеющими закругленные профили передней и задней частей и установленные с наклоном в 45 градусов относительно вертикальной плоскости торца и оси корпуса подшипника по окружности на 90 градусов друг к другу, а корпус подшипника зафиксирован от осевого перемещения с одной стороны упором в торцевой выступ корпуса основания и стопорным кольцом, а с другой стороны - без торцевого касания с направляющим аппаратом насоса.

Причинно-следственная связь между существующими признаками изобретения и заявленным техническим результатом следующая.

В корпусе основания со стороны ступеней модуль-секции вытачивается внутренняя цилиндрическая проточка диаметром, равным наружному диаметру неподвижной части корпуса нижнего радиального подшипника, на глубину, равной осевой длине корпуса нижнего радиального подшипника, с образованием торцевой поверхности, которая фиксирует осевое расположение нижнего радиального подшипника. На противоположном конце цилиндрической проточки выполняется кольцевая канавка, в которую устанавливается стопорное кольцо, предотвращающее осевое смещение нижнего радиального подшипника в корпусе основания.

Ступица с запрессованной внутри неподвижной втулкой образует с втулкой, закрепленной на валу шпоночным соединением, радиальную опору скольжения. Осевое смещение втулки на валу насоса со стороны рабочего колеса первой ступени ограничивается распорной втулкой, с противоположной стороны - стопорным кольцом в кольцевой проточке вала.

С целью уменьшения гидравлических сопротивлений и формирования закручивания потока жидкости на входе в рабочее колесо первой ступени ступица размещена в центре корпуса нижнего радиального подшипника на четырех лопатках, выполняющих роль ребер жесткости и являющихся направляющими для потока жидкости, установленных по окружности на 90 градусов друг от друга и 45 градусов к оси корпуса нижнего радиального подшипника, при этом каждая лопатка имеет закругленный профиль передней и задней части, а торцы ступицы с обеих сторон имеют конические фаски.

Для сокращения продольной длины консольной части вала насоса ступица выдвинута на одну треть своей осевой длины L относительно переднего торца корпуса нижнего радиального подшипника, а крепящие ее лопатки имеют наклон в градусов при переходе от внешнего диаметра ступицы к внутреннему диаметру корпуса нижнего радиального подшипника.

На фиг.1 изображен общий вид насосного агрегата с модуль-секциями.

На фиг.2 изображен общий вид нижней части модуль-секции погружного многоступенчатого модульного центробежного насоса с нижним съемным радиальным подшипником скольжения.

На фиг.3 изображен профиль лопаток по окружности.

На фиг.4 изображен профиль и расположение лопаток по окружности и относительно оси подшипника скольжения с выдвинутой в сторону входа жидкости ступицей и формой конической фаски на торце.

На фиг.5 изображен корпус основания с указанием основных поверхностей.

Погружной многоступенчатый модульный центробежный насос состоит из ряда аналогичных модуль-секций 1, валы 2 которых последовательно соединены между собой посредством шлицевых муфт.

Каждая модуль-секции имеет корпус 3, в котором установлены пакеты ступеней, состоящие из рабочего колеса 4 и направляющего аппарата 5 и основания 6, которое ввернуто на резьбе в корпус 3. В корпусе основания 6 установлен без зазора съемный радиальный подшипник скольжения 7 с осевыми каналами для прохода перекачиваемой жидкости, закрепленный пружинным стопорным кольцом 8 с одной стороны и упором в торцевой выступ 9 корпуса основания 6 с другой стороны.

В корпусе основания 6, выполненном без зажимных пластин, изготовлена внешняя цилиндрическая проточка 11, одной стороной образующая вертикальный фланец 12, другой - конический участок 13, обеспечивающий переход от меньшего до наружного диаметра корпуса основания 6. Со стороны ступеней модуль-секции выполнена внутренняя цилиндрическая проточка 14 диаметром, равным наружному диаметру неподвижной части съемного радиального подшипника скольжения 7, на глубину, равную осевой длине корпуса радиального подшипника, с образованием торцевого выступа 9.

Неподвижный корпус съемного радиального подшипника скольжения 7 имеет ступицу 16, расположенную в центре, выдвинутую относительно корпуса съемного радиального подшипника скольжения 7 на одну треть своей осевой длины L относительно переднего торца корпуса съемного радиального подшипника скольжения 7 навстречу потоку жидкости. Ступица 16 выполнена с коническими фасками на обоих торцах и закреплена посредством четырех лопаток 17, каждая из которых расположена под углом 45 градусов относительно вертикали и таким же углом к оси съемного радиального подшипника скольжения (фиг.4). Лопатки 17 имеют закругленный профиль на передней и задней части и расположены по окружности на 90 градусов друг к другу.

Внутри ступицы 16 запрессована втулка 18 с упором в кольцевой выступ внутренней поверхности ступицы 16, образующая пару скольжения, с защитной втулкой 19, установленной на валу 2 посредством шпонки 20. Защитная втулка 19 от осевого перемещения фиксируется пружинным стопорным кольцом 21 и распорной втулкой 22.

Торцевая часть корпуса основания 6, ввернутого на резьбе в корпус 3 модуль-секции, упирается в торцевую поверхность первого направляющего аппарата 5, создавая торцевой натяг пакету ступеней в корпусе 3 насоса. Для предотвращения утечек в месте сочленения корпуса 3 и корпуса основания 6 размещены уплотнительные кольца 23, 24.

Погружной многоступенчатый модульный центробежный насос работает следующим образом.

Погружной многоступенчатый модульный центробежный насос спускается в скважину и выводится на рабочий режим. Крутящий момент от электродвигателя 25 через протектор 26 и входной модуль 27 передается на вал 2. При вращении вала 2 через шпонку 20 крутящий момент передается на защитную втулку 19. Возникающая радиальная нагрузка вала 2 передается через защитную втулку 19 на втулку 18 ступицы 16, далее с корпуса съемного радиального подшипника скольжения 7 на корпус основания 6.

Отсутствие зазора между корпусом съемного нижнего радиального подшипника скольжения 7 и корпусом основания 6 обеспечивает снижение радиальной вибрации нижнего конца вала 2. Размещение съемного нижнего радиального подшипника скольжения 7 внутри корпуса основания и выдвинутая ступица 16 съемного нижнего радиального подшипника скольжения 7 уменьшает длину концевой части вала 2, чем уменьшается радиальное биение концевой части вала 2 со шлицевой муфтой. Конструкция лопаток 17 съемного нижнего радиального подшипника скольжения 7 обеспечивает уменьшение гидравлических сопротивлений за счет скругленных торцов и относительно небольшой поперечной толщины лопаток 17 и способствует формированию потока жидкости на входе в первое рабочее колесо насоса, т.к. лопатки 17 расположены под углом 45° относительно оси вала 2. Таким образом, происходит закручивание потока жидкости.

Погружной многоступенчатый модульный центробежный насос, содержащий ряд аналогичных модуль-секций, валы которых последовательно соединены между собой посредством шлицевых муфт, каждая модуль-секция имеет корпус, в котором установлены пакеты ступеней, состоящие из рабочего колеса и направляющего аппарата, и основание, которое ввернуто в корпус модуль-секции, в корпусе основания установлен без зазора съемный радиальный подшипник скольжения с осевыми каналами для прохода перекачиваемой жидкости, отличающийся тем, что в корпусе основания выполнена внешняя цилиндрическая проточка, одной стороной образующая вертикальный фланец, а другой конический участок, обеспечивающий переход от меньшего до наружного диаметра корпуса основания с сохранением на наклонном переходном участке условия равнопрочности цилиндрической и конической частей корпуса основания, съемный радиальный подшипник скольжения имеет ступицу, расположенную в центре корпуса подшипника с коническими фасками на торцах, выдвинутую вперед в противоположную сторону потока жидкости на 1/3 своей длины относительно корпуса подшипника, ступица закреплена к корпусу подшипника четырьмя лопатками, выполняющими роль ребер жесткости и являющиеся направляющими для потока жидкости, имеющими закругленные профили передней и задней частей, при этом лопатки установлены с наклоном в 45° относительно вертикальной плоскости торца и оси корпуса подшипника и расположены по окружности на 90° друг к другу, причем корпус подшипника зафиксирован от осевого перемещения с одной стороны упором в торцевой выступ корпуса основания и стопорным кольцом, с другой стороны без торцевого касания с направляющим аппаратом насоса.