Радиальный направляющий аппарат многоступенчатого погружного насоса
Радиальный направляющий аппарат предназначен для насосов, добывающих нефть из скважин и подающих воду в продуктивный нефтеносный пласт для поддержания и повышения в нем пластового давления. Направляющий аппарат состоит из цилиндрического корпуса 4, верхнего и нижнего дисков, вкладышей 7, направляющих вертикальных вставок 8 и крышки. Переходные каналы соединяют обратные каналы на нижней поверхности верхнего диска со спиральными выходами на нижней поверхности нижнего диска. Обратные каналы сформированы между ребрами на нижней поверхности верхнего диска, а переходные каналы - на внутренней цилиндрической поверхности вкладыша 7 с помощью профилированных наклонных выемок, выполненных в теле вкладышей 7. Вкладыши 7 установлены напротив спиральных выходов и контактируют с внутренней поверхностью корпуса 4. Для фиксации вкладышей 7 на нижнем диске имеются периферийные выемки. Углублениями в дисках создана расширенная переходная камера. Вставки 8, установленные по периферии нижней поверхности нижнего диска, дополнительно фиксируют положение вкладышей 7 и служат цилиндрической поверхностью спиральных выходов. Изобретение снижает гидравлические потери и обеспечивает эффективную перекачку жидкости с высоким содержанием газа. 6 з.п. ф-лы, 10 ил.
Изобретение относится к области насосостроения и прежде всего к многоступенчатым насосам, используемым для добычи нефти из скважин и для подачи воды в продуктивный нефтеносный пласт для поддержания и повышения в нем пластового давления.
Известно применение в ступенях погружного многоступенчатого центробежного насоса направляющего аппарата с лопастями, размещенными между верхним и нижним дисками, формирующими проточную часть направляющего аппарата (см., например, В.Н.Ивановский и др. «Оборудование для добычи нефти и газа».: М.: ГУП, «Нефть и газ», РГУ Нефти и газа им. И.М.Губкина, 2002. 4.1. с.356-360, рис.5.5).
Недостатком ступени с известным направляющим аппаратом является низкое значение напора, связанное с тем, что при переходе потока из рабочего колеса в направляющий аппарат через кольцевую безлопаточную камеру происходит расслоение перекачиваемой газожидкостной смеси, при котором жидкость будет прижиматься к стенке корпуса и терять значительную часть энергии до того, как попадет на лопатки направляющего аппарата.
Такой направляющий аппарат относительно прост в изготовлении, но ступени с таким НА недостаточно хорошо перекачивают газожидкостные смеси.
Известен целый ряд радиальных направляющих аппаратов, у которых конструкция устроена так, что перекачиваемая среда, выходя с рабочего колеса, попадает под воздействие направляющих элементов, выполненных в виде направляющих лопаток или ребер, образующих совместно с плоскими поверхностями дисков и цилиндрической поверхностью корпуса НА направляющие каналы, по которым перекачиваемая среда переходит ко входу в рабочее колесо следующей ступени (патент РФ №35392 U1 на полезную модель, опубл. 10.01.2004, авт. свид-во СССР №479399, опубл. 05.08.1976, патент РФ №2142069, опубл. 27.11.1999).
В рассматриваемых конструкциях имеются спиральные выходы, диффузорные каналы, переходные наклонные каналы и обратные каналы. Подобная последовательность характерна для ступеней большого габарита. В ступенях меньшего габарита в некоторых случаях отдельные из перечисленных элементов отсутствуют.
В одном из таких направляющих аппаратов диффузорный канал укорочен, а вместо наклонных переходных каналов имеются вырезы с боковой поверхности нижнего диска, через которые среда может переходить из диффузорного канала в обратные (авт. свид-во СССР №479399, МКИ F04D 29/44, опубл. 05.08.1976). В другой конструкции направляющего аппарата переходный боковой канал образуют боковые ребра более сложной формы (патент РФ №35392 U1 на полезную модель, МКИ F04D 29/44, опубл. 10.01.2004), что позволяет лучше организовать переход, однако форма таких наклонных переходных каналов несовершенна. Существуют конструкции направляющих аппаратов, в которых полностью отсутствуют диффузорные каналы, но есть хорошо оформленные наклонные переходные каналы (патент РФ №2142069, МКИ F04D 29/44, опубл. 27.11.1999).
Общим недостатком для всех перечисленных направляющих аппаратов является сложность изготовления.
Наиболее близким техническим решением является радиальный направляющий аппарат, имеющий цилиндрический корпус, выполненный заодно с верхним диском, и нижний диск в виде отдельной детали. На нижней, боковой и верхней поверхностях нижнего диска расположены направляющие лопатки, образующие с плоскими поверхностями верхних дисков данной и соседней ступеней, а также с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса последовательность направляющих каналов: спирального выхода, диффузорного канала, переходного канала, обратного канала. При этом на боковой поверхности нижнего диска образованы выемки (см., например, Богданов А.А. Центробежные погружные электронасосы для добычи нефти. М.: Недра, 1968, с.48-49, фиг.36).
Недостатком данного направляющего аппарата является достаточно высокая сложность изготовления нижнего диска, особенно для малых габаритов.
Описываемая конструкция направляющего аппарата изготавливается из более простых по форме деталей, обеспечивает высокие напорные и энергетические характеристики ступени и эффективную работу при перекачке газожидкостных смесей.
Это достигается тем, что радиальный направляющий аппарат центробежного многоступенчатого насоса, содержащий цилиндрический корпус, верхний и нижний диски, спиральные выходы, соединенные с обратными каналами посредством переходных каналов, согласно изобретению снабжен вкладышами, примыкающими к внутренней поверхности цилиндрического корпуса и установленными напротив спиральных выходов, при этом в теле вкладышей выполнены наклонные профилированные выемки, формирующие переходные каналы. Кроме того, спиральные выходы ограничены направляющими вертикальными вставками, установленными на периферии нижнего диска и имеющими на наружных сторонах, по крайней мере, по два выступа, причем направляющие вертикальные вставки и верхний диск выполнены в виде отдельных деталей, а обратные каналы сформированы на нижней поверхности верхнего диска.
Вкладыш может быть выполнен в форме тела, ограниченного внутренней и внешней цилиндрическими поверхностями, параллельными оси направляющего аппарата, двумя торцевыми плоскостями, параллельными оси направляющего аппарата, и двумя горизонтальными гранями, перпендикулярными оси направляющего аппарата, а наклонная профилированная выемка сформирована на внутренней цилиндрической поверхности вкладыша. При этом вкладыши установлены в периферийных выемках нижнего диска и зафиксированы со стороны торцевых плоскостей между выступами соседних направляющих вертикальных вставок.
Дно выемки во вкладыше может быть образовано цилиндрической поверхностью, ось которой параллельна оси направляющего аппарата, а стенки выемки выполнены в виде сложной цилиндрической поверхности, образующие которой перпендикулярны оси направляющего аппарата. Эта поверхность имеет вогнутые и выпуклые участки переменной кривизны, причем для обеспечения непрерывного тока жидкости входные и выходные участки выемки параллельны или направлены под малым углом к ее горизонтальным граням и плавно сопряжены с промежуточной частью, выполненной наклонной.
Периферийные участки нижнего диска между выемками могут быть выполнены утолщенными и на их верхней стороне сформированы плавно сужающиеся наклонные углубления, совпадающие по внешним сторонам с обратными каналами и образующие с ними переходные камеры.
Вкладыш целесообразно изготавливать методом прессования вдоль оси, параллельной его горизонтальным граням. Во избежание осевого смещения конструкция закрепляется с помощью кольцевой крышки со спиральными выступами, установленной под нижним диском.
Предпочтительно соединять отдельные детали направляющего аппарата путем склейки, пайки, сварки или фиксирующих элементов.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 показана ступень с направляющим аппаратом заявляемой конструкции, продольный разрез ступени по плоскости, проходящей через ось вала и пересекающей вкладыш вблизи входа в переходный канал, разрез по В-В, фиг.2.
На фиг.2 - направляющий аппарат без крышки, вид снизу.
На фиг.3 - верхний диск направляющего аппарата, вид снизу.
На фиг.4 - нижний диск направляющего аппарата, вид снизу.
На фиг.5 - вкладыш направляющего аппарата, вид сверху (а) и со стороны выемки (б, в).
На фиг.6 - направляющие вертикальные вставки, общий вид.
На фиг.7 - нижний диск направляющего аппарата с направляющими вертикальными вставками, вид снизу.
На фиг.8 - направляющие вертикальные вставки и вкладыши, кольцевая сборка.
На фиг.9 - крышка направляющего аппарата, вид сверху.
На фиг.10 - вариант выполнения нижнего диска с сужающимися наклонными углублениями.
Ступени многоступенчатого насоса набираются на валу 1. Каждая ступень содержит направляющий аппарат 2 и рабочее колесо 3 (фиг.1).
Направляющий аппарат 2 состоит из цилиндрического корпуса 4, верхнего диска 5, нижнего диска 6, вкладышей 7, направляющих вертикальных вставок 8 и крышки 9, выполненных в виде отдельных деталей. Цилиндрический корпус 4 выполнен с уступом 10 и состыкован с кольцевым элементом 11. Направляющие вертикальные вставки 8 установлены на выходе рабочего колеса 3 и фиксируют положение вкладышей 7 (фиг.2). На нижней поверхности верхнего диска 5 между ребрами 12 сформированы обратные каналы 13 (фиг.3). По периферии диска 5 выполнены фигурные гнезда 14, предназначенные для размещения вкладышей 7.
Нижний диск 6 имеет гладкие внешние и внутренние поверхности и выполнен заодно с втулкой 15. В боковой части нижнего диска 6 сформированы трехгранные выемки 16 для вкладышей 7 (фиг.4).
Вкладыш 7 (фиг.5) ограничен внутренней 17 и внешней 18 цилиндрическими поверхностями, параллельными оси направляющего аппарата, двумя торцевыми плоскостями 19 и 20, параллельными оси направляющего аппарата 2, и двумя горизонтальными гранями 21 и 22, перпендикулярными оси направляющего аппарата. На внутренней цилиндрической поверхности 17 сформирована наклонная профилированная выемка 23 с цилиндрическим дном 24 и стенками 25. Выемка 25 может иметь вогнутые 26 и выпуклые 27 участки. Входные 28 и выходные 29 участки выемки 23 параллельны или направлены под малым углом к ее горизонтальным 21 и 22 граням и плавно сопряжены с наклонной промежуточной частью между вогнутыми 26 и выпуклыми 27 участками. Форма выемки 23 обеспечивает возможность прессования вкладыша 7 вдоль оси, параллельной его горизонтальным плоским граням 21 и 22.
Число вертикальных направляющих вертикальных вставок 8 (фиг.6), формирующих боковые стенки спиральных выходов, соответствует числу вкладышей 7. Направляющие вертикальные вставки 8 могут быть изготовлены с двумя выступами 30 и 31.
Внутренняя сторона 32 вертикальных вставок 8 (фиг.7, 8) служит цилиндрической поверхностью спиральных выходов 33, а внешняя сторона 34, которая при сборке стыкуется с внутренней поверхностью 17 вкладышей 7, образует четвертую стенку переходного канала. Выемка между выступами 30 и 31 облегчает вес вставок 8 и, как следствие, всего направляющего аппарата 2. Однако в некоторых вариантах, когда вертикальные направляющие вставки 8 для удобства сборки изготавливают заодно с нижним диском, выполнение выемки между выступами 30 и 31 нецелесообразно.
Каждый вкладыш 7 контактирует торцевой гранью 20 с выступом 30 одной вертикальной вставки 8, а торцевой гранью 19 - с выступом 31 соседней вертикальной вставки 8. Это обеспечивает фиксацию взаимного положения вкладышей 7 и вертикальных направляющих вставок 8.
Кольцевая крышка 9 с верхней стороны снабжена спиральными выступами 35 (фиг.9).
Чтобы увеличить площадь сечения переходных каналов, не увеличивая монтажную высоту ступени, на выступающих периферийных участках (выступах) 36 нижнего диска 6 с верхней стороны могут быть выполнены наклонные, плавно сужающиеся углубления 37 (фиг.10 б, в), ориентированные в сторону потока жидкости и являющиеся продолжением каналов, выходящих из вкладышей 7. При этом внешняя сторона 38 углубления 37 имеет дугообразную форму, которая при сборке направляющего аппарата 2 полностью совмещается с внешней стороной обратного канала 13 на верхнем диске 5, образуя единую стенку канала. Благодаря этому углублению происходит расширение проходного сечения между переходными и обратными каналами с формированием переходной камеры. Такой вариант может быть реализован в случае, когда выступы 36 выполнены утолщенными. Создание расширенной переходной камеры может быть осуществлено за счет углублений как в нижнем диске, так и в верхнем или в обоих дисках одновременно.
Сборка направляющего аппарата 2 может быть осуществлена следующим образом. Первоначально осуществляют кольцевую сборку из направляющих вставок 8 и вкладышей 7 (фиг.8). Для этого поочередно торцевую плоскость 20 каждого вкладыша 7 в области выемки 23 совмещают с наружной поверхностью выступов 31, а часть торцевой плоскости 19 над входом в выемку 23 прижимают к наружной стороне выступа 30 следующей направляющей вертикальной вставки 8. Нижние грани 21 вкладышей 7 располагают на одном горизонтальном уровне с нижними торцами направляющих вертикальных вставок 8. Полученную кольцевую сборку размещают на уступе 10 в цилиндрическом корпусе 4, после чего цилиндрическая поверхность 18 вкладыша 7 плотно примыкает к внутренней поверхности корпуса 4. Затем последовательно устанавливают нижний диск 6 до упора с верхними торцами вертикальных вставок 8, размещая вкладыши в трехгранных выемках 16, и верхний диск 5, который вставляют таким образом, чтобы верхние горизонтальные грани 22 вкладышей 7 упирались в дно гнезд 14, а ребра 12 соприкасались с верхней поверхностью нижнего диска 6. В результате между верхним диском 5 и нижним диском 6 формируются обратные каналы 13, ограниченные с четырех сторон. Собранную конструкцию закрепляют с помощью установки в кольцевом элементе 11 крышки 9, снабженной спиральными выступами 35. При этом верхнюю кромку В-В на плоской грани выступа 35 (фиг.9) совмещают с ребром А-А вкладыша 7 (фиг.5а). Это обеспечивается благодаря тому, что высота выступа 35 в месте стыковки равна толщине с-с стенки вкладыша 7 на входе в переходной канал.
Во время сборки направляющего аппарата 2 места стыков отдельных деталей промазываются шликером на основе порошковой смеси, из которой изготовлены эти детали. Благодаря этому после сборки и спекания зазоры между деталями направляющего аппарата 2 герметизируются и получаются проточные части, представляющие собой каналы, ограниченные с четырех сторон (переходные и обратные), что по сравнению с прототипом позволяет устранить возможные протечки.
Направляющий аппарат работает следующим образом. Поток перекачиваемой жидкости с рабочего колеса 3 попадает в спиральные отводы 33 на нижней поверхности нижнего диска 6 (фиг.7), затем проходит через переходные каналы во вкладышах 7 и поступает на периферийную часть обратных каналов 13, сформированных в верхнем диске 5 и закрытых снизу верхней стороной нижнего диска 6. Далее жидкость перемещается в радиальном направлении к центральной части дисков и через кольцевой зазор вокруг втулки 15 поднимается на вход рабочего колеса следующей ступени.
Предлагаемая конструкция позволяет увеличить напор за счет стабилизации потока в четырехгранных каналах и предотвращения перетоков рабочей жидкости между ступенями.
Оптимальная конфигурация переходных каналов снижает гидравлические потери и обеспечивает эффективную перекачку жидкости с высоким содержанием газа.
Выполнение направляющего аппарата разъемным позволяет использовать для его изготовления технологию порошкового материаловедения с привлечением широкого ассортимента материалов. Кроме того, в случае изнашивания каждый из элементов может быть заменен отдельно.
1. Радиальный направляющий аппарат центробежного многоступенчатого насоса, содержащий цилиндрический корпус, верхний и нижний диски, спиральные выходы, соединенные с обратными каналами посредством переходных каналов, отличающийся тем, что он снабжен вкладышами, примыкающими к внутренней поверхности цилиндрического корпуса и установленными напротив спиральных выходов, при этом в теле вкладышей выполнены наклонные профилированные выемки, формирующие переходные каналы.
2. Направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что спиральные выходы ограничены направляющими вертикальными вставками, установленными на периферии нижнего диска и имеющими на наружных сторонах по два выступа, причем вертикальные вставки и верхний диск выполнены в виде отдельных деталей, а обратные каналы сформированы на нижней поверхности верхнего диска.
3. Направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что вкладыш выполнен в форме тела, ограниченного внутренней и внешней цилиндрическими поверхностями, параллельными оси направляющего аппарата, двумя торцевыми плоскостями, параллельными оси направляющего аппарата и двумя горизонтальными гранями, перпендикулярными оси направляющего аппарата, а наклонная профилированная выемка сформирована на внутренней цилиндрической поверхности вкладыша.
4. Направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что вкладыши установлены в периферийных выемках нижнего диска и зафиксированы со стороны торцевых плоскостей между выступами соседних вертикальных направляющих вставок.
5. Направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что дно выемки во вкладыше образовано цилиндрической поверхностью, ось которой параллельна оси направляющего аппарата, а стенки выемки выполнены в виде сложной цилиндрической поверхности, перпендикулярной оси направляющего аппарата и имеющей вогнутые и выпуклые участки переменной кривизны, причем для обеспечения непрерывного тока жидкости входные и выходные участки выемки параллельны или направлены под малым углом к ее горизонтальным граням и плавно сопряжены с промежуточной частью, выполненной наклонной.
6. Направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что периферийные участки нижнего диска между выемками выполнены утолщенными и на их верхней стороне сформированы плавно сужающиеся наклонные углубления, совпадающие по внешним сторонам с обратными каналами и образующие с ними переходные камеры.
7. Направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что вкладыш изготовлен методом прессования вдоль оси, параллельной его горизонтальным граням.
