Ступень погружного многоступенчатого высокоскоростного центробежного насоса

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в погружных центробежных высокоскоростных скважинных насосах для добычи нефти из скважин с высоким содержанием солей, свободного газа и механических примесей. Ступень насоса содержит рабочее колесо со ступицей и направляющий аппарат, состоящий из стакана, верхнего диска с осевой опорой, нижнего диска и лопаток. Верхний диск с осевой опорой выполнены монолитно со стаканом, стакан выполнен из перфорированного металлического цилиндра со слоем полимерного материала на его внутренней поверхности и перфорациями, заполненными полимерным материалом. На внешней стороне и/или на торце стакана выполнена круговая канавка для расположения в ней уплотнительного кольца. Верхний и нижний диски, лопатки аппарата и рабочее колесо изготовлены из полимерного материала, а поверхности трения осевых и радиальных опор выполнены в виде подшипников трения скольжения, изготовленных из износостойкого металлического сплава и/или керамики и закрепленных на поверхностях опор деталей насоса клеевым соединением и/или за счет адгезии в процессе литья или прессования полимерной детали, причем поверхности соединения подшипников с деталью выполнены в виде соединения «шип-паз». Изобретение направлено на уменьшение массы и повышение надежности работы ступени. 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в погружных центробежных высокоскоростных скважинных насосах для добычи нефти из скважин с высоким содержанием солей, свободного газа и механических примесей.

Погружные центробежные насосы, как правило, содержат одну или несколько насосных секций. Насосная секция такого насоса состоит из корпуса, в котором установлены направляющие аппараты и вал с рабочими колесами (Чичеров Л.Г. и др. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования. - М.: Недра, 1987). При этом в процессе эксплуатации проходные каналы рабочих колес и направляющих аппаратов забиваются механическими примесями, особенно первых ступеней, что является причиной срыва потока насоса, износа щелевых уплотнений, повышенной вибрации и, как следствие, выхода насоса из строя. Кроме того, элементы насоса подвергаются воздействию агрессивной среды, в результате чего металлические детали подвержены коррозии. Взаимодействие пар трения в агрессивной среде скважины, в которой присутствуют взвешенные механические частицы, приводит к их интенсивному изнашиванию.

Известен погружной центробежный насос для откачки пластовой жидкости из нефтяных скважин. Каждая ступень такого насоса содержит рабочее колесо закрытого типа и направляющий аппарат с лопатками, выступающими за диаметральный размер наружной крышки аппарата. Рабочее колесо ступени имеет спрофилированные лопатки между ведущим и ведомым дисками (Богданов Н.А. Погружные центробежные насосы для добычи нефти. - М.: Недра, 1968, 38-50 с.).

Известна ступень многоступенчатого центробежного насоса (патент РФ №2220327, МПК F04D 29/02, 27.12.2003), содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо, выполненное в виде единого целого со втулкой, внешняя цилиндрическая поверхность которой образует пару трения с соответствующей внутренней цилиндрической поверхностью направляющего аппарата. Одна из деталей, поверхности которых образуют упомянутую пару трения, выполнена из спеченного пористого металлического материала, а вторая деталь выполнена из литейного чугуна нирезиста, при этом, по меньшей мере, часть детали из спеченного пористого металлического материала пропитана сплавом с высоким содержанием меди.

Недостатками известного насоса (патент РФ №2220327, МПК F04D 29/02, 27.12.2003) являются значительная трудоемкость и высокая стоимость его изготовления при низкой коррозионной и износостойкости, а также значительный вес деталей, выполненных методами спекания и литья.

Наиболее близким аналогом является ступень погружного центробежного насоса (патент № РФ 2274769, МПК F04D 13/10, F04D 29/02, СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА. 20.04.2006). Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса содержит рабочее колесо с втулкой и направляющий аппарат, состоящий из стакана, верхнего диска, втулки, нижнего диска (крышки) и лопастей, где рабочее колесо с втулкой выполнены из пластмассы, например из полиамида с наполнителем. Лопасти и втулка расположены на отдельной планшайбе, закрепленной на верхнем диске, а нижний диск выполнен в виде крышки, при этом планшайба лопасти и нижний диск выполнены из пластмассы.

Однако использование сплошного металлического стакана направляющего аппарата делает конструкцию металлоемкой, использование в качестве подшипников скольжения радиальных и осевых опор пластмассы не пригодно для высокоскоростных режимов перекачки (до 10 тыс. об/мин), поскольку вызывает схватывание или сварку поверхностей трения.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание такой ступени погружного насоса, который позволил бы с наименьшими экономическими затратами производить и эксплуатировать погружные высокоскоростные центробежные насосы в условиях работы в скважинах с высоким содержанием минеральных солей, механических и абразивных примесей в пластовой жидкости, за счет изготовления элементов насоса пониженной массой, обеспечивающих требуемые эксплуатационные свойства насосов, а также обеспечение повышенной надежности поверхностей трения радиальных и осевых опор элементов насоса в условиях высокоскоростных режимов работы.

Таким образом, техническим результатом изобретения является уменьшение массы изделия и повышение надежности его работы.

Технический результат достигается за счет того, что ступень погружного многоступенчатого высокоскоростного центробежного насоса, содержащая рабочее колесо со ступицей и направляющий аппарат, состоящий из стакана, верхнего диска, с осевой опорой, нижнего диска и лопаток, в отличие от прототипа, верхний диск направляющего аппарата с осевой опорой выполнены монолитно со стаканом, причем стакан выполнен из перфорированного металлического цилиндра со слоем полимерного материала на его внутренней поверхности и перфорациями, заполненными полимерным материалом, а на внешней стороне и/или на торце стакана выполнена по крайней мере одна круговая канавка, обеспечивающая возможность расположения в ней уплотнительного кольца, причем верхний диск, нижний диск, лопатки направляющего аппарата и рабочее колесо изготовлены из полимерного материала, а поверхности трения осевых и радиальных опор выполнены в виде подшипников трения скольжения, изготовленных из износостойкого металлического сплава, и/или керамики, и/или карболита, и/или карбонита и закрепленных на поверхностях опор деталей насоса клеевым соединением и/или за счет адгезии в процессе литья или прессования полимерной детали, причем поверхности соединения подшипников с деталью выполнены в виде соединения «шип-паз», при этом возможны следующие варианты выполнения насоса: в качестве полимерного материала используются композиции на основе полифениленсульфида; перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде кругов диаметром от 1 мм до 5 мм, общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем круги расположены по поверхности равномерно; в качестве полифениленсульфида используется фортрон; перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде овалов, общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем овалы расположены по поверхности равномерно; перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде кругов и овалов, общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем круги и овалы расположены по поверхности равномерно, при их чередовании; соединения «шип-паз», выполнены в виде цилиндрических отверстий и соответствующих им цилиндрических шипов и/или отверстий и шипов прямоугольного сечения; на периферийной части внешней поверхности рабочего колеса выполнены, по крайней мере, три равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, ориентированные под углом от 45 до 85 градусов в направлении, противоположном вращению рабочего колеса.

В процессе эксплуатации насоса, стаканы направляющего аппарата подвергаются воздействию осевых нагрузок, возникающих вследствие перепада давления. Поэтому, в традиционных насосах, для обеспечения необходимой прочности, стаканы изготавливаются чисто металлическими. Однако это приводит к их преждевременному разрушению из-за интенсивной коррозии. Это противоречие решается в предлагаемом техническим решении за счет выполнения стакана из перфорированного металлического цилиндра с покрытием из полимерного материала на его внутренней поверхности, причем полимерный материал покрытия заполняет перфорации металлического цилиндра. При этом полимерное покрытие надежно защищает металлический каркас от коррозионного износа, а металлический цилиндр обеспечивает необходимую прочность стакана. За счет заполнения полимерным материалом покрытия перфораций металлического цилиндра, обеспечивается прочное сцепление покрытия с основным материалом цилиндра. В известных же технических решениях (например, патент № РФ 2274769) верхний диск направляющего аппарата присоединяется к металлическому стакану, что приводит к возникновению дополнительного «проблемного» стыка на границе «стакан - верхний диск» или «металл-полимер», герметичность которого должна быть обеспечена. В предлагаемом же техническом решении стакан направляющего аппарата и верхний диск выполняются в виде одной детали из полимерного материала. Еще одним преимуществом выполнения композиционной детали, совмещающей достоинства металла и полимера в одной детали, является уменьшение веса конструкции и снижение стоимости насоса за счет экономии более дорогого материала (металла). При этом из полимерного материала могут быть изготовлены другие элементы и детали насоса, такие как рабочее колесо, элементы направляющего аппарата. Преимущество увеличения доли полимерного материала в конструкции насоса связано с меньшей плотностью этого материала по сравнению с металлом, низкой подверженностью коррозии, небольшой стоимостью и меньшей склонностью к отложению солей. В качестве полимерного материала могут быть использованы композиции на основе полифениленсульфида с армирующей фазой, например, фортрон.

Использование перфораций в металлическом цилиндре стакана позволяет уменьшить долю металла в монолитной детали «верхний диск - стакан» при обеспечении той же жесткости конструкции. Перфорации в металлическом цилиндре стакана позволяют сделать соединение металлического каркаса с полимерным покрытием более надежным, поскольку полимерный материал пронизывает насквозь металлический цилиндр, через выполненные в нем перфорации. Перфорации металлического цилиндра выполняются в поперечном сечении в виде кругов диаметром от 1 мм до 5 мм, и/или овалов, общей площадью кругов или овалов от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем круги и овалы расположены по поверхности равномерно, а при использовании перфораций в виде кругов и овалов - они располагаются по поверхности, чередуясь друг с другом. Использование диаметра круглых перфораций менее 1 мм и более 5 мм, а также общей площади перфораций менее 10% ухудшает прочность сцепления «полимер-металл». Превышение общей площади перфораций более 70% снижает прочность стакана.

Для обеспечения надежности узлов трения при эксплуатации в условиях высокоскоростного режима работы насоса поверхности трения осевых и радиальных опор выполнены в виде подшипников трения скольжения, изготовленных из износостойкого металлического сплава, и/или керамики, и/или карболита, и/или карбонита и закрепленных на поверхностях опор деталей насоса клеевым соединением и/или за счет адгезии в процессе литья или прессования полимерной детали, причем поверхности соединения подшипников с деталью выполнены в виде соединения «шип-паз». Изготовление поверхностей трения осевых и радиальных опор в виде подшипников трения скольжения из износостойкого металлического сплава и/или керамики позволяет повысить надежность работы насоса за счет предотвращения схватывания поверхностей при высокоскоростном режиме работы насоса. Закрепление подшипников на поверхностях опор деталей насоса клеевым соединением и/или за счет адгезии в процессе литья или прессования полимерной детали, а также использование соединения подшипников с деталью типа «шип-паз» позволяет надежно закрепить подшипник и предотвратить его проворот относительно опорной поверхности, на которой он закреплен. Использование на периферийной части внешней поверхности рабочего колеса равномерно расположенных по поверхности дополнительных лопаток, ориентированные под углом от 45 до 85 градусов в направлении, противоположном вращению рабочего колеса, наряду с углублениями между ними, позволяет предотвратить перемещения жидкости в областях между дисками рабочего колеса и соседними направляющими аппаратами, а также препятствовать образованию газовых пузырьков. Их число может составлять от 3 до 27. Углы меньше 45 градусов и больше 85 градусов снижают указанный эффект.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1-5 представлено: фиг.1 - разрез ступени насоса, выполненный в соответствии с изобретением; фиг.2 - вид направляющего аппарата со стаканом с внешней (фиг.2а) и внутренней (фиг.2б) сторон; фиг.3 - вид направляющего аппарата со снятым опорным подшипником (фиг.3а - опорный подшипник, фиг.3б - направляющий аппарат); фиг.4 - направляющий аппарат со стаканом в разрезе и фиг.5 - рабочее колесо (фиг.5а - вид рабочего колеса спереди, фиг.5б - вид рабочего колеса сзади).

Фиг.1-5 содержат: 1 - стакан; 2 - рабочее колесо; 3 - ступица; 4 - ось насоса; 5 - металлический цилиндр с перфорациями; 6 - полимерный материал; 7 - направляющий аппарат; 8 - перфорации в металлическом цилиндре; 9 - верхний диск направляющего аппарата; 10 - лопатки направляющего аппарата; 11 - нижний диск направляющего аппарата; 12 - ступица; 13 - осевая опора; 14 - лопатки рабочего колеса; 15 - дополнительные периферийные лопатки; 16 - опорные подшипники скольжения; 17 - соединение «шип-паз»; 18 - шип; 19 - паз; 20 - отверстие ступицы; 21 - круговая канавка, обеспечивающая возможность расположения в ней уплотнительного кольца.

Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса содержит (фиг.1-5) рабочее колесо 2 со ступицей 3 и лопастями 14, направляющий аппарат 7, состоящий из верхнего диска 9 с осевой опорой 13, стакана 1, нижнего диска 11 со ступицей 12, лопаток 10. Верхний диск 9 направляющего аппарата 7 с осевой опорой 13 изготовлен монолитно со стаканом 1 из полимерного материала 6. Стакан 1 выполнен из перфорированного металлического цилиндра 5 с полимерным слоем на внутренней поверхности. Металлический цилиндр 5 выполнен с перфорациями 8. Верхний диск 9 с осевой опорой 13, нижний диск 11 и лопатки 10 направляющего аппарата 7, а также рабочее колесо 2 изготовлены из полимерного материала, а в качестве металла цилиндра 5 используется нержавеющая или легированная сталь. В качестве полимерного материала 6 используются композиции на основе полифениленсульфида. На рабочем колесе выполнены дополнительные периферийные лопатки 15. Поверхности трения снабжены опорными подшипниками скольжения 16, выполненными из износостойкого твердого металлического сплава или керамики и закрепленными на деталях насоса клеевыми или адгезионными соединениями посредством стыка «шип-паз» 17.

Работа ступени осуществляется следующим образом. Перекачиваемая жидкость подводится через направляющий аппарат 7 предыдущей ступени. Она проходит через каналы рабочего колеса 2, образованные между его лопастями. Колесо приводится во вращение валом насоса через ступицу 3. Выбрасываясь из рабочего колеса 2, перекачиваемая жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 7, образованные между лопатками 10. Пройдя через направляющий аппарат 7 со ступицей 12, жидкость направляется на вход рабочего колеса следующей ступени.

Пример. Были проведены сравнительные испытания двух партий насосов - по восемь штук в каждой. Одна партия насосов была изготовлена согласно прототипу (патент № РФ 2274769), другая - согласно предлагаемому техническому решению. Масса насоса, выполненного по предложенному техническому решению, была меньше на 22%, по сравнению с прототипом. Надежность работы, оцениваемая по длительности безотказной работы, у насосов по предлагаемому техническому решению была на 22-30% выше, чем у прототипа, а при высокоскоростных режимах - на 96-98%. Использование подшипников трения скольжения, изготовленных из износостойкого металлического сплава, из керамики, из карболита, а также из карбонита и закрепленных на поверхностях опор деталей насоса клеевым соединением или за счет адгезии в процессе литья или прессования полимерной детали, показали положительные результаты при испытаниях насосов при оборотах порядка 10 тыс. об/мин.

Таким образом, ступень погружного многоступенчатого высокоскоростного центробежного насоса, включающая следующие признаки: содержащая рабочее колесо со ступицей и направляющий аппарат, состоящий из стакана, верхнего диска, с осевой опорой, нижнего диска и лопаток; верхний диск направляющего аппарата с осевой опорой выполнены монолитно со стаканом; стакан выполнен из перфорированного металлического цилиндра со слоем полимерного материала на его внутренней поверхности и перфорациями, заполненными полимерным материалом, а на внешней стороне и/или на торце стакана выполнена по крайней мере одна круговая канавка, обеспечивающая возможность расположения в ней уплотнительного кольца; верхний диск, нижний диск, лопатки направляющего аппарата и рабочее колесо изготовлены из полимерного материала; поверхности трения осевых и радиальных опор выполнены в виде подшипников трения скольжения, изготовленных из износостойкого металлического сплава, и/или керамики, и/или карболита, и/или карбонита и закрепленных на поверхностях опор деталей насоса клеевым соединением и/или за счет адгезии в процессе литья или прессования полимерной детали; поверхности соединения подшипников с деталью выполнены в виде соединения «шип-паз»; в качестве полимерного материала используются композиции на основе полифениленсульфида; перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде кругов и/или овалов диаметром от 1 мм до 5 мм, общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра; круги расположены по поверхности равномерно при их чередовании; в качестве полифениленсульфида используется фортрон; соединения «шип-паз» выполнены в виде цилиндрических отверстий и соответствующих им цилиндрических шипов и/или отверстий и шипов прямоугольного сечения; на периферийной части внешней поверхности рабочего колеса выполнены по крайней мере три равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, ориентированные под углом от 45 до 85 градусов в направлении, противоположном вращению рабочего колеса - позволяет достичь поставленного в изобретении технического результата - уменьшение массы изделия и повышение надежности его работы.

1. Ступень погружного многоступенчатого высокоскоростного центробежного насоса, содержащая рабочее колесо со ступицей и направляющий аппарат, состоящий из стакана, верхнего диска, с осевой опорой, нижнего диска и лопаток, отличающаяся тем, что верхний диск направляющего аппарата с осевой опорой выполнены монолитно со стаканом, причем стакан выполнен из перфорированного металлического цилиндра со слоем полимерного материала на его внутренней поверхности и перфорациями, заполненными полимерным материалом, а на внешней стороне и/или на торце стакана выполнена по крайней мере одна круговая канавка, обеспечивающая возможность расположения в ней уплотнительного кольца, причем верхний диск, нижний диск, лопатки направляющего аппарата и рабочее колесо изготовлены из полимерного материала, а поверхности трения осевых и радиальных опор выполнены в виде подшипников трения скольжения, изготовленных из износостойкого металлического сплава, и/или керамики, и/или карболита, и/или карбонита и закрепленных на поверхностях опор деталей насоса клеевым соединением и/или за счет адгезии в процессе литья или прессования полимерной детали, причем поверхности соединения подшипников с деталью выполнены в виде соединения «шип-паз».

2. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что в качестве полимерного материала используются композиции на основе полифениленсульфида.

3. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде кругов диаметром от 1 мм до 5 мм, общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем круги расположены по поверхности равномерно.

4. Ступень по п.2, отличающаяся тем, что перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде кругов диаметром от 1 мм до 5 мм, общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем круги расположены по поверхности равномерно, а в качестве полифениленсульфида используется фортрон.

5. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде овалов, общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем овалы расположены по поверхности равномерно.

6. Ступень по п.2, отличающаяся тем, что перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде овалов, общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем овалы расположены по поверхности равномерно, а в качестве полифениленсульфида используется фортрон.

7. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде кругов и овалов, общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем круги и овалы расположены по поверхности равномерно, при их чередовании.

8. Ступень по п.2, отличающаяся тем, что перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде кругов и овалов, общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем круги и овалы расположены по поверхности равномерно, при их чередовании, а в качестве полифениленсульфида используется фортрон.

9. Ступень по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что соединения «шип-паз», выполнены в виде цилиндрических отверстий и соответствующих им цилиндрических шипов и/или отверстий и шипов прямоугольного сечения.

10. Ступень по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что на периферийной части внешней поверхности рабочего колеса выполнены по крайней мере три равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, ориентированные под углом от 45 до 85 градусов в направлении, противоположном вращению рабочего колеса.

11. Ступень по п.9, отличающаяся тем, что на периферийной части внешней поверхности рабочего колеса выполнены по крайней мере три равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, ориентированные под углом от 45 до 85 градусов в направлении, противоположном вращению рабочего колеса.