Погружной многоступенчатый центробежный насос
Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к многоступенчатым погружным насосам для откачки пластовой жидкости из скважин. Насос содержит вал, по крайней мере, одну ступень с направляющим аппаратом и рабочим колесом. Направляющий аппарат выполнен в виде цельнолитой конструкции из чугуна и состоит из обечайки, нижнего диска со ступицей, верхнего диска и лопаток. Рабочее колесо выполнено в виде цельнолитой конструкции из чугуна и содержит ведущий диск со ступицей, покрывной диск и лопасти. Между верхним диском аппарата и ведомым диском колеса, между ступицей аппарата и ведущим диском колеса установлены осевые опоры, в состав которых входят опорные шайбы. На валу для каждой ступени установлена уплотнительная втулка, длина которой составляет не менее пятидесяти процентов длины ступицы аппарата. На внутреннем диаметре ступицы аппарата, со стороны ступицы колеса, изготовлена проточка, диаметр которой заведомо больше наружного диаметра ступицы колеса. Изобретение направлено на повышение КПД центробежного насоса, его износостойкости, допустимого количества свободного газа и механических примесей, а также снижение себестоимости изготовления ступеней. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к многоступенчатым погружным насосам для откачки пластовой жидкости из скважин.
Известна ступень многоступенчатого центробежного насоса, содержащая рабочее колесо из порошка технического железа, причем на внешней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены импеллеры (Патент РФ №2245761, БИ №4,10.02.2005 г.). Недостатками данной ступени являются гидравлические потери из-за несовершенной пары трения и, как следствие, невысокий КПД ступени.
Известна также центробежно-вихревая ступень центробежного насоса, содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо, изготовленное из порошковых материалов (Агеев Ш.Р. и др. «Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение: Энциклопедический справочник», Пермь: ООО «Пресс-Мастер», 2007, с. 75, рис. 2.8в). Данная ступень не обеспечивает эффективного удаления механических примесей, что приводит к повышенному износу радиальной пары трения, осевых опор, обечайки.
Наиболее близким аналогом является ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, рабочее колесо которой выполнено цельнолитым из чугуна и содержит импеллеры - лопаточные венцы (Патент РФ №2449176, БИ №12, 27.04.2012 г.). Недостатком ступени является ее высокая себестоимость из-за необходимости вводить дорогостоящие добавки в материал, из которого изготовлена ступень с целью снижения коэффициента трения.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД центробежного насоса, его износостойкости, допустимого количества свободного газа и механических примесей, а также снижение себестоимости изготовления ступеней.
Техническая задача решается тем, что в погружной многоступенчатый центробежный насос, в состав которого входит вал, по крайней мере, одна ступень, содержащая направляющий аппарат, выполненный в виде цельнолитой конструкции из чугуна, состоящий из обечайки, нижнего диска со ступицей, верхнего диска, между дисками изготовлены лопатки, рабочее колесо, выполненное в виде цельнолитой конструкции из чугуна, которое содержит ведущий диск со ступицей и покрывной диск, между дисками размещены лопасти, причем между верхним диском направляющего и ведомым диском рабочего колеса, между ступицей направляющего аппарата и ведущим диском рабочего колеса установлены осевые опоры, в состав которых входят опорные шайбы, в соответствии с изобретением на валу для каждой ступени установлена уплотнительная втулка, длина которой составляет не менее пятидесяти процентов длины ступицы направляющего аппарата, на внутреннем диаметре ступицы направляющего аппарата, со стороны ступицы рабочего колеса изготовлена проточка, диаметр которой заведомо больше наружного диаметра ступицы рабочего колеса.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, на внешнем диаметре уплотнительной втулки изготовлена винтовая канавка.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, по крайней мере, на одной опорной шайбе изготовлены радиальные канавки.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения на внутреннем диаметре обечайки направляющего аппарата изготовлена винтовая канавка.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения чугун содержит, в частности, кремний, марганец, хром, церий, фосфор и серу при следующем содержании указанных элементов, мас.%:
| углерод | 3,5-3,9 |
| кремний | 2,1-2,7 |
| марганец | 0,4-0,6 |
| хром | <0,12 |
| сера | 0,05-0,07 |
| фосфор | <0,3 |
| церий | <0,03 |
| бор | <0,01 |
Кроме того, в частном случае реализации изобретения чугун содержит, в частности, кремний, марганец, хром, никель, медь, фосфор и серу при следующем содержании указанных элементов, мас.%:
| углерод | 3,25-3,6 |
| кремний | 1,8-2,4 |
| марганец | 0,5-0,85 |
| хром | 0,1-0,2 |
| никель | 0,1-0,3 |
| медь | 0,2-0,5 |
| сера | 0,09-0,15 |
| фосфор | <0,1 |
| олово | 0,06-0,1 |
Краткое описание графических материалов, поясняющих сущность изобретения.
На фиг. 1 представлен пакет ступеней погружного многоступенчатого центробежного насоса в разрезе в составе секции погружного многоступенчатого насоса.
На фиг. 2 - опорная шайба с радиальными канавками, вариант исполнения канавок.
На фиг. 3 - секция погружного многоступенчатого насоса.
На фиг. 4 - направляющий аппарат с выполненной на внутреннем диаметре обечайки винтовой канавкой и с проточкой на ступице.
На фиг. 5 - рабочее колесо с лопаточным венцом в виде чередующихся каналов и вариант рабочего колеса с лопаточным венцом в виде чередующихся ячеек.
На фиг. 6 - уплотнительная втулка с винтовой канавкой.
Секция погружного многоступенчатого центробежного насоса содержит вал 1, корпус 2, в котором установлены ступени, головку 3 и основание 4. Каждая ступень содержит направляющий аппарат 5, выполненный в виде цельнолитой конструкции из чугуна, состоящий из обечайки 6, нижнего диска со ступицей 7, верхнего диска 8, между дисками изготовлены лопатки 9, и рабочее колесо 10, выполненное в виде цельнолитой конструкции из чугуна. На валу для каждой ступени установлена уплотнительная втулка 11, длина которой составляет не менее пятидесяти процентов длины ступицы 7 направляющего аппарата 5. Рабочее колесо 10 содержит ведущий диск 12 со ступицей 13 и покрывной диск 14, а между дисками размещены лопасти 15. На ведущем диске 12 рабочего колеса 10 изготовлен лопаточный венец 16. Лопаточный венец 16 может быть изготовлен в виде чередующихся ячеек, открытых с внешней стороны 17 (фиг. 3), каналов 18 (фиг. 4) или в виде комбинации чередующихся ячеек и каналов (фиг. 5). Между ступицей 7 направляющего аппарата 5 и ведущим диском 12 рабочего колеса 10 установлены осевые опоры 19, в состав которых входят опорные шайбы 20. На внутреннем диаметре ступицы 7 направляющего аппарата 5, со стороны ступицы 13 рабочего колеса 10, изготовлена проточка 21, диаметр которой заведомо больше наружного диаметра ступицы 13 рабочего колеса 10.
Между боковыми гранями каждой из лопаток лопаточного венца 16 и ведущим диском 12 выполнены скругления; высота лопаточного венца 16 не превышает минимальное расстояние между ведущим 12 и покрывным 14 дисками рабочего колеса 10, а радиус R скруглений составляет от 0,1 до 0,8 от этой величины.
На опорных шайбах 20 изготовлены радиальные канавки 22. Возможны варианты исполнения канавок 22. На внутреннем диаметре обечайки 6 направляющего аппарата 5 выполнена винтовая канавка 23. На внешнем диаметре уплотнительной втулки 11 также выполнена винтовая проточка 24.
Погружной многоступенчатый центробежный насос работает следующим образом. При вращении вала 1 крутящий момент передается на рабочие колеса 10. Пластовая жидкость входит в секцию через основание 4, последовательно проходит через рабочие колеса 10, направляющие аппараты 5, выходит через головку 3. При этом происходит повышение давления пластовой жидкости.
При вращении рабочего колеса 10 благодаря наличию лопаточного венца 16 на ведущем диске 12 жидкость в пазухе между этим диском и направляющим аппаратом 5 вращается с большей угловой скоростью, чем при отсутствии лопаточного венца. Возникает торообразный вихрь, благодаря которому происходит переход жидкости от рабочего колеса 10 к направляющему аппарату 5. Уплотнительная втулка 11, которая может быть изготовлена из более твердого материала, чем аппарат, направляющий 5 и колесо рабочее 10, и, соответственно, из материала с меньшим коэффициентом трения, позволяет повысить КПД насоса за счет снижения потерь на трение. При помощи винтовой канавки 24 на внутреннем диаметре обечайки направляющего аппарата механические примеси эффективно переходят с потоком жидкости из одной ступени на вход в направляющий аппарат следующей ступени. Свободный газ, присутствующий в потоке жидкости, диспергируется лопаточным венцом 16.
По радиальным канавкам 22, изготовленным на опорных шайбах 20, потоком жидкости вымываются механические примеси из пары трения, за счет чего повышается износостойкость насоса. Винтовая канавка 25, изготовленная на внешнем диаметре уплотнительной втулки 11, позволяет снизить перетечки за счет гидродинамики, повысить износостойкость и допустимое содержание механических примесей за счет устранения механических примесей из пары трения.
Уплотнительная втулка, установленная на валу для каждой ступени, длина которой составляет не менее пятидесяти процентов длины ступицы направляющего аппарата, позволяет повысить КПД насоса за счет снижения потерь на трение, за счет того, что может быть выполнена из материала с меньшим коэффициентом трения. Повышение ресурса может произойти в случае изготовления этой втулки из более твердого материала.
Винтовая канавка, изготовленная на внешнем диаметре уплотнительной втулки, позволяет снизить перетечки за счет гидродинамики, повысить износостойкость и допустимое содержание механических примесей за счет устранения механических примесей из пары трения.
Радиальные канавки, изготовленные, по крайней мере, на одной опорной шайбе, позволяют повысить износостойкость и допустимое содержание механических примесей за счет устранения механических примесей из пары трения.
Винтовая канавка, изготовленная на внутреннем диаметре обечайки направляющего аппарата, позволяет увеличить допустимое содержание свободного газа за счет диспергирования и механических примесей за счет эффективного перевода из этой ступени на вход в следующий направляющий аппарат.
Вышеуказанный состав чугуна позволяет снизить стоимость изделия.
1. Погружной многоступенчатый центробежный насос, в состав которого входит вал, по крайней мере, одна ступень, содержащая направляющий аппарат, выполненный в виде цельнолитой конструкции из чугуна, состоящий из обечайки, нижнего диска со ступицей, верхнего диска, между дисками изготовлены лопатки, рабочее колесо, выполненное в виде цельнолитой конструкции из чугуна, которое содержит ведущий диск со ступицей и покрывной диск, между дисками размещены лопасти, причем между верхним диском направляющего аппарата и ведомым диском рабочего колеса, между ступицей направляющего аппарата и ведущим диском рабочего колеса установлены осевые опоры, в состав которых входят опорные шайбы, отличающийся тем, что на валу для каждой ступени установлена уплотнительная втулка, длина которой составляет не менее пятидесяти процентов длины ступицы направляющего аппарата, на внутреннем диаметре ступицы направляющего аппарата, со стороны ступицы рабочего колеса, изготовлена проточка, диаметр которой заведомо больше наружного диаметра ступицы рабочего колеса.
2. Погружной многоступенчатый центробежный насос по п. 1, отличающийся тем, что на внешнем диаметре уплотнительной втулки изготовлена винтовая канавка.
3. Погружной многоступенчатый центробежный насос по п. 1, отличающийся тем, что, по крайней мере, на одной опорной шайбе изготовлены радиальные канавки.
4. Погружной многоступенчатый центробежный насос по п. 1, отличающийся тем, что на внутреннем диаметре обечайки направляющего аппарата изготовлена винтовая канавка.
5. Погружной многоступенчатый центробежный насос по п. 1, отличающийся тем, что чугун содержит, в частности, кремний, марганец, хром, церий, фосфор и серу, при следующем содержании указанных элементов, мас. %:
| углерод | 3,5-3,9 |
| кремний | 2,1-2,7 |
| марганец | 0,4-0,6 |
| хром | <0,12 |
| сера | 0,05-0,07 |
| фосфор | <0,3 |
| церий | <0,03 |
| бор | <0,01 |
6. Погружной многоступенчатый центробежный насос по п. 1, отличающийся тем, что чугун содержит, в частности, кремний, марганец, хром, никель, медь, фосфор и серу, при следующем содержании указанных элементов, мас. %:
| углерод | 3,25-3,6 |
| кремний | 1,8-2,4 |
| марганец | 0,5-0,85 |
| хром | 0,1-0,2 |
| никель | 0,1-0,3 |
| медь | 0,2-0,5 |
| сера | 0,09-0,15 |
| фосфор | <0,1 |
| олово | 0,06-0,1 |
