ВИХРЕВОЙ НАСОС НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
CONTINUOUS ACTION VORTEX PUMP

Изобретение является усовершенствованием вихревого насоса непрерывного действия, используемого, например, в системах нагнетания в нефтяных скважинах.
Обычный вихревой насос описан в патенте PI 0603597-3. Этот вихревой насос непрерывного действия состоит из насосного агрегата, снабженного впускным отверстием, находящимся в контакте с перекачиваемой текучей средой, и выпускным отверстием, находящимся в контакте с патрубком насоса; насосный агрегат приводится в действие от вала, соединенного с двигательной установкой.
Когда вихревой насос непрерывного действия установлен в скважине, такой как, например, нефтяная, насосный агрегат размещается внутри обсадной трубы скважины с верхним концом, расположенным на поверхности скважины, и нижним концом, находящимся в контакте с перекачиваемой текучей средой. Аналогично трубопроводы насоса проходят внутри обсадной трубы скважины к поверхности скважины.
В случае, описанном в заявке PI 0603597-3, вал вихревого насоса непрерывного действия проходит от насосного агрегата через трубопровод насоса до двигательной установки, расположенной на поверхности скважины. В патенте MU 8802106-8 описан вихревой насос непрерывного действия, в котором вал проходит от насосного агрегата к двигательной установке, состоящей из погружного электродвигателя, расположенного под насосным агрегатом.
В вихревом насосе непрерывного действия, как с двигательной установкой на поверхности, так и с погружной двигательной установкой, насосный агрегат также оснащен корпусом насоса, внутри которого находится несколько ступеней перекачки. Каждая ступень перекачки образована статором, прикрепленным к корпусу насоса, диффузором, закрепленным на передней части статора, вторым диффузором на задней части статора и ротором, соединенным с валом и установленным внутри статора.
Каждая ступень перекачки состоит из впускной секции, соединенной с кольцевым каналом, который, в свою очередь, соединен с выпускной секцией. Лопатки ротора установлены внутри кольцевого канала. Ступени перекачки расположены таким образом, что выпускная секция предшествующей ступени перекачки соединена с впускной секцией последующей ступени перекачки.
В условиях эксплуатации вращение ротора принуждает текучую среду поступать в ступень перекачки через впускную секцию; затем текучая среда проходит вдоль кольцевого канала, выходит из ступени перекачки через выпускную секцию и движется к последующей ступени перекачки. Таким образом, давление текучей среды между впускной секцией и выпускной секцией возрастает.
В обычном вихревом насосе непрерывного действия имеется проблема избыточного напряжения сдвига, действующего на вал, которое может вызвать разрушение вала вследствие среза. В частности, перепад давления между впускной секцией и выпускной секцией возникает за счет напряжения сдвига, которое действует на вал в каждой ступени перекачки.
Целью настоящего изобретения является усовершенствование вихревого насоса непрерывного действия таким образом, чтобы устранить проблему избыточного напряжения сдвига на валу.
С этой целью предложен вихревой насос непрерывного действия, в котором каждая ступень перекачки состоит по меньшей мере из двух впускных секций, при этом каждая впускная секция соединена с соответствующим кольцевым каналом, а каждый кольцевой канал соединен с соответствующей выпускной секцией; впускные секции и, соответственно, выпускные секции равномерно распределены вдоль внутреннего периметра статора, при этом ступени перекачки расположены таким образом, что каждая выпускная секция предшествующей ступени перекачки соединена с соответствующей выпускной секцией последующей ступени перекачки.
Равномерное распределение впускных и выпускных секций вдоль внутреннего периметра статора является благоприятным, поскольку это приводит к нулевому напряжению сдвига на валу в каждой ступени перекачки.
Изобретение можно лучше понять из приведенного ниже подробного описания, а также используя следующие чертежи.
На фиг. 1 показан продольный разрез вихревого насоса непрерывного действия в соответствии с настоящим изобретением, установленного в скважине, с двигательной установкой (50) на поверхности.
На фиг. 2 показан увеличенный вид области «A», показанной на фиг. 1.
На фиг. 3 приведен вид в разобранном состоянии вихревого насоса непрерывного действия со ступенями перекачки (24), выполненными в соответствии с первым вариантом воплощения изобретения.
На фиг. 4 приведен вид в разобранном состоянии ступени перекачки (24) вихревого насоса непрерывного действия, выполненного в соответствии с первым вариантом воплощения изобретения.
На фиг. 5 приведен вид в разобранном состоянии ступени перекачки (24) вихревого насоса непрерывного действия, выполненного в соответствии со вторым вариантом воплощения изобретения.
На фиг. 6 показан вид в плане диффузора (250), в соответствии с первым вариантом воплощения изобретения, с выделением его задней поверхности.
На фиг. 7 показан вид в плане диффузора (250), в соответствии с первым вариантом воплощения изобретения, с выделением его передней поверхности.
На фиг. 8 показан увеличенный вид области «В», показанной на фиг. 2.
На фиг. 9 изображен вид сверху ступени перекачки (24) со скрытыми другими диффузорами (250).
На фиг. 10 показан продольный разрез вихревого насоса непрерывного действия в соответствии с настоящим изобретением, установленного в скважине, с погружной двигательной установкой (50).
На фиг. 11 показан увеличенный вид области «C», показанной на фиг. 10.
В настоящем изобретении предложен вихревой насос непрерывного действия, состоящий из насосного агрегата (20), содержащего впускное отверстие (21), находящееся в контакте с перекачиваемой текучей средой (F), и выпускное отверстие (22), находящееся в контакте с патрубком (30) насоса; насосный агрегат (20) приводится в действие от вала (40), связанного с двигательной установкой (50) и также оснащенного корпусом насоса (23), внутри которого находится множество ступеней перекачки (24); каждая ступень перекачки (24) состоит из статора (240), прикрепленного к корпусу насоса (23), диффузора (250), прикрепленного к передней части статора (240), другого диффузора (250), прикрепленного к задней части статора (240), и ротора (260), соединенного с валом (40) внутри статора (240). В соответствии с настоящим изобретением каждая ступень перекачки (24) содержит по меньшей мере две впускные секции (E), каждая впускная секция (E) соединена с соответствующим кольцевым каналом (C), а каждый кольцевой канал (C) соединен с соответствующей выпускной секцией (S). Впускные секции (E) и, соответственно, выпускные секции (S) равномерно распределены вдоль внутреннего периметра статора (240), а ступени перекачки (24) расположены таким образом, что каждая выпускная секция (S) предыдущей ступени перекачки (24) соединена с соответствующей впускной секцией (E) последующей ступени перекачки (24).
Статор (240) имеет кольцевую форму, и его наружная поверхность (241) остается в контакте с внутренней поверхностью корпуса насоса (23). Внутренняя поверхность (242) статора (240) содержит по меньшей мере два запорных выступа (243) с плоскими передней и задней поверхностями (243a), кольцевой внутренней поверхностью (243b) и осевой длиной, более короткой, чем осевая длина статора (240); запорные выступы (243) равномерно распределены вдоль внутреннего периметра статора (240); по меньшей мере две части, не содержащие материала, образующие по меньшей мере два входа (244) статора, каждый из которых расположен по обе стороны соответствующего запорного выступа (243); по меньшей мере два проходных выступа (246) с плоскими передней и задней поверхностями (246a), осевой длиной, равной осевой длине запорного выступа (243), и внутренней поверхностью (246b) в виде криволинейной двойной наклонной поверхности со сходящимися вершинами (246c); каждый проходной выступ (246) расположен рядом с соответствующим входом (244) статора и по меньшей мере двумя частями, не содержащими материала, образующими два выхода (245) статора, где каждый выход (245) статора расположен рядом с соответствующим проходным выступом (246), и длина дуги (246) прохода выступа, по существу, больше, чем длина дуги (243) запорного выступа. Иначе говоря, проходные выступы (246) проходят по большей части внутреннего периметра статора (240), с одним концом каждого проходного выступа (246), прерываемым соответствующим входом (244) статора, и другим концом, прерываемым соответствующим выходом (245) статора, причем вход (244) и выход (245) статора разделены соответствующим запорным выступом (243).
Диффузор (250) имеет форму диска с центральным отверстием (251) для вала (40) и содержит по меньшей мере два осевых прохода (252), каждый из которых определяется отсутствием материала в области границы (250) диффузора. Осевые проходы (252) распределены равномерно вдоль наружного периметра диффузора (250), который содержит по меньшей мере две передние выемки (253a) на передней поверхности (253), где каждая передняя выемка (253a) проходит по дуге от соответствующего осевого прохода (252) до соответствующей передней части (253b), кроме того, диффузор (250) содержит по меньшей мере две задние выемки (254a) на задней поверхности (254); каждая задняя выемка (254a) простирается дугообразно от соответствующего осевого прохода (252) до соответствующей задней части без выемки (254b), находящейся рядом с осевым проходом (252), и смещена относительно задней части без выемки (254b), которая находится по соседству с указанным осевым проходом.
Ротор (260) имеет форму диска с центральным отверстием (261), позволяющим его соединение с валом (40); обод (262) ротора (260) имеет форму в виде криволинейной двойной наклонной поверхности со сходящимися вершинами (262a) и оснащен несколькими лопатками (263); диаметр ротора (260) до лопаток (263) больше, чем диаметр ротора (260) до вершин (262a).
Крепление диффузора (250) к передней части статора (240) выполнено посредством размещения задней поверхности диффузора (250) у передней поверхности запорных выступов (243) и передней поверхности проходных выступов (246), при этом каждая задняя часть без выемки совмещена с соответствующим запорным выступом (243). Крепление диффузора (250) к задней части статора (240) выполнено посредством размещения передней поверхности диффузора (253) у задней поверхности (243a) запорных выступов (243) и задней поверхности проходных выступов (246), при этом каждая передняя часть без выемки совмещена с соответствующим запорным выступом (243).
Ступень перекачки (24), выполненная в соответствии с первым вариантом воплощения изобретения, который лучше изображен на фиг. 4, состоит из двух впускных секций (E1, E2). Каждая впускная секция (E1, E2) соединена с соответствующим кольцевым каналом (C1, C2), а каждый кольцевой канал (C1, C2) соединен с соответствующей выпускной секцией (S1, S2). Впускные секции (E1, E2) и, соответственно, выпускные секции (S) равномерно распределены вдоль внутреннего периметра статора (240).
В данном случае внутренняя поверхность (242) статора (240) содержит два запорных выступа (243), равномерно распределенных вдоль внутреннего периметра статора (240), два входа (244) статора, каждый из которых расположен по обе стороны соответствующих запорных выступов (243); два проходных выступа (246), каждый из которых расположен рядом с соответствующим входом (244) статора, и два выхода (245) статора, расположенных рядом с соответствующим проходным выступом (246). Как показано на фиг. 6 и 7, диффузор (250), прикрепленный к передней части статора (240), имеет два осевых прохода (252), которые равномерно распределены вдоль наружного периметра диффузора (250), две передние выемки (253a), расположенные на его передней поверхности, при этом каждая из них проходит по дуге от соответствующего осевого прохода (252) до соответствующей передней части без выемки (253b), и две задние выемки (254a), расположенные на его задней поверхности, простирающиеся дугообразно от соответствующего осевого прохода (252) до соответствующей задней части без выемки (254b). Как показано на фиг. 6 и 7, другой диффузор (250), прикрепленный к задней части статора (240), имеет два осевых прохода (252), которые равномерно распределены вдоль наружного периметра диффузора (250); две передние выемки (253a), расположенные на его передней поверхности (253), при этом каждая из них простирается дугообразно от соответствующего осевого прохода (252) до соответствующей передней части без выемки (253b), и две задние выемки (254a), расположенные на его задней поверхности (254), при этом каждая простирается дугообразно от соответствующего осевого прохода (252) до соответствующей задней части без выемки (254b).
Первая впускная секция (E1) ступени перекачки (24), выполненная в соответствии с первым вариантом воплощения изобретения, образована совмещением осевого прохода (252) диффузора (250), прикрепленного к передней части статора (240), с соответствующим входом (244) статора и соответствующим передним концом с выемкой (253a), соседствующим с передней частью без выемки (253b) другого диффузора (250), прикрепленного к задней части статора. Первый кольцевой канал (C1), соединенный с первой впускной секцией (E1), образован совмещением соответствующей задней выемки (254a) диффузора (250), прикрепленного к передней части статора (240), с соответствующим проходным выступом (246) статора, с ободом (262) статора (260) и соответствующей передней выемкой (253a) другого диффузора (250), прикрепленного к задней части статора (240). Первая выпускная секция (S1), соединенная с первым кольцевым каналом (C1), образована совмещением соответствующего заднего конца с выемкой (254a), соседствующего с задней частью без выемки (254b) диффузора (250), прикрепленного к передней части статора (240), с соответствующим осевым проходом (252) диффузора (250), прикрепленного к задней части статора (240).
Вторая впускная секция (E2) ступени перекачки (24), выполненная в соответствии с первым вариантом воплощения изобретения, образована совмещением второго осевого прохода (252) диффузора (250), прикрепленного к передней части статора (240), с соответствующим входом (244) статора и соответствующим передним концом с выемкой (253a), соседствующим с передней частью без выемки (253b) другого диффузора (250), прикрепленного к задней части статора. Второй кольцевой канал (C2), соединенный со второй впускной секцией (E2), образован совмещением соответствующей задней выемки (254a) диффузора, прикрепленного к передней части статора (240), с соответствующим проходным выступом (246) статора (240), с ободом (262) статора (240) и соответствующей передней выемкой (253a) другого диффузора (250), прикрепленного к задней части статора (240). Вторая выпускная секция (S2), соединенная со вторым кольцевым каналом (C2), образована совмещением соответствующего заднего конца с выемкой (254a), соседствующего с задней частью без выемки (254b) диффузора (250), прикрепленного к передней части статора (240), с соответствующим выходом (245) статора и с соответствующим осевым проходом (252) диффузора (250), прикрепленного к задней части статора (240).
Ступень перекачки (24), выполненная в соответствии со вторым вариантом воплощения изобретения, который лучше показан на фиг. 5, состоит из трех впускных секций (E1, E2, E3), каждая из которых (E1, E2, E3) соединена с соответствующим кольцевым каналом (C1, C2, C3), каждый из которых (C1, C2, C3) соединен с соответствующей выпускной секцией (S1, S2, S3); впускные секции (E1, E2, E3) и, соответственно, выпускные секции (S1, S2, S3) равномерно распределены вдоль внутреннего периметра статора (240).
В данном случае внутренняя поверхность (242) статора (240) содержит три запорных выступа (243), равномерно распределенных вдоль внутреннего периметра статора (240), три входа (244) статора, каждый из которых расположен по обе стороны соответствующих запорных выступов (243); три проходных выступа (246), каждый из которых расположен рядом с соответствующим входом (244) статора, и три выхода (245) статора, расположенных рядом с соответствующим проходным выступом (246). Один диффузор (250), прикрепленный к передней части статора (240), имеет три осевых прохода (252), которые равномерно распределены вдоль наружного периметра диффузора (250), три передние выемки (253a), расположенные на его передней поверхности, при этом каждая из них простирается дугообразно от соответствующего осевого прохода (252) до соответствующей передней части без выемки (253b), и три задние выемки (254a), расположенные на его задней поверхности (254), при этом каждая из них простирается дугообразно от соответствующего осевого прохода (252) до соответствующей задней части без выемки (254b). Другой диффузор (250), прикрепленный к задней части статора (240), имеет три осевых прохода (252), которые равномерно распределены вдоль наружного периметра диффузора (250), три передние выемки (253a), расположенные на его передней поверхности, при этом каждая из них простирается дугообразно от соответствующего осевого прохода (252) до соответствующей передней части без выемки (253b), и три задние выемки (254a), расположенные на его задней поверхности (254), при этом каждая из них простирается дугообразно от соответствующего осевого прохода (252) до соответствующей задней части без выемки (254b).
Первая впускная секция (E1) ступени перекачки (24), выполненная в соответствии со вторым вариантом воплощения изобретения, прикреплена к передней части статора (240), с соответствующим входом (244) статора и соответствующим передним концом с выемкой (253a), соседствующим с передней частью без выемки (253b) другого диффузора (250), прикрепленного к задней части статора. Первый кольцевой канал (C1), соединенный с первой впускной секцией (E1), образован совмещением соответствующей задней выемки (254a) диффузора (250), прикрепленного к передней части статора (240), с соответствующим проходным выступом (246) статора (240), с ободом (262) статора (240) и соответствующей передней выемкой (253a) другого диффузора (250), прикрепленного к задней части статора (240). Первая выпускная секция (S1), соединенная с первым кольцевым каналом (C1), образована совмещением соответствующего заднего конца с выемкой (254a), соседствующего с задней частью без выемки (254b) диффузора (250), прикрепленного к передней части статора (240), с соответствующим выходом (245) статора и с соответствующим осевым проходом (252) диффузора (250), прикрепленного к задней части статора (240).
Вторая впускная секция (E2) ступени перекачки (24), выполненная в соответствии со вторым вариантом воплощения изобретения, образована совмещением второго осевого прохода (252) диффузора (250), прикрепленного к передней части статора (240), с соответствующим входом (244) статора и соответствующим передним концом с выемкой (253a), соседствующим с передней частью без выемки (253b) другого диффузора (250), прикрепленного к задней части статора. Второй кольцевой канал (C2), соединенный со второй впускной секцией (E2), образован совмещением соответствующей задней выемки (254a) диффузора, прикрепленного к передней части статора (240), с соответствующим проходным выступом (246) статора (240), с ободом (262) статора (240) и соответствующей передней выемкой (253a) другого диффузора (250), прикрепленного к задней части статора (240). Вторая выпускная секция (S2), соединенная со вторым кольцевым каналом (C2), образована совмещением соответствующего заднего конца с выемкой (254a), соседствующего с задней частью без выемки (254b) диффузора (250), прикрепленного к передней части статора (240), с соответствующим выходом (245) статора и с соответствующим осевым проходом (252) диффузора (250), прикрепленного к задней части статора (240).
Третья впускная секция (E3) ступени перекачки (24), выполненная в соответствии со вторым вариантом воплощения изобретения, образована совмещением третьего осевого прохода (252) диффузора (250), прикрепленного к передней части статора (240), с соответствующим входом (244) статора и с соответствующим концом передней выемки (253a), соседствующим с передней частью без выемки (253b) другого диффузора (250), прикрепленного к задней части статора (240). Третий кольцевой канал (C3), соединенный с третьей впускной секцией (E3), образован совмещением соответствующей задней выемки (254a) диффузора (250), прикрепленного к передней части статора (240), с соответствующим проходным выступом (246) статора (240), с ободом (262) статора (240) и соответствующей передней выемкой (253a) другого диффузора (250), прикрепленного к задней части статора (240). Третья выпускная секция (S3), соединенная с третьим кольцевым каналом (C3), образована совмещением соответствующего заднего конца с выемкой (254a), соседствующего с задней частью без выемки (254b) диффузора (250), прикрепленного к передней части статора (240), с соответствующим выходом (245) статора и соответствующим осевым проходом (252) диффузора (250), прикрепленного к задней части статора (240).
Как показано на фиг. 8, один кольцевой канал разграничен внутренней поверхностью (246b) проходного выступа (246) статора (240), передней выемкой (253a) диффузора (250), прикрепленного к задней части статора (240), ободом (262) статора и задней выемкой (254a) диффузора, прикрепленного к передней части статора (240). Лопатки (263) ротора установлены внутри кольцевого канала (С). Вершина (246c) проходного выступа (246) выровнена с вершиной (262a) обода (262) ротора (260), разделяющей кольцевой канал (С) на две области.
В условиях эксплуатации вращение ротора (260) принуждает текучую среду (F) поступать в ступень перекачки (24) через впускные секции (E1, E2, E3) ступени; затем текучая среда проходит вдоль кольцевого канала (C1, C2, C3), выходит из ступени перекачки (24) через соответствующую выпускную секцию (S1, S2, S3) и движется к следующей ступени перекачки (24). Текучая среда (F) перемещается в вихревом движении в каждой из двух областей кольцевых каналов (С), когда она проходит через кольцевой канал (С), как показано стрелками на фиг. 8.
Давление текучей среды (F) увеличивается постепенно от впускной секции (E1, E2, E3) до соответствующей выпускной секции (S1, S2, S3). Благоприятным является то, что впускная и выпускная секции равномерно распределены вдоль внутреннего периметра статора, что приводит к нулевому напряжению сдвига на валу (40) в каждой ступени перекачки (24).
В частности, как показано на фиг. 9, для ступени перекачки (24) с двумя впускными секциями (E1, E2), двумя кольцевыми каналами (C1, C2) и двумя выпускными секциями (S1, S2) постепенное увеличение давления текучей среды (F) между первой впускной секцией (E1) и первой выпускной секцией (S1) приводит к постепенному увеличению напряжения сдвига на валу (40), как показано стрелками от Т1 до Т6. Аналогично постепенное увеличение давления текучей среды (F) между второй впускной секцией (E2) и второй выпускной секцией (S2) приводит к постепенному возрастанию напряжения сдвига на валу (40), как показано стрелками от T1' до Т6'. Тот факт, что впускные (E1, E2) и выпускные секции (S1, S2) равномерно распределены вдоль внутреннего периметра статора (240), означает, что напряжение сдвига Т1 имеет такую же амплитуду, что и напряжение сдвига Т1', но с противоположным направлением, так что результат между двумя напряжениями сдвига Т1 и Т1' равен нулю. То же справедливо и для остальных напряжений сдвига от Т2 до Т6 в отношении напряжений сдвига от Т2' до Т6', где результат напряжения сдвига, действующего на вал (40) в каждой ступени накачки, равен нулю.
Когда вихревой насос непрерывного действия установлен в скважине, как показано на фиг. 1 и 10, насосный агрегат (20) размещается внутри обсадной трубы (10) скважины с верхним концом (12), расположенным на поверхности скважины (WS), и нижним концом (14), находящимся в контакте с перекачиваемой текучей средой (F). Аналогично трубопроводы (30) насоса проходят внутри обсадной трубы (10) скважины к поверхности скважины (WS).
В вихревом насосе непрерывного действия, установленном в скважине, с двигательной установкой (50) на поверхности вал (40) проходит от насосного агрегата (20) через трубопровод (30) насоса до двигательной установки (50), включающей электродвигатель (52), расположенный на поверхности скважины (WS), как показано на фиг. 1. В вихревом насосе непрерывного действия, установленном в скважине, с погружной двигательной установкой (50) вал (40) проходит от насосного агрегата (20) до двигательной установки (50), включающей погружной электродвигатель (54), расположенный под поверхностью скважины (WS), как показано на фиг. 10 и 11.
Как показано на фиг. 2 и 3, насосный агрегат (20) также состоит из верхнего радиального подшипника (27), расположенного между выпускным отверстием (22) и верхней выходной ступенью перекачки (24), нижнего радиального подшипника (28) и упорного подшипника (29), оба они расположены между впускным отверстием (21) и нижней ступенью перекачки (24); эти подшипники (27, 28, 29) отвечают за установку втулок вала (40). Обратный клапан (60) может также соединяться с впускным отверстием (21) насосного агрегата (20) вихревого насоса непрерывного действия.
Естественно, давление перекачиваемой текучей среды (F) увеличивается в соответствии с числом ступеней перекачки (24) вихревого насоса непрерывного действия. По существу, число ступеней перекачки (24) вихревого насоса непрерывного действия выполнено в соответствии с желаемым применением. Например, на фиг. 2 показан вихревой насос непрерывного действия с десятью ступенями перекачки (24), тогда как на фиг. 3 и 11 изображен вихревой насос непрерывного действия с четырьмя ступенями перекачки (24).
Предпочтительные или альтернативные варианты воплощения, описанные здесь, не предполагают ограничение настоящего изобретения относительно конструктивных форм; возможны эквивалентные конструктивные отклонения, все еще остающиеся в пределах объема защиты изобретения.