МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к гидромашиностроению, преимущественно к конструкции ступени малодебитного погружного центробежного насоса с боковым расположением отвода в виде направляющего аппарата (АН) и может быть использовано при добыче из скважин пластовой жидкости, воды и других жидких сред.
Известна конструкция многоступенчатого центробежного насоса, выполненного по "классической" схеме и применяемого в различных отраслях техники (питательные насосы, насосы авиационных и ракетных двигателей, насосы для атомной и химической промышленности и др.), которая предусматривает расположение отвода в виде направляющего аппарата над центробежным колесом (Степанов А.И. "Центробежные и осевые насосы" - М., ГНТИ Машиностроительной литературы, стр.131, фиг.7.17). Такая конструкция насоса обеспечивает меньшие гидравлические потери (большие значения КПД насоса), но малую виброактивность насоса.
Известен также многоступенчатый центробежный насос, содержащий ступень, выполненную из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего диска, ведомого покрывного диска и лопастей, которые закреплены между передней поверхностью ведущего диска и ведомым покрывным диском, и из направляющего аппарата, выполненного в виде лопаточного покрывного диска, цилиндрической обоймы и лопаток, причем лопаточный покрывной диск направляющего аппарата установлен со стороны задней поверхности ведущего диска рабочего колеса, цилиндрическая обойма направляющего аппарата выполнена с кольцеобразной стенкой, расположенной поперечно, внутри цилиндрической обоймы установлены рабочее колесо и лопаточный покрывной диск, лопатки закреплены в направляющем аппарате между кольцеобразной стенкой цилиндрической обоймы и лопаточным покрывным диском, выбраны определенные соотношения параметров и геометрических размеров лопастей и лопаток (см. Патент РФ №2161737 МПК 7 F04D 1/06, F04D 13/10, опубл. 10.01.2001 г.).
В известной конструкции многоступенчатого центробежного насоса решается задача оптимизации формы лопастей и их углов входы и выхода для повышения напора и КПД. Это позволяет повысить КПД, но незначительно, но не позволяет получить достаточно высокое значение напора.
2
0
1
1
Характерной особенностью многоступенчатых погружных центробежных насосов является большое количество ступеней, составляющих 300-400 шт., что связано с большой глубиной залегания пластовой жидкости (1500-2500 м). В результате этого насосная установка имеет большую длину (до 25 м), что приводит к ее удорожанию и усложнению ее эксплуатации. Поэтому в погружных многоступенчатых центробежных насосах, часто в ущерб КПД, стремятся повысить напор ступени путем использования максимального диаметра центробежного колеса D за счет бокового расположения отвода. Кроме того, для погружных насосов отсутствует требование высоких кавита-ционных качеств ступени, что приводит к заужению площади входа в центробежное колесо за счет уменьшения размеров D (диаметр входа в рабочее колесо) и D (диаметр лопатки на входе по средней линии), b (ширина лопасти на входе). Все это, наряду с другими особенностями, выделяет погружные малодебитные насосы в специальный класс, для которого неприемлемы нормативные данные, разработанные для центробежных насосов "классической" формы.
Задачей полезной модели является улучшение энергетических характеристик путем увеличения напора без ухудшения КПД.
Указанный технический результат достигается тем, что в многоступенчатом центробежном насосе, содержащем ступень, выполненную из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего диска, ведомого покрывного диска и лопастей, которые закреплены между ведущим диском и ведомым покрывным диском, и из направляющего аппарата, выполненного в виде лопаточного покрывного диска, цилиндрической обоймы и лопаток, лопаточный покрывной диск направляющего аппарата установлен со стороны задней поверхности ведущего диска рабочего колеса, цилиндрическая обойма направляющего аппарата выполнена с кольцеобразной стенкой, расположенной поперечно, внутри цилиндрической обоймы установлены рабочее колесо и лопаточный покрывной диск, а лопатки закреплены в направляющем аппарате между кольцеобразной стенкой цилиндрической обоймы и лопаточным покрывным диском, при этом отношение количества лопастей к количеству лопаток выбрано в диапазоне 0,88-1,75, отношение диаметра рабочего колеса и/или диаметра лопаточного покрывного диска к внутреннему диаметру цилиндрической обоймы над ними - в диапазоне 0,92-0,99, каждая из лопастей рабочего колеса выполнена с углом охвата 100-150°, каждая из лопаток направляющего аппарата выполнена с углом охвата 90-150°, угол входа лопатки выбрана интервале 4-12°, а ее угол выхода - 55-95°.
Сущность полезной модели поясняется прилагаемыми фигурами.
На фиг.1 представлены две последовательные ступени многоступенчатого центробежного насоса.
На фиг.2 представлено рабочее колесо многоступенчатого центробежного насоса.
На фиг.3 - направляющий аппарат многоступенчатого центробежного насоса.
На фиг.4 представлены напорные характеристики (зависимость напора и КПД от расхода) для заявленного устройства и аналога по патенту РФ №2161737.
На фиг.5 показаны результаты испытаний малодебитных центробежных насосов с различным значением лопастей и углом охвата рабочего колеса.
Многоступенчатый центробежный насос содержит, по меньшей мере две ступени 1. Ступени 1 расположены вдоль вала (на чертеже не показан) последовательно. Ступень 1 выполнена из рабочего колеса 2 и направляющего аппарата 3. Рабочее колесо 2 установлено на валу и выполнено в виде ведущего диска 4, покрывного диска 5 и лопастей 6. Лопасти 6 закреплены между ведущим диском 4 и покрывным диском 5. Направляющий аппарат 3 выполнен в виде лопаточного покрывного диска 7, цилиндрической обоймы 8 и лопаток 9. Лопаточный покрывной диск 7 установлен со стороны задней поверхности 10 ведущего диска 4 рабочего колеса 2. Цилиндрическая обойма 8 выполнена с кольцеобразной стенкой 11, расположенной поперечно. Внутри цилиндрической обоймы 8 установлены рабочее колесо 2 и лопаточный покрывной диск 7. Лопатки 9 закреплены в направляющем аппарате 3 между кольцеобразной стенкой 11 цилиндрической обоймы 8 и лопаточным покрывным диском 7.
Для уменьшения сил трения, возникающих при вращении рабочего колеса 2, в конструкции применяются шайбы 12, 13, 14 из антифрикционного материала, выполняющие роль индивидуальных опор.
K
aн
K
ан
2
K
2
K
к
Отношение количества Z лопастей 6 к количеству Z лопаток 9 выбрано в диапазоне Z/Z=0,88-1,75, отношение диаметра D рабочего колеса 2 и/или диаметра лопаточного покрывного диска 5 к внутреннему диаметру D цилиндрической обоймы 8 над ними выбрано в диапазоне D/D=0,92÷0,99. Каждая из лопастей 6 рабочего колеса 2 выполнена с углом охвата θ=100-150°.
ан
3л
3л
4л
4л
Каждая из лопаток 9 направляющего аппарата 3 выполнена с углом охвата θ=90-150°, угол входа β лопатки 9 выбран в интервале β=4-12°, а ее угол выхода β выбран в интервале β=55-95°.
Как показали исследования, при перечисленных параметрах рабочего колеса 2 и направляющего аппарата 3 достигаются минимальные гидравлические потери и повышение напора и КПД.
Работает многоступенчатый центробежный насос (фиг.1-3) следующим образом.
2
2
к
K
ан
к
Рабочее колесо 2 приводится во вращение валом насоса. Перекачиваемая жидкость поступает в тракты между лопастями 6 вращающегося рабочего колеса 2 и движется от его центра к периферии. При этом рабочее колесо 2 создает напор перекачиваемой жидкости, как за счет циркуляционных сил, так и за счет кориолисовых сил. За счет установки наружного диаметра лопастей 6 D максимально возможным, при котором D/D=0,99, удается увеличить напор ступени. За счет выбора количества лопастей 6 и лопаток 9, удовлетворяющих отношению Z/Z=0,88÷1,75 удается установить необходимое значение площади на входе в направляющий аппарат и, как следствие, обеспечить работу насоса на максимуме КПД. Выполнение лопастей 6 с углом охвата θ=100÷150° позволило расширить проточный канал и уменьшить гидравлические потери.
3л
4л
3л
4л
ан
Далее жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 3, в которых осуществляется торможение потока (увеличение статической составляющей давления) с целью уменьшить потери, разворот и направление потока на рабочее колесо следующей ступени. За счет установки углов на входе β и выходе β лопаток 9, удовлетворяющих условиям при β=4÷12° и β=55÷95°, а также выполнения лопаток 9 с углом охвата θ=90÷150° удалось обеспечить отсутствие отрыва потока и отсутствие вихревых зон, что в свою очередь повысило напор и КПД ступени.
K
aн
K
ан
K
ан
ан
ан
K
K
K
ан
K
ан
K
ан
K
aн
3
3
Отношение количества Z лопастей 6 к количеству Z лопаток 9 выбрано в диапазоне Z/Z=0,88÷1,75. Это обосновывается следующими соображениями. Для малодебитных насосов Z≤8 из-за малых размеров. Обеспечение работы на максимуме КПД (требование многих нефтяных компаний) зависит от площади входа в направляющий аппарат, на величину которой, в свою очередь, влияет число Z=3÷8, где меньшее значение Z=3 соответствует Q=10÷18 м/сут, а большее значение Z=8 соответствует Q=55÷70 м/сут (n=2910 об/мин=const). При этом число лопастей колеса составляет Z=5÷8 (меньшие величины Z соответствуют меньшим подачам). Тогда: Z/Z=0,88÷1,75. В патенте №2161737 дано отношение Z/Z=1,75, это говорит о том, что в этом патенте рассматривается геометрия одной конкретной ступени с Z=7 и Z=4. Расширение диапазона Z/Z позволяет подобрать оптимальное количество лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата в зависимости от расхода.
2
к
2
к
mах
2
к
2
к
K
Опыт проектирования малодебитных многоступенчатых центробежных насосов БЭНЗ показал, что с целью повышения напора и уменьшения количества ступеней можно расширить диапазон D/D в сторону увеличения (D/D)=0,99, что было доказано экспериментально и с положительным результатом реализовано на практике (фиг.1). В патенте №2161737 дано отношение D/D=0,92÷0,97. Увеличение диапазона D/D до 0,99 при фиксированном значении D позволяет увеличить наружный диаметр рабочего колеса и тем самым увеличить напор ступени. Увеличение напора составляло ~4,6%, что при наличии числа ступеней ~400 уменьшит их количество на 18 ступеней, что скажется на уменьшении длины насоса, а также его себестоимости.
к
к
Угол охвата θ=100÷150° (В патенте №2161737 угол охвата θ=98÷104°).
к
к
к
к
к
к
к
к
к
Напор и КПД насоса зависит от густоты τ решетки лопастей центробежного колеса τ~L/a, увеличиваясь с возрастанием τ до определенного предела, где L - длина канала, a - ширина канала. Обеспечить необходимую густоту решетки можно как за счет увеличения числа лопастей (снижение a), так и за счет увеличения длины канала (L). Последнее достигается возрастанием угла охвата лопастей (фиг.2). Второй способ для малодебитных насосов является в большинстве случаев более предпочтительным, т.к. не приводит сужению проточных каналов (как это происходит при увеличении числа лопастей), что уменьшает гидравлические потери потока и существенно уменьшает вероятность засорения межлопастных каналов. Опыт проектирования малодебитных центробежных насосов показал, что увеличение угла охвата лопастей при соответствующем уменьшении числа лопастей колеса приводит к существенному повышению напора и КПД колеса. Это также доказано экспериментально (фиг.5).
к
K
к
3
3
Проведенные испытания позволяют рекомендовать угол охвата лопастей выбирать в диапазоне θ=100÷150°, причем, для больших подач малодебитных центробежных насосов (Q=60 м/сут) он соответствует 100°, а для малых подач (Q=15 м/сут) он соответствует 150°. Число лопастей колеса Z должно соответствовать обеспечению густоты решетки колеса τ=1,8÷2,1, где
2
1
Здесь: D, D - наружный диаметр колеса и диаметр входных кромок лопастей, соответственно (фиг.1);
2л
1л
β, β - угол установки лопастей на выходе и входе, соответственно (фиг.2).
ан
ан
ан
ан
3
3
Угол охвата θ выбирается из условия обеспечения безотрывного течения в решетке АН. Для больших подач малодебитных центробежных насосов (Q=60 м/сут) он соответствует 90°, а для малых подач (Q=15 м/сут) он соответствует 150°, т.е. θ=90÷150° (фиг.3). Данное утверждение успешно проверено на практике. В патенте №2161737 угол охвата лопатки направляющего аппарата θ=130÷134°, что говорит о единичной ступени на конкретную подачу. Расширение диапазона θ позволяет подобрать оптимальный угол охвата в зависимости от расхода.
3л
3л
4л
3л
4л
В известном центробежном насосе по патенту РФ №2161737 β=6÷12°; β=85÷95° имеется недостаток, который предполагает поворот потока в АН на угол Δβ=β-β=73÷89°, что невозможно без отрыва потока в решетке. Этот общеизвестный факт хорошо иллюстрируется графиком (Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. - М. «Машиностроение» 1966 г., стр.270, рис.169), на котором представлены графики максимального безотрывного угла поворота потока в решетке в зависимости от угла на выходе потока из решетки (β) и густоты решетки лопаток L/t. Из графиков следует, что в АН при рекомендациях прототипа будет иметь отрывной режим течения с фактически меньшим углом выхода потока из АН. По этой причине в литературе по насосам не предполагается полностью раскручивать поток в решетке лопастей АН.
3л
4л
Статистика разработки малодебитных центробежных насосов показала, что наилучшие результаты по напору и КПД получаются при β=4÷12° и β=55÷95°.
3
3
В описанной заявке на изобретение к патенту №2161737 приведены в качестве иллюстрации положительного эффекта напорные и КПД характеристики центробежного насоса для добычи нефти на расход ~50 м/сут (фиг.4 кривые С и D). На фиг.4 также даны напорные и КПД характеристики центробежного насоса примерно на такую же подачу (кривые А и В). Сравнение этих характеристик показывает, что при Q=50 м/сут напор по предлагаемой заявке выше на 43% (Н=5,85 м против Н=4,1 м), КПД на 2% (η=49% против η=48%).
В ОАО "БЭНЗ" в рамках плана НИОКР была разработана ступень 5-30. Данная ступень была изготовлена и испытана на стенде ОАО "БЭНЗ". По результатам испытаний был выпущен протокол испытаний №3/10 от 16.11.2010 и Акт №1. Геометрия данной ступени полностью удовлетворяет диапазонам параметров из заявки. Ступень 5-30 ОАО "БЭНЗ" является одной из лучших на рынке. В таблице сравниваются энергетические параметры аналогичных ступеней конкурентов. Видно, что напор и КПД ступени 5-30 ОАО "БЭНЗ" выше, чем у конкурентов, что доказывает эффективность применения диапазонов геометрических параметров представленных в заявке ОАО "БЭНЗ" на практике.
Ступень
Q, м<sup>3</sup>/сут
Q<sub>opt</sub>, м<sup>3</sup>/сут
Н, м
η, %
БЭНЗ 5-30
30
33
5,15
39
АЛНАС 5-30
30
28
4,7
35
БОРЕЦ 5-30
30
39
4,8
33
Таким образом, предлагаемая конструкция многоступенчатого центробежного насоса благодаря оптимально выбранным параметрам и размерам лопастей, лопаток АН и их углов позволяет работать на максимуме КПД, обеспечивается увеличение напора насоса, уменьшается вероятность засорения межлопаточных каналов рабочего колеса, в направляющем аппарате обеспечивается безотрывное течение, что положительно влияет на КПД.