О некоторых особенностях работы центробежных ступеней нефтяных скважинных насосов

УДК 622.276

О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СТУПЕНЕЙ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИННЫХ НАСОСОВ

Н.В. Гусин, А.В. Трубин, Д.Ю. Мельников

Рассмотрены особые режимы работы центробежных ступеней нефтяных скважинных насосов, связанные со всплытием рабочего колеса и изменением напора, потребляемой мощности и КПД.

В нефтяных скважинных насосах широкое распространение получили ступени с так называемым осерадиальным лопаточным отводом и рабочим колесом (РК) центробежного или центробежно-вихревого типа (рис. 1). Поток из рабочего колеса 1, выходящий в зависимости от конструкции ступени в радиальном или близком к нему направлении, поворачивается в осевом направлении в узком кольцевом пространстве между РК и внутренней цилиндрической поверхностью направляющего аппарата 2 (НА) и далее поступает в радиальном направлении в НА, двигаясь от периферии к центру. Лопатки 3 НА подводят поток к РК следующей ступени в осевом направлении без закрутки, с положительной закруткой в сторону вращения РК, либо отрицательной против вращения РК. Последнее зависит от того, как развернуты выходные концы лопаток НА. Конструкция ступени позволяет выполнить РК с наибольшим наружным диаметром и обеспечить максимально возможный напор при ограниченных диаметральных габаритах с приемлемым уровнем К.П.Д. Большое количество ступеней в насосе, исчисляемое сотнями, практически исключает жесткое закрепление колес на валу в осевом направлении и они выполняются плавающими, с возможностью перемещения вдоль шпонки на величину технологического зазора 5, не превышающего обычно 1 мм. Осевые силы, действующие на РК, таким образом, не передаются на вал и воспринимаются в каждой ступени упором НА, по которому скользит упорная шайба 4 РК, выполненная, например, из текстолита или кевлара. Упор НА и шайба 4 одновременно являются контактным уплотнением для практически полного предотвращения перетечек жидкости с выхода РК на его вход. Ступени могут иметь дополнительную упорную шайбу 5, расположенную на втулке РК, либо в основном (верхнем) диске.

Рис. 1. Конструкции ступеней погружных нефтяных насосов с центробежными (а) и центробежно-вихревыми (б) рабочими колесами

В отличие от обычных центробежных ступеней, в рассматриваемых осевая сила, действующая на РК, может менять свой знак. По мере роста подачи РК всплывает, преодолевая собственный вес и силу трения по валу, вплоть до упора 6 на НА, т.е. перемещается вверх на величину

зазора 5. Как утверждается в [1], при всплытии скачкообразно снижается напор, К.П.Д. и резко повышается мощность. При уменьшении подачи от режима открытой задвижки РК может опускаться в нижнее положение и снова садиться на упор НА, но этот момент наступает уже при другой, меньшей подаче, чем подача, когда произошло всплытие. Однако, как показывают стендовые испытания насосов и экспериментальные исследования работы отдельных ступеней, описанный в [1] процесс всплытия не везде реализуется в таком виде.

На рис. 2 представлена рабочая характеристика центробежно-вихревого насоса, состоящего из 118 ступеней, полученная при испытаниях на горизонтальном стенде. На ней ясно виден разный ход напорной кривой, когда подача увеличивалась, т. е. от закрытой задвижки, и когда подача уменьшалась, от открытой задвижки. Максимальная разница в напорах в петле гистерезиса достигает 9,5%, соответственно понизился и К.П.Д. Однако скачкообразное снижение напора отсутствует, а резкого повышения потребляемой мощности нет вообще.

N, кВт Н, м

от закрытой задвижки;--------от открытой задвижки

Рис. 2. Рабочая характеристика центробежно-вихревой ступени с гистерезисом по напору и КПД

На рис. 3 показана рабочая характеристика центробежно-вихревой ступени, снятая на одноступенчатом горизонтальном стенде. По напорной кривой можно видеть, что изменения напора в зависимости от того, увеличивалась подача или уменьшалась, нет. Соответственно нельзя говорить и о всплытии РК. Однако наблюдается гистерезис потребляемой мощности: при уменьшении подачи от открытой задвижки она заметно ниже. Снижение мощности наблюдалось и при других экспериментах, так же как и отсутствие изменений при ходе напорной кривой. По-иному, чем описано в [1], может происходить всплытие РК и в чисто центробежных ступенях.

Наблюдения, проведенные при работе ступеней с прозрачной цилиндрической вставкой на вертикальном стенде показали, что всплытие РК происходит при подаче, соответствующей точке А на рис. 2. Правее этой точки при увеличении подачи ступень работает со всплывшим РК, левее-с находящимся на упоре. При снижении подачи от открытой задвижки напорная кривая левее точки А идет ниже. Возврат РК на упор совершается в точке Б, при этом образуется петля из напорных кривых, напоминающая петлю гистерезиса при намагничивании и размагничивании магнитной стали. Причина образования такой петли в том, что всплывшее РК из-за наличия перете-чек не может развить такой же напор, как при их отсутствии.

На основании результатов, приведенных на рис. 3, можно сделать заключение, что возможны устойчивые режимы работы без образования петли гистерезиса. Такие режимы, по-видимому, соответствуют минимальной осевой силе, которая обеспечивает минимальный контакт шайбы 4 с

Контроль, испытания, эксплуатация

упором НА и отсутствие перетечек даже при уменьшении подачи от режима открытой задвижки. При этом уменьшается трение шайбы 4 и снижается потребляемая мощность, образуя свою петлю гистерезиса.

Л/, Вт Н, м 94

86

г\,%

40

20 .

0

78

70

4,5

1,5

. N У

—-^ У / / ' X

/ / ^ у Н .Г]

О -МІ

сут

0 40 80 120 160

--- от закрытой задвижки;---------от открытой задвижки

Рис. 3. Рабочая характеристика центробежно-вихревой ступени с гистерезисом по мощности и КПД

Рассмотрим причины, вследствие которых осевая сила меняет свой знак. На РК (см. рис. 1а) действуют следующие силы: сила ¥н на нижний диск, сила ¥в на верхний и сила ¥0 ; кроме того, сила веса (на рис. 1а не показана). Сила ¥н определяется давлением, действующим по площади нижнего диска от наружного радиуса РК до радиуса, на котором упорная шайба 4 контактирует с упором НА. При отсутствии перетечек жидкости через уплотнение РК или их малой величине в нижней пазухе между нижним диском РК и стенкой НА будет иметь место параболический закон распределения давления [2]. Площадь эпюры давления, а следовательно, и сама сила ¥н, в основном определяются давлением Р2н со стороны нижнего диска на выходе из РК. Чем больше подача, тем меньше Р2н и тем меньше сила ¥н. Силу ¥в создает давление, действующее в верхней пазухе между верхним диском РК и крышкой следующего НА на площади от наружного радиуса РК до втулки. Закон распределения давления скорее всего будет другим, чем в нижней пазухе, поскольку на поведение жидкости в этой пазухе оказывает влияние осевой поток со скоростью иос при переходе жидкости из РК в НА (см. рис.1). Тем не менее, очевидно, что с увеличением подачи падение давления в верхней пазухе происходит быстрее, чем в нижней. Давление Р2в уменьшается с ростом подачи аналогично давлению Р2н. Дополнительным фактором, снижающим Р2в, является рост осевой скорости иос на периферийной границе верхней пазухи. Сила ¥в уменьшается в большей степени, чем сила ¥н, даже несмотря на то, что площадь, по которой действует давление на верхний диск РК, больше.

Сила ¥0 возникает из-за воздействия на РК поступающего в него потока и зависит от скорости входа в горловину колеса и от подачи, иначе говоря, пропорциональна квадрату подачи. Абсолютная величина ее обычно невелика. Более существенное значение она имеет в высокорасходных ступенях. Складываясь с ¥н, эта сила также способствует всплытию РК.

Баланс перечисленных выше сил, а также силы веса и силы трения при перемещении РК по валу, и определяют положение РК в пределах зазора 5. Вычисление силы ¥0 не представляет труда. Для нахождения сил ¥н и ¥в, как это понятно из предыдущего, необходимо знать закон распределения давления в нижней и верхней пазухах. В нижней пазухе этот закон с определенной долей уверенности можно принять параболическим как для обычных центробежных ступеней.

Для верхней пазухи этого сделать нельзя из-за серьезного отличия гидродинамической схемы рассматриваемых ступеней от обычных.

В центробежно-вихревых ступенях фактором, усложняющим изучение поведения жидкости в верхней пазухе, является наличие вихревого венца ВВ (рис. 1б), дополнительно раскручивающего жидкость при выходе ее из центробежного РК. Значительные трудности возникают и при учете сил трения между втулкой РК и валом из-за возможных перекосов РК на валу, неравномерности зазоров, наличия или отсутствия смазки.

Особые режимы работы центробежных и центробежно-вихревых ступеней, связанные с явлением всплытия РК, при которых существенно меняются параметры и не всегда в желательную сторону, требует более подробного их изучения. Прежде всего, необходимо установить, как изменяется давление в верхней пазухе, а также уточнить, действительно ли давление в нижней пазухе при данной гидродинамической схеме распределяется по параболическому закону. Ответы на эти вопросы, как нам представляется, могут быть получены только экспериментальным путем. Знание законов распределения давления позволит рассчитать подачи, при которых происходит всплытие РК и его возврат на упор НА, и принять меры к уменьшению вредного воздействия этого явления на параметры насоса. Определение действующих на РК осевых сил необходимо и для прогнозирования скорости износа осевых опор.

Литература

1. Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти. Международный транслятор. - Изд-во «Лукойл», 1999. - 611 с.

2. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. - М.-Л.: Машиностроение, 1966. - 364 с.