НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
DIFFUSER OF MULTI-STAGE CENTRIFUGAL PUMP

Предлагаемое изобретение относится к области насосостроения, и прежде всего к многоступенчатым насосам, используемым для добычи нефти из скважин и для подачи воды в продуктивный нефтеносный пласт для поддержания и повышения в нем пластового давления.
В настоящее время для откачки пластовой жидкости из нефтяных скважин широко применяются центробежные погружные многоступенчатые насосы. Ступени таких насосов содержат рабочее колесо закрытого типа и направляющий аппарат с лопатками, выступающими за диаметральный размер наружной крышки аппарата. Рабочее колесо ступени имеет специально спрофилированные лопатки между ведущим и ведомым дисками (Богданов Н.А. Погружные центробежные насосы для добычи нефти. - М.: Недра, 1968, с.38-50).
Направляющий аппарат такой ступени имеет цилиндрический корпус, два диска с расположенными между ними лопатками. Проточный тракт в ступени можно разделить на следующие участки: рабочее колесо и лопаточный отвод, состоящий из безлопаточной кольцевой камеры, лопаточного направляющего аппарата и безлопаточной кольцевой камеры (Агеев Ш.Р., Григорян Е.Е., Макиенко Г.П. Российские установки лопастных насосов и их применение. Энциклопедический справочник. Пермь: ООО «Пресс-Мастер», 2007, с.75-76).
К недостаткам такой ступени относится невысокое давление, создаваемое ступенью при малых расходах, и нестабильность характеристик при работе в двух- или трехфазных нефтеводогазовых средах. Одной из главных причин этого недостатка является наличие первой из перечисленных безлопаточных кольцевых камер, расположенных на выходе из колеса.
Известен направляющий аппарат многоступенчатого центробежного насоса, содержащий цилиндрический корпус, верхний и нижний диски, между которыми расположены лопатки, образующие направляющие каналы для пластовой жидкости. Лопатки переходят в боковые окружные ребра, которые совместно с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса формируют боковые направляющие каналы (см., например, патент РФ №35392 на полезную модель, МКИ F04D 29/44, опубл. 10.01.2004). Эта конструкция относится к классу радиальных направляющих аппаратов (Богданов Н.А. Погружные центробежные насосы для добычи нефти. - М.: Недра, 1968, с.38-50).
Известен целый ряд радиальных направляющих аппаратов: авт. свид-во СССР №479399, опубл. 05.08.76, патент РФ №2142069, опубл. 27.11.99. В рассматриваемых конструкциях имеются спиральные выходы, диффузорные каналы, переходные боковые каналы и обратные каналы. Подобная последовательность характерна для ступеней большого габарита. Отсутствие безлопаточной цилиндрической камеры обеспечивает устойчивую работу насоса в двух- или трехфазных нефтеводогазовых средах.
Недостатком подобной конструкции является то, что в ступенях малого габарита, предназначенных для использования на малых расходах, выполнение перечисленных конструктивных элементов затруднено технологическими трудностями изготовления. Кроме того, переход к малым расходам в данной конструкции вынуждает уменьшать сечения каналов, что нежелательно, так как узкие каналы в условиях, приводящих к солеотложениям, зарастают.
Предлагаемое техническое решение направлено на повышения напора и кпд для малогабаритных малорасходных ступеней многоступенчатых погружных насосов, в том числе при работе на ГЖС с высоким содержанием.
Указанный технический результат достигается тем, что направляющий аппарат многоступенчатого центробежного насоса, содержащий цилиндрический корпус, верхний и нижний диски и лопатки между ними, образующие обратные каналы, согласно изобретению дополнительно снабжен наклонными лопатками, установленными на внутренней боковой поверхности корпуса, и цилиндрическим экраном, расположенным между верхней частью наклонных лопаток и нижним диском следующего направляющего аппарата. Соседние наклонные лопатки расположены с перекрытием, причем расстояние между наклонными лопатками в перекрытиях по ходу движения жидкости постоянное либо увеличивающееся по ходу движения жидкости. Кроме того, наклонные лопатки установлены с образованием в меридиональных сечениях угла с осью аппарата, равного 30-50°, а их выпуклость в горизонтальных сечениях направлена от центра, при этом наклонные лопатки выполнены с цилиндрическими боковыми поверхностями, радиус которых превышает радиус внутренней боковой поверхности корпуса, а ось смещена относительно оси аппарата и ориентирована к ней под острым углом.
В некоторых вариантах исполнения боковые стороны наклонных лопаток могут быть сформированы из сопряженных цилиндрических поверхностей с радиусом, увеличивающимся по ходу движения потока.
Для технологичности наклонные лопатки изготовлены вырезкой по контурам, предварительно сформированным на плоской поверхности вокруг кольца, имеющего наружный диаметр, равный внутреннему диаметру корпуса, с последующим отгибом и деформированием, придающим лопаткам необходимый профиль и положение в пространстве, обеспечивающее плотное совмещение с внутренней боковой поверхностью корпуса, причем контуры могут быть сформированы внутри или снаружи кольца.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено меридиональное сечение сборки ступеней с заявленным направляющим аппаратом; на фиг.2 - горизонтальное сечение этой же ступени; на фиг.3 - развертка заготовки для изготовления блока боковых лопаток, на фиг.4 - вид сегмента вставки с боковыми лопатками.
Насос набирается из ступеней, состоящих из направляющего аппарата 1, внутри которого установлено рабочее колесо 2.
Направляющий аппарат 1 состоит (фиг.1) из цилиндрического корпуса 3, верхнего диска 4, нижнего диска 5, между которыми размещены лопатки 6, образующие обратные каналы. На внутренней боковой поверхности корпуса 3 установлены на равном расстоянии друг от друга наклонные лопатки 7. В кольцевом зазоре 8 между верхней частью наклонных лопаток 7 и нижним диском 5 следующего направляющего аппарата 1 расположен цилиндрический экран 9.
Наклонные лопатки 7 имеют цилиндрические поверхности 10 (фиг.2). Поверхности 10 лопаток являются фрагментами цилиндров, расположенных под углом к оси направляющего аппарата 1 и пересекающих корпус 3 по линии основания наклонных лопаток, радиус R таких цилиндров больше радиуса корпуса 3, а ось А-А смещена относительно оси направляющего аппарата 1. Поверхности лопаток могут быть образованы как фрагментами поверхности одного цилиндра, так и сопряженными фрагментами нескольких цилиндров, в последнем случае радиус сопряженных цилиндрических поверхностей может как увеличиваться по ходу движения потока, так и уменьшаться. Угол α между касательной к началу лопатки 7 и осью аппарата составляет 30-50° (фиг.1).
1
2
1
2
2
1
Соседние лопатки расположены с перекрытием (фиг.1, 2, 4). В области перекрытия расстояния L, L (фиг.2) между наклонными лопатками в горизонтальных сечениях и расстояния (фиг.4) в вертикальных сечениях могут быть постоянными L=L или увеличиваться по ходу движения жидкости L>L.
Наклонные лопатки 7 могут быть изготовлены следующим образом. На плоской поверхности вокруг кольца 11, наружный диаметр которого вписывается во внутренний диаметр цилиндрического корпуса 3, наносят контуры лопаток 7, например, таким образом, чтобы их наружные концы сходились в центре кольца 11 (фиг.3). После вырезки лопатки 7 отгибают, совмещая их наружную грань 12 с контуром выреза 13, и наклоняют в одну сторону с изгибом, создающим цилиндрический профиль (фиг.4). Полученную конструкцию вставляют в корпус 3 и наружную поверхность лопаток 7 плотно совмещают с внутренней боковой поверхностью корпуса 3 и соединяют с помощью, например, шликерного спекания.
Направляющий аппарат 1 работает следующим образом. Поток перекачиваемой жидкости, выходя из рабочего колеса 2, попадает в каналы между наклонными лопатками 7. Далее жидкость поступает на периферийную часть обратных каналов верхнего НА 1, перемещается в радиальном направлении к центральной части и через кольцевую щель 14 поднимается на вход рабочего колеса 2 следующей ступени.
Каналы между наклонными лопатками 7 выполняют функцию диффузора, поэтому по ходу движения жидкости между лопатками скорость движения потока падает, а давление (напор) увеличивается. Цилиндрический экран предотвращает перетоки между соседними каналами (из конца одного канала в начало следующего), возможные из-за возникающих перепадов давления между ними.
Предлагаемая конструкция обеспечивает минимум гидравлических потерь и позволяет увеличить напор за счет стабилизации потока рабочей жидкости между ступенями.