СТУПЕНЬ ЦЕНТРОБЕЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО НАСОСА
MULTISTAGE ROTARY PUMP STAGE

Изобретение относится к области насосостроения, 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. П.: 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.
Известна ступень многоступенчатого центробежного насоса, содержащая направляющий аппарат, имеющий 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 ступеней с радиальными направляющими аппаратами (авт. свидетельство СССР №479399, опубл. 05.08.1976, патент РФ №2142069, опубл. 27.11.1999). 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 и 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.
Предлагаемая конструкция проще, обеспечивает высокие напорные характеристики ступени и снижение потребления энергии при максимальных расходах, а также эффективную работу при перекачке газожидкостных смесей.
Указанный технический результат достигается тем, что в ступени центробежного многоступенчатого насоса, состоящей из рабочего колеса и направляющего аппарата, содержащего цилиндрический корпус, верхний и нижний диски и лопатки между ними, образующие обратные каналы, согласно изобретению направляющий аппарат дополнительно снабжен наклонными лопатками, внутренние кромки которых расположены по винтовым кривым на цилиндрической поверхности, охватывающей рабочее колесо, а внешние кромки лопаток сопряжены с внутренней поверхностью корпуса направляющего аппарата по винтовым кривым, наклон которых к горизонталям выполнен уменьшающимся по ходу движения жидкости, соседние наклонные лопатки расположены с перекрытием, причем расстояния в горизонтальных плоскостях между наклонными лопатками в перекрытиях по ходу движения жидкости увеличиваются с углом раскрытия 6-10°, а к внутренним кромкам в верхней части наклонных лопаток прикреплен цилиндрический экран, прилегающий к нижнему диску следующего направляющего аппарата. В меридиональных сечениях наклонные лопатки могут быть установлены с углом наклона α, уменьшающимся по ходу движения от 80-60° на угол, равный 20-50°, то есть наклонные лопатки претерпевают кручение относительно своей спиральной траектории. Кроме того, в месте стыка кромок наклонных лопаток с внутренней поверхностью корпуса направляющего аппарата могут быть сформированы дополнительные винтовые поверхности под углом 70-90° к поверхностям лопаток.
Для пояснения сущности предлагаемого изобретения приведены чертежи двух вариантов исполнения ступеней, отличающиеся величиной кручения наклонных лопаток в направляющем аппарате относительно своей траектории, то есть разницей углов наклона в меридиональных сечениях в начале и конце лопаток.
На фиг.1 приведен меридиональный разрез ступеней центробежного многоступенчатого насоса в первом исполнении.
На фиг.2 - узел направляющего аппарата на фиг.1, увеличен.
На фиг.3 - сечение А-А на фиг.1.
На фиг.4 - узел направляющего аппарата на фиг.3, увеличен.
На фиг.5 - меридиональный разрез ступеней центробежного многоступенчатого насоса во втором исполнении.
На фиг.6 - узел направляющего аппарата на фиг.5, увеличен.
На фиг.7 - вид внешних кромок наклонных лопаток направляющего аппарата по поверхности прикрепления к внутренней стенке корпуса для второго исполнения (для наглядности стенка корпуса направляющего аппарата удалена).
1
2
На фиг.1-4 проиллюстрирован первый вариант конструкции, в которой кручение наклонных лопаток невелико. Кручение наклонных лопаток качественно иллюстрирует разница углов наклона α и α соседних лопаток в одном меридиональном сечении. На примере, приведенном на фиг.2, она составляет ~20°, что равно разнице наклона одной лопатки в двух меридиональных сечениях повернутых вокруг оси ступени на угол 360/N, где N - число наклонных лопаток. В этом варианте строго выдерживается диффузорная форма каналов между наклонными лопатками в горизонтальных сечениях напротив выхода из рабочего колеса (фиг.3-4).
На фиг.5-7 представлена вторая конструкция с более сильно закрученными наклонными лопатками.
Ступень многоступенчатого центробежного насоса состоит из направляющего аппарата 1 и установленного внутри него рабочего колеса 2.
Направляющий аппарат 1 состоит из цилиндрического корпуса 3, верхнего диска 4, нижнего диска 5, между которыми размещены лопатки 6, образующие обратные каналы. Напротив выхода из рабочего колеса 2 между верхним диском 4 направляющего аппарата 1 одной ступени и нижним диском 5 направляющего аппарата 1 следующей ступени на равном расстоянии друг от друга размещены наклонные лопатки 7, которые могут быть прикреплены к внутренней боковой поверхности корпуса 3 или к диску 4 направляющего аппарата 1. Цилиндрический экран 8 установлен на уровне верхней части наклонных лопаток 7 и в некоторых случаях частично над ними и прилегает к нижнему диску 5 следующего направляющего аппарата 1. Цилиндрический экран 8 прикрепляется к внутренним кромкам 9 верхней части наклонных лопаток 7, оставляя нижние части наклонных лопаток 7 напротив выхода из рабочего колеса 2 открытыми.
Внутренние кромки 9 наклонных лопаток 7 расположены по винтовым кривым на цилиндрической поверхности, охватывающей рабочее колесо 2.
В начальной части, на входе жидкости угол наклона α лопаток 7 к горизонталям составляет 60-80° (в меридиональных сечениях) (фиг.2, фиг.6), а на выходе он уменьшается до 20-60°, то есть по ходу своей траектории лопатка претерпевает кручение на 60-20°. Соседние наклонные лопатки 7 расположены с перекрытием, причем расстояние в горизонтальных плоскостях между наклонными лопатками 7 в перекрытиях в направлении от внутренних кромок 9 к внешним кромкам 10 увеличивается под углом раскрытия 6-10° (фиг.3, 4).
В месте стыка внешних кромок наклонных лопаток 7 с внутренней поверхностью корпуса направляющего аппарата 1 могут быть сформированы дополнительные винтовые поверхности 11 под углом 70-90° к верхним поверхностям 12 лопаток 7 (фиг.5-7).
Передние части каналов между наклонными лопатками 7 открыты (в области выхода из колеса), а задние закрыты с помощью экрана 8. Таким образом, наклонные лопатки 7 вместе с экраном 8 образуют кольцевую систему диффузоров. Закрутка наклонных лопаток 7 и дополнительные поверхности 11 позволяют избавиться от тупиковых зон в области стыка внешних кромок наклонных лопаток 7 с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 3 направляющего аппарата 1.
Описываемая ступень работает следующим образом. Поток перекачиваемой жидкости, выходя из рабочего колеса 2, попадает в каналы между наклонными лопатками 7 направляющего аппарата 1. Далее жидкость поступает на периферийную часть обратных каналов следующего (верхнего) направляющего аппарата 1, после чего перемещается в радиальном направлении к центральной части и через кольцевой зазор поднимается на вход рабочего колеса 2 следующей ступени.
Каналы между наклонными лопатками 7 выполняют функцию диффузора, поэтому по ходу движения жидкости между лопатками 7 скорость движения потока падает, а давление (напор) увеличивается. Цилиндрический экран 8 предотвращает перетоки между соседними каналами (из конца одного канала в начало следующего), возможные из-за возникающих перепадов давления между ними. Экран образует недостающие стенки каналов между наклонными лопатками 7, делая их замкнутыми с четырех сторон.
Предлагаемая конструкция ступени обеспечивает минимум гидравлических потерь и позволяет увеличить напор за счет стабилизации потока рабочей жидкости между ступенями.