РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
SUBMERGED CENTRIFUGAL PUMP WHEEL ROTOR

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при создании погружных центробежных насосов для добычи нефти, в частности износостойких погружных насосов, предназначенных для работы в скважинах с высоким обводнением перекачиваемой жидкости.
Известно рабочее колесо погружного центробежного насоса (патент RU № 2164626, F04D 29/22), содержащее ведущий и покрывной диски и расположенные между ними лопатки, образующие с дисками проточные каналы. Все элементы рабочего колеса выполнены из композиционного полимерного материала, например угленаполненного полиамида.
Рабочее колесо имеет высокие гидродинамические характеристики, небольшой вес. Недостатком известного рабочего колеса является низкий ресурс его работы при форсированном режиме, характерном при (70-95)% обводненности перекачиваемой жидкости. Снижение ресурса работы колеса вызвано влагопоглощением композиционного полимерного материала, приводящим к изменению линейных размеров рабочего колеса, и как следствие, заклиниванию перемещения рабочих органов насоса.
Известно рабочее колесо центробежного насоса (патент RU № 2258158, F04D 29/22), содержащее металлическую ступицу, защитное полимерное покрытие, выполненное из фторопласта, из которого сформированы части рабочего колеса, соприкасающиеся с перекачиваемой жидкостью. Ступица снабжена соосным с ней металлическим кольцом, которое соединено со ступицей неразъемным соединением и имеет отверстия. Соединение фторопластового покрытия с металлическим кольцом осуществляется за счет усадки материала покрытия в отверстиях кольца.
Рабочее колесо имеет высокие гидродинамические характеристики, небольшой вес, стабильные линейные размеры металлических и фторопластовой частей колеса. Недостатком известного рабочего колеса является недостаточная надежность для работы в форсированном режиме. Низкая надежность соединения обусловлена крайне низкой поверхностной энергией фторопласта, делающей фторопласт антиадгезионным материалом.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является рабочее колесо погружного центробежного насоса (патент RU № 2234001, F04D 29/22), содержащее основной диск с рабочими лопатками, покрывной диск, профильный диск, размещенный между основным и покрывным дисками и жестко соединенный с ними. Все элементы рабочего колеса выполнены из листового металла.
Рабочее колесо имеет стабильные линейные размеры, необходимую жесткость. Однако при работе в форсированном режиме, характеризующемся увеличением вибрации, пескопроявлением, кавитацией, известное металлическое рабочее колесо имеет максимальный дисбаланс из-за большого веса и низкие гидродинамические характеристики из-за шероховатости поверхности проточных каналов, что снижает КПД насоса.
Целью изобретения является повышение ресурса рабочего колеса при высоком КПД работы насоса в форсированном режиме за счет обеспечения стабильности линейных размеров, жесткости колеса в сочетании с минимальным дисбалансом и высокими гидродинамическими характеристиками.
Рабочее колесо погружного центробежного насоса согласно изобретению содержит основной диск с рабочими лопатками, покрывной диск, металлический диск, размещенный между основным и покрывным дисками и жестко соединенный с ними. Основной и покрывной диски выполнены из композиционного полимерного материала, в частном исполнении включающего фторорганические вещества в виде производных изобутана с фторсодержащими органическими заместителями.
Выполнение основного и покрывного дисков из композиционного полимерного материала обеспечивает высокие гидродинамические характеристики рабочего колеса за счет чистоты поверхности проточных каналов, а также минимальный дисбаланс за счет малого удельного веса композиционного полимерного материала. Композиционный полимерный материал обладает достаточной поверхностной энергией для надежного соединения с металлическим диском посредством пайки, сварки или склейки.
Жесткое соединение металла с композиционным полимерным материалом, имеющих различные коэффициенты линейного расширения, повышает жесткость основного и покрывного дисков в радиальном направлении. Это позволяет стабилизировать радиальные линейные размеры колеса при повышенной обводненности перекачиваемой жидкости, приводящей из-за влагопроницаемости композиционного полимерного материала к увеличению габаритов основного и покрывного дисков.
Выполнение основного и покрывного дисков из композиционного полимерного материала, включающего фторорганические вещества в виде производных изобутана с фторсодержащими органическими заместителями, в условиях высокой обводненности перекачиваемой жидкости дополнительно стабилизирует линейные размеры дисков в радиальном и осевом направлениях.
Стабилизация линейных размеров обусловлена заполнением фторорганическими веществами всех микропор, микрокапилляров и микротрещин, за счет чего практически исключается влагопроницаемость композиционного полимерного материала (пат. RU № 2205193, C08J 5/16).
На чертеже представлен пример конкретного выполнения заявленного рабочего колеса.
Рабочее колесо содержит основной диск 1 и покрывной диск 2, выполненные из композиционного полимерного материала, описанного в патентах RU: № 2205193, № 2164626, № 2274774 и др. Между дисками 1 и 2 размещен металлический диск 3, жестко закрепленный с дисками 1, 2 через выступы 4, выполненные на лопатках диска 1 и входящие в отверстия в дисках 2 и 3. На поверхность диска 3 нанесено защитное покрытие (не показано), например, из композиционного полимерного материала, включающего фторорганические вещества в виде производных изобутана с фторсодержащими органическими заместителями.
При работе насоса перекачиваемая жидкость проходит через проточные каналы, образованные поверхностями дисков 1, 2, 3 (не показаны).
В форсированном режиме работы насоса (в условиях повышенной обводненности перекачиваемой жидкости, сопровождающихся повышением трения, вибрации, пескопроявления, кавитации, сил взаимодействия с контактирующими поверхностями) материал дисков 1, 2, контактирующий с перекачиваемой жидкостью, сохраняет чистоту поверхности проточных каналов, обеспечивая высокие гидродинамические характеристики, обеспечивает при этом износостойкость трущихся поверхностей дисков и минимальный дисбаланс.
Кроме того, композиционный полимерный материал дисков 1, 2, поглощая влагу, увеличивается в объеме, упрочняя соединение дисков 1, 2, 3 между собой. При этом металлический диск 3, соединенный с дисками 1, 2, повышает жесткость и стабильность линейных радиальных размеров колеса.
Наибольший ресурс работы колеса в форсированном режиме достигается использованием для изготовления дисков 1, 2 композиционного полимерного материала, включающего фторорганические вещества в виде производных изобутана с фторсодержащими органическими заместителями (пат. RU № 2205193). Это обусловлено взаимодействием на молекулярном уровне ПАВ модификаторов с наполнителем композита, в отличие от термомеханического взаимодействия составляющих композита по патентам RU № 2164626, № 2274774. Но при этом увеличивается себестоимость колеса.
Изготовление рабочего колеса включает соединение металлического диска 3 с дисками 1, 2 из композиционного полимерного материала сваркой, пайкой или склейкой.
Рабочее колесо погружного центробежного насоса, выполненное согласно изобретению, отличается повышенным ресурсом работы в условиях форсированного режима работы насоса с высоким КПД.