БУСТЕР ВЕРТИКАЛЬНОГО НЕФТЯНОГО ЭЛЕКТРОНАСОСНОГО АГРЕГАТА
VERTICAL BOREHOLE ELECTRICALLY DRIVEN PUMP BOOSTER

Изобретение относится к насосостроению, а именно к вертикальным нефтяным электронасосным агрегатам, и может быть использовано в нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности.
Известен вертикальный химический электронасосный агрегат для перекачивания агрессивных сред, содержащий электродвигатель, сопряженный с ним шнекоцентробежный насос, снабженный всасывающим и выходным патрубками. С целью повышения антикавитационных показателей насоса всасывающий патрубок содержит подкачивающий шнек, закрепленный на валу шнекоцентробежного насоса (RU 2006122670 А, опубл. 10.01.2008).
Известен шнекоцентробежный насос, содержащий корпус, установленный в нем направляющий аппарат и подвижно на передней и задней подшипниковых опорах ротор, включающий шнековый преднасос и центробежные колеса, имеющие втулки и диски, в которых вблизи втулки выполнены сквозные отверстия. В дисках с обеих сторон выполнены каналы, равномерно распределенные по окружности и ограниченные крышками. Передняя опора ротора выполнена в виде подшипника качения, внутренняя обойма которого прочно скреплена с наружными кромками шнека (RU 2252337 С2, опубл. 20.05.2005).
Известен вертикальный шнеково-центробежный насос, содержащий корпус с установленными в нем центробежным рабочим колесом и предвключенным шнеком, размещенным внутри нижней части удлиненной трубы, консольно закрепленной к центральной всасывающей части корпуса. Колесо и шнек соединены между собой удлиненной трансмиссией. На всасывающем участке трубы выполнен один или более обратных клапанов, например, в виде расположенных выше предвключенного шнека окон, снабженных нормально закрытыми лепестковыми упругими элементами, выполненных с возможностью открытия за счет давления разрежения перекачиваемой жидкости при ее полном заполнении вращающегося центробежного рабочего колеса (RU 2305208 С1, опубл. 27.08.2007).
Недостатками известных технических решений являются относительно невысокие надежность и долговечность работы и обусловленные конструктивными решениями невысокие гидродинамические характеристики, что приводит к повышенному износу рабочих узлов и снижению КПД насосов в процессе эксплуатации.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке преднасоса в виде бустера, предотвращающего образование кавитации как в самом преднасосе, так и в связанном с ним по проводящему перекачиваемую среду тракту основном насосе, с одновременным снижением энергозатрат на перекачивание заданной жидкой среды и повышением плавности потока, долговечности и надежности работы конструктивной системы бустера и связанных с ним элементов электронасосного агрегата.
Поставленная задача решается тем, что бустер, согласно изобретению, содержит корпус, размещенное в корпусе рабочее колесо в виде шнека с валом, на котором закреплена втулка с многозаходной крыльчаткой, гидродинамически сопряженной с закрепленным в корпусе спрямляющим аппаратом с образованием совместно с корпусом бустера проточного канала, который на осевой длине шнека включает три последовательно соединенных участка соответственно с входной антикавитационной, переходной и выходной напорной конфигурацией продольного и поперечного сечения канала; многозаходная крыльчатка шнека содержит на входе не менее двух лопаток, длина спиральной закрутки которых выполнена пересекающей антикавитационный и пролонгирована практически на всю длину переходного и выходного участков втулки шнека, при этом на переходном и выходном участках многозаходная крыльчатка ступенчато дополнена не менее чем двумя последовательно численно возрастающими в геометрической прогрессии группами лопаток, каждая из которых выполнена с последовательно убывающей длиной и проложена под углом спиральной закрутки, медиальным относительно углового направления смежных лопаток других групп и длин на том же осевом отрезке шнека, а на выходе общее число лопаток не менее чем в четыре раза превышает число лопаток на входе в шнек, причем упомянутые переменная антикавитационная, переходная и выходная продольная и поперечная конфигурации канала в корпусе бустера выполнены за счет переменной радиальной ширины втулки, которая имеет форму тела вращения - ундулоида с образующей в виде последовательно вогнуто-выпуклой плоской кривой, совмещенной с условной радиально-осевой плоскостью и расположенной с нарастающим радиальным расстоянием от оси бустера, начиная от входа в шнек, с градиентом приращения радиуса на переходном участке, превышающем не менее чем в два раза соответствующий градиент на антикавитационном участке длины втулки шнека.
При этом крыльчатка шнека может быть выполнена на входе трехзаходной, а на выходе двенадцатизаходной, при этом входные лопатки пролонгированы на всю длину шнека, а выходные дополнены тремя лопатками второй ступени и шестью лопатками третьей ступени, осевая длина последних в проекции на радиально-осевую плоскость составляет не более 17%, а лопаток второй ступени не более 35% осевой длины шнека, считая от условной выходной плоскости, нормальной к оси шнека.
Корпус бустера, по меньшей мере, на участке осевой длины шнека может быть выполнен с круглоцилиндрической внутренней поверхностью, а внешние кромки всех лопаток шнека вписаны в условную круглоцилиндрическую поверхность, соосную и конгруэнтную с внутренней поверхностью корпуса бустера.
вт1
вт2
Антикавитационный участок может быть расположен в составе входной половины шнека, причем конфигурация поверхности втулки выполнена в форме тела вращения - вогнуто-выпуклого ундулоида с градиентом приращения радиуса образующей втулки шнека на антикавитационном участке gradR=0÷0,45, а на переходном участке с градиентом приращения радиуса, определяющего ширину втулки, gradR>0,4.
ш
ш
Шаг спирально закрученных лопаток шнека может быть выполнен переменным по длине оси втулки, в том числе на антикавитационном участке с градиентом gradS=0÷1, а на переходном участке с градиентом gradS=1÷10.
Бустер может быть предназначен для создания подпора в основном, например, центробежном электронасосе типа НВН, при этом шнек бустера сообщен с валом основного электронасоса, снабженного электродвигателем, с возможностью передачи крутящего момента с числом оборотов электродвигателя, составляющем предпочтительно 3000 об/мин±50%.
В составе электронасосного агрегата бустер может быть предназначен для откачки обводненной нефти с содержанием воды до 100% и с минерализацией до 200 г/л и содержит гидродинамические опоры скольжения из высокотвердого и износоустойчивого материала типа карбида вольфрама, причем нижняя гидродинамическая опора бустера обеспечивает восприятие радиальных усилий, а верхняя опора оснащена совмещенными гидродинамическими подшипниками, воспринимающими радиальное и осевое усилие, и выполнена из гладких цилиндрических цапфы ротора и втулки подшипника.
В составе электронасосного агрегата бустер может быть предназначен для откачки товарной нефти из безнапорной емкости и подачи во всасывающую магистраль, например, нефтеперекачивающей станции, при этом верхняя и нижняя опора вала бустера выполнена в виде шарикоподшипника качения из нержавеющей стали с латунным сепаратором и защитными манжетами.
В составе электронасосного агрегата бустер может быть предназначен для откачки низковязких жидкостей типа дизельного топлива и газоконденсата, при этом нижняя опора вала бустера оснащена гидродинамическим радиальным подшипником в виде пары трения скольжения, включающей втулку корпуса и втулку вала, предпочтительно, из материалов типа бронза-сталь, а верхняя содержит совмещенные гидродинамический радиальный и гидростатический осевой подшипники.
Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, состоит в разработке преднасоса в виде бустера, предотвращающего образование кавитации как в самом преднасосе, так и в связанном с ним по проводящему перекачиваемую среду тракту основном насосе путем разработки конструкции шнека с антикавитационными свойствами конфигурации втулки и лопаток шнека с одновременным снижением энергозатрат на перекачивание заданной жидкой среды и повышением плавности потока, долговечности и надежности работы конструктивной системы бустера и связанных с ним элементов электронасосного агрегата, что достигается за счет найденных в изобретении оптимальной антикавитационной конфигурации элементов шнека, а именно формы втулки, а так же формы и спиральной угловой закрутки лопаток шнека, которые выполнены многозаходными со ступенчатыми увеличением в геометрической прогрессии их числа в направлении к выходному участку шнека, что в совокупности повышает плавность потока и создает антикавитационный эффект. Преимуществом гидростатических опор является возможность создания достаточной грузоподъемности при низких частотах вращения ротора насосного агрегата. Это в конечном счете улучшает условия эксплуатации, повышает надежность работы и долговечность конструкции бустера и электронасосного агрегата в целом.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображен бустер, предназначенный в составе электронасосного агрегата для откачки обводненной нефти, разрез;
на фиг.2 - бустер, предназначенный в составе электронасосного агрегата для откачки товарной нефти из безнапорной емкости и подачи во всасывающую магистраль, разрез;
на фиг.3 - бустер, предназначенный в составе электронасосного агрегата для откачки низковязких жидкостей типа дизельного топлива и газоконденсата, разрез.
Бустер содержит корпус 1, размещенное в корпусе рабочее колесо в виде шнека 2 с валом 3, на котором закреплена втулка 4 с многозаходной крыльчаткой 5, гидродинамически сопряженной с закрепленным в корпусе 1 спрямляющим аппаратом 6 с образованием совместно с корпусом 1 бустера проточного канала 7. Проточный канал 7 на осевой длине шнека 2 включает три последовательно соединенных участка 8, 9, 10 соответственно с входной антикавитационной, переходной и выходной напорной конфигурацией продольного и поперечного сечения канала. Многозаходная крыльчатка 5 шнека 2 содержит на входе не менее двух лопаток 11. Длина спиральной закрутки лопаток 11 выполнена пересекающей антикавитационный участок 8 и пролонгирована практически на всю длину переходного и выходного участков 9 и 10 втулки 4 шнека 2. На переходном и выходном участках 9 и 10 крыльчатка 5 ступенчато дополнена не менее чем двумя последовательно численно возрастающими в геометрической прогрессии группами лопаток 11, каждая из которых выполнена с последовательно убывающей длиной и проложена под углом спиральной закрутки, медиальным относительно углового направления смежных лопаток других групп и длин на том же осевом отрезке шнека 2. На выходе общее число лопаток 11 не менее чем в четыре раза превышает число лопаток на входе в шнек 2. Антикавитационная, переходная и выходная продольная и поперечная конфигурации канала 7 в корпусе 1 бустера выполнены за счет переменной радиальной ширины втулки 2, которая имеет форму тела вращения - ундулоида с образующей в виде последовательно вогнуто-выпуклой плоской кривой, совмещенной с условной радиально-осевой плоскостью и расположенной с нарастающим радиальным расстоянием от оси бустера, начиная от входа в шнек 2. Градиент приращения радиуса на переходном участке 9 превышает не менее чем в два раза соответствующий градиент на антикавитационном участке 8 длины втулки 4 шнека 2.
Крыльчатка 5 шнека 2 выполнена на входе трехзаходной, а на выходе двенадцатизаходной. Входные лопатки 11 пролонгированы на всю длину шнека 2, а выходные дополнены тремя лопатками второй ступени и шестью лопатками третьей ступени. Осевая длина лопаток третьей ступени в проекции на радиально-осевую плоскость составляет не более 17%, а лопаток второй ступени - не более 35% осевой длины шнека 2, считая от условной выходной плоскости, нормальной к оси шнека 2.
Корпус 1 бустера, по меньшей мере, на участке осевой длины шнека 2 выполнен с круглоцилиндрической внутренней поверхностью, а внешние кромки всех лопаток 11 шнека 2 вписаны в условную круглоцилиндрическую поверхность, соосную и конгруэнтную с внутренней поверхностью корпуса 1 бустера.
вт1
вт2
Антикавитационный участок 8 расположен в составе входной половины шнека 2. Конфигурация поверхности втулки 4 выполнена в форме тела вращения - вогнуто-выпуклого ундулоида с градиентом приращения радиуса образующей втулки 4 шнека 2 на антикавитационном участке 8 составляет gradR=0÷0,45, а на переходном участке 9 с градиентом приращения радиуса, определяющего ширину втулки 4, составляющим gradR>0,4.
ш
ш
Шаг спирально закрученных лопаток 11 шнека 2 выполнен переменным по длине оси втулки 4, в том числе на антикавитационном участке 8 с градиентом gradS=0÷1, а на переходном участке 9 с градиентом gradS=1÷10.
Бустер предназначен для создания подпора в основном, например, центробежном электронасосе типа НВН - нефтяной вертикальный насос. Шнек 2 бустера сообщен с валом основного электронасоса, снабженного электродвигателем, с возможностью передачи крутящего момента с числом оборотов электродвигателя, составляющим предпочтительно 3000 об/мин±50%.
В составе электронасосного агрегата бустер предназначен для откачки обводненной нефти с содержанием воды до 100% и с минерализацией до 200 г/л и содержит гидродинамические опоры скольжения из высокотвердого и износоустойчивого материала типа карбида вольфрама. Нижняя гидродинамическая опора 12 бустера обеспечивает восприятие радиальных усилий, а верхняя опора 13 оснащена совмещенными гидродинамическими подшипниками, воспринимающими радиальное и осевое усилие, и выполнена из гладких цилиндрических цапфы ротора и втулки подшипника.
В составе электронасосного агрегата бустер предназначен для откачки товарной нефти из безнапорной емкости и подачи во всасывающую магистраль, например, нефтеперекачивающей станции, при этом верхняя и нижняя опора 14 и 15 соответственно вала 3 бустера выполнена в виде шарикоподшипника качения из нержавеющей стали с латунным сепаратором и защитными манжетами.
В составе электронасосного агрегата бустер предназначен для откачки низковязких жидкостей типа дизельного топлива и газоконденсата. Нижняя опора 16 вала 3 бустера оснащена гидродинамическим радиальным подшипником в виде пары трения скольжения, включающей втулку корпуса и втулку вала, предпочтительно, из материалов типа бронза-сталь. Верхняя опора 17 содержит совмещенные гидродинамический радиальный и гидростатический осевой подшипники.
Работа бустера осуществляется следующим образом.
При включении электродвигателя крутящий момент по валопроводу поступает на вал 3 ротора бустера и приводит в движение крыльчатку 5 шнека 2. Перекачиваемая среда - товарная нефть, нефтепродукты, газоконденсат или обводненная нефть обтекает втулку 4 шнека 2, приобретает антикавитационную упорядоченность потока и затем через спрямляющий аппарат 6 поступает в проточный канал трансмиссии и затем в основной центробежный насос.
Таким образом, за счет найденных в изобретении оптимальной антикавитационной конфигурации элементов шнека, а именно формы втулки, а также формы и спиральной угловой закрутки лопаток шнека повышается плавность потока и создается антикавитационный эффект. Это в конечном счете улучшает условия эксплуатации, повышает надежность работы и долговечность конструкции бустера и электронасосного агрегата в целом.