МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ВЫСОКООБОРОТНЫЙ ПОГРУЖНОЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС
MULTI-STAGE HIGH-SPEED IMMERSED IMPELLER PUMP

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к нефтяной промышленности, а именно к погружному оборудованию для нефтедобычи, в частности к погружным центробежным насосным установкам, в том числе используемым на малодебитном фонде скважин.
Уровень техники
В связи с тем, что в настоящее время значительная часть месторождений находится в заключительной стадии эксплуатации, все большую актуальность приобретает эксплуатация скважин малодебитного осложненного фонда. Характерной особенностью таких скважин является значительное изменение притока в течение короткого промежутка времени. В такой ситуации поддержание эффективного режима работы системы «скважина - центробежный насос» осуществляется за счет реализации необходимого частотного режима работы насоса, что, в свою очередь, обуславливает необходимость широкого диапазона регулирования. Кроме того, высокая частота вращения вала насоса позволяет значительно снизить массогабаритные характеристики погружной части установки, что создает экономически привлекательную ситуацию.
Для эффективного использования скважин малодебитного осложненного фонда необходимо создание максимально возможной депрессии на пласт, что обуславливает повышенное содержание твердых частиц в продукте скважины.
В настоящее время для повышения эффективности нефтедобычи все более широко используются различные методы воздействия на нефтяной пласт, например гидроразрыв. Повышается проницаемость пласта и, как следствие, возрастает приток добывающих скважин. Вместе с тем такой технологический прием существенно увеличивает концентрацию твердых частиц в продукте скважины.
Повышенная концентрация твердых частиц в зонах трения центробежного насоса крайне негативно сказывается на его ресурсных показателях. Это обстоятельство обуславливает актуальность технических решений, позволяющих снизить вероятность проникновения твердых частиц в зоны трения центробежного насоса. С этой точки зрения, у существующих типов центробежных насосов наиболее уязвимым местом является зазор между ступицей рабочего колеса и направляющим аппаратом предыдущей ступени. Кроме того, наличие указанного зазора влечет за собой значительные перетечки между ступенями насоса, что негативно сказывается на КПД насоса. Устранение таких перетечек особо актуально для высокооборотных насосов, имеющих высокий напор ступени.
Известно техническое решение, позволяющее устранить зазор между ступицей рабочего колеса и направляющим аппаратом предыдущей ступени, - двухопорная схема компоновки центробежного насоса. Например, многоступенчатый центробежный насос марки 225 ЭЦНАК 5-80-900 крупнейшего отечественного производителя погружных насосов - завода «АЛНАС» (аналог предлагаемого изобретения), состоящий из размещенных в одном цилиндрическом корпусе вала и нескольких ступеней, каждая из которых включает неподвижные относительно корпуса элементы и соединенное при помощи шпонки с валом насоса центробежное колесо со ступицей.
Суть известного технического решения состоит в том, что центробежное колесо опирается не только на неподвижные элементы ступени, но и торцевой поверхностью ступицы на неподвижные элементы предыдущей ступени.
Недостатком такой конструкции является крайне низкая технологичность, обусловленная необходимостью «подгонки» двух опорных поверхностей центробежного колеса.
Кроме того, при неравномерном износе опор возникают перетечки либо между зонами высокого и низкого давления ступени, либо между ступицей рабочего колеса и направляющим аппаратом предыдущей.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является погружной многоступенчатый центробежный насос, конструкция которого представлена в патенте России RU 2294458 С1 от 06.10.2005 (прототип), состоящий из размещенных в одном цилиндрическом корпусе вала и нескольких ступеней, каждая из которых включает неподвижные относительно корпуса опорный диск, цилиндрический корпусной элемент, направляющий аппарат и соединенное при помощи шпонки с валом насоса центробежное колесо со ступицей, которое, в свою очередь, содержит скрепленные лопатками ведомый и ведущий диски, причем центробежное колесо сопрягается с направляющим аппаратом с помощью кольцевого подшипника скольжения, подвижная часть которого установлена на внешней поверхности ведомого диска, а ответная неподвижная часть - на опорном диске.
Конструкция прототипа представлена фиг.1. Цифрами обозначены:
1 - вал;
2 - направляющий аппарат;
3 - ведущий диск;
4 - центробежное колесо;
5 - ведомый диск;
6 - подвижная часть подшипника скольжения;
7 - неподвижная часть подшипника скольжения;
8 - опорный диск;
9 - цилиндрический корпусной элемент;
10 - центробежное колесо со ступицей.
К технологическим недостаткам прототипа относятся сложность изготовления и сборки насоса, вызванные тем, что центробежное колесо каждой ступени связано с валом насоса индивидуальной шпонкой, а для исключения перетоков каждая шпонка ступени развернута относительно соседней на некоторый угол.
Сущность изобретения
Основной технический результат изобретения состоит в разработке многоступенчатого высокооборотного погружного центробежного насоса, обладающего повышенными ресурсными показателями, технологичностью изготовления и высоким КПД.
Для достижения указанного технического результата в насосе, состоящем из размещенных в одном цилиндрическом корпусе вала и нескольких ступеней, каждая из которых включает неподвижные относительно корпуса опорный диск, цилиндрический корпусной элемент, направляющий аппарат и соединенное при помощи шпонки с валом насоса центробежное колесо со ступицей, которое, в свою очередь, содержит скрепленные лопатками ведомый и ведущий диски, причем центробежное колесо сопрягается с направляющим аппаратом с помощью кольцевого подшипника скольжения, подвижная часть которого установлена на внешней поверхности ведомого диска, а ответная неподвижная часть на опорном диске, согласно изобретению между центробежным колесом и направляющим аппаратом предыдущей ступени, на оси насоса, по шпонке, устанавливается запирающая втулка, "телескопически" сопряженная со ступицей центробежного колеса и соприкасающаяся с поверхностью направляющего аппарата предыдущей ступени, причем геометрические характеристики направляющего аппарата удовлетворяют условию
2
Н>1,5×Q/(ω×R),
где Н - высота проточной части направляющего аппарата;
ω - угловая скорость центробежного колеса;
R - радиус центробежного колеса;
Q - объемная подача насоса,
при этом сечение запирающей втулки плоскостью по ее оси может иметь параболический или конический профиль, а в пространстве, ограниченном поверхностями вала, ступицы центробежного колеса, запирающей втулки и направляющего аппарата предыдущей ступени, может быть установлена цилиндрическая защитная втулка, соединенная шпонкой с валом насоса. На все соприкасающиеся поверхности запирающей втулки и направляющего аппарата предыдущей ступени может быть произведено напыление высокопрочного покрытия. Запирающая втулка и направляющий аппарат предыдущей ступени могут быть выполнены составными. Соприкасающиеся части запирающей втулки и направляющего аппарата предыдущей ступени могут быть выполнены из высокопрочного сплава на основе карбида вольфрама. Вращающиеся детали всех ступеней насоса: центробежные колеса и запирающие втулки, могут быть связаны с валом насоса единой шпонкой.
Защитная втулка снижает вероятность проникновения твердых частиц в зону трения «ступица - вал - направляющий аппарат», что значительно увеличивает ресурсные показатели. Кроме того, снижение вероятности проникновения твердых частиц в зону трения «ступица - вал - направляющий аппарат» позволяет существенно повысить частоту вращения вала насоса без снижение ресурсных показателей, что делает его высокооборотным.
Защитная втулка снижает перетоки перекачиваемой жидкости между ступенями, что увеличивает КПД насоса.
Достижение технического результата в виде технологичности изготовления многоступенчатого высокооборотного погружного центробежного насоса состоит в том, что применение запирающей втулки устраняет необходимость «подгонки» опор в двухопорной конструкции насоса.
Параболический или конический профиль запирающей втулки повышает технологичность ее изготовления и улучшает гидравлические свойства проточной части насоса, что увеличивает КПД насоса.
К повышению технологичности также следует отнести напыление высокопрочного покрытия на соприкасающиеся поверхности запирающей втулки и направляющего аппарата предыдущей ступени (позиция 2 фиг.2).
Выполнение запирающей втулки и направляющего аппарата предыдущей ступени составными повышает технологичность их изготовления, а когда соприкасающиеся части запирающей втулки и направляющего аппарата предыдущей ступени выполняются из высокопрочного сплава на основе карбида вольфрама, имеет место рост ресурсных показателей насоса.
Запирающие и защитные втулки одной ступени и центробежное колесо насоса связываются с валом насоса единой шпонкой, в том числе для повышения технологичности изготовления вала насоса и сборки насоса.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 иллюстрирует особенности конструкции прототипа предлагаемого технического решения.
Фиг.2 иллюстрирует суть предлагаемого технического решения и параметры, определяющие диапазон применимости предлагаемого решения.
Осуществление изобретения
Насос состоит из размещенных в одном цилиндрическом корпусе вала 1 и нескольких ступеней, каждая из которых включает неподвижные относительно корпуса опорный диск 8, цилиндрический корпусной элемент 9, направляющий аппарат 2 и соединенное при помощи шпонки с валом насоса 1 центробежное колесо 4 со ступицей 10, которое, в свою очередь, содержит скрепленные лопатками ведомый 5 и ведущий 3 диски, причем центробежное колесо 4 сопрягается с направляющим аппаратом с помощью кольцевого подшипника скольжения 6 и 7, подвижная часть которого 6 установлена на внешней поверхности ведомого диска 5, а ответная неподвижная часть 7 - на опорном диске 8. Между центробежным колесом 4 и направляющим аппаратом предыдущей ступени, на оси насоса, по шпонке, установлена запирающая втулка 11, "телескопически" сопряженная со ступицей центробежного колеса 10 и соприкасающаяся с поверхностью направляющего аппарата предыдущей ступени. Геометрические характеристики направляющего аппарата удовлетворяют условию
2
Н>1,5×Q/(ω×R),
где Н - высота проточной части направляющего аппарата;
ω - угловая скорость центробежного колеса;
R - радиус центробежного колеса;
Q - объемная подача насоса.
Указанное выше условие базируется на том, что для плотного прилегания запирающей втулки 11 к поверхности направляющего аппарата предыдущей ступени необходимо, чтобы давление на поверхностях запирающей втулки, обозначенной на фиг.2 цифрой 13, было больше давления на поверхности запирающей втулки, обозначенной на фиг.2 цифрой 14. С практической точностью это условие может быть сформулировано следующим образом:
P<sub>A</sub>>P<sub>B</sub>,
(1)
A
B
где P - давление на выходе из направляющего аппарата, а P - давление в зазоре между поверхностями направляющего аппарата и рабочим колесом в зоне вала.
Соотношение (1) можно записать в виде
P<sub>BC</sub>>P<sub>AC</sub>,
(2)
AC
где P - перепад давления между точками A и C, а
BC
P - перепад давления между точками B и C.
Перепад давления между точками B и C определяется напором центробежного насоса, образованного поверхностями направляющего аппарата и рабочего колеса. Напор такого насоса можно определить по окружной скорости, равной половине скорости в зазоре «поверхность направляющего аппарата - рабочее колесо»
где ρ - плотность перекачиваемой среды;
ω - угловая скорость центробежного колеса;
R - радиус центробежного колеса.
Перепад давления между точками B и C определяется как
г
где ΔP - гидравлические потери в каналах направляющего аппарата;
д
ΔP - прирост давления в диффузорных каналах направляющего аппарата.
д
Сделаем самую «жесткую» оценку требований, накладываемых на геометрию направляющего аппарата, т.е. положим ΔP=0.
г
ΔP складываются из потерь на трение и местного сопротивления при выходе потока из цилиндрической части направляющего аппарата. Тогда, используя соотношение Дарси-Вейсбаха, имеем
г
э
м
2
2
ΔP=ξ×(ρ×V/2)×(L/D)+ξ×(ρ×V/2),
где ξ - коэффициент гидравлического сопротивления на трение;
м
ξ - коэффициент гидравлического сопротивления местных потерь;
L - длина проточной части каналов направляющего аппарата;
э
D - эквивалентный гидравлический диаметр каналов направляющего
аппарата;
V - средняя скорость в каналах направляющего аппарата.
м
Принимая ξ=1, как при повороте потока на 90 градусов, из (2)-(4) имеем
Эквивалентный гидравлический диаметр канала, образованного двумя параллельными плоскостями, равен двойному зазору между этими плоскостями, поэтому без учета площади лопаток направляющего аппарата
где H - высота проточной части направляющего аппарата.
Определяя среднюю скорость в каналах направляющего аппарата по среднему радиусу рабочего колеса, имеем
где Q - объемная подача насоса.
Теперь, с учетом соотношений (6) и (7) соотношение (5) принимает вид
0,5
где A=2×[1+ξ×L/(2×H)]/3,14.
Сделаем оценку максимально возможной величины значения величины A.
Для реальных погружных нефтяных насосов L не превышает 100 мм.
При наличии в продукте скважины механических примесей эксплуатация погружных нефтяных насосов практически невозможна при H, меньшем 1 мм.
Тогда для ξ=0,04
0,5
A=2×[1+0,04×100/(2×1)]/3,14=1,42.
Итак, округляя величину A до 1,5, имеем
2
Н>1,5×Q/(ω×R),
где H - высота проточной части направляющего аппарата;
ω - угловая скорость центробежного колеса;
R - радиус центробежного колеса.
Сечение запирающей втулки 11 плоскостью по ее оси может иметь параболический или конический профиль.
В пространстве, ограниченном поверхностями вала 1, ступицы центробежного колеса 10, запирающей втулки 11 и направляющего аппарата предыдущей ступени 2, может быть установлена цилиндрическая защитная втулка, соединенная шпонкой с валом насоса.
На все соприкасающиеся поверхности запирающей втулки 11 и направляющего аппарата предыдущей ступени может быть произведено напыление высокопрочного покрытия 12.
Запирающая втулка 11 и направляющий аппарат предыдущей ступени могут быть выполнены составными. Соприкасающиеся части запирающей втулки 11 и направляющего аппарата предыдущей ступени могут быть выполнены из высокопрочного сплава на основе карбида вольфрама.
Вращающиеся детали всех ступеней насоса: центробежные колеса 4 и запирающие втулки 11, могут быть связаны с валом насоса 1 единой шпонкой.
Пластовая жидкость, проходя горловину центробежного колеса, образованную внешней цилиндрической поверхностью ступицы 10 и цилиндрической поверхностью ведомого диска 5, поступает в каналы центробежного колеса. За счет центробежных сил в каналах центробежного колеса 4 энергия жидкости возрастает, что приводит к росту ее давления на выходе их центробежного колеса. По каналам направляющего аппарата 2 перекачиваемая жидкость поступает в точку A (фиг.2). Вследствие потерь на трение и местного сопротивления при выходе потока из цилиндрической части направляющего аппарата давление перекачиваемой среды в точке A (фиг.2) меньше давления перекачиваемой среды в точке C (фиг.2).
Давление жидкости в точке B (фиг.2) меньше давления в точке C (фиг.2) на величину напора центробежного насоса, образованного поверхностями направляющего аппарата и рабочего колеса. Если этот напор больше потерь на трение и местного сопротивления при выходе потока из цилиндрической части направляющего аппарата, то давление в точке A (фиг.2) больше давления в точке B (фиг.2). Под действием разности давлений в точках A и B (фиг.2) запирающая втулка 11 прижимается к поверхности направляющего аппарата предыдущей ступени, что минимизирует проникновение твердых частиц в зоны трения центробежного насоса и перетоки жидкости между ступенями насоса.
Условие, при котором будет иметь место прижатие запирающей втулки к поверхности направляющего аппарата предыдущей ступени, определяется соотношением, приведенным в формуле изобретения.