СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Техническое решение относится к области погружных центробежных насосов, используемых для перекачивания агрессивных сред, в том числе, и содержащих абразивные механические частицы, и может быть использовано для добычи полезных ископаемых в жидкой форме, в том числе, и углеводородов из нефтяных скважин.
Предлагаемое техническое решение относится к конструкции электрических погружных насосов, используемых для добычи углеводородов из нефтяных скважин. Подъем жидкости достигается за счет вращения многочисленных ступеней, расположенных внутри корпуса насоса. Каждая ступень состоит из неподвижного диффузора и вращающегося рабочего колеса. В добываемой жидкости присутствуют твердые частицы в средней концентрации 200 РРМ (200 мг/литр). В случае добычи тяжелой нефти, концентрация твердых частиц может быть гораздо выше. Частицы двигаются с высокой скоростью (скорость потока для традиционных сфер применения составляет свыше 15 м/с) через проходное сечение ступени, вызывая эрозионное изнашивание ступеней. Коэффициент полезного действия насоса при этом снижается. Изнашивание ступеней вызывает повышение динамических нагрузок, действующих также на подшипник вала насоса. Это ведет к ускоренному износу радиальных подшипников и преждевременному выходу насоса из строя.
Известна конструкция (SU, авторское свидетельство 576438) центробежного насоса, содержащая корпус с всасывающим и
нагнетательным патрубками, а также рабочий орган, причем для повышения долговечности насоса рабочий орган выполнен в виде двух соединенных между собой по торцу и повернутых друг относительно друга на 90° изгибных керамических пьезоэлементов.
Недостатком известной конструкции следует признать ее недостаточную долговечность и надежность, обусловленные истирание абразивными частицами элементов насоса, составляющих гидравлический тракт.
Известна (RU, патент 2083880) конструкция центробежного насоса с керамическими рабочими дисками. Известная конструкция содержит корпус, привод, связанный с рабочим колесом, включающим один из керамических рабочих дисков с установленными на нем нагнетательными элементами, расположенными в рабочей камере, имеющей впускные и выпускные отверстия и ограниченной поверхностями подвижного и неподвижных керамических дисков. При этом рабочая камера расположена между двумя керамическими дисками, обращенными друг к другу, поверхности которых выполняют одновременно роль торцевых уплотнений, и выполнена в виде паза на поверхности неподвижного керамического диска, ограниченного двумя коаксиальными поверхностями разных диаметров, причем нагнетательные элементы установлены на подвижном керамическом диске рабочего колеса с возможностью при вращении последнего попеременного перекрытия впускных и выпускных отверстий, выполняющих одновременно роль впускных и выпускных клапанов.
Недостатком известной конструкции следует признать ее недостаточную долговечность и надежность, обусловленные истирание абразивными частицами элементов насоса, составляющих гидравлический тракт.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения можно признать конструкцию (SU, авторское свидетельство 1125408) центробежного насоса. Известная конструкция содержит износостойкие (керамические) корпус с крышкой и размещенные в нем керамическое рабочее колесо со ступицей, и направляющий аппарат.
Недостатком известной конструкции следует признать его недостаточно высокий срок службы, обусловленный абразивным износом деталей, входящих в состав гидравлического тракта.
Технической задачей, решаемой посредством использования предлагаемой конструкции погружного центробежного насоса, является повышение стойкости элементов его конструкции, входящих в состав гидравлического тракта, к абразивному износу.
Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого изобретения, состоит в повышении износостойкости ступени погружного насоса при одновременном упрощение процесса сборки ступени и повышение надежности конструкции ступени.
Указанный технический результат достигается тем, что используют ступень погружного центробежного насоса, содержащую рабочее колесо и направляющий аппарат, включающий ступицу и лопасти, причем проточная часть колеса и направляющего аппарата выполнена в виде отдельных сегментов, изготовленных из износостойкого материала, а крепление сегментов к ступице выполнено посредством наружных компрессионных колец, устанавливаемых с натягом, при этом компрессионные кольца и износостойкие сегменты выполнены сходящими на конус.
Предпочтительно между кольцом, ступицей и сегментом установлены прокладки из пластичного материала, а между торцами сегментов может быть расположено лабиринтное уплотнение,
выполненное в виде V образного соединения. Между ступицей и сегментами может быть установлено дополнительное уплотнение, которое обычно представляет собой кольцо с присоединенными радиальными лучами по количеству равных количеству сегментов.
Указанные сегменты преимущественно изготовлены из керамики, предпочтительно оксида алюминия или диоксида циркония или карбидных соединений металлов.
Предложенная конструкция в дальнейшем будет иллюстрирована с использованием графического материала, при этом на фиг.1 приведена структура типовой насосной секции погружных электрических насосов, на фиг.2 приведен вид шпоночного соединения, на фиг.3 приведен вид рабочего колеса, на фиг.4 приведен вид направляющего аппарата.
Структура типовой насосной секции электрических погружных насосов показана на Фиг.1. Она содержит корпус 1 и вал 2 с радиальными подшипниками 3. Направляющие аппараты 4 ступеней размещены внутри корпуса и удерживаются от вращения с использованием сил трения, возникающих в результате сжатия их между верхним 5 и нижним 6 основаниями насоса. Рабочие колеса 7 ступеней установлены на валу 2 насоса. Рабочие колеса зафиксированы в состоянии сжатия с использованием гайки 8. Вращение вала поступает от вала к каждому рабочему колесу с использованием шпоночного соединения (фиг.2).
Каждое рабочее колесо (фиг.3) состоит из износостойких сегментов с лопастями 9, размещенными вокруг ступицы 10. Сегменты зафиксированы на месте с использованием компрессионных колец, сходящих на конус, 11 и 12.
Каждый направляющий аппарат (фиг.4) состоит из износостойких сегментов с лопастями 13, размещенными вокруг ступицы 14. Сегменты зафиксированы на месте с использованием компрессионного кольца, сходящего на конус, 15. Компрессионное кольцо имеет резьбу на внешней стороне. Промежуточную сборку «сегменты - ступица - компрессионное кольцо» посредством указанной резьбы закрепляют внутри наружного кожуха 16.
Сборку рабочего колеса (фиг.3) осуществляют следующим образом. Сегменты 9 устанавливают в посадочное место ступицы 10. Кольцо 11 нагревают до фиксированной температуры. Температуру нагрева определяют исходя из достижения необходимой величины усилия натяга в соединении; она зависит от коэффициента теплового объемного расширения материала кольца. После нагрева кольцо 11 устанавливают поверх сегментов 9. По мере охлаждения кольцо 11 обжимает сегменты 9 и прижимает их к ступице 10.
Сборку направляющего аппарата осуществляют аналогично.
Предлагаемая конструкция ступени позволяет, кроме ранее указанных преимуществ, удобно и надежно устанавливать компрессионные кольца над износостойкими сегментами, а также точно позиционировать сегменты диффузора внутри кожуха.
Выполнение проточной части колеса и направляющего аппарата в виде набора отдельных сегментов, снабженных лопастями и изготовленными из износостойких материалов, причем крепления сегментов к ступицам выполнены посредством наружных компрессионных колец, установленных с натягом, обеспечивает, с одной стороны, повышение износостойкости ступени погружного насоса за счет использования износостойких материалов, с другой стороны, одновременное упрощение процесса сборки ступени и повышение надежности конструкции ступени за счет использования
отдельных сегментов конусообразной формы, упрощающей сборку и уменьшающей внутренние напряжения в собранном элементе.