МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ПОГРУЖНОЙ НАСОС (ВАРИАНТЫ)
MULTI-STAGE SUBMERSIBLE PUMP (VERSIONS)

Область техники
Настоящее изобретение, в общем, относится к многоступенчатым насосам и, в частности, к системе, способу и устройству для узла открытого рабочего колеса и направляющего аппарата многоступенчатого погружного насоса.
Уровень техники
Когда нефтяная скважина изначально закончена, скважинное давление может обеспечить подачу скважинного флюида (текучей среды) вверх по колонне труб к поверхности. В некоторых случаях скважинное давление может падать, и требуется использование насосно-компрессорной (механизированной) добычи для подачи скважинного флюида на поверхность. Одной из форм механизированной добычи является спуск электрического погружного насоса (ЭПН) в скважину, обычно на колонне труб. ЭПН обеспечивают дополнительную подъемную силу, необходимую для достижения скважинным флюидом поверхности. Один тип ЭПН представляет собой центробежный насос. Центробежные насосы имеют последовательно расположенные рабочие колеса внутри цилиндрического (трубчатого) корпуса, которые вращаются приводным валом для продвижения текучих сред от радиального центра насоса к цилиндрическому корпусу, в котором размещены рабочие колеса.
Рабочие колеса имеют вход или центральное отверстие по отношения к радиальной центральной части, окружающей приводной вал. Вращение рабочего колеса создает центробежные силы, воздействующие на текучую среду в рабочем колесе. Эти центробежные силы увеличивают скорость текучей среды в рабочем колесе, когда текучая среда нагнетается в направлении к цилиндрическому корпусу. Высота, на которую текучая среда может быть поднята по каналу, проходящему вертикально от выходной части рабочего колеса, представляет собой "напор", обеспечиваемый рабочим колесом. Для подачи насосом скважинного флюида к поверхности необходим относительно большой напор. Как увеличение диаметра рабочего колеса, так и увеличение количества рабочих колес могут обеспечить увеличение напора насоса. Но диаметр рабочих колес ограничен диаметром скважины. Соответственно, увеличение количества рабочих колес является общим решением для обеспечения напора скважинных насосов, достаточного для подъема скважинного флюида на поверхность.
Текучая среда поступает в стационарный направляющий аппарат после рабочего колеса. При этом текучая среда теряет скорость в направляющем аппарате, поскольку он стационарный. Уменьшение скорости текучей среды в направляющем аппарате приводит к увеличению давления текучей среды. Направляющий аппарат также перенаправляет текучую среду к входу или центральному отверстию следующего рабочего колеса. Каждое рабочее колесо установлено непосредственно на приводной вал, а направляющие аппараты надвигаются сверху и упираются в направляющий аппарат предыдущей ступени. Каждое рабочее колесо и соответствующий направляющий аппарат представляют "ступень" насоса. Увеличение давления от одной ступени добавляется к напору, создаваемому в следующей ступени. После прохождения достаточного количества ступеней суммарное давление скважинного флюида вырастает в такой степени, что напор, создаваемый последним рабочим колесом насоса, достаточен для подъема скважинного флюида на поверхность. Соответственно, имеется необходимость в усовершенствованных решениях для увеличения числа ступеней при данной длине.
Каждое рабочее колесо имеет втулку, через которую проходит вал. В одном  из типов насоса втулки рабочих колес соседних ступеней насоса не касаются друг друга, а между ними имеется зазор, позволяющий рабочему колесу перемещаться по оси и "плавать" по валу относительно других рабочих колес. При этом изготовителям приходится использовать прокладки или гильзы для правильного позиционирования каждого рабочего колеса в пределах соответствующего направляющего аппарата. При нормальной работе насоса общая длина сборки ступеней насоса больше, чем это было бы без наличия указанных зазоров. Соответственно, если в конструкции с плавающими рабочими колесами избежать наличия зазоров, в аналогичном корпусе насоса может быть размещено больше ступеней. Кроме того, в насосе с плавающими  рабочими колесами, из-за возможности смещения рабочего колеса относительно его направляющего аппарата, могут ухудшаться рабочие характеристики насоса, когда рабочее колесо смещается в неправильную позицию.
Известна ступень погружного центробежного насоса, состоящая из закрепленного в корпусе насоса направляющего аппарата, имеющего профилированные каналы и ступицу, внутри которой неподвижно закреплена втулка с переменным диаметром, и закрепленных на валу посредством шпонки рабочего колеса, имеющего профилированные каналы и ступицу, и промежуточной втулки с буртом, которая размещена между ступицей рабочего колеса и ступицей направляющего аппарата и контактирует своим буртом с торцом втулки направляющего аппарата, отличающаяся тем, что плоскость, в которой происходит контакт бурта промежуточной втулки и втулки направляющего аппарата, расположена внутри направляющего аппарата, при этом на торце втулки направляющего аппарата выполнены радиальные канавки (RU 2286481 27.10.2006 C2).
Задачей, на которую направлено данное изобретение, является создание ступени с более коротким рядом (сборкой) колес, позволяющим получить больше ступеней на корпус, что дает больший напор для данного корпуса.
Сущность изобретения
Далее раскрываются варианты системы, способа и устройства для узла рабочего колеса с открытым диском и направляющего аппарата многоступенчатого погружного насоса. Более конкретно, изобретение относится к установкам скважинных электрических погружных насосов (ЭПН). Рабочие колеса с открытым диском могут быть изготовлены методами порошковой металлургии без необходимости сплавления двух или более частей вместе. В изобретении обеспечиваются ступени с более коротким рядом (сборкой) колес, позволяющим получить больше ступеней на корпус, что дает больший напор для данного корпуса.
В установке обычного многоступенчатого насоса используется закрытое рабочее колесо (импеллер с бандажом), которое может "плавать" между направляющими аппаратами. В противоположность этому, в настоящем изобретении используются рабочие колеса со смещающими (отжимающими) средствами (например, волнистыми пружинами) между ними, которые удерживают вращающиеся лопатки рабочих колес в непосредственной близости к соответствующим направляющим аппаратам. Весь ряд рабочих колес собран, так что они взаимодействуют друг с другом посредством волнистых пружин и под постоянной осевой нагрузкой. Волнистые пружины также компенсируют любые изменения допустимых отклонений в ряду для удержания рабочих колес в правильном рабочем положении.
Также для удержания рабочих колес в правильных положениях и предотвращения их эрозии в некоторых вариантах выполнения могут использоваться установленные между соседними рабочими колесами упорные шайбы из твердых материалов (например, карбид вольфрама, керамика и т.д.). Твердые материалы могут иметь гладкую обработанную поверхность, что будет предотвращать увеличение расхода энергии. Также обеспечивается аналогичная или более высокая эффективность ступени по сравнению с обычными конструкциями. Более того, увеличивается общая эффективность работы предлагаемого в настоящем изобретении насоса по сравнению с насосами с закрытыми рабочими колесами.
Более конкретно, в настоящем изобретении предлагается многоступенчатый погружной насос, снабженный корпусом насоса, имеющим геометрическую ось и вал. В корпусе насоса установлены несколько направляющих аппаратов с образованием ряда направляющих аппаратов и несколько рабочих колес на валу между соответствующими направляющими аппаратами с образованием ряда рабочих колес. При этом каждое из рабочих колес имеет втулку с единственным диском, отходящим в радиальном направлении от втулки, а от этого единственного диска колеса отходит в осевом направлении группа лопаток. Между аксиальными концами соседних рабочих  колес размещены смещающие средства с возможностью непосредственного приложения к ним усилия, смещающего эти рабочие колеса друг от друга.
Смещающие средства могут выполнять функции регулируемых проставок между рабочими колесами с обеспечением осевых усилий, превышающих гидродинамический напор, воздействующий на рабочие колеса, для  предотвращения свободного перемещения рабочих колес в осевом направлении между направляющими аппаратами. В частности, смещающие средства представляют собой волнистые пружины, размещенные между втулками соседних рабочих колес. Волнистые пружины обеспечивают осевую нагрузку между рабочими колесами и компенсируют изменения допустимых отклонений в ряде направляющих аппаратов для удержания рабочих колес в правильном рабочем положении относительно направляющих аппаратов. Смещающие средства обеспечивают рабочие колеса степенью свободы в осевом направлении в диапазоне, ограниченном допуском осевой длины втулок рабочих колес.
Между соответствующими рабочими колесами и направляющими аппаратами предпочтительно размещены упорные шайбы для удержания рабочих колес в правильных положениях и уменьшения их эрозии. Упорные шайбы могут быть выполнены из твердого материала, выбранного из группы, включающей карбид вольфрама и керамику.
Каждый из направляющих аппаратов имеет радиальную поверхность и каждая из лопаток рабочего колеса имеет радиальную поверхность, которая непосредственно беспрепятственно обращена к соответствующей одной радиальной поверхности направляющего аппарата. Радиальные поверхности рабочих колес и направляющих аппаратов параллельны друг другу, при этом радиальные поверхности рабочих колес отходят в осевом направлении вверх по потоку, а радиальные поверхности направляющих аппаратов отходят в осевом направлении вниз по потоку.
Рабочие колеса могут быть выполнены методом порошковой металлургии и включают нерасплавляемые компоненты.
В настоящем изобретении также предлагается многоступенчатый погружной насос, снабженный корпусом насоса, имеющим геометрическую ось и вал. Несколько направляющих аппаратов установлены в корпусе насоса с образованием ряда направляющих аппаратов. И несколько рабочих колес установлены в корпусе насоса на валу между соответствующими направляющими аппаратами с образованием ряда рабочих колес. При этом каждое рабочее колесо имеет втулку с единственным диском, отходящим в радиальном направлении от втулки, а от этого единственного диска колеса отходит в осевом направлении группа лопаток. И имеются смещающие средства, размещенные между аксиальными концами соседних рабочих колес с возможностью непосредственного приложения к ним усилия, смещающего эти рабочие колеса друг от друга. При этом смещающие средства выполняют функцию регулируемых проставок между рабочими колесами для обеспечения осевых усилий, превышающих гидродинамический напор, воздействующий на рабочие колеса, для предотвращения свободного перемещения рабочих колес в осевом направлении между направляющими аппаратами.
Смещающие средства могут представлять собой волнистые пружины, размещенные между втулками соседних рабочих колес для обеспечения осевой нагрузки между рабочими колесами. Волнистые пружины компенсируют изменения допустимых отклонений в ряде направляющих аппаратов для удержания рабочих колес в правильном рабочем положении относительно направляющих аппаратов. Изменения допустимых отклонений обеспечивают рабочие колеса степенью свободы в осевом направлении в диапазоне, ограниченном допуском осевой длины втулок рабочих колес.
Между соответствующими рабочими колесами и направляющими аппаратами имеются упорные шайбы для удержания рабочих колес в правильных положениях и уменьшения их эрозии. Упорные шайбы могут быть выполнены из твердого материала, выбранного из группы, включающей карбид вольфрама и керамику.
Каждый из направляющих аппаратов имеет радиальную поверхность и каждая из лопаток рабочего колеса имеет радиальную поверхность, которая непосредственно беспрепятственно обращена к соответствующей одной радиальной поверхности направляющего аппарата. Радиальные поверхности рабочего колеса и направляющего аппарата параллельны друг другу, при этом радиальные поверхности рабочих колес отходят в осевом направлении вверх по потоку, а радиальные поверхности направляющих аппаратов отходят в осевом направлении вниз по потоку.
Упомянутые выше и другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут более понятны специалистам из следующего детального описания настоящего изобретения с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания настоящего изобретения будет приведено описание предпочтительного варианта осуществления в качестве иллюстрирующего, но не ограничивающего изобретение примера, со ссылками на приложенные чертежи, на которых представлено:
фиг.1 - боковой вид в разрезе одного варианта выполнения предлагаемой в настоящем изобретении насосной установки;
фиг.2 - вид в перспективе одного варианта направляющего аппарата для предлагаемой в настоящем изобретении насосной установки по фиг.1;
фиг.3 - вид в перспективе одного варианта рабочего колеса для предлагаемой в настоящем изобретении насосной установки по фиг.1;
фиг.4А-4В - виды в перспективе различных вариантов осуществления смещающих средств для предлагаемой в настоящем изобретении насосной установки по фиг.1; и
фиг.5 - вид сбоку одного варианта осуществления предлагаемого в настоящем изобретении рабочего колеса по фиг.3.
Подробное описание изобретения
На фиг.1-5 представлены варианты осуществления системы, способа и устройства для узлов рабочего колеса с открытым диском и направляющего аппарата многоступенчатых погружных насосов. Изобретение пригодно для установок многоступенчатых скважинных электрических погружных насосов (ЭПН) для откачки текучих сред, таких как нефть и газ, из скважин. В некоторых вариантах осуществления изобретения насос 10 имеет корпус 11 (фиг.1) с геометрической осью (осевой линией) 13 и вал 15. На насосе 10 также могут быть установлены 10 секция 17 гидрозащиты, двигатель 19 и, при необходимости, газосепаратор (не показан), в зависимости от применения.
Как показано на фиг.1, в корпусе 11 насоса установлена группа направляющих аппаратов 21, образуя ряд (сборку) направляющих аппаратов. Направляющие аппараты 21 неподвижно зафиксированы относительно корпуса 11 насоса. В некоторых вариантах осуществления (фиг.2) каждый направляющий аппарат 21 имеет втулку 23 с центральным отверстием через которую проходит вал 15, внешнюю стенку 25 и радиальную поверхность 27, проходящую в основном в радиальном направлении между втулкой 23 и внешней стенкой 25. Каждый направляющий аппарат 21 также имеет направляющие лопатки 28 (фиг.1), определяющие проход 29 для текучей среды (фиг.1 и 2), через который прокачивается поток текучей среды.
Также на фиг.1 можно видеть, что в корпусе 11 насоса установлена группа рабочих колес 31. Рабочие колеса 31 жестко закреплены на валу 15 между соответствующими направляющими аппаратами 21, образуя ряд (сборку) рабочих колес. Рабочие колеса 31 вращаются с валом 15 и, соответственно, относительно направляющих аппаратов 21. В некоторых вариантах осуществления (фиг.3 и 5) каждое из рабочих колес 31 имеет втулку 33 с центральным отверстием, через которую проходит вал 15. Каждая втулка 33 имеет единственный "верхний" диск 35 рабочего колеса, который отходит по существу в радиальном направлении от втулки 33. Рабочие колеса 31 не имеют "нижнего" опорного диска/бандажа и называются "открытыми рабочими колесами". Группа лопаток 37 отходит по существу в осевом направлении от диска 35 рабочего колеса. В одном из вариантов осуществления рабочие колеса 31 могут быть сформированы в процессе порошковой металлургии и включают нерасплавляющиеся компоненты.
Как показано на фиг.3 и 5, каждая лопатка 37 рабочего колеса имеет "свободную" (т.е. открытую или безопорную) радиальную поверхность 39, которая непосредственно беспрепятственно обращена к соответствующей одной радиальной поверхности 27 направляющего аппарата (см., например, фиг.1). В некоторых вариантах осуществления радиальные поверхности 39, 27 лопатки рабочего колеса и направляющего аппарата, соответственно, параллельны друг другу. Радиальные поверхности 39 лопатки рабочего колеса отходят в осевом направлении вверх по потоку (т.е., вниз скважины), и радиальные поверхности 27 направляющего аппарата отходят в осевом направлении вниз по потоку (т.е., вверх скважины). Таким образом, поверхности 27, 39 представляют собой "согласующиеся" поверхности, которые выровнены относительно друг друга в одной конфигурации. Такая конструкция делает и направляющие аппараты 21, и рабочие колеса 31 в осевом направлении короче, чем в обычных конструкциях, поскольку они не имеют обычных кольцевых прокладок или нижних дисков колес, соответственно.
Как показано на фиг.1, в этом варианте осуществления изобретения дополнительно имеются смещающие средства 51, размещенные между аксиальными концами втулок 33 соседних рабочих колес 31. Смещающие средства 51 непосредственно смещают (обеспечивают смещающее усилие) рабочих колес 31 в направлении друг от другу. Смещающие средства 51 выполнены в виде регулируемых проставок (распорных шайб) между рабочими колесами 31, обеспечивающих осевые усилия, величина которых превышает гидродинамический напор, воздействующий на рабочие колеса во время работы для предотвращения свободных перемещений рабочих колес в осевом направлении между направляющими аппаратами 21. В противоположность этому, в обычным конструкциях используются имеющие жесткие допуски втулки или шайбы различных размеров для приспосабливания к различиям между обычными рабочими колесами. Таким образом, предлагаемые в настоящем изобретении рабочие колеса 31 не могут перемещаться в осевом направлении по отношению друг к другу. Смещающие средства 51 работают как регулируемые проставки и обеспечивают осевую силу, превышающую гидродинамический напор, воздействующий на насосную установку.
В некоторых вариантах осуществления смещающие средства 51 представляют собой волнистые пружины (см., например, волнистые пружины 51а-с на фиг.4А-В). Волнистые пружины 51 размещены между втулками 33 (фиг.1) соседних рабочих колес 31 для обеспечения осевой нагрузки между рабочими колесами. Волнистые пружины 51 поглощают изменения допустимых отклонений (допусков) в ряде направляющих аппаратов для удержания рабочих колес 31 в правильном рабочем положении относительно направляющих аппаратов 21. Изменения допустимых отклонений между направляющими аппаратами 21 обеспечивают рабочие колеса 31 степенью свободы в осевом направлении в диапазоне, ограниченном допуском осевой длины втулок 33 рабочих колес 31. Смещающие средства также могут представлять собой тарельчатые или дисковые пружины.
В некоторых вариантах осуществления изобретение дополнительно включает упорные шайбы 61 (фиг.1), размещенные в осевом направлении между соответствующими рабочими колесами 31 и направляющими аппаратами 21 для удержания рабочих колес в правильном положении и уменьшения эрозии рабочих колес. Упорные шайбы 61 могут быть выполнены из твердого материала, такого как карбид вольфрама или керамика.
Изобретение обеспечивает ряд преимуществ. Предлагаемый в изобретении многоступенчатый погружной насос позволяет обеспечить более высокое отношение ступеней на корпус, меньшую длину компоновки и более высокое напорное давление в отношении рабочих характеристик корпуса, чем обычные конструкции. Изобретение также позволяет упростить узел и уменьшить стоимость за счет ограничения жестких допусков для деталей.
В то время как изобретение было раскрыто и описано только на частных примерах, следует понимать, что оно ими не ограниченно и в рамках его объема в эти примеры могут быть внесены различные изменения.