МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ НАСОС И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
MULTI-STAGE PUMP AND METHOD OF MANUFACTURE

Уровень техники
В разнообразии окружающих сред насосы используются для нагнетания или отвода жидкости. Например, многоступенчатые центробежные насосы используют многоступенчатые рабочие колеса и диффузоры для обеспечения движущей силы для перемещения жидкости. Рабочие колеса вращаются посредством вала, в то время как диффузоры проводят жидкость от одного рабочего колеса до другого. Иногда этот тип насоса используется при добыче нефти. Насос может быть интегрирован в насосную электрическую погружную систему, например, для применения в стволе скважины по добыче нефти (см., например, US 6361272).
При сборке многоступенчатых центробежных насосов диффузоры сжимаются для предотвращения вращения диффузора в процессе работы насоса. Примененная к многоступенчатым диффузорам осевая предварительная нагрузка превышает силу отклонения, действующую на любой отдельный диффузор из-за нагрузки сжатия, идущей от вращающихся рабочих колес. В противном случае верхний диффузор и, возможно, другие диффузоры стали бы вращаться. Также нагрузка сжатия является кумулятивной, так что каждый диффузор должен выдержать нагрузку сжатия всех нисходящих потоков. Общая нагрузка сжатия на самом верхнем диффузоре поэтому равна эффективной площади давления одной ступени, умноженной на полное давление насоса. Соответственно, предварительная нагрузка сжатия должна дать несколько большее полное осевое отклонение многоступенчатых диффузоров, чем отклонение, возникающее из-за совокупной нагрузки сжатия. Максимальная длина насоса, таким образом, ограничена пределом прочности диффузоров при сжатии. Также необходимо отметить, что максимальная длина многих типов центробежных насосов может быть ограничена потерей осевого люфта в течение сжатия. Это может привести к "запиранию" насоса из-за контакта между одним или более рабочим колесом и смежными диффузорами или другими элементами.
Для уменьшения нагрузки сжатия в систему может быть интегрировано множество небольших отдельных насосов. Отдельные насосы соединяются фланцами и шлицевым сцеплением, но такие элементы увеличивают стоимость изготовления и установки. Более того, каждый из насосов в отдельности должен быть проверен, обработан и установлен.
Сущность изобретения
В целом, данное изобретение предусматривает систему и способ облегчения конструирования более длинных центробежных насосов. Система и способ предусматривают создание одного насоса, имеющего множество вставленных в корпус секций и по меньшей мере один промежуточный элемент, установленный в указанных секциях. Промежуточный элемент обеспечивает предварительную нагрузку сжатия отдельных групп ступеней в пределах одного насоса.
Согласно одному объекту изобретения предложена насосная система, содержащая погружной центробежный насос, имеющий первую секцию корпуса, вторую секцию корпуса, цельный промежуточный элемент, к которому первая секция корпуса и вторая секция корпуса присоединяются посредством резьбового соединения, вал, проходящий через первую секцию корпуса и вторую секцию корпуса, множество рабочих колес и множество диффузоров, расположенных в пределах первой секции корпуса и второй секции корпуса, первый элемент, работающий на сжатие, и второй элемент, работающий на сжатие, расположенные с возможностью независимого сжатия множества диффузоров в первой секции корпуса и во второй секции корпуса, так, что множество диффузоров независимо предварительно нагружаются в первой секции корпуса и во второй секции корпуса в достаточной степени, чтобы преодолеть кумулятивные нагрузки сжатия, действующие на множество диффузоров во время работы.
Предпочтительно, вал является единственным общим валом, проходящим через первую секцию корпуса и вторую секцию корпуса, а промежуточный элемент включает центральную опору, от которой в противоположных направлениях отходят два участка с резьбой, множество каналов и по меньшей мере один уплотняющий элемент на каждой стороне центральной опоры.
Преимущественно система содержит погружной двигатель, обеспечивающий работу погружного центробежного насоса, и защитное устройство для двигателя, подсоединенное к погружному двигателю.
Согласно другому объекту изобретения предложен способ сборки насоса, имеющего множество ступеней, включающий:
- сборку первого множества ступеней в первом секции корпуса,
- присоединение промежуточного элемента к первой секции корпуса,
- сжатие первого множества ступеней в первой секции корпуса, чтобы установить предварительную нагрузку, достаточную для преодоления кумулятивных нагрузок сжатия, действующих на множество распылителей во время работы,
- присоединение второй секции корпуса к промежуточному элементу,
- сжатие второго множества ступеней во второй секции корпуса, чтобы установить предварительную нагрузку.
Предпочтительно, сжатие второго множества ступеней включает сжатие второго множества ступеней с выходным патрубком, а сжатие первого множества ступеней включает сжатие первого множества ступеней с элементом, работающим на сжатие.
Кроме того, присоединение промежуточного элемента к первой секции корпуса, предпочтительно, осуществляют посредством резьбового присоединения, присоединение второй секции корпуса к промежуточному элементу осуществляют посредством резьбового присоединения, при этом прикрепление включает резьбовое присоединение промежуточного элемента в положении, когда первое множество диффузоров сжато, а сжатие включает сжатие второго множества диффузоров.
Кроме того, способ может дополнительно включать установку единого вала, проходящего через первое множество ступеней и второе множество ступеней.
Согласно еще одному объекту изобретения предложен способ увеличения потенциальной длины центробежного насоса, включающий:
- сборку единого насоса с многочисленными ступенями,
- размещение по меньшей мере одного промежуточного элемента между группами многочисленных ступеней,
- поддержку по меньшей мере одного промежуточного элемента посредством внешнего корпуса,
- отдельное приложение нагрузки по меньшей мере к одной группе многочисленных ступеней на каждой стороне по меньшей мере одного промежуточного элемента посредством сжатия по меньшей мере одной группы по меньшей мере одним элементом, работающим на сжатие, расположенным на каждой стороне по меньшей мере одного промежуточного элемента.
При этом поддержку, предпочтительно, обеспечивают посредством резьбового присоединения секций корпуса по меньшей мере к одному промежуточному элементу, а отдельное приложение нагрузки обеспечивают посредством приложения нагрузки к множеству диффузоров в каждой группе многочисленных ступеней.
Приложение нагрузки включает вначале осевое приложение нагрузки к одной группе ступеней в пределах первой секции корпуса через промежуточный элемент и затем сжатие другой группы ступеней с противоположной стороны промежуточного элемента внутри второй секции корпуса.
Предпочтительно, приложение нагрузки включает приложение силы к по меньшей мере одной группе многочисленных ступеней элементом, работающим на сжатие, при этом приложение силы выполняют посредством компрессионной трубы или компрессионного кольца.
В соответствии с еще одним объектом изобретения предложена система для сборки насоса, содержащая:
средства для сборки одного погружного насоса насосной системы посредством поочередной укладки диффузоров и рабочих колес на валу;
средство для фиксации каждого рабочего колеса на валу; и
средство для протяжки вала для направления каждого рабочего колеса к смежному диффузору перед укладкой следующих последовательных диффузора и рабочего колеса на валу.
Средства для сборки, предпочтительно, включают внешний корпус, а средства для сжатия включают промежуточный элемент.
Кроме того, объектом предложенного изобретения является способ увеличения потенциальной длины многоступенчатого насоса, в котором каждая ступень имеет рабочее колесо и диффузор, включающий:
а. поочередную укладку диффузора и рабочего колеса на валу,
b. фиксацию рабочего колеса на валу для предотвращения аксиального перемещения рабочего колеса относительно вала,
с. протяжку вала для направления рабочего колеса к диффузору и
d. повторение этапов а, b и с.
Предпочтительно, указанное повторение включает повторение этапов а., b. и с. для каждой ступени насоса.
Кроме того, способ может дополнительно включать сжатие диффузоров и варьирование расстояния протяжки вала для различных ступеней.
При этом протяжка может включать подъем вала, а поочередная укладка может включать поочередную укладку одного диффузора и одного рабочего колеса на валу.
Таким образом, могут быть изготовлены насосы, имеющие большее число ступеней, чем ранее было возможно, без превышения предела прочности при сжатии любого из диффузоров и без чрезмерной потери осевого люфта.
Краткое описание чертежей
Некоторые воплощения изобретения будут далее описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи, при этом ссылочная нумерация соответствует определенным элементам:
фиг.1 - фронтальное изображение погружной насосной системы, включающей насос, согласно варианту осуществления данного изобретения;
фиг.2 - частичный вид поперечного сечения насоса, показанного на фиг.1;
фиг.3 - вид в поперечном сечении промежуточного элемента, показанного на фиг.2;
фиг.4 - схематическое изображение насоса, иллюстрирующее укладку ступеней насоса, согласно варианту осуществления данного изобретения;
фиг.5 - схема последовательности процесса, иллюстрирующая процедуру укладки ступеней, показанную на фиг.4.
Подробное описание
В следующем далее описании перечислены многочисленные детали для обеспечения понимания сущности данного изобретения. Однако для специалистов должно быть понятно, что данное изобретение может использоваться и без этих деталей и что могут быть возможны многочисленные разновидности или модификации описанных вариантов.
Настоящее изобретение относится к системе и способу конструирования насосов. Данные система и способ могут быть применены, например, в разнообразных типах насосов, используемых в электрической погружной насосной системе. Однако средства и способы настоящего изобретения не ограничиваются использованием в описанных здесь для лучшего понимания специалистами специфических механизмах.
На фиг.1 показан пример электрической погружной насосной системы 10. Хотя система 10 может использоваться в многочисленных средах, одна из них - подземная среда, в которой система 10 расположена в стволе скважины 12. Ствол скважины 12 может быть расположен в геологической формации 14, содержащей текучую среду, такую как нефть. В некоторых случаях ствол скважины 12 связан с креплением ствола скважины 16, имеющим отверстия 18, через которые проходит текучая среда из геологической формации 14 в ствол скважины 12.
В проиллюстрированном варианте осуществления система 10 включает насос 20, имеющий всасывающее устройство 22. Всасывающее устройство 22 может быть интегрировано в единое целое с насосом 20 или же быть отдельным механизмом, связанным с насосом 20. Система 10 далее включает погружной электродвигатель 24 и защитное устройство 26 электродвигателя, расположенное между погружным электродвигателем 24 и погружным насосом 20. Система 10 подвешена в пределах ствола скважины 12 посредством системы развертывания 28. Система развертывания 28 может включать, например, насосно-компрессорную колонну, трубную обвязку или кабель. Силовой кабель 30 проложен по системе развертывания 28 и по электрической погружной насосной системе 10 для обеспечения питания погружного электродвигателя 24.
В проиллюстрированном примере погружной насос 20 является центробежным насосом, имеющим одну или более ступеней 32, как показано на фиг.2. В этом примере для облегчения объяснения показаны только некоторые из ступеней 32.
Ступени 32 заключены в корпус 34, имеющий множество секций корпуса, например, секцию 36 корпуса и секцию 38 корпуса. Однако можно добавить и дополнительные секции корпуса, чтобы создать еще более длинный корпус 34. Указанные секции корпуса связаны одним или более промежуточным элементом 40. В проиллюстрированном варианте осуществления каждая секция 36, 38 корпуса связана с противоположной осевой стороной промежуточного элемента 40. Однако промежуточный элемент 40 может быть закреплен к одной из секций корпуса, если такие секции корпуса непосредственно связаны друг с другом. Промежуточный элемент 40 также может быть вставлен между фланцами обеих секций корпуса, если секции непосредственно связаны между собой.
Промежуточный элемент 40 разделяет корпус 34 на секции, а многочисленные ступени 32 - на группы. Например, первая группа 42 из ступеней 32 может быть размещена в пределах секции 36 корпуса, в то время как вторая группа 44 из ступеней 32 может быть размещена в пределах секции 38 корпуса. Многочисленные ступени могут быть разделены на дополнительные группы, если один или более дополнительных промежуточных элементов 40 добавляются к общей конструкции. Разделение групп ступеней гарантирует уменьшение кумулятивной нагрузки сжатия в каждой группе и обеспечивает независимое сжатие групп ступеней. Разделение ступеней также может уменьшить потерю осевого люфта во время сжатия ступеней.
В варианте осуществления, показанном на фиг.2, погружной насос 20 включает входной патрубок 46, через который текучая среда всасывается в корпус 34. Текучая среда проходит в секцию 38 корпуса и перемещается через ступени 32 рабочими колесами 48. Каждая ступень 32 включает рабочее колесо 48 и диффузор 50, предназначенный для обеспечения прохождения текучей среды от одного рабочего колеса до следующего нисходящего рабочего колеса следующей смежной ступени. Текучая среда непрерывно проталкивается через погружной насос 20, поскольку рабочие колеса 48 вращаются валом 52. Когда текучая среда достигает промежуточный элемент 40, она проходит через каналы 54, находящиеся в промежуточном элементе, как это показано на фиг.3. Текучая среда входит в секцию 36 корпуса и перемещается от ступени до ступени рабочими колесами 48, пока не достигает выходного патрубка 56. Выходной патрубок 56 включает множество нагнетательных каналов 58, через которые текучая среда выходит из погружного насоса 20.
В данном примере секция 38 корпуса связана с входным патрубком 46 зоной 60 резьбового соединения. Таким образом, секция 38 корпуса может быть соединена резьбой с входным патрубком 46. Точно так же выходной патрубок 56 и секция 36 корпуса связаны зоной 62 резьбового соединения. Таким образом, выходной патрубок 56 и секция 36 корпуса могут быть связаны резьбовым соединением. Промежуточный элемент 40 также может быть соединен резьбой с секциями 36 и 38 корпуса, хотя могут использоваться и другие механизмы соединения. Далее (см. фиг.3) промежуточный элемент 40 может быть сформирован в виде цельной конструкции, имеющей входной участок с резьбой 64 и выходной участок с резьбой 66, разделенные центральной опорой 67. Участок с резьбой 64 предназначен для резьбового соединения с секцией 38 корпуса, а участок с резьбой 66 предназначен для резьбового соединения с секцией 36 корпуса в противоположной участку с резьбой 64 стороне промежуточного элемента 40.
Промежуточный элемент 40 также может включать уплотняющие элементы 68 и 70, прилегающие соответственно к участкам с резьбой 64 и 66. Уплотняющие элементы 68 и 70 могут представлять собой кольцевые уплотнения, которые обеспечивают формирование герметичного соединения между промежуточным элементом 40 и секциями 36 и 38. Кроме того, промежуточный элемент 40 может включать опору подшипника 72, имеющую цельный или сборный подшипник 74, который вращательно поддерживает вал 52 в промежуточном элементе 40. Таким образом, единый вал может проходить через весь насос 20 вместо того, чтобы соединять отдельные валы посредством каких-либо механизмов сцепления.
В проиллюстрированном варианте осуществления промежуточный элемент 40 используется для того, чтобы создать предварительную нагрузку сжатия в группе ступеней 42 и группе ступеней 44. Например, в пределах секции 38 корпуса ступени 32 могут быть уложены напротив нижней прокладки диффузора 76 (см. фиг.2). Предварительная нагрузка сжатия прикладывается к группе ступеней 44 посредством промежуточного элемента 40 через, например, элемент 78, работающий на сжатие. Элемент 78, работающий на сжатие, может включать компрессионную трубу, которая прижата к ряду диффузоров 50, а промежуточный элемент 40 может быть еще более плотно навинчен на секцию 38. В альтернативном варианте элемент 78, работающий на сжатие, может включать кольцо с резьбой, которое работает независимо или вместе с промежуточным элементом 40 для сжатия уложенных диффузоров 50.
В пределах секции 36 корпуса диффузоры 50 из группы ступеней 42 сжаты против опорной поверхности 80 промежуточного элемента 40. Предварительная нагрузка сжатия обеспечивается выходным патрубком 56, когда выходной патрубок навинчивается на секцию 36 корпуса. Сила сжатия может быть обеспечена выходным патрубком 56 посредством другого элемента 84, работающего на сжатие, расположенного между выходным патрубком 56 и последним диффузором в конце на выходе. Также элемент 84, работающий на сжатие, может включать кольцо с резьбой, которое работает независимо или вместе с выходным патрубком 56 для сжатия уложенных диффузоров 50. В процессе работы насоса 20 нагрузки сжатия, воздействующие на группу ступеней 44, не затрагивают группу ступеней 42, и наоборот. Таким образом, необходимая предварительная нагрузка уменьшена по сравнению с той, которая требовалась бы в отдельном насосе без промежуточных элементов.
На фиг.4 и 5 показан способ поочередного увеличения длины некоторых типов центробежных насосов. В этих типах насосов рабочие колеса 48 расположены вдоль вала 52 и затем закреплены на валу над каждым диффузором 50 (см. фиг.4) с помощью, например, разрезной втулки или стяжной гайки (не показано). Рабочие колеса 48 размещены на валу 52 путем поочередной укладки диффузоров 50 и рабочих колес 48 на вал 52 и фиксации каждого рабочего колеса. Если далее ничего не предпринимается, а диффузоры сжаты после того, как ступени уложены, то ряд диффузоров укорачивается, в то время как высота ряда рабочих колес остается той же самой. Если общая сила сжатия диффузоров превышает осевой люфт отдельной ступени, насос может быть блокирован. Соответственно, вал 52 механически перемещается по направлению к стрелке 88 (проиллюстрировано на фиг.4) после того, как каждый диффузор 50 добавляется к ряду ступеней. Вал может быть перемещен после того, как добавляется множество диффузоров, а длина насоса приближается к максимальной при перемещении между каждым диффузором 50. Вал перемещается в направлении стрелки 88 на расстояние, соответствующее количеству диффузоров, которые позже будут сжаты. Таким образом, после сжатия диффузоров восстанавливается осевой люфт. Действительно, движение вала 52 перед тем, как каждое последующее рабочее колесо фиксируется на валу, позволяет осуществить укладку большего числа ступеней и удлинить насос 20. Этот способ может использоваться как с промежуточными элементами 40, так и без них. Также этот способ может быть применен с насосом 20, который обычно размещается вертикально таким образом, что движение вала 52 в направлении стрелки 88 сопровождается подъемом вала 52 после установки диффузора. Подъем может быть достигнут разными устройствами, например, с помощью ножного домкрата с храповым механизмом, винтового домкрата, приводимого в действие калиброванным маховиком, винтового домкрата, приводимого в действие серводвигателем или линейным электрическим приводом.
Один из примеров способа увеличения потенциальной длины данного типа центробежного насоса проиллюстрирован на схеме последовательности процесса на фиг.5. После того, как начальный входной патрубок 46, корпус 34 и вал 52 установлены на свои места, начальный диффузор 50 продвигают по валу 52 (см. блок 90). Затем рабочее колесо 48 продвигают по валу 52 и перемещают по направлению к первому диффузору 48 (см. блок 92). Далее рабочее колесо фиксируется на валу 52 (см. блок 94).
Затем продвигают по валу 52 следующий диффузор 50 и располагают его рядом с предварительно установленным рабочим колесом (см. блок 96). Впоследствии вал 52 перемещают, например, поднимают соответствующим механизмом (см. блок 98). Перемещение вала 52 после добавления очередного диффузора может варьироваться. Например, расстояние перемещения может меняться в зависимости от длины насоса и расположения ступеней вдоль насоса. Действия, показанные на схеме последовательности процесса в блоках 92-98, повторяются для каждой последующей ступени 32 (см. блок 100). После завершения укладки ступеней в пределах корпуса 34, ряд диффузоров 50 сжимается (см. блок 102) таким образом, что достигается достаточный осевой люфт для того, чтобы обеспечить свободное вращение рабочих колес 48 между диффузорами 50.
Хотя выше были подробно описаны только некоторые из вариантов осуществления данного изобретения, для специалистов является очевидным, что возможно множество модификаций данного изобретения, существенно не отличающихся от его сущности. Соответственно, данные модификации предназначены для включения в объем данного изобретения, как это определено в формуле изобретения.