Ступень многоступенчатого лопастного насоса
STAGE OF MULTISTAGE VANE PUMP

Область
техники.
Заявляемое техническое решение относится к насосной технике, а именно к ступеням лопастных многоступенчатых насосов для перекачки различных жидких сред. Наиболее эффективно оно будет использоваться при применении в многоступенчатых электропогружных насосах для добычи нефти, а также в высоконапорных насосных установках типа ГНУ, ГНК и ЦНС для поддержания пластового давления нефтяных месторождений.
Уровень
техники.
Многоступенчатые лопастные насосы широко применяются для перекачки различных жидкостей в нефтедобыче, электроэнергетике, других отраслях промышленности, а также в ЖКХ. Их принято подразделять на центробежные, диагональные (или полуосевые) и осевые. Рабочими органами центробежных и диагональных многоступенчатых насосов являются насосные ступени каждая из которых состоит как минимум из рабочего колеса и направляющего аппарата. Дополнительными элементами ступени являются опорные шайбы из текстолита или карбида кремния (1 или 2 штуки), отделяющие жестко закрепленное на вращающемся валу рабочее колесо от неподвижного направляющего аппарата. Вращающееся рабочее колесо, служит для передачи механической энергии потоку жидкости. Оно представляет собой основной диск со ступицей и покрывной диск, между которыми расположены лопасти, образующие межлопастные каналы, по которым, под действием лопастей, движется перекачиваемая жидкость. Такая конструкция называется рабочим колесом закрытого типа. Неподвижно закрепленный в корпусе насоса направляющий аппарат служит для передачи жидкости в рабочее колесо следующей ступени насоса. В его проточных каналах жидкость тормозится, преодолевая внешнее давление. Направляющий аппарат центробежных и диагональных насосов в общем случае содержит цилиндрический (или комбинированный цилиндрически-конический) корпус, верхний и нижний диски с лопатками между ними, образующие обратные каналы, сходящиеся к горловине, у которой имеется опорный буртик. Через горловину направляющего аппарата перекачиваемая жидкость поступает в канал ступицы рабочего колеса следующей насосной ступени [см. В.Н. Ивановский, А.А. Сабиров, А.В. Деговцев и др. «Проектирование и исследование ступеней динамических насосов.» - М: РГУ Нефти и газа им. И.М. Губкина, 124с.].
Двигаясь в ступени лопастного насоса перекачиваемая жидкость подвергается действую центробежной силы, увеличивающей кинетическую энергию потока, и тормозящей силы гидродинамического сопротивления. Величина сил гидродинамического сопротивления прямо пропорциональна гидравлическому сопротивлению ступени (), в которой протекает перекачиваемый поток. Т.е. энергетическая эффективность ступени обратно пропорциональна ее гидравлическому сопротивлению.
Основной особенностью конструкции и работы известных аналогов - ступеней многоступенчатых насосов центробежного типа является то, что вся жидкость однократно проходит через ступень, двигаясь, в основном в межлопастных каналах, перпендикулярно оси вращения насоса (точнее оси вращения рабочего колеса) [см., например, Патент U 4511307, кл. F04D 29/02, 29/04, опубл. 16.04.1985г.; Патент RU 2403450, кл. F04D 1/06, 13/10, 29/44, опубл. 19.06.2009г.; Патент СА 2803993 кл. F04D 29/22, 29/12, 29/40, опубл. 26.04.2016г.]. В рабочем колесе такой ступени движение жидкости направлено от центра к периферии, а в направляющем аппарате - от периферии к центру. Исключения составляют участки кольцевых проточных каналов в ступице рабочего колеса, на периферии направляющего аппарата (точнее в кольцевом канале перед входом в его межлопаточные каналы) и в его горловине (на выходе межлопаточных каналов направляющего аппарата). По этим сравнительно коротким участкам жидкость движется преимущественно параллельно оси вращения рабочего колеса. Угол между направлениями потока жидкости в межлопастных каналах рабочего колеса и межлопаточных каналах направляющего аппарата в осевой проекции равен 180º или очень близкое к нему значения. Направляющий аппарат ступеней центробежного типа имеет корпус цилиндрический формы.
Наиболее близким техническим решением по своей сущности к заявляемому является диагональная (или полуосевая) ступень многоступенчатого лопастного насоса. Первый, из изученных авторами настоящего технического решения патентов, относящихся к насосам со ступенями диагонального типа, это Патент US 1642914 был опубликован 20.09.1927г. Но в то время, когда она была создана, еще не была принята современная классификация лопастных насосов и отсутствовала современная международная система классификации изобретений. Поэтому в качестве Прототипа выберем более современную Ступень погружного насоса по Патенту US 2013/0058777A1 кл. F04D 29/54, опубл. 07.03.2013г. Это ступень диагонального типа многоступенчатого лопастного насоса, состоящая как минимум из рабочего колеса и направляющего аппарата в которых межлопастные каналы рабочего колеса и направляющего аппарата выполнены с наклоном к оси вращения навстречу друг другу.
.
Поток жидкости, проходящий через межлопастные каналы рабочего колеса диагонального насоса, направлен не радиально, как у центробежных насосов, и не параллельно оси, как у осевых, а наклонно, как бы по диагонали прямоугольника, составленного радиальным и осевым направлениями. Наклонное направление потока создает основную конструктивную особенность диагональных насосов - перпендикулярное к меридиональному потоку и наклонное к оси насоса расположение лопастей рабочего колеса. Это обстоятельство позволяет использовать при создании напора совместное действие подъемной и центробежной сил [см. Карелин В. Я., Минаев А В. «Насосы и насосные станции: Учеб. для вузов» 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1986. - 320 с.]. В направляющем аппарате ступени диагонального типа направление движения потока перекачиваемой жидкости происходит от периферии к центру наклонно к оси вращения рабочего колеса. В высокоэффективных диагональных ступенях погружных насосов «REDA, 675 Series» (США), с которыми приходилось работать авторам заявляемого технического решения, угол между направлениями движения потока жидкости в межлопастных каналах рабочего колеса и межлопаточных каналах направляющего аппарата в осевой проекции составляет 80 ÷120º. Дополнительно отметим, что конструкции этих диагональных ступеней отличаются следующими важными особенностями:
а). Межлопастные каналы рабочего колеса в его меридиональном сечении на протяжении их основной длины и в периферийных областях (на выходе из колеса) представляет из себя трапеции без закруглений образующих. На входах в межлопастные каналы колеса на границе кольцевого канала ступицы имеются закругления. Радиус его составляет примерно 1,0 ÷2,0 от осевой ширины входа межлопастного канала.
б). Наличие небольшого закругление проточного канала в области входа потока жидкости в направляющий аппарат. Радиус этого закругления составляет примерно 0,5÷0,7 от осевой ширины канала на входе в направляющий аппарат. Корпус направляющего аппарата выполнен в виде цилиндра, переходящего в усеченный конус, межлопаточные проточные каналы очень плавно переходят в горловину с опорным буртиком.
Недостатки
технических
решений,
выбранных
в
качестве
аналогов
и
прототипа
следующие:
1. Рассмотренные выше аналоги являются ступенями центробежного типа. Их основным достоинством является высокий удельный напор. Этот параметр равен отношение напора ступени к ее осевому размеру (высоте ступени). Поэтому ступени центробежного типа наиболее широко применяются как рабочие органы высоконапорных электропогружных насосов для добычи нефти. Однако центробежные насосы имеют энергетическую эффективность намного ниже, чем диагональные и осевые насосы. Причиной этого объясняется сравнительно большие величины их гидравлических сопротивлений, а значит низкие значения гидравлических КПД.
2. Ступень погружного насоса, выбранная в качестве Прототипа заявляемого технического решения, является ступенью диагонального типа. При одинаковых радиальных размерах и количестве ступеней диагональные насосы имеют выше гидравлический КПД, а значит их гидравлическое сопротивлении существенно ниже, чем у насосов центробежного типа.
Напоры и центробежных и диагональных ступеней отличаются незначительно. Их величины определяются диаметром рабочих колес и скоростью их вращения. Однако ступени диагонального типа имеют существенно большие осевые размеры (высоту), поэтому их удельный напор (отношение напора ступени к ее осевому размеру) ниже. Значит насосы диагонального типа при одинаковых диаметрах намного длиннее, чем центробежные насосы. Это является их главным недостатком, особенно при использовании в составе высоконапорных погружных установок для добычи нефти, а также в наземных лопастных насосных системах для поддержания пластового давления нефтяных месторождений.
Из вышеизложенного следует, что перед разработчиками лопастных насосных систем всегда стоит дилемма: или жертвовать энергетической эффективностью для снижения габаритов установки, или существенно увеличивать ее длину для снижения энергетических потерь. Как правило выбираются компромиссные решения.
Раскрытие
предлагаемого
технического
решения.
Целью заявляемого изобретения является увеличение удельного напора ступени многоступенчатого лопастного насоса за счет уменьшения ее осевого размера (высоты), без существенного роста ее гидравлического сопротивления, а значит существенного снижения ее энергетической эффективности.
Поставленная цель достигается благодаря тому, что ступень многоступенчатого лопастного насоса, состоящая из рабочего колеса (1), направляющего аппарата (2) и опорных элементов-шайб (3); причем рабочее колесо содержит в себе основной диск (4) со ступицей (5) и покрывной диска (6), между которыми расположены криволинейные лопасти (7), образующие межлопастные каналы рабочего колеса (8), по которым, под действием лопастей, движется перекачиваемая жидкость; а направляющий аппарат содержит в себе и нижний (9) и верхний (10) диски с размещенными между ними лопатками (11), образующие обратные каналы (12) сходящиеся к имеющий опорный буртик горловине(13), по которым происходит движения жидкости к входу в рабочее колесо следующей ступени отличается следующими признаками:
1. Межлопастные каналы (8) на выходе потока жидкости из рабочего колеса и обратные проточные каналы (12) направляющего аппарата на входе потока в направляющий аппарат в их осевом сечении образуют закругленные переходящие друг в другу участки. Эти участки в осевой проекции имеют овальную форму. Они сформированы на периферии проточных каналов рабочего колеса и направляющего аппарата. Эти периферийные закругленные участки плавно сопрягаются с внутренними участками проточных каналов, которые находятся ближе к центру ступени: входам жидкости в межлопастные каналы рабочего колеса и выходам из проточных каналов направляющего аппарата. Данные внутренние участки перпендикулярны оси вращения рабочего колеса (см.Фиг.1).
2. Отношение радиуса периферийного закругления проточных каналов в осевой проекции (rk-a) к их ширине на выходе из рабочего колеса и входе направляющего аппарата (bk-a) подчиняются соотношению:
в
3. В наиболее простом варианте ступени ее изготавливают так, чтобы радиус закругления проточных каналов (rk-a) являлся постоянной величиной по всей протяженности этих закругленных периферийных участков, как рабочего колеса, так и направляющего аппарата. Следовательно, траектория потока перекачиваемой жидкости в осевой проекции на периферийных участках ступени как в рабочем колесе, так и в направляющем аппарате представляет из себя окружность (см. Фиг.2 поз. ). При этом значение rk-a должна удовлетворять условию (1).
г
4. В более сложном варианте ступени радиус периферийного закругления проточных каналов (rk-a) не является постоянной величиной по всей длине периферийных закругленных участков. Причем радиус закругления (rk-a) плавно уменьшается по мере удаления от оси вращения рабочего колеса, но в пределах согласно условию (1). Траектория потока перекачиваемой жидкости в осевой проекции на периферийных участках ступени как в рабочем колесе, так и в направляющем аппаратах представляет из себя вытянутый овал (см. Фиг.2 поз. ).
Описание чертежей.
Суть изобретения поясняется графическими материалами (Фигурами).
Фиг.
1
На  представлен чертеж Ступени лопастного многоступенчатого насоса с разрезом в осевой проекции меридиональном сечении.
На чертеже приняты следующие обозначения:
1 - рабочее колесо;
2 - направляющий аппарат;
3 - опорные элементы (шайбы);
4 - основной диск рабочего колеса;
5 - ступица рабочего колеса;
6 - покровный диск рабочего колеса;
7 - криволинейные лопасти рабочего колеса;
8 - межлопастной канал рабочего колеса, образованный лопастями, основным и покровным дисками;
9 - нижний диск направляющего аппарата;
10 -верхний диск направляющего аппарата;
11 - лопатки направляющего аппарата;
12 - обратный межлопаточный канал, образованный лопатками, верхним нижним дисками направляющего аппарата;
13 - горловина направляющего аппарата с опорным буртиком;
bк-а
- осевая ширина проточных каналов на выходе из рабочего колеса и на входе направляющего аппарата;
rк-а
- периферийный радиус закругления проточных каналов на выходе из рабочего колеса и на входе направляющего аппарата;
Стрелками показано направление движения перекачиваемой жидкости в ступени насоса.
Фиг.
2
На  представлена Схема движения перекачиваемой жидкости в осевой проекции при разных конструкциях ступеней. Непрерывными стрелками показано направление движения перекачиваемой жидкости в рабочим колесе, прерывистыми стрелками - в направляющем аппарате.
а.
Схема движение жидкости в многоступенчатом насосе со ступенями центробежного типа (Аналоги)
ra
где  - радиус закругления потока жидкости на периферии направляющего аппарата;
б.
Схема движение жидкости в многоступенчатом насосе со ступенями диагонального типа (Прототип)
ra
где  - радиус закругления потока жидкости на периферии направляющего аппарата,
δ
- угол между направлениями потока жидкости на выходе из рабочего колеса и на входе в направляющий аппарат;
в.
Схема движение жидкости в многоступенчатом насосе со ступенями, имеющими периферийное закругление проточных каналов рабочего колеса и направляющего аппарата с постоянным радиусом закругления (Заявляемое техническое решение)
rk-a
где  - радиус закругления потока жидкости на периферии рабочего колеса и направляющего аппарата;
г.
Схема движение жидкости в многоступенчатом насосе со ступенями, имеющими переменное периферийное закругление проточных каналов рабочего колеса и направляющего аппарата. Радиус закругления уменьшается по мере удаления от оси вращения насоса (Заявляемое техническое решение). То есть выполняется условие:
rk-a
r´k-a
r´´k-a
где , ,  - величины радиуса закругления потока жидкости на периферии рабочего колеса и направляющего аппарата;
Фиг.
3
rk-a
/bk-a
На  представлен График зависимости гидравлического сопротивления заявляемой ступени () многоступенчатого лопастного насоса в зависимости от величины отношения (). Значения () получены расчетным путем на основе математической модели, разработанной авторами настоящего предполагаемого изобретения на базе формул и диаграмм, представленных в литературном источнике [см. Идельчик И.Е. «Справочник по гидравлическим сопротивлениям /под ред. М.О. Штейнберга.» -3-е издание перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992- 672с]. В качестве базовой модели, для проектирования и расчетов была использована ступень центробежного насоса ЭЦНА5-80 (АО «АЛНАС»).
rk-a
/bk-a
Кривая 14 - Показывает зависимость гидравлического сопротивления () от величины отношения () для ступени, спроектированной согласно заявляемого технического решения;
Штриховая прямая 15 - Показывает значение гидравлического сопротивления диагональной ступени (Прототипа) спроектированной, методом геометрического подобия с углом между направлениями потоков жидкости в рабочем колесе и направляющем аппарате δ ≈89º (как у высокоэффективной диагональной ступени REDA J12000N);
Пунктирная прямая 16 - Показывает значение гидравлического сопротивления центробежной ступени ЭЦНА5-80 (Аналог).
Фиг.
4
hcт
На  представлен Графики зависимости гидравлического сопротивления ступеней () многоступенчатого лопастного насоса в зависимости от величины ее осевого размера - высоты (). Значения () получены расчетным путем на основе математической модели, разработанной авторами настоящего предполагаемого изобретения на базе формул и диаграмм, представленных в литературном источнике [см. Идельчик И.Е. «Справочник по гидравлическим сопротивлениям /под ред. М.О. Штейнберга.» -3-е издание перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992- 672с]. В качестве базовой модели, для проектирования и расчетов была использована ступень центробежного насоса ЭЦНА5-80 (АО «АЛНАС»).
-
hcт
Кривая 17  Показывает значение гидравлического сопротивления () от высоты ступени () для ступеней, спроектированных согласно Заявляемому техническому решению;
hcт
hcт
Кривая 18 - Показывает значение гидравлического сопротивления () от высоты ступени () для диагональных ступеней (Прототип), спроектированных путем изменения угла между направлениями потоков жидкости в рабочем колесе и направляющем аппарате в диапазоне 89º < δ < 157º (который обратно пропорционален ).
а
б
в,г
»
Принципиальное отличие новой ступени от аналогов и прототипа наглядно демонстрирует схема движения перекачиваемой жидкости в осевой проекции при разных конструкциях этих ступеней (См. Фиг.2). В ступени центробежного типа (аналог) движение жидкости происходит главным образом в радиальном направлении относительно оси вращения насоса, с резким поворотом на 180º в области выхода жидкости из рабочего колеса и входе ее в направляющий аппарат (см. Фиг.2. ). В ступени диагонального типа (Прототип) движение жидкости преимущественно происходит с наклоном к оси насоса (как бы по диагоналям рабочего колеса и направляющего аппарата), с плавным поворотом направления движения в периферийной части направляющего аппарата (см. Фиг.2.). Оптимальные значения угла поворота 80-120º. В ступенях, спроектированных с применением заявляемого технического решения, движение жидкости происходит радиально во внутренних областях проточных каналов (находящихся ближе к центру ступени), и по овальной траектории (окружность - это частный случай овала) на периферии как рабочего колеса, так и направляющего аппарата (см. Фиг.2.). Суммарно поворот потока в овальной области каналов происходит на 180º, но не резко, а сглажено. По аналогии с диагональными насосами этот новый тип насосов можно назвать «овальными.
rk-a
/bk-a
rk-a
/bk-a
Если величина соотношения () меньше, чем 0,5, то гидравлическое сопротивление овальной ступени становится близким к гидравлическому сопротивлению ступени центробежного типа. Если же величина соотношения () больше чем 2,5, то осевой размер овальной ступени (ее высота) становится близким к характерным для высокоэффективных ступеней диагонального типа (см. Фиг.3) и выигрыша в удельном напоре по сравнению с прототипом не достигается.
При выполнении условия, выраженного двойным неравенством (1) ступени овального типа имеют гидравлическое сопротивление в 1,01÷1,14 раза меньше, чем у ступеней спроектированных на принципах диагональных ступеней при условии равенства их радиальных размеров (см. Фиг.4). В тоже время овальные ступени имеют гидравлическое сопротивление в 1,18÷1,67 раза меньше, чем центробежные, при осевых размерах 1,1÷1,5 больше (см. Фиг.3). Для того чтобы снизить гидравлическое сопротивление на такую же величину, используя диагональный тип ступени приходится увеличивать ее осевой размер в 1,2÷1,7 раза (см. Фиг.4). А значит применение овальных ступеней позволяет более эффективно решать основную задачу при проектировании многоступенчатых лопастных насосов - достигнуть высокую энергетическую эффективность насосов без существенного увеличения их длины.
Длина перпендикулярных оси вращения внутренних участков межлопастных и межлопаточных каналов ступени зависит от конкретной величины соотношения (1), диаметра рабочего колеса и его ступицы, важны также и конструктивные размеры опорного узла с опорными шайбами. Например, для многоступенчатых электропогружных насосов ЭЦНА5-80 длины этих участков составляют не менее 30% длины межлопастных каналов. Но этот параметр не является существенным для достижения поставленной цели
Следует также отметить, что ступени лопастных насосов бывают одноопорной конструкции (с одной опорной шайбой в ступени), двух опорной конструкции (с двумя опорными шайбами в ступени) и безопорной конструкции (опорных шайб в ступени нет). Для достижения поставленной цели это не имеет значения, поэтому их не обязательно упоминать в ограничительной части формулы изобретения.
Устройство
работает
следующим
образом.
Во время работы лопастного многоступенчатого насоса перекачиваемая жидкость поступает в рабочее колесо (1) ступени, которое вращается на валу лопастного насоса. Это происходит через кольцевой канал ступицы (5) рабочего колеса. Далее, после прохождения кольцевого канала, жидкость совершает поворот на 90º (как правило плавный) и поступает в межлопастные каналы (8), которые образованны криволинейными лопастями (7) основным диском (4) и покровным диском (6). В межлопастных каналах, под воздействием центробежной силы, передаваемой лопастями, скорость потока жидкости увеличивается. Поток движется в межлопастном канале вначале по внутреннему участку радиально по отношению к оси вращения, а затем по периферийному участку канала по траектории овальной формы (окружность - это тоже частный случай овала), которая имеет как радиальное, так и осевое направление. Далее поток жидкости, выходя из проточных каналов рабочего колеса, попадает в неподвижный направляющий аппарат (2) ступени лопастного насоса. На периферийных участках обратных проточных каналов направляющего аппарата (12), образованных верхним и нижним дисками (9,10) и лопатками (11), траектория движения потока имеет овальную форму. Т.е. она продолжает закругленную траекторию движения жидкости на периферии рабочего колеса. В результате, плавно закругляясь в осевой проекции на периферии рабочего колеса и направляющего аппарата, поток жидкости совершает поворот на суммарный угол 180º. Затем этот поток протекает по внутренним участкам межлопаточных каналов направляющего аппарата в радиальном направлении по отношению к оси насоса. Выходя из межлопаточных каналов поток жидкости совершает поворот на 90º (как правило плавный) и попадает в кольцевой канал горловины (13) направляющего аппарата. Далее через горловину направляющего аппарата перекачиваемая жидкость поступает в канал ступицы рабочего колеса следующей ступени многоступенчатого лопастного насоса.
Примеры
реализации
технического
решения.
Возможный вариант исполнения ступени «овальной» конструкции представлен на Фиг.1. Его можно описать следующим образом. Каждый из дисков рабочего колеса напоминает блюдце с отверстием посередине. Дно этого блюдца перпендикулярно оси вращения рабочего колеса, а на периферии блюдца его стенки закругляются. Нижнее блюдце закреплено на кольцевом (трубном) канале ступицы. Верхнее блюдце по центру закреплено на цилиндрической трубе, которая одевается на вал насоса. В единое целое рабочее колесо жестко связывается лопастями, находящимися между блюдцами. Форма каждого из дисков направляющего аппарата, также напоминает вышеописанное блюдце. Верхнее блюдце прикреплено к горловине аппарата. При сборке ступени на валу насоса блюдца колеса ставится на свое дно, а блюдца направляющего аппарата - вверх дном.
Теоретические расчеты по созданной нами математической модели, проведенные для насоса ЭЦНА5-80, показали, что конструкции ступеней серийных многоступенчатых электропогружных насосов могут быть адаптированы под «овальную» конструкцию. Расчеты показали, что, используя «овальные» ступени в насосах типа ЭЦН, удастся снизить гидравлическое сопротивление насоса и гидравлические потери в 1,2÷1,7 раза по сравнению с классическими центробежными насосами, при этом длина насосов увеличивается не более чем в 1,1÷1,5.
Если использовать ступени овального типа вместо диагональных ступеней в горизонтальных насосных установках для ППД марок ГНК или ГНУ, то при практически одинаковой энергетической эффективности овальные насосы будут короче примерно на 15%.
Наиболее оптимальная технология изготовления таких ступеней - это литье по выплавляемым моделям, с последующей механической обработкой (шлифовкой) на высокопроизводительных автоматах. Материалы рабочих колес и направляющих аппаратов таких ступеней, изготавливаемых с помощью литья - это модифицированный серый чугун или коррозионно-износостойкий чугун марки «Нирезист». Овальные ступени также можно изготовить из полимерных или композитных материалов.