СТУПЕНЬ МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
STAGE OF A MULTISTAGE SUBMERSIBLE CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к многоступенчатым погружным лопастным насосам для добычи нефти.
Известна конструкция ступени погружного центробежного насоса с направляющим аппаратом (НА) и рабочим колесом (РК) плавающего типа, закрепленным на валу при помощи сквозной шпонки с возможностью свободного перемещения вдоль оси вращения. РК имеет собственные осевые опоры в обоих направлениях, представляющие собой антифрикционные шайбы, работающие по металлическим подпятникам НА [Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти (расчет и конструкция). М.: Изд-во «Недра», 1968, С. 47-48].
При работе РК без специальных устройств в рабочем диапазоне подач возникает осевая сила прямого направления (от выхода РК к его входу), которая прижимает шайбы РК к подпятникам. При этом образуется переднее торцовое уплотнение, разделяющее области перекачиваемой жидкости с высоким и низким давлением. Но если осевая сила достигает значительного уровня, то происходит интенсивный износ осевых опор.
Для уменьшения осевой силы применяют устройство разгрузки осевой силы, например, в виде камеры, образованной разгрузочным уплотнением РК и НА, которая соединена отверстиями с областью низкого давления на входе в РК [Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы, Изд-во «Машиностроение», 1966, Глава 8, §45]. Интенсивность разгрузки осевой силы зависит от соотношения диаметров переднего и разгрузочного уплотнений, зазоров в них, размеров отверстий и т.д. При определенных условиях возможно изменение направления действия осевой силы, тем более что она зависит от текущей подачи РК. При этом РК перемещается вдоль оси вала в направлении выхода потока из РК до упора шайбы в обратный подпятник. В результате раскрывается переднее уплотнение, снижается напор и КПД насоса, увеличивается износ, насос работает фактически в аварийном режиме.
Для предотвращения указанного дефекта используется устройство отсечения разгрузочных отверстий от разгрузочной камеры, в частности в ступенях типа FLEX компании Baker Hughes.
В качестве прототипа выбрана ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса этой компании Centrilift 400FLEX10 ESP Pump [см., например, Overview на сайте https://assets.www.bakerhughes.com/svstem/96599d804d94403e9215de5516d322ef/pdfs/pdf/31155.400FLEXPump10_Overview.pdf], содержащая НА, плавающее на валу РК, снабженное разгрузочными отверстиями и торцовым уплотнением с опорной шайбой, разгрузочную камеру и балансировочное торцевое уплотнение для регулирования осевой силы, отсекающее разгрузочные отверстия от разгрузочной камеры при осевом смещении РК в сторону нагнетания (выхода потока). Благодаря последнему интенсивность разгрузки осевой силы снижается, и РК должно вернуться в нормальное положение либо найти некое промежуточное положение между крайними возможными.
упл
отв
бу
упл
Однако на практике данное решение имеет серьезные недостатки. Для обеспечения надежного торца балансировочного уплотнения требуется увеличить диаметр уплотнения D, чтобы выйти за пределы разгрузочных отверстий D, так как по отверстиям торцовое уплотнение не работает нормально. В условиях крайней стесненности из-за малого размера рабочих органов погружных насосов полученного уровня уменьшения осевой разгрузки часто недостаточно для достижения нужного эффекта (D приближается к D). Кроме того, для достижения эффективности балансировочного торцового уплотнения необходимо уменьшение осевого зазора в нем практически до нуля, то есть РК в любом случае будет находиться в положении открытого переднего уплотнения, будет наблюдаться снижение напора и КПД, поскольку установить достаточно малый зазор в балансировочном торцовом уплотнении при сборке нет возможности. По техническим требованиям он должен быть более 1 мм, а при работе из-за износа он еще и увеличится.
Задачей настоящего изобретения является снижение износа осевых опор и увеличение ресурса насоса за счет уменьшения осевой силы и усилия прижатия, а также расширение рабочего диапазона подач и упрощение сборки ступени.
Указанный технический результат достигается тем, что в ступени многоступенчатого погружного центробежного насоса, содержащем направляющий аппарат, плавающее на валу рабочее колесо, снабженное разгрузочными отверстиями и торцовым уплотнением с опорной шайбой, разгрузочную камеру и балансировочное уплотнение для регулирования осевой силы, отсекающее разгрузочные отверстия от разгрузочной камеры при осевом смещении рабочего колеса в сторону нагнетания, согласно изобретению балансировочное уплотнение выполнено в виде осевого щелевого уплотнения, образованного кольцевым выступом на рабочем колесе, при этом диаметр балансировочного уплотнения не больше наружного диаметра окружности, охватывающей разгрузочные отверстия.
Балансировочное уплотнение при сборке может быть установлено с нулевым перекрытием и допуском в обе стороны не более половины толщины опорной шайбы.
Кроме того, диаметральный зазор в балансировочном уплотнении при сборке может быть установлен не более 0,25% от его диаметра.
При этом предпочтительно для изготовления балансировочного уплотнения применять материалы, отличающиеся от материалов рабочих органов (РК и НА).
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлен разрез заявляемой ступени.
Ступень многоступенчатого погружного центробежного насоса состоит из РК 1 и НА 2. Рабочее колесо 1 насажено на шпонку 3 и может свободно перемещаться вдоль вала 4 между двумя подпятниками 5, 6 соседних НА 2. Рабочее колесо имеет осевые опоры в виде опорных шайб 7, 8, изготовленных, например, из текстолита. Опорная шайба 7 и подпятник 5 выполняют также функцию торцового уплотнения, разделяющего зоны давления нагнетания и давления всасывания РК 1. В РК 1 выполнены разгрузочные отверстия 9, соединяющие его внутреннюю входную полость с разгрузочной камерой 10, образованную разгрузочным уплотнением 13 и прилегающими стенками НА 2 и РК 1.
Для достижения автоматической балансировки осевой силы ступень снабжена щелевым балансировочным уплотнением 11, образованным кольцевым выступом 12 на РК 1 и цилиндрической проточкой 14 в НА 2. При осевом смещении рабочего колеса 1 в сторону выхода потока балансировочное уплотнение 11 отсекает разгрузочные отверстия 9 от разгрузочной камеры 10. Балансировочное уплотнение 11 устанавливается с диаметральным зазором не более 0,25% от его диаметра, что обеспечивает эффективность щелевого уплотнения. Во избежание абразивного износа для изготовления балансировочного уплотнения используются материалы с более высокой износостойкостью, чем у материалов РК и НА. При малом зазоре в балансировочном уплотнении возможно повышенное трение, поэтому необходимо также, чтобы эти материалы имели пониженный коэффициент трения.
бу
отв
упл
Диаметр балансировочного уплотнения 11 D целесообразно выбрать меньше, чем диаметр расположения отверстий 9 D, чтобы увеличить разницу с диаметром разгрузочного уплотнения 13 D. При сборке следует выставлять в нем предварительное перекрытие Z, равное нулю, с отклонением в обе стороны, которое не должно превышать половины толщины опорной шайбы 7. Такая установка РК несколько увеличит осевую силу в начале работы, что приведет к ускоренной приработке опорной шайбы 7, со смещением РК 1 в сторону входа потока с раскрытием балансировочного уплотнения, и, соответственно, с уменьшением осевой силы и скорости износа осевых опор. При изменении условий работы РК будет иметь возможность перемещения вдоль оси вращения в обе стороны с отрицательной обратной связью по осевой силе. При этом возможна работа основных осевых опор с ограниченным усилием прижима, но исключено перемещение РК до упора в противоположную сторону.
Таким образом, предлагаемая конструкция снижает износ осевых опор и увеличивает ресурс насоса. Появляется также возможность работы в более широком диапазоне подач как в меньшую, так и в большую сторону.