СТУПЕНЬ МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
STAGE OF MULTI-STAGE CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к многоступенчатым погружным лопастным насосам для добычи нефти.
Известна конструкция центробежной ступени погружных насосов для добычи нефти, в которой используются так называемые «плавающие» рабочие колеса, способные свободно перемещаться вдоль вала насоса в пределах, ограниченных буртами подпятников смежных направляющих аппаратов. В рабочем диапазоне подач эти колеса занимают нижнее положение, при котором рабочее колесо опирается своей основной индивидуальной опорной пятой, состоящей из антифрикционной шайбы, о подпятник-бурт направляющего аппарата (Богданов А.А. Погружные центробежные насосы для добычи нефти. М.: Недра, 1968, с.38-50).
В ступенях погружных центробежных насосов для добычи нефти из-за значительного потребного развиваемого напора и ограниченного диаметрального габарита используются рабочие колеса максимально возможного диаметра. Из-за специфичности конструкции ступени радиальное распределение давления в нижней и верхней пазухах рабочего колеса значительно отличаются, а именно давление в верхней пазухе существенно ниже давления в нижней пазухе, что приводит к тому, что на подачах, больших (1,2…1,3) подачи оптимального режима, рабочие колеса поднимаются и занимают верхнее положение. В связи с этим рабочий диапазон подач регламентируется в диапазоне 0,7÷1,25 подачи оптимального режима.
Известна другая конструкция ступени погружных лопастных насосов для добычи нефти - центробежно-вихревая, которая отличается от центробежной конструкции тем, что на периферии ведущего диска рабочего колеса размещена лопаточная решетка, которая снижает радиальное распределение давления в верхней пазухе рабочего колеса, что приводит к снижению осевой силы, действующей на рабочее колесо. Из-за этого «плавающее» рабочее колесо центробежно-вихревой ступени поднимается при меньших подачах, чем аналогичное рабочее колесо центробежной ступени (Патент РФ 2138691, кл. F04D 13/10, 1999).
3
Экспериментально определено, что «плавающее» рабочее колесо центробежно-вихревой ступени ВНН5-25 серийного погружного насоса для добычи нефти при изменении подачи с нуля поднимается на подачах, меньших подачи номинального режима насоса. Следует отметить, что по каталогу рабочий диапазон подач этого насоса соответствует 8-35 м/cут.
Это, естественно, является недостатком конструкции центробежно-вихревой ступени.
Аналогичный недостаток может быть и в ступенях центробежной конструкции с видоизменениями, приводящими к снижению осевой силы, действующей на «плавающее» рабочее колесо. Центробежная конструкция ступени может иметь видоизменения, которые приводят к снижению осевой силы, хотя цель видоизменения была иной. В качестве примера такого видоизменения можно привести установку неподвижных решеток в нижней пазухе рабочего колеса. Это обычно осуществляется многими изготовителями с целью снижения износа внутренних поверхностей обоймы и диска направляющего аппарата твердыми частицами механической примеси, попадающей в нижнюю пазуху рабочего колеса и вращающейся в ней.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является ступень многоступенчатого центробежного насоса, содержащая направляющий аппарат с буртами-подпятниками, рабочее колесо, состоящее из ведущего и ведомого дисков с расположенными между ними лопастями, формирующими проточные каналы, нижнюю и верхнюю пазухи, образованные внешними поверхностями дисков и торцевыми поверхностями направляющего аппарата до и после рабочего колеса. Изменения в такой ступени величины осевой силы в ту или другую сторону регулируются соединением пазух с внутренней проточной полостью рабочего колеса посредством непрерывной кольцевой щели в теле дисков колеса (Патент РФ 2303168, кл. F04D 13/40 и F04D 29/041, 2005).
Недостатком данной конструкции является снижение КПД и напора ступени из-за нарушений структуры потока в каналах рабочих колес.
Настоящее изобретение направлено на повышение КПД и напора ступени, насоса в рабочем диапазоне подач за счет обеспечения нижнего положения рабочего колеса в рабочем диапазоне подач, как это предусматривается в нормативной конструкторской документации.
Указанный технический результат достигается тем, что в ступени многоступенчатого центробежного насоса, содержащей направляющий аппарат с буртами-подпятниками, рабочее колесо с шайбами, состоящее из ведущего и ведомого дисков с расположенными между ними лопастями, формирующими проточные полости, которое установлено с возможностью свободного перемещения вдоль вала насоса в пределах между буртами-подпятниками смежных направляющих аппаратов, согласно изобретению в месте сопряжения, по крайней мере, одной лопасти рабочего колеса с верхним и нижним дисками выполнено, по крайней мере, одно сквозное отверстие с образованием изолированного от проточных полостей канала, проходящего через лопасть и оба диска и соединяющего области, прилегающие к наружным поверхностям дисков. Канал может быть ориентирован перпендикулярно дискам рабочего колеса и размещен на средней линии поперечного сечения лопасти рабочего колеса.
Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлено поперечное сечение рабочего колеса заявляемой ступени, на фиг.2 - разрез ступени погружного многоступенчатого насоса.
Наличие сквозных отверстий, соединяющих нижнюю и верхнюю пазухи рабочего колеса, обеспечивает уравновешивание давления в этих пазухах, что приводит к некоторому увеличению осевой силы, действующей на рабочее колесо. Исходя из этого, рабочее колесо в режимах рабочего диапазона подач будет занимать свое нижнее положение в соответствии с нормативной документацией. Следовательно, на этих подачах не будет утечки через переднее уплотнение рабочего колеса, поэтому КПД и напор ступени повысятся.
Ступень многоступенчатого центробежного насоса состоит из рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2 (фиг.2). Рабочее колесо 1 имеет ведущий 3 и ведомый 4 диски с расположенными между ними лопастями 5, образующими проточные полости (фиг.1). Рабочее колесо 1, находящееся между двумя соседними направляющими аппаратами 2, может свободно перемещаться вдоль вала насоса в пределах между буртами-подпятниками 6 этих направляющих аппаратов, о которые рабочее колесо 1 может опираться своими опорными пятами. Между ведущим диском 3 и крышкой направляющего аппарата 2 образована верхняя пазуха 7, а между ведомым диском 4 и основанием направляющего аппарата 1 - нижняя пазуха 8. Через ведущий диск 3, лопасть 5 и ведомый диск 4 проходит сквозное отверстие 9, соединяющее верхнюю 7 и нижнюю 8 пазухи. Количество и диаметр отверстий может варьироваться. В связи с тем, что сквозное отверстие 9 проходит внутри лопасти 5, то в рабочем колесе 1 образуется канал, изолированный от проточных полостей.
Предлагаемая конструкция ступени работает следующим образом. При вращении рабочего колеса 1, которое сообщается ему валом насоса, жидкость (газожидкостная смесь) поступает во все проточные каналы рабочего колеса 1, направляющего аппарата 2 и в области между наружными дисками рабочего колеса и направляющего аппарата. Наличие изолированных одного или нескольких отверстий 9, соединяющих области, прилегающие к наружным поверхностям дисков, - пазухи 7 и 8, приводит к некоторому уравновешиванию распределения давления в этих пазухах, тем самым к увеличению осевой силы, действующей на рабочее колесо 1. Благодаря этому обеспечивается работа рабочего колеса ступени в нижнем положении, по крайней мере, в рабочем диапазоне подач насоса в соответствии с регламентом, которое приведет к повышению КПД и напора ступени насоса по сравнению с работой ступени с верхним положением рабочего колеса. Указанный технический результат предлагаемого изобретения был экспериментально подтвержден на ступени ВНН5-25.
Следует отметить, что предлагаемая конструкция ступени при работе на газожидкостной смеси может дополнительно дать следующее преимущество, а именно повышение допустимого газосодержания на входе насоса. Дело в том, что одной из основных причин, определяющих значение допустимого газосодержания, является накопление газа в верхней пазухе рабочего колеса, и при превышении полного заполнения газом верхней пазухи лишний газ попадает одновременно по всему периметру входа направляющего аппарата и полностью его заполняет, что приводит к срыву подачи насоса. Заметим, что при откачке газонефтяной смеси и давлении на входе насоса 30 атм допустимое газосодержание на входе центробежного насоса равно 25%, а на входе центробежно-вихревого насоса - 35%. Предлагаемая конструкция ступени, обеспечивающая переток жидкости из нижней пазухи колеса в верхнюю и тем самым непрерывный переток накапливающегося газа в верхней пазухе в основной поток, должна работать с более высокими значениями газосодержания на входе.
Изготовление ступени заявляемой конструкции возможно с применением технологии порошковой металлургии.
Изобретение может быть использовано в ступенях с центробежным и центробежно-вихревым рабочим колесом.