СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
STAGE OF DOWNHOLE MULTISTAGE ROTARY PUMP

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано при разработке погружных многоступенчатых центробежных насосов для добычи нефти и пластовой жидкости из скважин с высоким содержанием солей, свободного газа и механических примесей.
Известна ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса по патенту РФ №2220327, кл. F04D 29/02, 27.12.2003. Ступень насоса содержит направляющий аппарат и рабочее колесо, выполненное в виде единого целого с втулкой. Внешняя цилиндрическая поверхность втулки образует пару трения с соответствующей внутренней цилиндрической поверхностью направляющего аппарата. Направляющий аппарат выполнен из спеченного пористого металлического материала и пропитан сплавом с высоким содержанием меди, а колесо с втулкой - из литейного чугуна нирезиста. Между колесом и направляющим аппаратом установлены антифрикционные шайбы, изготовленные из текстолита.
Такое выполнение ступени, где детали выполнены из металла, кроме шайб, делают конструкцию металлоемкой, при этом направляющий аппарат выполнен из порошка и требует пропитки сплавом меди. Конструкция обладает повышенной себестоимостью. Металлические элементы в агрессивной среде скважины подвержены коррозии. Взаимодействие двух металлических втулок между собой в агрессивной среде скважины, в которой присутствуют взвешенные механические частицы, приводит к их изнашиванию.
Известна пара трения в ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса по патенту РФ №2220327, кл. F04D 29/02, 27.12.2003. Пара трения в ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса состоит из двух деталей, одна из которых выполнена из металла (сталь, чугун, порошковый материал), а вторая из композиционного материала, состоящего из наполнителя и связующего, где связующее состоит из термопластичного полимерного материала. Такое выполнение пары трения позволило повысить ее стойкость и надежность, однако нет удаления взвешенных механических частиц из пары трения. Кроме того, в полостях между дисками направляющего аппарата и соседними дисками рабочих колес образованы застойные зоны, созданы условия для сепарации пузырьков газа и взвешенных механических частиц.
Наиболее близким аналогом является ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса по патенту РФ №2274769, кл. F04D 13/10, F04D 29/02, 20.04.2006. Ступень содержит рабочее колесо с втулкой и направляющий аппарат, состоящий из стакана, верхнего диска, металлической втулки, нижнего диска и лопастей, где лопасти и втулка расположены на отдельной планшайбе, закрепленной на верхнем диске, а нижний диск выполнен в виде крышки, при этом рабочее колесо с втулкой, планшайба, лопасти и крышка выполнены из пластмассы.
Такое выполнение ступени, где стакан направляющего аппарата выполнен из металла, делает конструкцию металлоемкой. Конструкция обладает повышенной себестоимостью. Металлические элементы в агрессивной среде скважины подвержены коррозии. Между нижним диском рабочего колеса и верхним диском предыдущего направляющего аппарата скапливаются механические примеси, песок. Вращающееся кольцо жидкости с повышенной концентрацией механических примесей за счет абразивного износа может перерезать крепление планшайбы к стакану, что приведет к выходу из строя направляющего аппарата и насоса в целом. Анализ ступеней с закрытыми рабочими колесами показал, что в полостях между покрывными дисками рабочих колес и соседними с ними направляющими аппаратами образуются застойные зоны. Пузырьки газа заполняют эти полости благодаря градиенту давления от центробежных сил. Газ заполняет радиальные зазоры между ступицами рабочего колеса и направляющего аппарата, снижая надежность пары трения. Крупные пузыри будут периодически выходить в проточную полость, повышая предельно допустимое для успешной работы газосодержание. Это приводит к пульсациям, может привести к срыву подачи, ухудшается форма напорной характеристики. Сопрягаемые пары трения гладкие, не предусмотрено удаление механических примесей и отвод тепла непосредственно из зоны трения.
Таким образом, технический результат, на достижение которого направлено предложенное изобретение, заключается в устранении вышеописанных недостатков, повышении срока службы при работе на пластовой жидкости с повышенным содержанием солей, свободного газа и механических примесей.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, содержащей рабочее колесо с втулкой и направляющий аппарат, состоящий из верхнего диска с осевой опорой, нижнего диска и лопаток, согласно изобретению верхний диск направляющего аппарата с осевой опорой изготовлен на наружной втулке, минимальный внутренний диаметр наружной втулки составляет не менее семидесяти процентов от ее внешнего диаметра, верхний диск изготовлен из полимерного материала, при этом верхний диск и наружная втулка изготовлены из различных материалов.
Рабочее колесо, по крайней мере, верхний диск направляющего аппарата с осевой опорой изготовлены из полимерного материала, наружная втулка направляющего аппарата изготовлена из металла.
По крайней мере, в одной осевой опоре колеса изготовлены выемки, по крайней мере, одна из них открыта с внешней стороны.
По крайней мере, в одной осевой опоре направляющего аппарата изготовлены выемки и, по крайней мере, одна из них открыта с внешней стороны.
По крайней мере, в одной втулке радиальной пары трения ступени изготовлены выемки.
По крайней мере, в одной из сопрягаемых пар трения ступени изготовлены выемки.
На верхнем диске направляющего аппарата со стороны рабочего колеса изготовлены дополнительные лопатки или выемки, которые на периферии загнуты под углом, отличным от 90 градусов, в направлении вращения рабочего колеса.
На нижнем диске направляющего аппарата со стороны рабочего колеса изготовлены дополнительные лопатки или выемки, которые на периферии загнуты под углом, отличным от 90 градусов.
При работе насоса наружные втулки, особенно направляющих аппаратов, установленных в начале насоса, подвержены наибольшим нагрузкам, так как воспринимают осевую силу, возникающую вследствие перепада давления, действующую на последующие направляющие аппараты. Поэтому они изготавливаются из более прочного и дорогого материала, чем материал верхнего диска. Например, наружная втулка может быть изготовлена из металла, а верхний диск из полимера. Из полимера может быть изготовлено рабочее колесо и большая часть направляющего аппарата. Этот материал обладает меньшей плотностью, чем металл, кроме того, он не подвержен коррозии и имеет меньшую стоимость, меньше склонен к отложениям солей. Может быть использован полимерный материал типа полифениленсульфида (PPS), например фортрон. Материал может содержать твердый наполнитель, например стеклонаполнитель, в количестве от 10 до 50 процентов.
Для смазки, отвода тепла, сепарации и удаления механических примесей, например песка, из зоны трения, по крайней мере, в одной из сопрягаемых пар трения изготовлены выемки глубиной до 2 мм.
Часть выемок могут быть открытыми с внешней стороны пары трения, часть с внутренней стороны. В своих поперечных сечениях выемки могут иметь различную форму, например треугольника, трапеции, криволинейной трапеции. Форма должна создавать эффект гидравлического клина. Выемки в осевых опорах могут иметь радиальное направление или повернуты на угол от 15 до 75 градусов как в направлении вращения, так и в противоположном.
Дополнительные лопатки или выемки, изготовленные на верхнем и (или) нижнем диске направляющего аппарата, будут препятствовать вращению жидкости в областях между дисками рабочего колеса и соседними направляющими аппаратами, устранять сепарацию пузырьков газа и абразивный износ. Их число может составлять от 2 до 8.
Высота дополнительных лопаток на верхнем диске направляющего аппарата может быть до 5 мм, на периферии они загнуты под углом от 15 до 85 градусов в направлении вращения рабочего колеса. Это позволяет эффективно отводить механические примеси, регулировать осевую силу, увеличить прочность и жесткость аппарата.
Дополнительные лопатки на нижнем диске направляющего аппарата на периферии могут быть загнуты под углом от 15 до 85 градусов как в направлении вращения рабочего колеса, так и в противоположном направлении. Их высота может доходить до 3 мм. Высота и угол наклона позволяет регулировать величину и направление осевой силы, действующей на рабочее колесо, снижать гидравлические потери, повышать напор ступени за счет создания тороидального вихря между колесом и аппаратом. Дополнительные лопатки могут являться продолжением основных лопаток направляющего аппарата.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен разрез ступени насоса, выполненный в соответствии с изобретением. Показан внешний и внутренний диаметр наружной втулки.
На фиг.2-4 изображены выемки на сопрягаемых парах трения рабочего колеса и направляющего аппарата.
На фиг.4 показано поперечное сечение выемки в форме трапеции.
На фиг.5 изображены дополнительные лопатки (выемки) на верхнем диске направляющего аппарата.
На фиг.6 изображены дополнительные лопатки (выемки) на нижнем диске направляющего аппарата.
внутренний
внешний
внутренний
внутренний
Предложенная ступень имеет следующую конструкцию. Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса содержит рабочее колесо 1 с втулкой 2 и лопастями 3, направляющий аппарат 4, состоящий из верхнего диска 5 с осевой опорой 6, наружной втулки 7, нижнего диска 8 со ступицей 9, лопаток 10. Верхний диск 5 направляющего аппарата 4 с осевой опорой 6 изготовлен на наружной втулке 7. Минимальный внутренний диаметр D наружной втулки 7 составляет не менее семидесяти процентов от ее внешнего диаметра D.Данный размер определен на основании гидродинамических расчетов и технологией изготовления. На фиг.1 показано утолщение на периферии верхнего диска 5 направляющего аппарата 4. Оно необходимо для эффективного удаления механических примесей. В пределах этого утолщения внутри него можно установить металлический элемент, который является частью наружной втулки 7. Это утолщение ограничивает величину внутреннего диаметра D наружной втулки 7. Выполнение D менее 70% приведет к контакту металла с пластовой жидкостью, к отложению солей в проточной части, коррозии и эрозийному износу, а также повысит себестоимость изготовления ступени. Верхний диск 5 и наружная втулка 7 изготовлены из различных материалов. Рабочее колесо 1, по крайней мере, верхний диск 5 направляющего аппарата 4 с осевой опорой 6 изготовлены из полимерного материала, а наружная втулка 7 направляющего аппарата 4 изготовлена из металла. По крайней мере, в одной осевой опоре 6 колеса 1 изготовлены выемки 11 и, по крайней мере, одна из них открыта с внешней стороны. По крайней мере, в одной осевой опоре 6 направляющего аппарата 4 изготовлены выемки 12 и, по крайней мере, одна из них открыта с внешней стороны. По крайней мере, в одной втулке радиальной пары трения ступени изготовлены выемки 13, 14. По крайней мере, в одной из сопрягаемых пар трения изготовлены выемки 11, 12, 13, 14. На верхнем диске 5 рабочего колеса 1 или на нижнем диске 8 направляющего аппарата 4 со стороны рабочего колеса 1 изготовлены дополнительные лопатки 15, 16 или выемки. При этом лопатки 15 на нижнем диске 8 направляющего аппарата 4 на периферии загнуты под углом, отличным от 90 градусов, а лопатки 16 на верхнем диске 5 рабочего колеса 1 на периферии загнуты под углом, отличным от 90 градусов, в направлении вращения рабочего колеса. Ступица 9 может быть изготовлена как из пластмассы, так и из металла.
Ступень работает следующим образом. Пластовая жидкость подводится через направляющий аппарат 4 предыдущей ступени. Она проходит через каналы рабочего колеса 1, образованные между лопастями 3. Колесо приводится во вращение валом насоса (не показан) через втулку 2. Покидая рабочее колесо 1, пластовая жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 4, образованные между лопатками 10. Здесь кинетическая энергия жидкости преобразуется в давление. Пройдя через направляющий аппарат 4 со ступицей 9, жидкость направляется на вход рабочего колеса следующей ступени. При работе насоса наружные втулки 7 направляющих аппаратов 4 подвержены большим нагрузкам, так как воспринимают осевую силу, возникающую вследствие затяжки при сборке насоса и перепада давления. Поэтому они изготавливаются из более прочного материала, чем материал верхнего диска 5. Например, наружная втулка 7 может быть изготовлена из металла, а верхний диск 5 из полимерного материала. Выемки 11, 12, 13, 14 выполнены для смазки, отвода тепла, сепарации и удаления механических примесей, например песка, из зоны трения. Дополнительные лопатки 15, 16, изготовленные на верхнем 5 и (или) нижнем 8 диске направляющего аппарата 4, будут препятствовать вращению жидкости в областях между дисками рабочего колеса и соседними направляющими аппаратами, устранять сепарацию пузырьков газа, абразивный износ и изменять величину осевой силы, действующей на рабочее колесо.