РАБОЧЕЕ КОЛЕСО СТУПЕНИ ПОГРУЖНОГО НАСОСА, НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ СТУПЕНИ ПОГРУЖНОГО НАСОСА И СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО НАСОСА

Техническое решение относится к области погружных центробежных насосов, используемых для перекачивания жидких сред, в том числе, и содержащих нефть, и может быть использовано для добычи полезных ископаемых в жидкой форме, в том числе, и углеводородов из нефтяных скважин.
Известна конструкция (SU, авторское свидетельство 576438) центробежного насоса, содержащая корпус с всасывающим и нагнетательным патрубками, а так же рабочий орган, причем для повышения долговечности насоса рабочий орган выполнен в виде двух соединенных между собой по торцу и повернутых друг относительно друга на 90° изгибных элементов.
Недостатком известной конструкции следует признать значительные линейные размеры ступени вдоль оси вращения и, кроме того, недостаточный создаваемый напор и неудовлетворительный коэффициент полезного действия.
Известна (RU, патент 2083880) конструкция центробежного насоса с керамическими рабочими дисками. Конструкция содержит корпус, привод, связанный с рабочим колесом, включающим один из керамических рабочих дисков с установленными на нем нагнетательными элементами, расположенными в рабочей камере, имеющей впускные и выпускные отверстия и ограниченной поверхностями подвижного и неподвижных керамических дисков. При этом рабочая камера расположена между двумя керамическими
дисками, обращенными друг к другу, поверхности которых выполняют одновременно роль торцевых уплотнений, и выполнена в виде паза на поверхности неподвижного керамического диска, ограниченного двумя коаксиальными поверхностями разных диаметров, причем нагнетательные элементы установлены на подвижном керамическом диске рабочего колеса с возможностью при вращении последнего попеременного перекрытия впускных и выпускных отверстий, выполняющих одновременно роль впускных и выпускных клапанов.
Недостатком известной конструкции следует признать значительные линейные размеры ступени вдоль оси вращения и, кроме того, недостаточный создаваемый напор и неудовлетворительный коэффициент полезного действия.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения можно признать конструкцию (SU, авторское свидетельство 1125408) ступени центробежного погружного насоса. Известная конструкция содержит корпус с крышкой и размещенные в нем рабочее колесо, содержащее передний и задний покрывные диски, лопатки, расположенные между передним и задним покрывными дисками, и втулку, и диффузор, содержащий передний и задний покрывные диски, а также лопатки, расположенные между передним и задним покрывными дисками.
Недостатком известной конструкции следует признать значительные линейные размеры ступени вдоль оси вращения и, кроме того, недостаточный создаваемый напор и неудовлетворительный коэффициент полезного действия.
Техническая задача, решаемая посредством разработанного технического решения, состоит в улучшении конструкции ступени погружного насоса.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного технического решения, состоит в повышении напора перекачиваемой жидкости и коэффициента полезного действия насоса.
1
Для достижения указанного технического результата предложено использовать рабочее колесо (импеллер) ступени погружного насоса, содержащее передний и задний покрывные диски, лопатки, расположенные между передним и задним покрывными дисками, и втулку, причем отношение диаметра втулки и диаметра рабочего колеса составляет 0.45-0.65, лопатки в количестве от 11 до 15 выполнены прямыми и плоскими с изгибом на конце для безударного выхода потока с лопаточным углом β 30-45° при постоянной толщине лопатки в пределах 2,5-3,0 мм. Предпочтительно высота лопатки рабочего колеса в радиальном направлении постоянна и составляет 10-18 мм. Обычно диаметр переднего покрывного диска превышает диаметр заднего покрывного диска.
Кроме того, для получения указанного технического результата предложено использовать направляющий аппарат (диффузор) ступени погружного насоса, содержащий передний и задний покрывные диски, лопатки, расположенные между передним и задним покрывными дисками, причем угол его установки от плоскости перпендикулярной к оси вращения рабочего колеса составляет 20-30°, лопатки в количестве от 6 до 8 выполнены в начале прямыми со стороны рабочего колеса, а затем изогнутыми и с переменной толщиной по длине.
Указанный технический результат достигается также тем, что использована ступень погружного насоса, содержащая рабочее колесо и направляющий аппарат, охарактеризованные выше.
При разработке данного технического решения были использованы следующие основные параметры:
- внутренний диаметр втулки рабочего колеса (36 мм);
- внутренний диаметр корпуса (100 мм);
- частота вращения (6000 оборотов/мин);
- номинальный расход (не менее 2500 баррелей/сутки).
При этом необходимо было максимально сократить линейные размеры ступени вдоль оси вращения вала насоса и обеспечить напор ступени не менее 30 метров водяного столба и гидравлический к.п.д не менее 60% при номинальном расходе.
В дальнейшем сущность разработанного технического решения будет рассмотрена с использованием графического материала, где на Фиг.1 приведен вид рабочего колеса, а на Фиг.2 - вид направляющего аппарата, при этом использованы следующие обозначения: передний покрывной диск 1 рабочего колеса, задний покрывной диск 2 рабочего колеса, втулка 3 рабочего колеса, лопатка 4 рабочего колеса, передний покрывной диск 5 направляющего аппарата, задний покрывной диск 6 направляющего аппарата, лопатка 7 направляющего аппарата.
На Фиг.1 приведен вид рабочего колеса ступени насоса. Он состоит из переднего 1 и заднего 2 покрывных дисков, лопастей 4 и втулки 3. По конструкции импеллер отличается тем, что здесь используется полый вал большого наружного диаметра для организации канала под проход диагностического оборудования, которое будет вести контроль технологических параметров скважины во время работы насоса.
В ходе разработки было определено, что длина канала импеллера в меридиональном сечении составляет по радиусу около 16 мм. Поэтому для осуществления указанных исходных требований
было принято решение вводить энергию в поток жидкости «ударным» способом, используя для этого прямую плоскую лопасть с увеличенным примерно в 2 раза их количеством. Для уменьшения потерь на выходе из импеллера при развороте потока передний 1 и задний 2 покрывные диски импеллера выполнены с разными наружными диаметрами. Для уменьшения гидравлических потерь на выходе из рабочего колеса было принято решение использовать загнутую лопасть для обеспечения безударного выхода потока. Кривизна лопасти на выходе рабочего колеса оптимизировалась для номинального расхода.
Разработанный импеллер по конструкции в меридиональном сечении занимает промежуточное положение между импеллерами, которые присущи радиальным и диагональным центробежным насосам. Его лопасти похожи на лопасти вихревого насоса, но установлены под углом к набегающему потоку, а не перпендикулярны последнему. Использование увеличенного числа оборотов существенно сужает проточную часть рабочего колеса. Поэтому разработанная конструкция является симбиозом конструкций трех типов насосов и требований исходных данных для проектирования ступени, которые были упомянуты выше.
На Фиг.2 представлен вид диффузора ступени насоса. Он также состоит из переднего 5 и заднего 6 покрывных дисков, а также лопастей 7. Наружная часть заднего покрывного диска служит дополнительно корпусом ступени насоса. Диффузор по конструкции выполнен двухступенчатым. Экспериментально подбирая размеры, количество и конфигурацию лопастей можно максимально оптимизировать работу ступени насоса, но в любом случае при использовании набора признаков, используемого для характеристики конструкции импеллера и диффузора в формуле изобретения, можно
достичь выше указанных характеристик ступени насоса. Также экспериментально можно определить величину динамического напора на выходе из импеллера в зависимости от расхода и, следовательно, вычислить среднюю скорость закрутки потока, которая в основном и определяет его величину. Используя эту характеристику можно оптимизировать характеристику диффузора и соответственно получать заданные характеристики ступени и насоса в целом.
Первая ступень диффузора с одной стороны образована прямой спинкой лопасти в ее начале, а с другой - вращающимся импеллером. Основными настроечными параметрами здесь являются угол установки лопасти к плоскости вращения импеллера, которая в данном случае является открытой для поступления потока жидкости, и длина прямолинейного участка спинки лопасти. Длина первой ступени диффузора по дуге окружности определяется количеством лопастей в диффузоре.
Вторая ступень диффузора - это плавно расширяющийся по проходному сечению и изогнутый канал. В концепции двухступенчатого диффузора он в основном необходим для разворота потока с целью уменьшения закрутки последнего перед следующей ступенью насоса, хотя и здесь часть кинетической энергии потока также преобразуется в потенциальную энергию напора. При оптимизации течения жидкости в канале второй ступени диффузора следует найти компромисс между потерями гидравлического трения о стенки канала и местного гидравлического сопротивления при повороте потока, так как уменьшение одной из них приводит к увеличению другой и наоборот.
Из выше сказанного следует, что форма лопасти диффузора в выше изложенной концепции не рассматривается. Она получается автоматически при разработке и оптимизации диффузора.
Ограничивающим условием здесь является ее минимальная толщина, исходя из технологических возможностей производства.
Изготовленный в соответствии с разработанным техническим решением погружной насос DH2500 предназначен для выкачивания нефти из скважины. Характерный расход насоса составляет примерно 2500 баррелей в сутки при частоте вращения 6000 оборотов в минуту. Поэтому такая ступень позволяет создавать больший напор, чем обычные ступени насоса, работающие при 3000-3500 оборотах в минуту, а полый вал обеспечивает достаточно пространства для прохода скважинных инструментов при работе насоса, увеличение к.п.д. составляет примерно 19%.