ПОГРУЖНОЙ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к электромашиностроению и может быть использована в установках погружных электронасосов для добычи нефти. Известна ступень скважинного многоступенчатого центробежного насоса (А.А. Богданов. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти, М., Недра, 1968, с.47-49, Рис.35), содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо, при этом рабочее колесо выполнено в виде единого целого со втулкой, внешняя цилиндрическая поверхность которой совместно с соответствующей внутренней цилиндрической поверхностью направляющего аппарата образует пару трения.
Недостатком прототипа является низкая износостойкость пары трения, обусловленная тем, что рабочее колесо и направляющий аппарат выполнены из литейного чугуна. Кроме того, в описанном устройстве не исключена возможность сваривания деталей, образующих пару трения, в зонах сухого трения при высоком содержании газа в пластовой жидкости.
Известна ступень погружного многоступенчатого насоса, которая включает рабочее колесо, состоящее из втулки, ведущего и ведомого дисков, между которыми размещены лопатки, и направляющий аппарат, состоящий из корпуса, втулки, входного и выходного дисков, между которыми размещены лопатки. Между контактирующими поверхностями рабочего колеса и направляющего аппарата установлены антифрикционные шайбы. Рабочее колесо и направляющий аппарат выполнены в виде единого целого с втулками. Ведущий диск рабочего колеса выполнен утолщенным и на наружной поверхности содержит трехсторонние ячейки, образующие вихревой поток [см. патент РФ 2138691, F04D 13/10, 1999 г.]. Недостатком ступени является большая металлоемкость конструкции и, вследствие этого, повышенные нагрузки на подшипники. Кроме того, недостатком ступени является наличие неуравновешенных масс и повышение связанных с этим вибрационных нагрузок, приводящих к износу втулок и опор рабочих колес. Конструкция обладает недостаточно высоким кпд и напором потока.
Известен многоступенчатый центробежный насос, содержащий ступень, состоящую из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего диска, ведомого покрывного диска и лопастей, которые закреплены между передней поверхностью ведущего диска и ведомым покрывным диском, и из направляющего аппарата, выполненного в виде лопаточного покрывного диска, цилиндрической обоймы и лопаток, причем лопаточный покрывной диск направляющего аппарата установлен со стороны задней поверхности ведущего диска рабочего колеса, цилиндрическая обойма направляющего аппарата выполнена с кольцеобразной стенкой, расположенной поперечно, внутри цилиндрической обоймы установлены рабочее колесо и лопаточный покрывной диск, лопатки закреплены в направляющем аппарате между кольцеобразной стенкой цилиндрической обоймы и лопаточным покрывным диском, выбраны определенные соотношения параметров и геометрических размеров лопастей и лопаток. Для уменьшения сил трения, возникающих при вращении рабочего колеса, в конструкции применяются шайбы (кольца) из антифрикционного материала, выполняющие роль индивидуальных опор (см. Патент РФ №2161737 МПК 7 F04D 1/06, F04D 13/10, опубл. 10.01.2001 г.)
Недостатком данного насоса является то, что индивидуальные осевые опоры из шайб (колец), изготовленных из антифрикционных материалов, в процессе работы насоса подвергаются значительному износу. Причем они особенно интенсивному износу подвергаются при работе насоса в среде с повышенным содержанием механических примесей. При разборке насосов примерно 80% шайб опор практически полностью изношены. Также значительному износу подвержены буртики направляющих аппаратов, контактирующих с шайбами рабочих колес. Это приводит к необходимости частого подъема насосной установки из скважины для замены антифрикционных шайб (колец), к снижению межремонтного периода насосной установки, приводит к не ремонтопригодности направляющих аппаратов, все это снижает напорные характеристики насоса, КПД, надежность и эффективность насосной установки. С увеличением частоты вращения насоса резко возрастает износ и повреждаемость осевых опор рабочих колес и направляющих аппаратов. Использование твердосплавных и керамических колец в качестве осевых опор рабочих колец и направляющих аппаратов ступеней насосов приводит к увеличению габаритов насоса, увеличивает стоимость и снижает надежность насоса вследствие того, что материалы ступени (рабочего колеса и направляющего аппарата) имеют большую разность коэффициентов линейного термического расширения. Вследствие этого нагрев при работе рабочих колес с твердосплавными и керамическими шайбами (кольцами) и направляющих аппаратов с твердосплавными и керамическими шайбами приводит к выпадению их из мест запрессовки. Другие способы крепления, такие как завальцовка, зачеканка, твердосплавных и керамических шайб неэффективны из-за хрупкости твердосплавных и керамических шайб и материала ступеней.
Технической задачей полезной модели является повышение напорных характеристик, КПД, повышение надежности насосной установки и снижение ее себестоимости.
Данная техническая задача решается тем, что погружной многоступенчатый центробежный насос, содержащий корпус, вал, ступени, состоящие из рабочего колеса, установленного на валу посредством ступицы с возможностью вращения и выполненного в виде верхнего основного диска с верхней осевой опорой и со ступицей, нижнего покрывного диска с нижней осевой опорой колеса с опорной поверхностью, лопастей, закрепленных между верхним диском и нижним диском, и из направляющего аппарата, установленного в корпусе насоса посредством цилиндрической обоймы, выполненного в виде лопаточного покрывного диска с опорной поверхностью, цилиндрической обоймы с кольцеобразной стенкой, лопаток, опорного бурта направляющего аппарата с опорной поверхностью, при этом, опорная поверхность нижней осевой опоры рабочего колеса и опорная поверхность опорного бурта направляющего аппарата покрыты твердосплавным металлическим слоем толщиной 0.1 мм - 0.5 мм каждая, причем, рабочее колесо твердосплавным металлическим слоем осевой опоры контактирует с твердосплавным металлическим слоем опорного бурта направляющего аппарата, образуя пару трения.
Кроме того, опорная поверхность верхней осевой опоры рабочего колеса и опорная поверхность лопаточного покрывного диска направляющего аппарата покрыты твердосплавным металлическим слоем толщиной 0.1 мм - 0.5 мм каждая и выполнены с возможностью контакта по последнему, образуя пару трения. При этом, твердосплавный металлический слой выполнен из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля.
Во втором варианте исполнения техническая задача решается тем, погружной многоступенчатый центробежный насос, содержащий корпус, вал, ступени, состоящие из рабочего колеса, установленного на валу посредством ступицы с возможностью вращения и выполненного в виде верхнего основного диска с верхней и средней опорами и со ступицей, нижнего покрывного диска с нижней осевой опорой колеса с опорной поверхностью, лопастей, закрепленных между верхним диском и нижним диском, и из направляющего аппарата, установленного в корпусе насоса посредством цилиндрической обоймы, выполненного в виде лопаточного покрывного диска с опорной поверхностью, ступицы с опорной поверхностью осевой опоры, цилиндрической обоймы с кольцеобразной стенкой, лопаток, опорного бурта направляющего аппарата с нижней опорной поверхностью, при этом, опорная поверхность нижней осевой опоры рабочего колеса и опорная поверхность опорного бурта направляющего аппарата покрыты твердосплавным металлическим слоем толщиной 0.1 мм - 0.5 мм каждая, причем, рабочее колесо твердосплавным металлическим слоем осевой опоры контактирует с твердосплавным металлическим слоем опорного бурта направляющего аппарата, образуя пару трения.
Кроме этого, опорная поверхность верхней осевой опоры рабочего колеса и опорная поверхность лопаточного покрывного диска направляющего аппарата покрыты твердосплавным металлическим слоем толщиной 0.1 мм - 0.5 мм каждая и выполнены с возможностью контакта по последнему, образуя пару трения.
Также, опорная поверхность средней осевой опоры рабочего колеса и опорная поверхность осевой опоры ступицы направляющего аппарата покрыты твердосплавным металлическим слоем толщиной 0.1 мм - 0.5 мм каждая и выполнены с возможностью контакта по последнему, образуя пару трения. При этом, опорная поверхность верхней осевой опоры рабочего колеса и опорная поверхность лопаточного покрывного диска направляющего аппарата покрыты твердосплавным металлическим слоем толщиной 0.1 мм - 0.5 мм каждая и выполнены с возможностью контакта по последнему, образуя пару трения. При этом, твердосплавный металлический слой может быть выполнен из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен продольный разрез заявляемого погружного многоступенчатого насоса.
На фиг.2 представлен элемент I фиг.1, на котором изображен фрагмент насоса со ступенями с твердосплавными слоями на нижней осевой опоре для насосов содержащих две опоры (верхняя от "всплытия" ступеней и основная,- так называемая одноопорная ступень).
На фиг.3 представлен элемент I фиг.1, на котором изображен фрагмент насоса со ступенями с твердосплавными слоями на нижней осевой опоре и верхней осевой опоре для насосов содержащих две опоры (верхняя от "всплытия" ступеней и основная,- так называемая одноопорная ступень).
На фиг.4 представлен фрагмент насоса со ступенями с твердосплавными слоями на нижней осевой опоре для насосов содержащих три опоры (верхняя от "всплытия" ступеней и две основные,- так называемая двухопорная ступень).
На фиг.5 представлен фрагмент насоса со ступенями с твердосплавными слоями на нижней осевой опоре и верхней осевой опоре для насосов содержащих три опоры (верхняя от "всплытия" ступеней и две основные,- так называемая двухопорная ступень).
На фиг.6 представлен фрагмент насоса со ступенями с твердосплавными слоями на нижней осевой опоре и средней осевой для насосов содержащих три опоры (верхняя от "всплытия" ступеней и две основные,- так называемая двухопорная ступень).
На фиг.7 представлен фрагмент насоса со ступенями с твердосплавными слоями на нижней осевой опоре, средней осевой опоре и верхней осевой опоре для насосов содержащих три опоры (верхняя от "всплытия" ступеней и две основные,- так называемая двухопорная ступень).
Погружной многоступенчатый центробежный насос содержит основание 1, корпус 2, головку 3, вал 4, ступени 5, которые состоят из рабочего колеса 6, установленного на валу 4 посредством ступицы 7 с возможностью вращения и выполненного в виде верхнего основного диска 8 с верхней осевой опорой 9 и со ступицей 7, нижнего покрывного диска 10 с нижней осевой опорой 11 колеса 6 с опорной поверхностью 12, лопастей 13, которые закреплены между верхним диском 8 и нижним диском 10, и из направляющего аппарата 14, установленного в корпусе 2 насоса посредством цилиндрической обоймы 15, выполненного в виде лопаточного покрывного диска 16 с опорной поверхностью 17, цилиндрической обоймы 15 с кольцеобразной стенкой 18, лопаток 19, опорного бурта 20 направляющего аппарата 14 с опорной поверхностью 21, при этом опорная поверхность 12 нижней осевой опоры 11 рабочего колеса 6 и опорная поверхность 21 опорного бурта 20 направляющего аппарата 14 содержат твердосплавные металлические слои 22 и 23 толщиной от 0.1 мм до 0.5 мм каждая. Рабочее колесо 6 твердосплавным металлическим слоем 22 осевой опоры 9 опирается на твердосплавный металлический слой 23 опорного бурта 20 направляющего аппарата 14, образуя пару трения. Твердосплавный металлический слой выполнен из карбида вольфрама со связкой из кобальта, сплавы типа ВК8, или карбида вольфрама со связкой из никеля, сплавы типа СН8.
Опорная поверхность 24 верхней осевой опоры 9 рабочего колеса 6 и опорная поверхность 25 лопаточного покрывного диска 16 направляющего аппарата 14 содержат твердосплавные металлические слои 26 и 27 толщиной от 0.1 мм до 0.5 мм каждая, и при этом рабочее колесо твердосплавным металлическим слоем 26 осевой опоры 9 может опираться на твердосплавный металлический слой 27 опорной поверхности 25 лопаточного покрывного диска 16 направляющего аппарата 14, образуя пару трения.
Кроме того, погружной многоступенчатый центробежный насос (см. фиг.4), содержащий основание 1, корпус 2, головку 3. вал 4, ступени 5, которые состоят из рабочего колеса 6, установленного на валу 4 посредством ступицы 7 с возможностью вращения и выполненного в виде верхнего основного диска 8 с верхней 9 и средней 28 опорами и со ступицей 7, нижнего покрывного диска 10 с нижней осевой опорой 11 колеса 6 с опорной поверхностью 12, лопастей 13, которые закреплены между верхним диском 8 и нижним диском 10, и из направляющего аппарата 14, установленного в корпусе 2 насоса посредством цилиндрической обоймы 15, выполненного в виде лопаточного покрывного диска 16 с опорной поверхностью 17, ступицы 29 с опорной поверхностью 30 осевой опоры 31, цилиндрической обоймы 15 с кольцеобразной стенкой 18, лопаток 19, опорного бурта 20 направляющего аппарата 14 с опорной поверхностью 21, при этом опорная поверхность 12 нижней осевой опоры 11 рабочего колеса 6 и опорная поверхность 21 опорного бурта 20 направляющего аппарата 14 содержат твердосплавные металлические слои 22 и 23 толщиной от 0.1 мм до 0.5 мм каждая. Рабочее колесо 6 твердосплавным металлическим слоем 22 осевой опоры 11 опирается на твердосплавный металлический слой 23 опорного бурта 20 направляющего аппарата 14, образуя пару трения. Опорная поверхность 24 (см. фиг.5) верхней осевой опоры 9 рабочего колеса 6 и опорная поверхность 25 лопаточного покрывного диска 16 направляющего аппарата 14 содержат твердосплавные металлические слои 26 и 27 толщиной от 0.1 мм до 0.5 мм каждая, и при этом рабочее колесо твердосплавным металлическим слоем 26 осевой опоры 9 имеет возможность опираться на твердосплавный металлический слой 27 опорной поверхности 25 лопаточного покрывного диска 16 направляющего аппарата 14, образуя пару трения. Опорная поверхность 32 (см. фиг.6, 7) средней осевой 28 опоры рабочего колеса 6 и опорная поверхность 30 осевой опоры 31 ступицы 29 направляющего аппарата 14 содержат твердосплавные металлические слои 33 и 34 толщиной от 0.1 мм до 0.5 мм каждая, и при этом рабочее колесо твердосплавным металлическим слоем 33 средней осевой 28 опоры имеет возможность опираться на твердосплавный металлический слой 34 опорной поверхности 30 осевой опоры 31 ступицы 29 направляющего аппарата 14, образуя пару трения.
Погружной многоступенчатый центробежный насос работает следующим образом.
В процессе работы насоса вследствие вращения расположенных на валу 4 скрепленных посредством ступиц 7 рабочих колес 6 ступеней 5 относительно неподвижных направляющих аппаратов 14 перекачиваемая жидкость поступает в основание 1 секции насоса, проходит через основание 1 и направляется в ступени 5 насоса. Перекачиваемая жидкость поступает в тракты между лопастями 13 вращающегося рабочего колеса 6 и движется от его центра к периферии. При этом рабочее колесо 6 создает напор перекачиваемой жидкости, как за счет циркуляционных сил, так и за счет кориолисовых сил. Далее жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 8, в которых осуществляется разворот и направление потока на рабочее колесо следующей ступени. Проходя через ступени насосов 5, головку 3 секции насоса перекачиваемая жидкость продолжает движение вверх. При работе насоса (фиг.1, 2) рабочие колеса 6 создают усилия, которые передаются опорной поверхностью 12 нижней осевой опоры 11 нижнего покрывного диска 10 рабочего колеса 6 на опорную поверхность 21 и воспринимаются опорным бурт 19 направляющего аппарата 14. При этом рабочее колесо 6 твердосплавным металлическим слоем 22 осевой опоры 11 опирается на твердосплавный металлический слой 23 опорного бурта 20, образуя пару трения. Усилие от опорного бурта 20 посредством кольцеобразной стенки 18 и цилиндрической обоймы 15 передается на корпус 2 насоса. При работе насоса в режиме "всплытия" рабочих колес (фиг.3) осевые силы направлены снизу вверх. При этом рабочие колеса 6 создают усилия, которые передаются опорной поверхностью 24 верхней осевой опоры 9 рабочего колеса на опорную поверхность 25 лопаточного опорного диска 16 направляющего аппарата 14. При этом рабочее колесо 6 твердосплавным металлическим слоем 26 осевой опоры 9 опирается на твердосплавный металлический слой 27 опорной поверхности 24 лопаточного покрывного диска 16 направляющего аппарата 14, образуя пару трения. Усилие от лопаточного опорного диска 16 посредством лопаток 19, кольцеобразной стенки 18 и цилиндрической обоймы 15 направляющего аппарата 14 передается на корпус 2 насоса. Аналогично работают насосы (фиг.4, 5), рабочие колеса которых имеют три осевые опоры (верхняя от "всплытия" ступеней и две основные, - так называемая, двухопорная ступень). В таких насосах обеспечивается повышенная защита вала 6 насоса от коррозии и износа ступицей 29 направляющего аппарата 14. Рабочее колесо твердосплавным металлическим слоем 33 (см. фиг.6, 7) средней осевой 28 опоры имеет возможность опираться на твердосплавный металлический слой 34 опорной поверхности 30 осевой опоры 31 ступицы 29 направляющего аппарата 14, образуя пару трения. Это возможно при частичной выработке твердосплавного металлического слоя 23 опорного бурта 20 и твердосплавного металлического слоя 22 осевой опоры 11. При этом усилие от осевой опоры 28 посредством твердосплавных слоев 33 осевой опоры 28 и 34 осевой опоры 31 предается ступицей 29 лопаточному покрывному диску 16. Усилие от лопаточного опорного диска 16 посредством лопаток 19, кольцеобразной стенки 18 и цилиндрической обоймы 15 направляющего аппарата 14 передается на корпус 2 насоса.
Слой твердого сплава на опорные поверхности наносится методом газовоздушного сверхзвукового напыления. При этом обеспечивается повышенная адгезия слоя твердого материала к опорным поверхностям за счет диффузии расплавленного сплава в материал опорной поверхности, механического сцепления с неровностями опорной поверхности, химического соединения сплава с материалом опорной поверхности. При попадании твердых частиц на опорные поверхности пары трения твердый сплав - твердый сплав, частицы разрушаются или края частиц округляются, за счет того, что твердосплавный металлический слой тверже частиц механических примесей пластовой жидкости. Это приводит к снижению износа узлов и деталей насоса, в том числе и ступеней насоса, увеличению коэффициента полезного действия насоса. Высокая твердость опорных поверхностей из твердосплавных металлических слоев увеличивает срок службы пары трения осевых опор ступеней, как направляющих аппаратов, так и рабочих колес, приводит к повышению надежности, снижению себестоимости насосной установки и к увеличению межремонтного периода эксплуатации насосной установки. Малая толщина твердосплавного металлического слоя по сравнению с шайбами из антифрикционных материалов позволяет уменьшить длину ступени, соответственно уменьшить длину насоса, или увеличить количество ступеней, соответственно повысить напор.
Толщина твердосплавного слоя выполняется исходя из параметров пластовой жидкости и условий работы насосной установки. Для работы в пластовых жидкостях с незначительным содержанием твердых частиц с невысокой твердостью, массовая концентрация твердых частиц до 0,2 г/л с твердостью до 5 баллов по шкале Маосса, и со средней частотой вращения колес, частотой вращения колес до 3000 об/мин, толщина твердого сплава на опорных поверхностях выполняется в пределах 0,1-0,2 мм. Для работы в пластовых жидкостях со средним содержанием твердых частиц с твердостью до 7 баллов по шкале Маосса и со средней частотой вращения колес, до 5000 об/мин, толщина твердого сплава на опорных поверхностях выполняется в пределах 0,2-0,35 мм. Для работы в пластовых жидкостях с повышенным содержанием твердых частиц с высокой твердостью, массовая концентрация твердых частиц до 1,0 г/л и более с твердостью до 7 баллов по шкале Маосса, и с высокой частотой вращения колес, частотой вращения колес до 10000 об/мин, толщина твердого сплава на опорных поверхностях выполняется в пределах 0,35-0,5 мм.
Выполнение таким образом насоса позволяет повысить напорные характеристики насосной установки, а также приводит к повышению коэффициента полезного действия, повышению надежности и снижению себестоимости насоса и насосной установки в целом, к увеличению межремонтного периода насосной установки.