СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО НАСОСА С РАБОЧИМ КОЛЕСОМ ОТКРЫТОГО ТИПА

Настоящая полезная модель относится к нефтяному машиностроению, в частности к многоступенчатым скважинным насосам для откачки пластовой жидкости.
Известна центробежная ступень погружного многоступенчатого насоса, включающая рабочее колесо, имеющее ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопастями, и направляющий аппарат с лопастями, входные кромки которых выступают за внешний диаметр нижнего диска аппарата. На периферии верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса установлен вихревой венец, представляющий собой ряд радиальных ребер, длиной не более 0.3 радиуса ведущего диска. Вихревой венец способствует увеличению напора при малых подачах, существенно повышает допустимое газосодержание на входе насоса и стабилизирует работу ступени при наличии в перекачиваемой жидкости газовых пузырей (патент РФ №2138691 C1, МПК F04D 13/10, опубл. 27.09.1999).
Недостатком данного изобретения является низкая надежность насосов при перекачке пластовой жидкости, содержащей абразивные частицы, обусловленная засорением проточных каналов на малых подачах.
Для снижения вероятности засорения обычно используют ступени с открытыми рабочими колесами. Примером такой ступени может служить ступень погружного центробежного насоса (патент РФ №2376500 C2, МПК F04D 29/22, F04D 13/10, опубл. 20.12.2009), состоящая из направляющего аппарата и рабочего колеса, в ведущем и ведомом дисках которого не менее чем на половину длины каждого проточного канала выполнены глубокие вырезы между лопастями. Основное предназначение вырезов - частично открыть проточный канал колеса, снижая вероятность засорения, и уменьшить поверхность дисков, а значит и осевую силу, действующую на рабочее колесо.
Однако, существенного снижения осевой силы таким способом получить не удается. В процессе работы происходит прижатие рабочего колеса к направляющему аппарату, их совместный износ и увеличение потребляемой мощности.
Известна также ступень погружного центробежного насоса с колесом открытого типа, имеющим один ведущий диск, на нижней поверхности которого расположены лопасти, а в промежутках между местами закрепления лопастей в ведущем диске выполнены сквозные отверстия (патент РФ №2209346 C2, МПК F04D 13/10, опубл. 27.07.2003). Сквозные отверстия в ведущем диске открывают канал для перетечек жидкости из области с высоким давлением (над диском) в область с низким давлением (под диском), тем самым выравнивая давление и снижая осевую силу, действующую на колесо, а также эффективно дробят газовые пузыри и грязевые включения, присутствующие в перекачиваемой жидкости.
Недостатком данной ступени является очень низкий напор, обусловленный искусственно вызванными перетечками через отверстия, приводящими к потере давления, создаваемого колесом, и, как следствие, низкая величина КПД ступени.
В качестве прототипа полезной модели выбрана модификация описанной ступени, содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо открытого типа, имеющее втулку с закрепленным ведущим диском, на нижней стороне которого размещены профильные рабочие лопасти, между основаниями которых выполнены сквозные отверстия, на верхней стороне ведущего диска со стороны периферии расположены прямолинейные вихревые лопасти, а на периферийной части нижней поверхности нижнего диска направляющего аппарата выполнен уступ с дополнительными ребрами (патент РФ № 2196253, МПК F04D 13/10, F04D 1/06, F04D 31/00,  опубл. 10.01.2003). Изобретение решает задачу повышения качества дробления газовых пузырей и грязевых включений и исключает заклинивание насоса последними за счет увеличения суммарной длины кромок поверхностей, воздействующих на пластовую жидкость при работе насоса.
Насосная секция, собранная из таких лопастей, эффективна только в качестве диспергатора при работе установки на газожидкостной смеси, поскольку в предложенной конструкции ступени имеют место большие потери напора и КПД, обусловленные как перетечками через сквозные отверстия в ведущем диске колеса и между нижней кромкой лопастей рабочего колеса и донышком направляющего аппарата, так и потерями при обтекании потоком большого количества препятствий  в пазухах между рабочим колесом и направляющим аппаратом. Известная конструкция не решает задачу полной компенсации осевой силы, при которой колесо занимает подвешенное состояние между соседними направляющими аппаратами, не касается их и не изнашивается, сохраняя надежность при работе с жидкостью, содержащей абразивные частицы. В описанной конструкции ступени отсутствует верхняя упорная шайба между верхней поверхностью ведущего диска и нижней поверхностью нижнего диска направляющего аппарата, позволяющая предотвратить касание колеса и аппарата по всей поверхности смежных дисков в случае всплытия колеса. Таким образом, основным недостатком прототипа является низкая надежность при работе с жидкостью, содержащей абразивные частицы, а также низкие напорно-энергетические характеристики ступени.
Полезная модель позволяет добиться высокой износостойкости и надежности конструкции в условиях перекачивания жидкостей с повышенным содержанием механических примесей за счет компенсации осевой силы, действующей на рабочее колесо, при сохранении величины напора и КПД ступени на уровне аналогичных ступеней с рабочими колесами закрытого типа.
Указанный технический результат достигается тем, что в ступени погружного многоступенчатого насоса, состоящей из направляющего аппарата и рабочего колеса открытого типа, имеющего втулку с закрепленным ведущим диском, на нижней стороне которого размещены профильные рабочие лопасти, а на верхней стороне ведущего диска по периферии расположены прямолинейные вихревые лопасти, согласно полезной модели, вихревые лопасти выполнены с радиальным размером, составляющим не менее 2/3 радиуса ведущего диска колеса и  обеспечивающим компенсацию осевой силы, действующей на рабочее колесо.
Боковые поверхности вихревых лопастей могут быть расположены с наклоном к поверхности ведущего диска. Кроме того, вихревые лопасти рабочего колеса могут быть размещены со смещением от радиального направления на угол, не превышающий 60°.
В заявленной конструкции компенсация силы давления на ведущий диск рабочего колеса открытого типа достигается за счет создания вихревого движения жидкости над этим диском с помощью вихревого венца, образованного прямолинейными вихревыми лопастями, расположенными на наружной поверхности ведущего диска со стороны периферии. При радиальном размере вихревых лопастей, равном 2/3 радиуса ведущего диска колеса и более, обеспечивается компенсация осевой силы, создаваемой колесом, и, соответственно, работа рабочего колеса во всплытом состоянии. Несмотря на то, что максимальная компенсация осевой силы достигается, если образованный из вихревых лопастей венец покрывает всю верхнюю поверхность ведущего диска колеса, в большинстве случаев, для того, чтобы подвесить колесо, т.е. заставить его работать во всплытом состоянии, достаточно выбрать вихревые лопасти с радиальным размером, начиная с 2/3 радиуса диска, поскольку вблизи оси вращения скорости потока малы, и вклад этих областей в компенсацию осевой силы весьма незначителен. При размере вихревых лопастей менее 2/3 радиуса диска вихревой поток
смещается к периферии, и значение подъемной силы становится недостаточным для подвешивания колеса.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 приведен разрез сборки из двух центробежных ступеней заявляемой конструкции; на фиг.2 - фрагмент рабочего колеса с радиальными вихревыми лопастями; на фиг.3 - то же, с вихревыми лопастями, расположенными под углом к радиальному направлению.
Заявляемая ступень (фиг.1) состоит из открытого рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2. Рабочее колесо 1 имеет втулку 3 с закрепленным на ней ведущим диском 4, на нижней стороне которого размещены рабочие лопасти 5. По периферии диска 4 перпендикулярно или с наклоном к его верхней поверхности расположены вихревые лопасти 6, имеющие прямолинейную форму.
Направляющий аппарат 2 (фиг.1) имеет нижний диск 7 с буртом 8, боковую стенку 9 и верхний диск 10. Между нижним диском 7 и верхним диском 10 расположены лопатки 11, входные кромки которых выступают за внешний диаметр нижнего диска 7. На верхней поверхности выступа ведущего диска 4 рабочего колеса 1, контактирующей с буртом 8 направляющего аппарата 2, вмонтирована шайба 12 для повышения износостойкости конструкции. Между лопастями 5 рабочего колеса 1 и верхним диском 10 направляющего аппарата 2 выполнен зазор 0.2-0.5 мм.
Вихревые лопасти 6 могут быть размещены радиально (фиг.2) или под углом α к радиальному направлению (фиг.3), который может варьироваться до 60° в обе стороны от радиального направления от зависимости от необходимой величины компенсирующей осевой силы.
При работе ступени центробежного насоса жидкость подается на вход проточных каналов рабочего колеса 1, приобретает энергию за счет закрутки лопастями 5, затем по переходному каналу перетекает в проточные каналы направляющего аппарата 2, причем часть жидкости, заполняющая полость между ведущим диском 4 рабочего колеса 1 и нижним диском 7
направляющего аппарата 2, вовлекается в интенсивное вихревое течение, создаваемое вихревыми лопастями 6, при котором снижается давление на ведущий диск 4, и возникает осевая сила, вынуждающая колесо 1 всплывать вверх. Величина этой силы зависит от подачи, а также от конфигурации вихревых лопастей - их количества, высоты, ширины, наклона. На выходе из направляющего аппарата 2 поток жидкости имеет направление, близкое к осевому, и подается в проточные каналы следующего рабочего колеса 1. При правильном подборе геометрических размеров вихревых лопастей 6 рабочее колесо 1 всплывает и работает в этом положении, опираясь своей верхней шайбой 12 на бурт 8 направляющего аппарата 2.
Таким образом, предлагаемая конструкция характеризуется простотой изготовления и реализует новый механизм компенсации осевой силы, позволяющий сохранить в процессе работы характеристики ступени (напор, КПД, мощность) за счет всплытия рабочего колеса, и, как следствие, избежать засорения проточных каналов, а значит повысить надежность ступени при перекачке жидкостей, содержащих механические примеси.