ПОГРУЖНОЙ СКВАЖИННЫЙ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС И РАБОЧЕЕ КОЛЕСО НАСОСА

Технические решения относятся к насосостроению, а именно к погружным скважинным электроцентробежным насосам (ЭЦН) преимущественно для добычи нефти, в частности, насосам «пакетной» или «компрессионной» схемы, предназначенным для работы в скважинах с высоким содержанием в пластовой жидкости газа и механических примесей.
Известен погружной скважинный многоступенчатый центробежный насос для добычи нефти, описанный в патенте RU 2133379 С1, 20.07.1999, содержащий ступени, каждая из которых включает в себя направляющий аппарат, закрепленный в корпусе насоса, и рабочее колесо, установленное на валу насоса. Между торцевыми поверхностями рабочего колеса и сопряженными с ними торцевыми поверхностями направляющего аппарата, отделяющими камеру смешивания ступени от камеры всасывания, размещена герметизирующая упорная шайба с возможностью продольного перемещения. Шайба закреплена на рабочем колесе, а в кольцевом пазе направляющего аппарата установлено ответное уплотнительное кольцо, застопоренное от вращения, но имеющее возможность ограниченного осевого перемещения. Между уплотнительным кольцом и неподвижной поверхностью направляющего аппарата образовано коническое щелевое пространства, причем направление сужения конической щели совпадает с направлением возникающего в процессе
работы перепада давления, а в щелевом пространстве установлен эластичный элемент. По мере износа трущихся поверхностей направляющего аппарата и герметизирующей упорной шайбы эластичный элемент деформируясь перемещается в направлении сужения конической щели, что обеспечивает самоуплотнение ступени и снижение зависимости параметров напора, КПД и действующей на рабочее колесо осевой силы к величине зазора в уплотнения, т.к. препятствует естественному увеличению зазора при эксплуатации насоса в результате износа упомянутых поверхностей.
Основным недостатком аналога является высокая себестоимость и сложность сборки насоса при его изготовлении и, особенно, при ремонте в промысловых условиях, так как устройство имеют в своем составе массу мелких деталей. Это приводит к практической непригодности такого технического решения для использования в насосах для добычи нефти.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков (прототипом) является погружной скважинный многоступенчатый центробежный насос для добычи "пакетной" схемы и рабочее колесо насоса, описанные в патенте RU 35851 U1, 10.02.2004. Насос содержит пакеты ступеней, при этом каждая из ступеней пакета включает в себя направляющий аппарат, закрепленный в корпусе насоса, и рабочее колесо, включающее в себя ступицу с ведущим диском, ведомый диск и расположенные между ними лопасти. Ступица рабочего колеса установлена на валу насоса, с заданным зазором между торцами ступицы и соответствующими торцами ступиц рабочих колес соседних ступеней. Между торцевой поверхностью рабочего
колеса и сопряженной с ней торцевой поверхностью направляющего аппарата размещены герметизирующие шайба, установленные в кольцевом пазе. Пакет ступеней снабжен осевой опорой, представляющей собой герметизирующую шайбу нижней ступени пакета, выполненную из материала повышенной износостойкости.
До приработки шайб рабочие органы могут занимать различные взаимные положения в зависимости от распределения действительных размеров деталей внутри соответствующих полей допусков, а после приработки шайб (момент «смыкания пакета») зазоры между ступицами будут выбраны за счет износа и уменьшения высоты шайб, а осевое усилие со стороны всех рабочих колес пакета будет передаваться через ступицы на осевую опору пакета.
При использовании такой конструкции длина пакета будет ограничена максимально возможным износом шайб или потребуется применение звеньев-компенсаторов (см., в частности, патент US 3,238,879 А, 08.05.1966), селективной сборки и т.п.
Таким образом, задача, на решение которой направлена заявленная группа полезных моделей, состоит в создании погружного скважинного электроцентробежного насоса «пакетной» («компрессионной») схемы.
Технический результат, достигаемый при реализации каждой полезной модели заявленной группы, заключается в снятии ограничений на длину пакета ступеней без усложнения конструкции и процесса сборки насоса, устранении зависимости параметров напора и КПД от износа уплотнений, а также уменьшение накопления абразивных частиц в камере смешивания ступени и,
соответственно, снижение вероятности «размывов» направляющих аппаратов.
Погружной скважинный многоступенчатый центробежный насос, обеспечивающий достижение указанного выше технического результата, содержит, по меньшей мере, один пакет ступеней, каждая из которых включает в себя направляющий аппарат, закрепленный в корпусе насоса, и рабочее колесо, включающее в себя ступицу с ведущим диском, ведомый диск и расположенные между ними лопасти, установленное на валу насоса без возможности осевого перемещения относительно остальных рабочих колес пакета. На торцевой поверхности, по меньшей мере, одного диска, сопряженной с соответствующей торцевой поверхностью направляющего аппарата, размещена герметизирующая шайба, установленная в кольцевом пазе. При этом в отличии от прототипа шайба установлена с зазором относительно дна паза и с возможностью продольного перемещения относительно боковых стенок паза, при этом полость между шайбой и дном паза гидравлически соединена с проточной частью насоса.
Рабочее колесо погружного скважинного многоступенчатого центробежного насоса, обеспечивающее достижение указанного выше технического результата включает в себя ступицу с ведущим диском, ведомый диск и расположенные между ними лопасти. На торцевой поверхности, по меньшей мере, одного диска размещена герметизирующая шайба, установленная в кольцевом пазе. При этом в отличии от прототипа шайба установлена с зазором относительно дна паза и с возможностью продольного перемещения
относительно боковых стенок паза, а полость между шайбой и дном паза выполнена с возможностью гидравлического соединения с проточной частью насоса.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели шайба установлена в кольцевом пазе с натягом по внешней или внутренней относительно оси рабочего колеса боковой стенке паза, таким образом, что обеспечивается возможность перемещения шайбы под действием усилия, прикладываемого к ступицам рабочих колес при сборке и работе насоса.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели полость между шайбой и дном паза выполнена с возможностью соединения с проточной частью насоса посредством зазора между внешней или внутренней боковой стенкой шайбы и соответствующей боковой стенкой паза.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели часть боковой стенки, образующей кольцевой паз, выполнена с проточками, расположенными по окружности и образующими лопатки, предназначенные для омывания наружной торцевой поверхности шайбы и отвода частиц мехпримесей в процессе работы насоса.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели герметизирующая шайба, предназначенная для отделения камеры смешивания ступени от камеры всасывания, размещена на нижней стороне ведомого диска вблизи внутреннего по отношению к оси рабочего колеса края диска, а полость между шайбой и дном кольцевого паза выполнена с возможностью соединения с проточной частью насоса посредством осевых каналов.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели герметизирующая шайба, предназначенная для защиты от воздействия пластовой жидкости радиальной пары трения между рабочим колесом и втулкой направляющего аппарата, размещена на нижней стороне ведущего диска вблизи ступицы, а полость между шайбой и дном кольцевого паза выполнена с возможностью соединения с проточной частью посредством радиальных каналов.
Размещение шайб с зазором относительно дна паза и с возможностью продольного (осевого) перемещения позволят герметизирующим шайбам занимать необходимое положение относительно опорных поверхностей втулок направляющего аппарата под воздействием нагрузок, возникающих при сборке и работе насоса. Это практически снимает ограничения на длину пакета ступеней без использования каких-либо компенсаторов или селективной сборки. Кроме того, описанная конструкция позволит минимизировать потери из-за перетечек за счет гарантированного уплотнения стыка между колесом рабочим и направляющим аппаратом. Гарантированное уплотнение стыка между колесом рабочим и направляющим аппаратом позволит также уменьшить накопление абразивных частиц в камере смешивания ступени, что снизит вероятность «размывов» стенки стакана направляющего аппарата.
Гидравлическое соединение полости паза с проточной частью насоса позволяет выровнять гидростатические давления в полости насоса и в полости под шайбой. В случае отсутствия такой связи имеется значительная вероятность "увода" шайб без возможности их возврата в необходимое положение.
Возможность осуществления каждой полезной модели заявленной группы подтверждается описанием погружного скважинного многоступенчатого центробежного насоса для добычи нефти «пакетной» схемы. Описание сопровождается графическими материалами, на которых изображено следующее.
На Фиг.1 изображена часть пакета ступеней насоса перед стяжкой пакета концевыми деталями.
На Фиг.2 изображена часть пакета ступеней насоса в рабочем положении.
На Фиг.3 изображено рабочее колесо в разрезе на виде сбоку.
На Фиг.4 изображено рабочее колесо на виде сверху.
На Фиг.5 изображено сечение В-В по Фиг.3.
На Фиг.6 изображено сечение А-А по Фиг.3.
Погружной скважинный многоступенчатый центробежный насос содержит корпус с размещенным в нем валом (на чертежах не показаны) и пакетами ступеней. Каждая ступень 1 пакета включает в себя направляющий аппарат 2, закрепленный в корпусе насоса, и рабочее колесо 3, установленное на валу насоса с упором верхним и нижним торцом ступицы 4 рабочего колеса в соответствующий торец ступицы рабочего колеса соседней ступени. Таким образом осевое усилие возникающее на рабочем колесе при работе насоса не воспринимается направляющим аппаратом, а передается на ступицу расположенного ниже рабочего колеса. Общее осевое усилие пакета передается на осевую опору пакета в нижней ступени.
Рабочее колесо 3 включает в себя ступицу 4 с ведущим диском 5, ведомый диск 6 и расположенные между ними лопасти 7. На нижней стороне ведомого диска вблизи внутреннего по отношению к оси рабочего колеса края диска выполнен кольцевой паз 8, в котором размещена герметизирующая шайба 9, контактирующая с торцевой поверхностью буртика 18 направляющего аппарата и отделяющая камеру смешивания ступени от камеры всасывания. Кольцевой паз 10 для размещения второй герметизирующей шайбы 11 выполнен на нижней стороне ведущего диска вблизи ступицы. Шайба 11 контактирует с торцевой поверхностью втулки 19 направляющего аппарата и обеспечивает изоляцию пары трения рабочее колесо - втулка направляющего аппарата от проточной части насоса.
На нижней стороне ведущего диска вблизи ступицы размещена упорная шайба 12 с возможностью упора в нижний диск направляющего аппарата при "всплытии" рабочего колеса. Осевая опора пакета представляет собой подпятник скольжения и выполнена в виде герметизирующей шайбы 9 нижней ступени пакета из материала повышенной износостойкости (твердый сплав, силицированный графит и пр.), при этом остальные шайбы пакета могут быть выполнены из более дешевого материала, например текстолита, карбонита и т.п., т.к. к ним предъявляются требования только по обеспечению герметичности соответствующих полостей.
Шайбы 9 и 11 установлены с зазором относительно дна соответствующего паза с натягом по внешней относительно оси рабочего колеса боковой стенке паза, таким образом, что обеспечивается возможность продольного
перемещения шайбы относительно боковых стенок паза под действием усилия, прикладываемого к ступицам рабочих колес при сборке насоса. Такая конструкция позволяет этим шайбам занимать необходимое положение относительно опорных торцов направляющего аппарата без приработки шайб. После стяжки концевыми деталями рабочие органы примут относительные взаимные положения в соответствии с Фиг.2. При этом пакет ступеней будет "сомкнут" без приработки шайб с гарантией наличия уплотнения между камерами смешивания и камерами всасывания, обеспечиваемого шайбой 9, а также уплотнения радиальной пары трения между рабочим колесом и втулкой направляющего аппарата, обеспечиваемого шайбой 11.
В процессе работы насоса за счет износа осевой опоры пакета рабочие колеса смещаются относительно направляющих аппаратов при этом шайбы 9 и 11 также смещаются вглубь соответствующего паза 8 (10) описанным выше образом, обеспечивая сохранение уплотнения.
Полость между шайбой и дном паза должна быть гидравлически соединена с проточной частью насоса, например за счет зазора 17 между внутренней боковой стенкой шайбы и соответствующей боковой стенкой паза, позволяющего выровнять гидростатические давления в полости насоса и в полости под шайбой. Полость между шайбой 9 и дном кольцевого паза 8 также может быть соединена с проточной частью насоса посредством радиальных каналов 13 (см. Фиг.5 и 6), а полость между шайбой 11 и дном кольцевого паза 10 может быть соединена с камерой смешивания ступени посредством осевых каналов 14. Такие каналы могут быть образованы как методом механической
обработки (просверлены), так и при получении заготовки (выполнены в отливке, прессовке и пр.). Один из вариантов выполнения компенсационных каналов (отверстий), которые могут быть получены при применении используемой в настоящий момент технологии производства "порошковых" заготовок, показан на Фиг.5 и 6.
Для предотвращения попадания твердых частиц в пару трения шайба - направляющий аппарат, что может привести к "уводу" шайбы и потере герметичности уплотнения, наиболее целесообразно применение отводных каналов (см. Фиг.4). при этом часть боковой стенки, образующей кольцевой паз 8 и 10, выполняют с проточками 15, расположенными по окружности и образующими лопатки 16, предназначенные для омывания наружной торцевой поверхности шайбы и отвода частиц мехпримесей. В этом случае твердые частицы будут отводиться в камеру смешивания и камеру нагнетания за счет интенсивного омывания плоскостей шайб перекачиваемой жидкостью, а также за счет центробежных сил.