СТУПЕНЬ МНОГОСТУПЕНЧАТОГО НАСОСА-ДИСПЕРГАТОРА

Полезная модель относится к области разработки насосов и компрессоров и может быть использована в погружных многоступенчатых насосах для добычи нефти из скважин.
Известна ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, состоящая из рабочего колеса, имеющего ступицу и лопатки, разборного направляющего аппарата, имеющего съемный верхний диск и нижний диск с размещенными между дисками лопатками, формирующими проточную часть направляющего аппарата. На входе и выходе проточной части направляющего аппарата выполнены соответственно входная и выходная кольцевые камеры, которые обеспечивают гидравлическую связь проточных частей рабочего колеса и направляющего аппарата. Лопатки рабочего колеса имеют удлиненные до ступицы входные участки, расположенные по окружности с образованием осевой круговой решетки. Осевая решетка обеспечивает разворот потока на входе в рабочее колесо, и кроме этого обеспечивает выполнение функций диспергатора. Между контактирующими горизонтальными поверхностями рабочего колеса и направляющего аппарата установлены осевые опоры. [Свидетельство на полезную модель №59752 от 05.07.2006; F04D 13/10].
Радиально направленные потоки в каналах рабочего колеса и межлопастных каналах направляющего аппарата ограничивают значения объемного расхода перекачиваемой среды, что ограничивает область применения такого технического решения. Перемешивание жидкости с газом, то есть диспергирование, обеспечивается только за счет вихрей, образующихся при обтекании осевой решетки жидкостно-газовым потоком. Эффективность подобного диспергирующего устройства ослабевает с повышением подачи насоса.
Техническое решение, наиболее близкое к заявляемому решению, представляет ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, состоящая из рабочего колеса открытого типа, имеющего ступицу и лопатки, направляющего аппарата, имеющего верхний диск и нижний диск с размещенными между дисками лопатками, формирующими проточную часть направляющего аппарата. На входе и выходе проточной части направляющего аппарата выполнены, соответственно, входная и выходная кольцевые камеры, которые обеспечивают гидравлическую связь проточных частей рабочего колеса и направляющего аппарата. Лопатки рабочего колеса имеют удлиненные до ступицы входные участки, расположенные по окружности с образованием осевой круговой решетки. В направляющем аппарате выполнены сквозные отверстия, сообщающие проточную часть рабочего колеса с проточной частью направляющего аппарата или с проточной частью рабочего колеса соседней ступени, с возможностью периодического перекрытия этих отверстий лопатками рабочего колеса при его вращении. [Свидетельство на полезную модель №63468 от 09.01.2007; F04D 13/10].
Радиально направленные потоки в каналах рабочего колеса и межлопастных каналах направляющего аппарата ограничивают значения объемного расхода перекачиваемой среды через сквозные отверстия, что в свою очередь ограничивает область применения такого технического решения. Эффективность подобного диспергирующего устройства ослабевает с повышением подачи насоса.
Техническим результатом использования полезной модели является расширение области применения, повышение коэффициента полезного действия и надежности работы многоступенчатого насоса за счет улучшения процесса диспергирования при перекачке газожидкостных смесей, особенно при добыче нефти с высоким содержанием газа и в осложненных условиях эксплуатации нефтяных скважин. В дополнение, заявляемое техническое решение должно упростить и удешевить технологию изготовления деталей ступени.
Указанный технический результат достигается тем, что ступень многоступенчатого насоса-диспергатора, содержит входной и выходной каналы, рабочее колесо открытого типа, имеющее ступицу и лопатки. Направляющий аппарат ступени имеет кольцевой корпус с размещенным в нем диском. В диске выполнен ряд сквозных отверстий. Рабочее колесо оснащено лопатками рабочий профиль которых выполнен в сечениях от ступицы до периферийного конца лопатки с положительным углом атаки создающий положительный напор для потока перекачиваемой среды. Рабочее колесо, также, оснащено лопатками, имеющими реверсивный участок, на котором профиль лопатки расположен с отрицательным углом атаки, создающий торможение потоку перекачиваемой среды. Реверсивный участок может быть выполнен на всей лопатке.
Совокупность существенных признаков заявляемого технического решения может быть многократно использована в производстве насосов.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего технического решения станут понятными при рассмотрении вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые рисунки.
На фигуре 1 изображен поперечный разрез ступеней многоступенчатого насоса-диспергатора.
На фигуре 2 изображен продольный разрез трех ступеней многоступенчатого насоса-диспергатора.
На фигуре 3 изображен продольный разрез одной ступени насоса-диспергатора.
На фигуре 4 изображен вид сверху одной ступени насоса-диспергатора.
На фигуре 5 изображено поперечное сечение лопаток и диска направляющего аппарата насоса-диспергатора.
На фигуре 6 изображен вид в изометрии одной ступени насоса-диспергатора с разнесенными деталями.
На фигуре 7 изображен вид в изометрии варианта исполнения колеса ступени насоса-диспергатора
Многоступенчатый насос-диспергатор содержит набор ступеней, собранных в цилиндрическом корпусе 1. Ступень состоит из рабочего колеса 2 и направляющего аппарата 3. Рабочее колесо 2 имеет ступицу 4 и лопатки 5. Между лопатками 5 сформированы каналы 6 проточной части рабочего колеса 2. Направляющий аппарат 3 имеет кольцевой корпус 7 и диск 8. В диске 8 выполнен ряд сквозных отверстий 9, сообщающие выходной канал 10 ступени с входным каналом 11 соседней ступени. Между колесом 2 и диском 8 направляющего аппарата 3 установлены подшипники 12. Ступица колеса 4 установлена на валу 13.
Рабочий профиль лопатки 5 выполнен в сечениях от ступицы 4 до периферийного конца лопатки с положительным углом атаки «А», (смотри фиг.5) создающий положительный напор для потока перекачиваемой среды. Угол атаки - угол между хордой 14 профиля лопатки и вектором скорости набегающего потока перекачиваемой среды в данном сечении «V».
0
w
Вектор скорости «V» определяется как результат векторного сложения вектора скорости подачи перекачиваемой среды вдоль оси насоса «V» и вектора скорости, создаваемой за счет вращения лопаток «V».
w
Численное значение «V»:
w
V=w.R
где
w - угловая скорость вращения колеса:
R - радиус сечения.
Положительное направление угла атаки «А» - направление, при котором создается дополнительный напор для перекачиваемой среды при обтекании лопатки.
Рабочее колесо 2 оснащено лопатками 15 имеющими реверсивный участок 16 (смотри фиг.6) с отрицательным углом атаки «Б» (смотри фиг.5), создающий торможение потоку перекачиваемой среды. Здесь угол атаки - угол между хордой 17 профиля лопатки и вектором скорости набегающего потока перекачиваемой среды в данном сечении «V».
Отрицательное направление угла атаки «Б» - направление, при котором создается торможение потоку перекачиваемой среды при обтекании лопатки.
Возможен вариант исполнения, при котором реверсивный участок выполнен на всей лопатке 18 (смотри фиг.7).
Рабочие поверхности лопаток 5, 15, 16 и 18 могут быть выполнены плоскими или криволинейными.
Ступень многоступенчатого насоса-диспергатора работает следующим образом.
При вращении вала 13 лопатки 5 рабочего колеса 2 оказывают силовое воздействие на перекачиваемую среду (жидкость или жидкостно-газовую смесь), заполняющую каналы 6 проточной части рабочего колеса 2 в целом. Создается дополнительный напор для перекачиваемой среды, которая, под силовым воздействием лопаток 5, перемещается в осевом направлении от входного канала 11 к выходному каналу 10. Через ряд сквозных отверстий 9 перекачиваемая среда вытесняется в следующую ступень. При прохождении потока через отверстия 9 формируются отдельные струи, которые препятствуют развитию вращательного движения среды вокруг оси вала 13.
При вращении вала 13 реверсивные участки лопаток 16 или 18 рабочего колеса 2 оказывают силовое воздействие на перекачиваемую среду (жидкость или жидкостно-газовую смесь), заполняющую каналы 6. Создается торможение потоку перекачиваемой среды при обтекании лопатки. Перекачиваемая среда, в этой зоне, перемещается в осевом направлении от выходного канала 10 к входному каналу 11. Таким образом, под реверсивным участком лопатки 16 или 18 образуется зона, где формируется поток, направленный в противоположную сторону к основному потоку в насосе. При этом локальная зона рециркуляции находится во вращательном движении вместе с участком лопатки 16 или 18, что способствует возникновению импульсов давления и скорости в отверстиях 9. Такой пульсирующий режим течения в отверстиях 9 способствует повышению эффективности работы насоса-диспергатора, а перекачиваемая газожидкостная смесь приобретает свойства квазигомогенной среды. Известно, что эффективность работы насосных ступеней повышается, если перекачиваемая среда обработана в диспергаторе. Заявляемый насос-диспергатор может быть установлен на входе многоступенчатого центробежного или осевого насоса, для предварительной обработки перекачиваемой среды, обеспечивая повышение эффективности работы насосной установки в целом.
Реверсивный участок лопатки 16 или 18 может быть выполнен плоским. Меняя угол атаки «Б» реверсивного участка лопатки, можно регулировать интенсивность вихревых обратных потоков и соответственно управлять процессом диспергирования.
Диск 8 направляющего аппарата 3 при производстве ступени может быть выполнен как отдельная деталь. Такое техническое решение позволяет упростить и удешевить технологию изготовления направляющего аппарата 3. Для производства рабочих колес могут быть использованы высокопроизводительные технологии, включая штамповку.
Подшипники 12 могут быть выполнены в виде комплекта антифрикционных шайб, с использованием технологии нанесения антифрикционного материала на контактирующие поверхности.
Повышение эффективности диспергирования достигается за счет организации импульсного течения перекачиваемой среды в отверстиях 9 и у рабочих поверхностей лопаток 5, 16, 18. Регулировочные настройки системы диспергирования могут проводиться за счет изменения количества лопаток 15 имеющих реверсивные участки, за счет изменения угла атаки обтекания реверсивных участков и суммарной площади рабочих поверхностей у лопаток, а также за счет изменения формы и площади сечения отверстий 9. Эффективное диспергирование (дробление газовых пузырей в жидкости) позволяет уменьшить количество диспергирующих ступеней, необходимых для бесперебойной работы насоса. Это повышает коэффициент полезного действия и надежность работы насосной установки в целом.