СТУПЕНЬ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Полезная модель относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в погружных центробежных высокоскоростных скважинных насосах для добычи нефти из скважин с высоким содержанием солей, свободного газа и механических примесей.
Погружные центробежные насосы, как правило содержат одну или несколько насосных секций. Насосная секция такого насоса состоит из корпуса, в котором установлены направляющие аппараты и вал с рабочими колесами (Чичеров Л.Г. и др. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования. - М: Недра, 1987). При этом, в процесс эксплуатации проходные каналы рабочих колес и направляющих аппаратов забиваются механическими примесями, особенно первых ступеней, что являются причиной срыва потока насоса, износа щелевых уплотнений, повышенной вибрации и как следствие - выхода насоса из строя. Кроме того, элементы насоса подвергаются воздействию агрессивной среды, в результате чего, металлические детали подвержены коррозии.
Известен погружной центробежный насос для откачки пластовой жидкости из нефтяных скважин. Каждая ступень такого насоса содержит рабочее колесо закрытого типа и направляющий аппарат с лопатками, выступающими за диаметральный размер наружной крышки аппарата. Рабочее колесо ступени имеет спрофилированные лопатки между ведущим и ведомым дисками (Богданов Н.А. Погружные центробежные насосы для добычи нефти. - М.: Недра, 1968, 38-50 с. ).
Известна ступень многоступенчатого центробежного насоса (патент РФ №2220327, МПК F04D 29/02, 27.12.2003), содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо, выполненное в виде единого целого со втулкой, внешняя цилиндрическая поверхность которой образует пару трения с соответствующей внутренней цилиндрической поверхностью направляющего аппарата. Одна из деталей, поверхности которых образуют упомянутую пару трения, выполнена из спеченного пористого металлического материала, а вторая деталь выполнена из литейного чугуна нирезиста, при этом, по меньшей мере, часть детали из спеченного пористого металлического материала пропитана сплавом с высоким содержанием меди.
Недостатками известного насоса (патент РФ №2220327, МПК F04D 29/02, 27.12.2003) является значительная трудоемкость и высокая стоимость его изготовления при низкой коррозионной и износостойкости, а также значительный вес и высокая стоимость деталей, выполненных методами спекания и литья.
Наиболее близким аналогом является ступень погружного центробежного насоса (патент №РФ 2560105, МПК F04D 13/10, F04D СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА. 20.08.2015). Ступень погружного многоступенчатого высокоскоростного центробежного насоса, содержащая рабочее колесо со ступицей и направляющий аппарат, состоящий из стакана, верхнего диска, с осевой опорой, нижнего диска и лопаток. Верхний диск направляющего аппарата с осевой опорой выполнены монолитно со стаканом, причем стакан выполнен из перфорированного металлического цилиндра со слоем полимерного материала на его внутренней поверхности и перфорациями, заполненными полимерным материалом, а на внешней стороне и/или на торце стакана выполнена по крайней мере одна круговая канавка, обеспечивающая возможность расположения в ней уплотнительного кольца, причем верхний диск, нижний диск, лопатки направляющего аппарата и рабочее колесо изготовлены из полимерного материала, а поверхности трения осевых и радиальных опор выполнены в виде подшипников трения скольжения, изготовленных из износостойкого металлического сплава, и/или керамики, и/или карболита, и/или карбонита и закрепленных на поверхностях опор деталей насоса клеевым соединением и/или за счет адгезии в процессе литья или прессования полимерной детали, причем поверхности соединения подшипников с деталью выполнены в виде соединения «шип-паз».
Однако, использование поверхностей трения осевых и радиальных опор выполненных в виде подшипников трения скольжения, изготовленных из износостойкого металлического сплава, и/или керамики, и/или карболита, и/или карбонита и закрепленных на поверхностях опор деталей насоса клеевым соединением и/или за счет адгезии в процессе литья или прессования полимерной детали повышает стоимость изготовления насоса.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание такой ступени погружного насоса, который позволил бы с наименьшими экономическими затратами производить и эксплуатировать погружные высокоскоростные центробежные насосы в условиях работы в скважинах с высоким содержанием минеральных солей, механических и абразивных примесей в пластовой жидкости, за счет изготовления элементов насоса пониженной массы, обеспечивающих, снижение трудоемкости и стоимости изготовления насосов.
Таким образом, техническим результатом полезной модели является уменьшение стоимости изделия.
Технический результат достигается за счет того, что ступень высокоскоростного многоступенчатого погружного центробежного насоса, содержащая рабочее колесо со ступицей и направляющий аппарат, состоящий из стакана, верхнего диска с радиально-осевой опорой, нижнего диска с радиальной опорой и лопаток, нижний диск направляющего аппарата с радиальной опорой которой выполнены монолитно со стаканом, причем стакан выполнен из перфорированного металлического цилиндра со слоем полимерного материала на его внутренней поверхности и перфорациями, заполненными полимерным материалом, причем верхний диск, нижний диск, лопатки направляющего аппарата и рабочее колесо изготовлены из полимерного материала.
В предлагаемом техническом решении, в отличие от прототипа (патент №РФ 2560105), на внешней стороне и/или на торце стакана круговая канавка, обеспечивающая возможность расположения в ней уплотнительного кольца не выполняется, а поверхности трения осевых и радиальных опор не изготовляются из дорогих износостойких металлических сплавов, и/или керамики, и/или карболита, и/или карбонита, закрепленных на поверхностях опор деталей насоса клеевым соединением и/или за счет адгезии в процессе литья или прессования полимерной детали, что позволяет уменьшить стоимость изделия.
При этом возможны следующие дополнительные особенности выполнения насоса: качестве полимерного материала используются композиции на основе полифениленсульфида; в качестве полифениленсульфида используется фортрон; перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде кругов диаметром от 1 мм до 6 мм, общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем круги расположены по поверхности равномерно; перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде овалов, общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем овалы расположены по поверхности равномерно; перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде прямоугольников, общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем прямоугольники расположены по поверхности равномерно; перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде кругов, прямоугольников и овалов, общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем круги, прямоугольники и овалы расположены по поверхности равномерно, при их чередовании; в нижнем диске направляющего аппарата имеется закладной элемент в виде металлической втулки, расположенной концентрично оси насоса, причем не менее 75% поверхности втулки охватывается полимерным материалом, и толщина охватывающего слоя не менее 1,5 мм; на периферийной части внешней поверхности рабочего колеса выполнены, по крайней мере, три равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, ориентированные под углом от 45 до 85 градусов в направлении противоположном вращению рабочего колеса.
Преимуществом выполнения композиционной детали, совмещающей достоинства металла и полимера в одной детали, является уменьшение веса и стоимости конструкции. При этом из полимерного материала могут быть изготовлены другие элементы и детали насоса, такие как рабочее колесо, элементы направляющего аппарата. Преимущество увеличения доли полимерного материала в конструкции насоса, связана с меньшей плотностью этого материала по сравнению с металлом, низкой подверженностью коррозии и меньшей склонностью к отложению солей. В качестве полимерного материала могут быть использованы композиции на основе полифениленсульфида с армирующей фазой, например, фортрон. В целях уменьшения эффекта усадки материала при изготовлении, а также экономии полимерного материала в монолитной части направляющего аппарата может быть применен закладной элемент из конструкционной стали либо чугуна в виде втулки, расположенной концентрично оси насоса. Для фиксации втулки внутри детали обеспечивается охват не менее 75% поверхности втулки полимерным материалом, причем толщина слоя полимерного материала не должна быть менее 1,5 мм.
Использование перфораций в металлическом цилиндре стакана позволяет уменьшить долю металла в монолитной детали «верхний диск - стакан» при обеспечении той же жесткости конструкции. Перфорации в металлическом цилиндре стакана позволяют сделать соединение металлического каркаса с полимерным покрытием более надежным, поскольку полимерный материал пронизывает насквозь металлический цилиндр, через выполненные в нем перфорации. Перфорации металлического цилиндра выполняются в поперечном сечении в виде кругов диаметром от 1 мм до 6 мм, и/или овалов, и/или прямоугольников, общей площадью кругов или овалов от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем круги, прямоугольники и овалы расположены по поверхности равномерно, а при использовании перфораций в виде кругов, прямоугольников и овалов - они располагаются по поверхности чередуясь друг с другом. Использование диаметра круглых перфораций менее 1 мм и более 6 мм, а также общей площади перфораций менее 10% ухудшает прочность сцепления «полимер-металл». Превышение общей площади перфораций более 70%, снижает прочность стакана. Использование на периферийной части внешней поверхности рабочего колеса равномерно расположенных по поверхности дополнительных лопаток, ориентированные под углом от 45 до 85 градусов в направлении противоположном вращению рабочего колеса, наряду с углублениями между ними, позволяет предотвратить перемещения жидкости в областях между дисками рабочего колеса и соседними направляющими аппаратами, а также препятствовать образованию газовых пузырьков. Их число может составлять от 3 до 27. Углы, меньше 45 градусов и большие 85 градусов снижает указанный эффект.
Сущность технического решения поясняется чертежами. На фигурах с 1 по 4 представлено: фиг. 1 - разрез ступени насоса, выполненный в соответствии с изобретением; фиг. 2 - вид направляющего аппарата со стаканом с внешней (фиг. 2а) и внутренней (фиг. 2б) сторон; фиг. 3 - вид направляющего аппарата со снятым опорным подшипником (фиг. 3а - опорный подшипник, фиг. 3б - направляющий аппарат); фиг. 4 - рабочее колесо (фиг. 4а - вид рабочего колеса спереди, фиг. 4б - вид рабочего колеса сзади).
Фигуры 1-4 содержат: 1 - стакан; 2 - рабочее колесо; 3 - ступица; 4 - ось насоса; 5 - металлический цилиндр с перфорациями; 6 - полимерный материал; 7 - направляющий аппарат; 8 - перфорации в металлическом цилиндре; 9 - нижний диск направляющего аппарата; 10 - лопатки направляющего аппарата; 11 - верхний диск направляющего аппарата; 12 - втулка-сердечник; 13 - радиально-осевая опора; 14 - лопатки рабочего колеса; 15 - дополнительные периферийные лопатки; 16 - опорные подшипники скольжения; 17 - соединение «шип-паз»; 18 - шип; 19 - паз; 20 - отверстие ступицы.
Ступень высокоскоростного многоступенчатого погружного центробежного насоса содержит (фиг. 1-4) рабочее колесо 2 со ступицей 3 и лопастями 14, направляющий аппарат 7, состоящий из верхнего диска 11 с радиально-осевой опорой 13, стакана 1, нижнего диска 9 с радиальной опорой и втулкой-сердечником 12, лопаток 10. Нижний диск 9 направляющего аппарата 7 изготовлен монолитно со стаканом 1 из полимерного материала 6. Стакан 1 выполнен из перфорированного металлического цилиндра 5 с полимерным слоем на внутренней поверхности. Металлический цилиндр 5 выполнен с перфорациями 8. Верхний диск 11, нижний диск 9 и лопатки 10 направляющего аппарата 7, а также рабочее колесо 2 изготовлены из полимерного материала. В теле нижнего диска присутствует закладной элемент в виде металлической втулки-сердечника 12, выполненной из конструкционной стали либо чугуна. В качестве полимерного материала 6 используются композиции на основе полифениленсульфида. На рабочем колесе выполнены дополнительные периферийные лопатки 15. Поверхности трения снабжены опорными подшипниками скольжения, закрепленные на деталях насоса адгезионными соединениями посредством стыка «шип-паз» 17.
Работа ступени осуществляется следующим образом. Перекачиваемая жидкость подводится через направляющий аппарат 7 предыдущей ступени. Она проходит через каналы рабочего колеса 2, образованные между его лопастями. Колесо приводится во вращение валом насоса через ступицу 3. Выбрасываясь из рабочего колеса 2, перекачиваемая жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 7, образованные между лопатками 10. Пройдя через направляющий аппарат 7, жидкость направляется на вход рабочего колеса следующей ступени.
Пример. Были проведены сравнительные испытания двух партий насосов - по восемь штук в каждой. Одна партия насосов была изготовлена согласно патента №РФ 2274769, другая - согласно предлагаемого технического решения. Масса насоса, выполненного по предложенному техническому решению была меньше на 22%, по сравнению с аналогом.
Стоимость насоса, изготовленного по предлагаемому техническому решению была меньше в 1,4-1,6 раз по сравнению с прототипом (патент №РФ 2560105), в зависимости от используемых для изготовления ступени насоса материалов.
Таким образом, ступень высокоскоростного многоступенчатого погружного центробежного насоса, включающая следующие признаки: содержащая рабочее колесо со ступицей и направляющий аппарат, состоящий из стакана, верхнего диска с радиально-осевой опорой, нижнего диска с радиальной опорой и лопаток; нижний диск направляющего аппарата с радиальной опорой выполнены монолитно со стаканом; стакан выполнен из перфорированного металлического цилиндра со слоем полимерного материала на его внутренней поверхности и перфорациями, заполненными полимерным материалом; верхний диск, нижний диск, лопатки направляющего аппарата и рабочее колесо изготовлены из полимерного материала; в качестве полимерного материала используются композиции на основе полифениленсульфида; перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде кругов и/или овалов диаметром от 1 мм до 6 мм, общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра; круги расположены по поверхности равномерно при их чередовании; в качестве полифениленсульфида используется фортрон; на периферийной части внешней поверхности рабочего колеса выполнены, по крайней мере, три равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, ориентированные под углом от 45 до 85 градусов в направлении противоположном вращению рабочего колеса - позволяет достичь поставленного в полезной модели технического результата - уменьшение стоимости изделия.