СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Полезная модель относится к машиностроению (гидро- и электромашиностроению) и может быть использована в насосных установках, приспособленных для работы в буровых скважинах (установках погружных электронасосов для добычи нефти).
Известна ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, содержащая закрытое центробежное рабочее колесо, включающее ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопастями, и направляющий аппарат, включающий обойму, нижний и верхний диски, между которыми размещены лопатки, образующие проточные каналы. Проточные каналы имеют высоту в диапазоне 3,5-6,5 мм, лопасти рабочего колеса выполнены с углом охвата средней линии 120-150°, а лопатки направляющего аппарата выполнены с углом охвата 180-230° (по патенту RU 141221, кл. F04D 13/10, опубл. 27.05.2014).
Для данной ступени с заявленными геометрическими параметрами не указаны расчетные или полученные экспериментально напорно-расходные характеристики и КПД, оптимальные параметры использования ступени неясны.
Наиболее близким техническим решением является ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, состоящая из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего диска, ведомого покрывного диска и лопастей, которые закреплены между ведущим диском и ведомым покрывным диском, и из направляющего аппарата, выполненного в виде лопаточного покрывного диска, цилиндрической обоймы и лопаток. 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, а лопатки закреплены в направляющем аппарате между кольцеобразной стенкой цилиндрической обоймы и лопаточным покрывным диском. Число лопастей рабочего колеса лежит в диапазоне 1-4, каждая из лопастей рабочего колеса выполнена с углом охвата 150-360°, высота лопастей рабочего колеса на выходе лежит в диапазоне 4,4-6,5 мм. Высота лопаток направляющего аппарата на входе лежит в диапазоне 4,4-6,5 мм, угол установки лопастей рабочего колеса на выходе лежит в диапазоне 5-35° (по патенту RU 109510, кл. F04D 1/00,опубл. 20.10.2011).
Данная ступень имеет увеличенные высоты лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата. Для сохранения характеристик напора и КПД при малой подаче необходимо использовать оригинальную форму (геометрию) лопастей и лопаток, отличающуюся от формы лопастей и лопаток ступеней серийных погружных насосов. Данная ступень имеет оригинальную форму только у лопастей рабочего колеса, а в направляющем аппарате лопатки имеют форму аналогичную форме лопаток направляющего аппарата серийной ступени. В результате характеристики ступени не являются оптимальными.
3
Основным недостатком серийных насосов с малой подачей (до 30 м/сут) является то, что они имеют малые размеры проточных каналов, что ведет к их засорению механическими примесями.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение технико-эксплуатационных качеств, увеличение значений напора и КПД ступени ЭЦН, а также повышение надежности и увеличении срока службы погружных насосов. Для снижения вероятности засорения необходимо увеличить проходное сечение проточных каналов, но это может привести к смещению оптимальных характеристик напора и КПД в сторону увеличения подачи насоса.
Техническим результатом, который достигается в результате решения указанной выше задачи, является получение высоких значений напора и КПД ступени электроцентробежного насоса (далее также - ЭЦН или центробежный насос), а также повышение надежности и увеличение срока службы за счет уменьшения вероятности засорения проточных каналов.
Указанный технический результат достигается следующим образом. Ступень погружного центробежного (электроцентробежного) насоса состоит из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего диска, а также 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, количество лопастей рабочего колеса равно пяти, а количество лопаток направляющего аппарата - трем.
Каждая лопасть рабочего колеса и каждая лопатка направляющего аппарата имеют угол входа в интервале от 0° до 10°.
Высота лопастей рабочего колеса лежит в диапазоне 4,5-5,5 мм, а высота лопаток направляющего аппарата - в диапазоне 4,0-5,0 мм.
Каждая лопатка направляющего аппарата имеет угол охвата в интервале от 120° до 180° и коэффициент стеснения на выходе направляющего аппарата в диапазоне от 0,5 до 0,7.
Полезная модель поясняется фигурами, на которых изображено:
фиг. 1 - ступень центробежного насоса, продольный разрез;
фиг. 2 - рабочее колесо;
фиг. 3 - направляющий аппарат;
фиг. 4 - зависимость напора и КПД для заявленного устройства и серийных аналогов.
Ступень погружного центробежного насоса (фиг. 1) состоит из рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2. Рабочее колесо 1 установлено на валу 3 и выполнено в виде ведущего диска 4, ведомого покрывного диска 5 и лопастей 6. Лопасти 6 закреплены между ведущим диском 4 и ведомым покрывным диском 5. Направляющий аппарат 2 выполнен в виде лопаточного покрывного диска 7, цилиндрической обоймы 8 и лопаток 9. Цилиндрическая обойма 8 выполнена с кольцеобразной стенкой 10, расположенной поперечно обойме. Внутри цилиндрической обоймы 8 установлены рабочее колесо 1 и лопаточный покрывной диск 7. Лопатки 9 закреплены в направляющем аппарате 2 между кольцеобразной стенкой 10 цилиндрической обоймы 8 и лопаточным покрывным диском 7.
2
3
Количество лопастей 6 рабочего колеса 1 равно пяти, а количество лопаток 9 направляющего аппарата 2 - трем. Высота b лопастей 6 рабочего колеса 1 находится в диапазоне 4,5-5,5 мм, а высота b лопаток 9 направляющего аппарата 2 - в диапазоне 4,0-5,0 мм.
1
Каждая лопасть 6 рабочего колеса 1 (фиг. 2) имеет угол входа β в интервале от 0° до 10°.
Каждая лопатка 9 направляющего аппарата 2 имеет угол входа α1 в интервале от 0° до 10°, угол охвата θa в интервале от 120° до 180° и коэффициент стеснения ψ на выходе направляющего аппарата 2 в диапазоне от 0,5 до 0,7. Коэффициент стеснения ψ (коэффициент стеснения потока на выходе направляющего аппарата) рассчитывается по следующей формуле:
, где
t - шаг лопаток;
σ - толщина выходной кромки лопатки.
График на фиг. 4 изображает зависимость напора и КПД для заявленного устройства и серийных аналогов, где кривая X изображает заявленную ступень, кривая Y - ступень «ЭЦНАКИ5-20И (ОАО «Алнас), кривая Z - ступень ЭЦНДП5-20 (ООО ПК «Борец»).
Работает ступень погружного центробежного насоса следующим образом.
Рабочее колесо 1 приводится во вращение валом 3 насоса. Перекачиваемая жидкость поступает в проточные каналы рабочего колеса 1, образованные лопастями 6, ведущим диском 4 и ведомым покрывным диском 5, и движется от центра к периферии рабочего колеса 1. Далее жидкость поступает в проточные каналы направляющего аппарата 2, образованные лопатками 9, лопаточным покрывным диском 7 и кольцеобразной стенкой 10, и поступает на вход рабочего колеса следующей ступени.
3
Как уже было указано выше, серийные насосы с малой подачей (до 30 м/сут) имеют малые размеры проточных каналов, что ведет к их засорению механическими примесями. Для снижения вероятности засорения необходимо увеличить проходное сечение проточных каналов, но это может привести к смещению оптимальных характеристик напора и КПД в сторону увеличения подачи насоса. Поэтому необходимо использовать в конструкции оригинальную форму (геометрию) лопастей и лопаток, отличающуюся от формы лопастей и лопаток ступеней серийных погружных насосов.
Опытные испытания заявленной ступени показали, что выполнение вышеперечисленных геометрических параметров рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2 с соблюдением вышеперечисленных геометрических параметров позволяет решить поставленную задачу и достичь требуемого технического результата.
3
Кроме того, испытания показали, что заявленная ступень ЭЦН имеет улучшенные технико-эксплуатационные характеристики при номинальной подаче 20 м/сут: напор 5,1 м и КПД 31%. И тем самым превосходит по напору или КПД или по обоим параметрам одновременно серийные насосы(известные из уровня техники). Сравнительные характеристики заявленной ступени и серийных аналогов представлены на фиг. 4.
Также, за счет увеличения высоты лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата на 25-35% в сравнении с серийными ступенями снижается вероятность засорения проточных каналов ступени механическими примесями.
3
Таким образом, заявленная ступень погружного центробежного (электроцентробежного) насоса позволяет увеличить надежность и срок службы насосной установки за счет снижения вероятности засорения проточных каналов ступени при номинальной подаче насоса 20 м/сут.