СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА С ЛОПАТОЧНЫМ ВЕНЦОМ

Полезная модель относится к области насосостроения и, прежде всего, к многоступенчатым насосам, используемым для добычи нефти из скважин и для подачи воды в продуктивный нефтеносный пласт для поддержания и повышения в нем пластового давления.
Известна из авторского свидетельства SU 479399 конструкция направляющего аппарата для центробежного питательного насоса, в которой диффузорный канал укорочен, а вместо наклонных переходных каналов имеются вырезы с боковой поверхности нижнего диска, через которые среда может переходить из диффузорного канала в обратные.
Известна также из патента RU 35392 конструкция направляющего аппарата для ступени центробежного скважинного многоступенчатого насоса, в которой переходный боковой канал образует боковые ребра более сложной формы.
Известная также из патента RU 2142069 конструкция направляющего аппарата центробежного насоса, в которой отсутствуют диффузорные каналы, но есть хорошо оформленные наклонные переходные каналы.
Однако все перечисленные конструкции направляющих аппаратов имеют сложный процесс производства и высокую стоимость изготовления, так как ступень состоит из нескольких деталей. Наличие нескольких деталей в направляющем аппарате ступени снижает точность линейного габарита каждой секции насоса, что делает затруднительным сделать насос в компрессионном исполнении, наиболее надежном, где вся секция является по сути одним большим пакетом. Длины ступиц рабочих колёс и направляющих аппаратов равны, это позволяет осевую силу, действующую на каждое рабочее колесо, воспринимать не осевой опорой в ступени, а гидродинамической опорой в гидрозащите, которая работает не в пластовой жидкости с механическими примесями, а в масле, и имеет на порядок меньше коэффициент трения.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является ступень центробежного многоступенчатого насоса, известная из патента RU 2364756, с радиальными направляющими аппаратами, содержащими цилиндрический корпус, выполненный заодно с верхним диском, нижний диск в виде отдельной детали, спиральные выходы, соединенные с обратными каналами посредством переходных каналов. При этом каждый аппарат снабжен вкладышами, установленными напротив спиральных выходов и контактирующими с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса, при этом в теле вкладышей выполнены наклонные профилированные выемки, формирующие переходные каналы.
Однако в таком направляющем аппарате проточная часть образована несколькими деталями, между которыми существуют зазоры, в связи с допусками на форму. Зазоры в проточной части снижают КПД в связи с перетеканием через зазоры. Наличие нескольких деталей в направляющем аппарате также снижает точность линейного габарита каждой секции насоса, что делает затруднительным изготовление насоса в наиболее надежном  компрессионном исполнении, где вся секция является по сути одним большим пакетом. Длины ступиц рабочих колес и направляющих аппаратов в этом исполнении должны быть равны. Это позволяет установить ступицу каждого рабочего колеса на ступицу предыдущего в секции насоса. За счет этого осевая сила, действующая на каждое рабочее колесо, будет восприниматься не осевой опорой в ступени, а гидродинамической опорой в гидрозащите, которая работает не в пластовой жидкости с механическими примесями, а в масле и имеет на порядок меньше коэффициент трения. Компрессионное исполнение насоса приводит к увеличению срока службы установки при работе с высоким содержанием механических примесей. Кроме этого, осевая сила, действующая на рабочее колесо, не уравновешена, это снижает ресурс работы, также в пазухах между дисками рабочего колеса и направляющего аппарата будут собираться пузырьки газа, укрупняться в крупный пузырь, который периодически может выходить в проточную часть рабочего колеса, снижая напорную и энергетические характеристики. Также не оптимизированы диаметральные габариты ступени, которые влияют на энергетические параметры: напор и КПД.
Технической проблемой является недостаточная надежность ступени при работе в пластовой жидкости с высоким содержанием свободного газа и механических примесей.
Техническим результатом является, повышение надежности при работе в пластовой жидкости с высоким содержанием свободного газа и механических примесей.
Технический результат достигается за счёт того, что в ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса с лопаточным венцом, содержащей рабочее колесо с ведущим и ведомым дисками, между которыми расположены лопасти, и направляющий аппарат, который содержит цилиндрическую часть в виде стакана, верхний и нижний диски, между которыми расположены лопатки, направляющий аппарат выполнен в виде цельнолитой конструкции из чугуна, на выходе из рабочего колеса выполнена кольцевая проточка, в которой на нижнем диске установлены дополнительные лопатки, на ведущем диске выполнен лопаточный венец, на нижнем диске направляющего аппарата выполнен кольцеобразный выступ с осевым зазором к лопаточному венцу и с радиальным зазором к ведущему диску, при этом внешний диаметр рабочего колеса относится к внутреннему диаметру стакана направляющего аппарата в соответствии с соотношением:
к
ст
d ≤ 0,85d,
к
где d - внешний диаметр рабочего колеса;
ст
d- внешний диаметр стакана направляющего аппарата;
диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат относится к внешнему диаметру рабочего колеса в соответствии с соотношением:
л
к
d ≥ 1,005d,
л
где d - диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат;
внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата составляет не более тридцати семи процентов от внешнего диаметра стакана направляющего аппарата:
оп
ст
d≤ 0,37 d,
оп
где d – внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата;
внутренний диаметр ступицы направляющего аппарата составляет не более двадцати двух процентов от внешнего диаметра стакана направляющего аппарата:
b
ст
d≤ 0,22 d,
b
где d – внутренний диаметр ступицы рабочего колеса.
Если направляющий аппарат выполнен в виде цельнолитой конструкции из чугуна, проточная часть не содержит зазоров, отсутствуют перетечки, вследствие этого повышается объемный и общий КПД ступени.
Если на нижнем диске направляющего аппарата изготовлен кольцеобразный выступ, образующий радиальный зазор по отношению к внешнему диаметру ведущего диска рабочего колеса, формирующий на выходе из рабочего колеса дополнительный радиальный направляющий аппарат в виде кольцевой проточки, при этом внешний диаметр рабочего колеса не превышает 0,85 от внутреннего диаметра стакана направляющего аппарата, диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат превышает более чем на 0,5 процентов внешний диаметр рабочего колеса. Это приводит к плавному выходу потока из рабочего колеса, выравниванию скоростей, снижению скорости потока с увеличением давления в кольцевом канале, к плавному входу потока перекачиваемой жидкости в установленный за колесом направляющий аппарат. Как результат это приведет к увеличению гидравлического и общего КПД, напора и коэффициента напора.
Если внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата составляет не более тридцати семи процентов от внешнего диаметра стакана направляющего аппарата:
оп
ст
оп
d≤ 0,37 d, где d – внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата (основной осевой опоры);
внутренний диаметр ступицы рабочего колеса составляет не более двадцати двух процентов от внешнего диаметра направляющего аппарата:
b
ст
b
d≤ 0,22 d, где d – внутренний диаметр ступицы рабочего колеса, определяющий положение пары трения, ступицы рабочего колеса и направляющего аппарата, которые образуют радиальную опору ступени.
В этом случае относительно малые радиусы, на которых изготовлены осевая и радиальная опоры ступени, позволяют минимизировать затраты мощности на трение в опорах.
За счет центробежных сил в традиционных ступенях в пазухах между дисками рабочего колеса и направляющего аппарата могут собираться пузырьки газа, укрупняться в крупный пузырь, который периодически может выходить в проточную часть рабочего колеса, снижая напорную и энергетические характеристики. Если на периферии внешней стороны одного из дисков рабочего колеса изготовлен дополнительный лопаточный венец, это позволит увеличить допустимое содержание свободного газа на входе в насос, так как лопаточный венец будет диспергировать газожидкостную смесь. Кроме этого, дополнительный лопаточный венец снижает осевую силу, действующую на рабочее колесо.
Если на периферии внешней стороны одного из дисков рабочего колеса изготовлен дополнительный лопаточный венец в виде чередования ячеек и каналов, это позволит оптимизировать, сделать более эффективным диспергирование газожидкостной смеси за счет организации перетоков через ячейки и каналы.
Если на периферии внешней стороны одного из дисков рабочего колеса изготовлен дополнительный лопаточный венец, а на соседнем диске направляющего аппарата изготовлен кольцеобразный выступ с осевым зазором к лопаточному венцу и с радиальным зазором к ведущему диску рабочего колеса, это позволит оптимизировать осевую силу, которая зависит от величины осевого и радиального зазоров.
Если чугун  содержит, в частности, кремний, марганец, хром, церий, фосфор и серу, при следующем содержании указанных элементов, мас.%:
Углерод
3,5-3,9
Кремний
2,1-2,7
Марганец
0,4-0,6
Хром
<0,12
Сера
0,05-0,07
Фосфор
<0,3,
то установки со ступенями, изготовленными из этого материала, могут использоваться в обычных скважинах, где не требуется высокая коррозионная стойкость и износостойкость. Небольшое количество агрессивных компонентов, концентрация сероводорода до 0,01 г/л.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения чугун содержит, в частности, кремний, марганец, хром, никель, медь, фосфор и серу, при следующем содержании указанных элементов, мас.%:
Углерод
2,7-3,1
Кремний
1,2-1,9
Марганец
0,85-1,5
Хром
0,7-1,5
Никель
15-17
Медь
6,1-8
Сера
<0,03
Фосфор
<0,25
Алюминий
0,01-0,3
Магний
0,01-0,07,
2
2
то установки со ступенями, изготовленными из этого материала, могут использоваться в скважинах, с высоким содержанием механических примесей, где требуется высокая коррозионная стойкость. Максимальное количество агрессивных компонентов: НS 1.25 г/л, CO-0.15 г/л.
При использовании чугуна, который содержит кремний, марганец, хром, никель, медь, фосфор и серу, при следующем содержании указанных элементов, мас.%:
Углерод
3,25-3,6
Кремний
1,8-2,4
Марганец
0,5-0,85
Хром
0,1-0,2
Никель
0,1-0,3
Медь
0,2-0,5
Сера
0,09-0,15
Фосфор
<0,1
Олово
0,06-0,1,
то установки со ступенями, изготовленными из этого материала, могут использоваться в скважинах, с высоким содержанием механических примесей, где не требуется высокая коррозионная стойкость.
Полезная модель поясняется фигурами 1-2, на которых изображено:
На фиг.1 – продольный разрез ступени с дополнительным радиальным направляющим аппаратом в виде кольцевой проточки с дополнительными лопатками, выполненными на нижнем диске направляющего аппарата, дополнительным лопаточным венцом и кольцеобразным выступом.
На фиг.2 - вид на ведущий диск рабочего колеса с дополнительным лопаточным венцом.
На фиг. 1-2 позициями 1-17 обозначены:
1 - рабочее колесо;
2 - направляющий аппарат;
3 - ведущий диск;
4 – ступица рабочего колеса;
5 – ведомый диск;
6 – лопасть;
7 – цилиндрический стакан;
8 – верхний диск;
9 – нижний диск;
10 – ступица направляющего аппарата;
11 – лопатка направляющего аппарата;
12 – кольцевая проточка;
13 – дополнительная лопатка;
14 – лопаточный венец;
15 – ячейка;
16 – канал;
17 – кольцеобразный выступ.
Насос состоит из сборки ступеней, каждая ступень состоит из рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2. Рабочие колеса установлены на валу (не показан), направляющие аппараты внутри корпуса (не показан). Рабочее колесо 1 состоит из ведущего диска 3, выполненного заодно со ступицей 4, ведомого диска 5. Между ведущим и ведомым дисками изготовлены лопасти 6. Направляющий аппарат 2 состоит из цилиндрического стакана 7, выполненного заодно с верхним диском 8, нижнего диска 9, выполненного заодно со ступицей 10. Между дисками  изготовлены лопатки 11.
На выходе из рабочего колеса 1 выполнен дополнительный радиальный аппарат в виде кольцевой проточки 12, в которой установлены дополнительные лопатки 13, причем дополнительные лопатки 13 изготовлены на нижнем диске 9 направляющего аппарата 2.
На периферии внешней стороны ведущего диска 3 рабочего колеса 1 изготовлен дополнительный лопаточный венец 14 в виде чередования ячеек 15 и каналов 16. На соседнем нижнем диске 9 направляющего аппарата 2 изготовлен кольцеобразный выступ 17 с осевым зазором к лопаточному венцу 14 и с радиальным зазором по отношению к внешнему диаметру ведущего диска 3 рабочего колеса 1.
к
ст
Внешний диаметр рабочего колеса 1 выполнен размером по отношению к внешнему диаметру стакана направляющего аппарата 2 в соответствии с соотношением: d ≤ 0,85d,
к
где d - внешний диаметр рабочего колеса;
ст
d- внешний диаметр стакана направляющего аппарата.
Диаметр лопаток 11 на входе в направляющий аппарат 2 выполнен с размером по отношению к внешнему диаметру рабочего колеса 1 в соответствии с соотношением:
л
к
d ≥ 1,005d,
л
где d - диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат;
Внутренний диаметр верхнего диска 8 направляющего аппарата 2 составляет не более тридцати семи процентов от внешнего диаметра стакана направляющего аппарата 2:
оп
ст
d≤ 0,37 d,
оп
где d – внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата, здесь изготовлена основная осевая опора направляющего аппарата.
Внутренний диаметр ступицы 10 направляющего аппарата составляет не более двадцати двух процентов от внешнего диаметра направляющего аппарата:
b
ст
d≤ 0,22 d,
b
где d – внутренний диаметр ступицы 4 рабочего колеса.
ст
к
л
оп
b
Пример конкретных размеров разработанной ступени. Внешний диаметр стакана направляющего аппарата 2 d = 100 мм, внешний диаметр рабочего колеса 1 d= 80 мм, диаметр лопаток 11 на входе в направляющий аппарат 2 d= 80,5 мм, внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата – основной осевой опоры рабочего колеса d=35 мм, внутренний диаметр ступицы 4 рабочего колеса d= 20 мм.
3
Расчетные энергетические параметры ступени на подачу 125 м/сутки составляют: напор – 8 метров, КПД – 70%, превосходят известные аналоги для данного типоразмера.
Направляющий аппарат 2 выполнен в виде цельнолитой конструкции из чугуна. Используемый чугун может содержать кремний, марганец, хром, серу, фосфор, церий и бор при следующем содержании указанных элементов, мас.%:
Углерод
3,5-3,9
Кремний
2,1-2,7
Марганец
0,4-0,6
Хром
<0,12
Сера
0,05-0,07
Фосфор
<0,3
Церий
<0,03
Бор
<0,01
Может быть использован другой состав чугуна, содержащий кремний, марганец, хром, никель, медь, серу, фосфор магний и алюминий, при следующем содержании указанных элементов, мас.%:
Углерод
2,7-3,1
Кремний
1,2-1,9
Марганец
0,85-1,5
Хром
0,7-1,5
Никель
15-17
Медь
6,1-8
Сера
<0,03
Фосфор
<0,25
Алюминий
0,01-0,3
Магний
0,01-0,07
Может быть также использован другой состав чугуна, содержащий кремний, марганец, хром, никель, медь, серу, фосфор и олово, при следующем содержании указанных элементов, мас.%:
Углерод
3,25-3,6
Кремний
1,8-2,4
Марганец
0,5-0,85
Хром
0,1-0,2
Никель
0,1-0,3
Медь
0,2-0,5
Сера
0,09-0,15
Фосфор
<0,1
Олово
0,06-0,1
Погружной многоступенчатый центробежный насос работает следующим образом.
При вращении ротора поток перекачиваемой жидкости, выходя из рабочего колеса 1, попадает в дополнительный радиальный аппарат в виде кольцевой проточки 12, в которой установлены дополнительные лопатки 13 на нижнем диске 9 направляющего аппарата 2. Пройдя через кольцевую проточку 12, поток заходит в проточную часть направляющего аппарата 2, образованную лопатками 11. В направляющем аппарате 2 динамический напор, полученный в рабочем колесе 1, преобразуется в давление.
Дополнительный лопаточный венец 14, изготовленный на ведущем диске 3 рабочего колеса 1, позволяет увеличить допустимое содержание свободного газа на входе в насос за счет диспергирования газожидкостной смеси и снизить осевую силу, действующую на рабочее колесо 1.
Оптимальная конфигурация переходных каналов 16 снижает гидравлические потери и обеспечивает эффективную перекачку жидкости с высоким содержанием газа.
Предлагаемая полезная модель позволяет расширить линейку существующих насосов, повысить надежность при работе в пластовой жидкости с высоким содержанием свободного газа и механических примесей, КПД и напор.