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).
Известен многоступенчатый центробежный насос, содержащий ступень, выполненную из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего диска, 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. 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. Рабочее колесо и направляющий аппарат имеют определенные геометрические параметры (по патенту RU 2161737, опубл. 10.01.01).
3
Данная конструкция имеет оптимальные параметры при подаче 50 м/сут±10% при условии, что погружной насос выполнен в 5-ом габаритном размере (диаметр корпуса насоса 92 мм).
Известна ступень электроцентробежного насоса, состоящая 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. Лопаточный покрывной диск направляющего аппарата установлен со стороны задней поверхности ведущего диска рабочего колеса. Количество лопастей рабочего колеса равно десяти, а количество лопаток направляющего аппарата - одиннадцати. Отношение расстояния между ведущим диском колеса и покрывным диском направляющего аппарата к диаметру лопаточного покрывного диска составляет не менее 0,03. Каждая лопасть рабочего колеса выполнена с постоянным средним радиусом, отношение которого к диаметру ведомого диска находится в диапазоне от 0,9 до 2,2, и имеет угол входа в интервале от 20° до 30° и угол выхода в интервале от 50° до 60°, при этом лопасть выступает за внутренний диаметр покрывного диска не более чем на 35% от длины лопасти, отношение высоты лопасти рабочего колеса к диаметру ведомого диска находится в интервале от 0,09 до 0,11, а на входе и выходе рабочего колеса на участке до 35% от длины лопасти отношение высоты лопасти рабочего колеса к диаметру ведомого диска находится в интервале от 0,12 до 0,13. Каждая лопатка направляющего аппарата выполнена с переменным средним радиусом, плавно уменьшающимся от входа направляющего аппарата к выходу, причем переменный радиус лопатки выбран в диапазоне, в котором отношение минимального среднего радиуса лопатки и максимального среднего радиуса лопатки к диаметру лопаточного покрывного диска в интервале от 0,19 до 0,29, каждая лопатка имеет угол входа в интервале от 8° до 16° и угол выхода в интервале от 60° до 75°, отношение высоты лопатки к диаметру лопаточного покрывного диска находится в диапазоне от 0,07 до 0,08 (по патенту RU 160105, опубл. 10.03.16).
3
Данная конструкция имеет оптимальные параметры при подаче 160 м/сут±10% при условии, что погружной насос выполнен в 5-ом габаритном размере (диаметр корпуса насоса 92 мм).
Погружной электроцентробежный насос (далее - ЭЦН) имеет рабочий диапазон подач (номинальная подача ±10%), в котором он работает эффективно, с высокими значениями напора и КПД. Для каждого диапазона подач рабочие органы насоса, направляющий аппарат и рабочее колесо, имеют определенную форму (геометрию). В номенклатурном ряду у каждого производителя погружного оборудования имеются ЭЦН с различными рабочими диапазонами.
3
Ступень насоса ЭЦНАКИ 6-1000 производства «Алнас» при номинальной подаче 1000 м/сут имеет напор 4,3 м и КПД 60%.
3
Ступень насоса Э1ЩМИК 6-1000 производства «Борец» при номинальной подаче 1000 м/сут имеет напор 4,5 м и КПД 60%.
3
Ступень насоса ВНН 6-1000 производства «Новомет» при номинальной подаче 1000 м/сут имеет напор 5,8 м и КПД 64%.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение технико-эксплуатационных качеств, увеличение значений напора и КПД ступени ЭЦН.
3
Техническим результатом, который достигается в результате решения указанной выше задачи, является получение высоких значений напора и КПД ступени ЭЦН при номинальной подаче 1000 м/сут.
Указанная техническая задача решается, а технический результат достигается следующим образом. Ступень погружного электроцентробежного насоса диагональной конструкции состоит из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего диска, ведомого покрывного диска и лопастей, которые закреплены между внешней конической поверхностью ведущего диска и внутренней конической поверхностью ведомого покрывного диска, угол конической поверхности ведущего диска находится в интервале от 77° до 83°, угол конической поверхности ведомого покрывного диска находится в интервале от 57° до 63°, и из направляющего аппарата, выполненного в виде обоймы, лопаточного покрывного диска и лопаток, которые закреплены между внутренней конической поверхностью обоймы и внешней сферической поверхностью лопаточного покрывного диска, угол конической поверхности обоймы находится в интервале от 57° до 63°, отношение диаметра сферической поверхности лопаточного покрывного диска к его диаметру находится в интервале от 0,45 до 0,55, причем лопаточный покрывной диск направляющего аппарата установлен со стороны ведущего диска рабочего колеса, количество лопастей рабочего колеса равно девяти, а количество лопаток направляющего аппарата - двенадцати, отношение высоты лопасти рабочего колеса к диаметру ведомого покрывного диска находится в интервале от 0,18 до 0,28, отношение высоты лопатки к диаметру лопаточного покрывного диска находится в диапазоне от 0,19 до 0,27.
Проекция каждой лопасти на плоскость перпендикулярную лопасти и образованную двумя прямыми, пересекающимися в точке, расположенной на оси рабочего колеса, и принадлежащим двум взаимно перпендикулярным плоскостям, пересекающимся по оси ступени, причем угол наклона одной прямой относительно оси ступени находится в интервале от 47° до 57°, а другой в интервале от 80° до 90°, имеет отношение ширины проекции к диаметру ведомого покрывного диска в интервале от 0,21 до 0,29, а отношение длины - от 0,39 до 0,47, проекция лопасти имеет переменный средний радиус, отношение которого к диаметру ведомого покрывного диска на входе в рабочее колесо находится в интервале от 0,7 до 0,9, а на выходе - в интервале от 0,17 до 0,37.
Проекция каждой лопатки на плоскость, расположенную под наклоном к оси ступени под углом в интервале от 17° до 27° и перпендикулярную лопатке, имеет отношение ширины проекции к диаметру лопаточного покрывного диска в интервале от 0,41 до 0,49, а отношение длины - от 0,58 до 0,66, проекция лопатки имеет переменный средний радиус, отношение которого к диаметру лопаточного покрывного диска на входе в направляющий аппарат находится в интервале от 0,9 до 1,1, а на выходе - в интервале от 0,45 до 0,65.
По варианту исполнения проекция каждой лопатки направляющего аппарата имеет прямолинейный участок на выходе из направляющего аппарата длиной не более 0,3 общей длины лопатки.
Полезная модель поясняется фигурами, на которых изображено:
фиг. 1 - последовательно установленные ступени центробежного насоса, продольный разрез;
фиг. 2.1, 2.2, 2.3 - виды рабочего колеса;
фиг. 3 - направляющий аппарат.
Ступень погружного электроцентробежного 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. Обойма 8 выполнена с конической поверхностью 10. Внутри обоймы 8 установлены рабочее колесо 1 и лопаточный покрывной диск 7. Лопатки 9 закреплены в направляющем аппарате 2 между конической поверхностью 10 обоймы 8 и лопаточным покрывным диском 7.
к1
к2
а1
а2
а
Угол ϕ конической поверхности ведущего диска 4 находится в интервале от 77 до 83°, угол ϕ конической поверхности ведомого покрывного диска 5 находится в интервале от 57 до 63°. Угол ϕ конической поверхности 10 обоймы 8 находится в интервале от 57 до 63°, отношение диаметра Dсферической поверхности лопаточного покрывного диска 7 к его диаметру D находится в интервале от 0,45 до 0,55°.
л
к
Количество лопастей 6 рабочего колеса 1 равно девяти, а количество лопаток 9 направляющего аппарата 2 двенадцати. Отношение высоты H к лопасти 6 (фиг. 2.1, 2.2, 2.3) рабочего колеса 1 к диаметру D ведомого покрывного диска 5 находится в интервале от 0,18 до 0,28.
к
к1
к2
к1
к2
к
к
к
к
к1
к2
Проекция каждой лопасти 6 на плоскость π, перпендикулярную лопасти и образованную двумя прямыми l и l, пересекающимися в точке, расположенной на оси рабочего колеса 1, и принадлежащими двум взаимно перпендикулярным плоскостям, пересекающимся по оси ступени, причем угол наклона α одной прямой относительно оси ступени находится в интервале от 47 до 57°, а угол наклона α другой - в интервале от 80 до 90°, имеет отношение ширины B проекции к диаметру D ведомого покрывного диска 5 в интервале от 0,21 до 0,29, а отношение длины L от 0,39 до 0,47. Проекция лопасти 6 имеет переменный средний радиус, отношение которого к диаметру D ведомого покрывного диска 5 на входе в рабочее колесо 1 находится в интервале от 0,7 до 0,9 (R), а на выходе - в интервале от 0,17 до 0,37 (R).
ла
а
Отношение высоты H лопатки 9 к диаметру D лопаточного покрывного диска 7 находится в диапазоне от 0,19 до 0,27.
a
а
а
а
a
а
a1
а2
Проекция каждой лопатки 9 на плоскость π, расположенную под наклоном к оси ступени под углом α в интервале от 17 до 27° и перпендикулярную лопатке 9, имеет отношение ширины B проекции к диаметру D лопаточного покрывного диска 7 в интервале от 0,41 до 0,49, а отношение длины L от 0,58 до 0,66. Проекция лопатки 9 имеет переменный средний радиус, отношение которого к диаметру D лопаточного покрывного диска 7 на входе в направляющий аппарат 2 находится в интервале от 0,9 до 1,1 (R), а на выходе - в интервале от 0,45 до 0,65 (R).
Как показали исследования, если вышеперечисленные геометрические параметры рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2 выполнены в указанных диапазонах, то удается решить поставленную задачу с достижением технического результата.
3
3
Испытания показали, что заявленная ступень ЭЦН, выполненная в 6 габарите (диаметр корпуса насоса 114 мм), имеет улучшенные технико-эксплуатационные характеристики на номинальной подаче 1000 м/сут: напор 6,4 м и КПД 64%. И тем самым превосходит по напору или КПД или по обоим параметрам одновременно известные насосы 6 габарита, рассчитанные на номинальные подачи 1000 м/сут.
Характеристики были получены на ступени, изготовленной по технологии литья в песчаные формы. При использовании других технологий, например литья по выжигаемым, выплавляемым, газифицированным моделям, прессованием из металлического порошка и др., возможно получение более высоких характеристик.
3
Таким образом, решения, используемые в полезной модели, позволили создать ступень с номинальной подачей 1000 м/сут с высокими значениями напора и КПД.