РАБОЧЕЕ КОЛЕСО СТУПЕНИ ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
IMPELLER OF SUBMERGED CENTRIFUGAL PUMP STAGE

Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к многоступенчатым погружным насосам для откачки пластовой жидкости.
Известны конструкции ступеней с открытыми рабочими колесами, которые применяются в погружных центробежных насосах с целью снижения засорения каналов их рабочих органов абразивными частицами и продуктами отложения солей. Отличительный признак этих конструкций: бездисковое рабочее колесо в плавающем исполнении. При работе насоса рабочее колесо нижними торцами своих лопастей опирается на диск, находящийся на нижнем направляющем аппарате, или непосредственно на торцовую поверхность направляющего аппарата, при этом верхние торцы лопастей рабочего колеса образуют с неподвижными дисками направляющих аппаратов щели с отношением этой щели к средней высоте лопасти в пределах 0.04-0.3. Конструкции таких открытых рабочих колес описаны в ряде охранных документов (см., например, SU 106135 А, 25.05.1957; SU 387141 А, 21.06.1973; RU 3150 U1, 16.11.1996).
Ступени с открытыми рабочими колесами более эффективны при откачке газожидкостных смесей, чем ступени с закрытыми рабочими колесами, но имеют более низкие значения КПД из-за больших утечек с рабочей стороны лопасти на тыльную, а также низкие наработки ступени при содержании мехпримесей более 0.1 г/л вследствие сильного износа нижних торцов лопастей рабочего колеса.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является рабочее колесо погружного центробежного насоса закрытого типа с «плавающей» посадкой на вал, состоящее из свободно перемещающейся вдоль вала насоса ступицы, ведущего и ведомого дисков и расположенных между этими дисками лопастей, образующих в междисковом пространстве проточные каналы. Рабочее колесо имеет индивидуальную опорную пяту, состоящую из антифрикционной, износостойкой шайбы, опирающуюся на подпятник в направляющем аппарате, и закреплено на валу только при помощи шпонки для передачи крутящего момента. Осевое усилие, возникающее в рабочем колесе, передается на подпятник соответствующего направляющего аппарата [Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти (расчет и конструкция). М.: Недра, 1968, с.272].
Недостатками известной конструкции является подверженность засорению и ограниченные возможности ступеней с закрытыми рабочими колесами при работе на газожидкостных смесях, а также значительные осевые усилия и не самые выгодные массогабаритные характеристики.
Предлагаемая конструкция рабочего колеса при сохранении уровня КПД ступени обеспечивает:
- уменьшение вероятности засорения каналов рабочего колеса;
- уменьшение осевой силы, действующей на плавающее рабочее колесо;
- уменьшение монтажной высоты ступени при сохранении напора;
- относительное уменьшения веса ротора насоса;
- упрощение технологии изготовления рабочих колес;
- повышение эффективности при перекачке вязкой жидкости и газожидкостной смеси.
Указанный технический результат достигается тем, что в рабочем колесе погружного центробежного насоса, состоящем из свободно перемещающейся вдоль вала насоса ступицы, ведущего и ведомого дисков и расположенных между этими дисками лопастей, образующих проточные каналы, имеющем индивидуальную опорную пяту, состоящую из антифрикционной, износостойкой шайбы, согласно изобретению в ведущем и ведомом дисках не менее чем на половину длины каждого проточного канала, начиная от большего диаметра дисков, между лопастями выполнены вырезы, расстояние от границы выреза до соответствующей выпуклой или вогнутой стороны лопасти постоянно по длине лопасти, при этом одна из двух границ каждого выреза совмещена с выпуклой стороной лопасти на ведущем или ведомом диске и с вогнутой стороной лопасти - на противоположном диске.
Предпочтительно, чтобы расстояние от границы выреза до соответствующей выпуклой или вогнутой стороны лопасти составляло не более четырех нормальных толщин лопасти, а кромки остающихся частей дисков были скруглены. Вырезы могут быть выполнены непосредственно при изготовлении рабочего колеса методом порошковой металлургии. Кроме того, на ведущем диске может быть размещена опорная пята с одной или с двух сторон.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид рабочего колеса, в аксонометрии; на фиг.2 - ступень центробежного насоса с заявляемым рабочим колесом.
Рабочее колесо (РК) 1 погружного центробежного насоса состоит из ведущего диска 2, выполненного заодно со ступицей 3, ведомого диска 4 и расположенных между ними лопастей, имеющих входные кромки 5, расположенные ближе к оси вращения, и выходные кромки 6 по периферии дисков 2 и 4. Между выпуклой стороной 7 и вогнутой стороной 8 (для наглядности на фиг.1 часть ведомого диска условно вырезана) смежных лопаток и внутренними поверхностями дисков 2 и 4 образованы проточные каналы.
Для уменьшения вероятности засорения каналов РК, уменьшения осевой силы, действующей на РК, в ведущем 2 и ведомом 4 дисках между всеми лопастями выполнены сквозные вырезы 9, открытые со стороны большего диаметра дисков. Вырезы 9 образованы выпуклой и вогнутой границами, плавно соединенными между собой; длина их составляет не менее половины длины проточного канала. При этом одна из двух границ каждого выреза 9 совпадает со стороной прилегающей лопасти, а вторая граница равноудалена от этой лопасти. Вырезы на ведущем 2 и ведомом 4 дисках имеют одинаковую форму, но смещены по окружности относительно друг друга, в результате чего границы вырезов, совпадающих со стороной лопасти, размещаются в противоположных концах проточного канала.
На ведущем диске 2 РК размещена индивидуальная опорная пята, состоящая из антифрикционной, износостойкой шайбы 10, опирающейся на бурт 11 в направляющем аппарате (НА) 12 (фиг.2). Для восприятия осевой нагрузки, действующей в обратном направлении, рабочее колесо может быть снабжено второй опорной пятой 13.
Наружные поверхности ведущего 2 и ведомого 4 дисков РК при сборке ступени образуют зазор 14 с соответствующими стенками НА 12.
При работе поток жидкости поступает к рабочему колесу 1 со стороны входных кромок 5, попадает в проточный канал и движется по нему в направлении к выходным кромкам 6. Благодаря наличию вырезов 9 полости, примыкающие к наружным поверхностям ведущего 2 и ведомого 4 дисков, сообщаются друг с другом, в результате чего происходит выравнивание давлений и сил, действующих на диски, осевое усилие на РК 1 уменьшается. При перекачке вязких сред происходит снижение паразитных перетечек жидкости и уменьшение дисковых потерь вследствие снижения площади поверхности дисков и увеличения эффективной величины высоты проточных каналов рабочего колеса. Это повышает эффективность работы ступени и насоса в целом.
При наличии в перекачиваемой среде свободного газа силовое взаимодействие перекачиваемой среды с неподвижными стенками направляющего аппарата способствует образованию мелкомасштабных вихрей (меньших, чем ширина проточного канала), что препятствует укрупнению газовых пузырьков, диспергирует газожидкостную смесь и тем самым уменьшает вероятность срыва подачи, позволяет увеличить допустимое газосодержание.
Изготовление рабочего колеса заявляемой конструкции возможно с применением технологии порошковой металлургии.