СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Полезная модель относится к гидромашиностроению и может быть использована в нефтедобывающей промышленности при создании погружных центробежных насосов, предназначенных для добычи нефти из скважин с низкими дебитами.
3
В настоящее время большинство нефтяных месторождений России находится на поздней стадии эксплуатации. Условия эксплуатации скважин таких месторождений сильно осложнены, в том числе значительным содержанием механических примесей и солеотложений. Эти отложения существенно снижают наработки УЭЦН, особенно низкой производительности, составляющие не менее половины всех эксплуатируемых УЭЦН. Высоты каналов рабочих колес и направляющих аппаратов насосов этих установок с целью обеспечения оптимальной подачи насосов на уровне номинальной по расчету получаются минимальными. С целью предотвращения возможного засорения каналов рабочих колес и направляющих аппаратов ступеней насосов низкой производительности высоты этих каналов назначаются увеличенными по сравнению с расчетом. Например, для ступеней насосов габарита 5 производительностью 15, 25, 35 м/сут высоты каналов колес и аппаратов выбираются выше расчетных - не менее 3,5 мм. И даже при этих высотах каналов колес и аппаратов происходит довольно быстрое засорение каналов, что приводит к резкому снижению напорной характеристики насоса и, впоследствии, к его отказу.
Для добычи нефти в настоящее время широко используются погружные центробежные и центробежно-вихревые многоступенчатые насосы с осерадиальными направляющими аппаратами. В таких направляющих аппаратах проточная часть, как правило, формируется посредством лопастей, размещенных между верхним и нижним дисками (см., например, Агеев Ш.Р., Григорян Е.Е., Макиенко Г.П. Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение. Энциклопедический справочник. Пермь: ООО «Пресс-мастер», 2007, с. 75).
К недостатку данных направляющих аппаратов следует отнести низкое значение напора ступеней при работе на газожидкостных смесях, связанное с наличием в конструкции ступени кольцевой безлопаточной камеры.
Из уровня техники известна ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, состоящая разборного направляющего аппарата, имеющего съемный верхний диск и нижний диск с размещенными между дисками лопатками, формирующими проточную часть направляющего аппарата из рабочего колеса, выполненное как колесо открытого типа, имеющего ступицу и лопатки (патент РФ на полезную модель №59572, МПК F04D 13/10, опубл. 27.12.2006).
Недостаток известной ступени заключается в том, что из-за необходимых осевых зазоров с обоих торцов открытого рабочего колеса параметры КПД и напора такой ступени всегда будут ниже параметров аналогичной ступени с закрытым рабочим колесом.
Известен также многоступенчатый насос с радиальным направляющим аппаратом, имеющим цилиндрический корпус, выполненный заодно с верхним диском, и нижний диск в виде отдельной детали. На нижней, боковой и верхней поверхностях нижнего диска расположены направляющие лопатки, образующие с плоскими поверхностями верхних дисков данной и соседней ступеней, а также с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса последовательность направляющих каналов: спирального выхода, диффузорного канала, переходного канала, обратного канала. При этом на боковой поверхности нижнего диска образованы выемки. На нижнем диске имеется полость для размещения рабочего колеса (см., например, Богданов А.А. Центробежные погружные электронасосы для добычи нефти. М.: Недра, 1968, фиг. 36, с. 48-49). В таких ступенях безлопаточная камера заменена серией каналов, образованных направляющими лопатками, поэтому они лучше работают на газожидкостных смесях. Их недостаток заключается в сложности изготовления.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является 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 каналы проточной части (патент РФ №2161737, МПК F04D 1/06, F04D 13/10, опубл. 10.01.2001).
В известной конструкции решается задача оптимизации формы лопастей и их углов входы и выхода для повышения напора и КПД, но не ставится задача работы насоса в скважинах с широким диапазоном изменения механических примесей в пластовой жидкости, поэтому число лопастей у рабочего колеса 7, а угол охвата рабочего колеса лежит в диапазоне 98-104°.
Задачей предложенной полезной модели является создание ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, обеспечивающей повышение надежности, работоспособности, наработки насосов в осложненных условиях и увеличении срока их службы.
Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается повышение работоспособности и наработки низкопроизводительных насосов за счет уменьшения вероятности быстрого засорения при добыче из скважин пластовой жидкости, обеспечивая при этом оптимальную подачу на уровне номинальной.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что в ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, содержащей закрытое центробежное рабочее колесо, включающее ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопатками, и направляющий аппарат, включающий обойму, нижний и верхний диски, между которыми размещены лопасти, образующие каналы проточной части, высоты каналов колеса и аппарата лежат 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°.
Кроме того, коэффициент стеснения лопатки на выходе направляющего аппарата равен 0,7.
Кроме того, количество лопаток направляющего аппарата равно двум.
Кроме того, ступень может быть выполнена в компрессионном или плавающем исполнениях.
Выбор высоты лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата 3,5-6,5 мм позволяет расширить проточные каналы, что обеспечивает перенос на более поздние сроки процесса катастрофического засорения насоса и уменьшает гидравлические потери. Оптимальная подача на уровне номинальной обеспечивается за счет выбора углов охвата средней линии лопастей рабочего колеса, лежащих в диапазоне 120-150° и лопаток направляющего аппарата 180-230°.
За счет уменьшения коэффициента стеснения до 0,7, при среднестатистическом показателе этого коэффициента 0,92-0,95, появляется возможность отдалить момент возникновения кавитации. При этих условиях сохранить оптимальную подачу на уровне номинальной позволяет уменьшение числа лопаток направляющего аппарата до двух, в связи с этим, увеличение толщины выходной кромки лопатки и изменение шага лопаток выявляются из следующего математического выражения:
, где
ψ - коэффициента стеснения лопаток;
t - шаг лопаток;
σ - толщина выходной кромки (фиг. 3).
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками и связями между ними, идентичными всем существенным признакам заявленного технического решения, группа полезных моделей не известна и явным образом не следует для специалиста нефтегазодобывающей промышленности, а с учетом возможности промышленного изготовления, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.
Сущность полезной модели поясняется далее на основе представленных чертежей, где:
- на фиг. 1 изображена ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, разрез;
- на фиг. 2 изображено рабочее колесо, разрез;
- на фиг. 3 изображен направляющий аппарат, разрез.
В графических материалах соответствующие конструктивные элементы ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса обозначены следующими позициями:
1. - рабочее колесо;
2. - направляющий аппарат;
3. - ведущий диск колеса;
4. - ведомый диск колеса;
5. - верхний диск направляющего аппарата;
6. - нижний диск направляющего аппарата;
7. - безлопаточная полость;
8. - безлопаточная полость;
9. - лопасти рабочего колеса;
10. - ступица;
11. - лопатки направляющего аппарата;
12. - кольцевой выступ;
13. - выступ;
14. - обойма;
15. - проточный канал рабочего колеса;
16. - безлопаточное пространство.
Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса (фиг. 1) содержит закрытое центробежное рабочее колесо 1 и натравляющий аппарата 2. Рабочее колесо 1 выполнено в виде единой детали и состоит из ведущего 3 и ведомого 4 дисков, между которыми размещены лопасти 9. Направляющий аппарат 2 выполнен в виде единой детали и состоит из обоймы 14, верхнего 5 и нижнего 6 дисков, между которыми размещены лопатки 11, образующие каналы проточной части. Между верхним диском 5 направляющего аппарата 2 и ведомым диском 4 рабочего колеса 1, а также между нижним диском 6 направляющего аппарата 2 и ведущим диском 3 рабочего колеса 1 образованы безлопаточные полости - соответственно 7 и 8. Высота проточных каналов, образованных между дисками рабочего колеса и направляющего аппарата выбирается в диапазоне 3,5-6,5 мм.
Ведущий диск 3 имеет ступицу 10 для установки рабочего колеса на вал насоса. Углы лопастей 9 рабочего колеса 1 выбраны наименьшими - угол охвата каждой лопасти по средней линии лопасти лежит в диапазоне 120-150°.
Верхний диск 5 направляющего аппарат имеет кольцевой выступ 12 для взаимодействия с рабочим колесом ступени. Нижний диск 6 направляющего аппарата имеет выступ 13 также для взаимодействия с рабочим колесом ступени. Количество лопаток 11 направляющего аппарата равно двум и выполнены они с углом охвата 180-230°, а коэффициент стеснения лопатки на выходе направляющего аппарата равен 0,7 за счет увеличения толщины выходной кромки лопатки.
Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса может быть выполнена в компрессионном или плавающем исполнениях.
Ступень погружного с многоступенчатого центробежного насоса работает следующим образом.
При работе ступени пластовая жидкость протекает по проточным каналам 15 рабочего колеса 1 (фиг. 2), приводимого в движение валом насоса, при этом формируется напор жидкости за счет центробежных сил и за счет действия лопастей рабочего колеса на поток жидкости. Далее жидкость после колеса поступает в безлопаточное пространство 16 (фиг. 1) и затем в проточные каналы направляющего аппарата 2, в которых осуществляется преобразование кинетической энергии потока в потенциальную -повышается давление и осуществляется поворот потока до приблизительно радиального направления для подачи на вход рабочего колеса следующей ступени. Вместе с пластовой жидкостью по проточным каналам ступени перемещаются механические примеси, соли, которые оседают на стенках каналов, особенно на участках с минимальными скоростями, отрывными зонами, снижая поперечное сечение каналов.
Таким образом, применение предлагаемой конструкции ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса низкой производительности, благодаря оптимально выбранным параметрам и размерам лопастей, лопаток и их углов позволяет обеспечить увеличение срока службы насоса путем уменьшения вероятности засорения при добыче из скважин пластовой жидкости с широким диапазоном изменения механических примесей, при этом обеспечивая оптимальную подачу на уровне номинальной.