СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО НАСОСА

Заявляемая полезная модель относится к гидромашиностроению и может быть использована в нефтедобывающей промышленности при создании погружных центробежных насосов, предназначенных для добычи нефти из скважин с высоким содержанием газа и абразивных частиц в пластовой жидкости.
Известна ступень погружного многоступенчатого насоса (патент РФ на изобретение №2218482, МПК F04D 13/10, опубл. 10.12.2003), которая содержит направляющий аппарат и рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопатками. На верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены отделенные друг от друга ориентированные в радиальном направлении выступы. Боковые поверхности выступов расположены под ненулевым углом к радиусу ведущего диска, проходящему через этот выступ. Выступы расположены по окружности ведущего диска на приближенно одинаковом угловом расстоянии относительно друг друга и выполнены с возможностью выполнения функции дополнительных лопаток рабочего колеса. Изобретение направлено на повышение стабильности характеристик ступени при работе в двух- или трехфазных газожидкостных средах, обеспечение высокого напора при малых подачах без снижения прочности и надежности ступени, а также на повышение коэффициента полезного действия (КПД) ступени.
Известное решение имеет ряд недостатков. Во-первых, находясь в непосредственной близости с лопастями рабочего колеса, выступы на верхнем покрывном диске создают дополнительные потоки, попадающие в том числе в канал самого рабочего колеса и создающие дополнительные вихри на тыльной части каждой лопасти, тем самым увеличивая активную ширину лопасти на выходе, а, следовательно, и сопротивление ее при вращении, что в конечном итоге увеличивает мощность и снижает КПД ступени в частности и насоса в целом. Во-вторых, расположение боковых сторон выступов под ненулевым углом к радиусу ведущего диска рабочего колеса, проходящему через выступ, изменяет скорость перемещения потока в зазоре между ведущим диском рабочего колеса и нижним диском направляющего аппарата в радиальном направлении, то есть снижает в случае поворота выступов против вращения рабочего колеса, и увеличивает при повороте выступов по направлению его вращения, но при этом значительно падает эффективность работы самих выступов. Снижение указанной скорости вызывает накопление на поверхности ведущего диска рабочего колеса механических, в том числе абразивных частиц, которые, попадая на поверхности трения в данной области, вызывают их повышенный износ и снижают абразивную стойкость ступени в частности и насоса в целом.
Указанные недостатки частично решены конструкцией ступени погружного многоступенчатого насоса (патент РФ на изобретение №2449176, МПК F04D 13/10, F04D 29/02, F04D 29/22, опубл. 27.04.2012), содержащей направляющий аппарат и рабочее колесо, которое содержит ведущий и покрывной диски, между которыми размещены лопасти, и ступицу. На ведущем диске рабочего колеса выполнен лопаточный венец. Рабочее колесо выполнено в виде цельнолитой конструкции из чугуна, между боковыми гранями каждой лопатки лопаточного венца и ведущим диском выполнены скругления. Высота лопаточного венца не превышает минимальное расстояние между ведущим и покрывным дисками, а радиус скруглений составляет от 0,1 до 0,8 от этой величины.
Недостатками являются, во-первых, низкий КПД ступени из-за равенства диаметров ведущего диска колеса и его лопаточного венца. Лопатки такого венца вызывают дополнительные потоки, попадающие в канал самого рабочего колеса и создающие дополнительные вихри на тыльной части каждой лопасти, тем самым увеличивая активную ширину лопасти на выходе, а, следовательно, и сопротивление ее при вращении, что в конечном итоге увеличивает мощность и снижает КПД. Во-вторых, низкая износостойкость пар трения известной ступени погружного многоступенчатого насоса в условиях добычи нефти из скважин с высоким содержанием газа и абразивных частиц в пластовой жидкости. Выполнение лопаточного венца в виде ячеек снижает скорость перемещения жидкости с абразивными частицами и газовыми пузырями в радиальном направлении у ведущего диска в зазоре между ступицей рабочего колеса и буртиком ячеек лопаточного венца и вызывает образование застойных зон. В данных зонах скапливаются абразивные частицы и газовые пузыри, которые, попадая в зазор между ступицей рабочего колеса и сопрягаемым отверстием направляющего аппарата, увеличивают износ данной радиальной пары трения из-за повышения концентрации абразивных частиц и образования зон сухого трения. В-третьих, низкая коррозионная стойкость в условиях добычи нефти из скважин с высоким содержанием газа и абразивных частиц в пластовой жидкости из-за низкого содержания легирующих элементов, например, никеля и хрома.
Задачей заявляемого решения является повышение КПД ступени, повышение ее износостойкости и коррозионной стойкости в условиях добычи нефти из скважин с высоким содержанием газа и абразивных частиц в пластовой жидкости.
Технический результат достигается тем, что ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса содержит направляющий аппарат и рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопастями, на верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены лопатки, отделенные друг от друга. При этом наружные кромки лопаток ограничены цилиндрической поверхностью диаметром меньше диаметра ведущего диска, а сопряжение боковых сторон лопаток с верхней поверхностью ведущего диска выполнено с помощью фасок. Кроме того, диаметр цилиндрической поверхности, ограничивающей наружные кромки лопаток, составляет от 0,7 до 0,99 величины диаметра ведущего диска, а на верхней поверхности ведущего диска выполнена канавка различной формы, сопрягаемая с внутренними кромками лопаток. При этом ширина канавки находится в пределах от 0,4 до 3,0 от минимальной высоты лопаток, глубина канавки находится в пределах от 0,15 до 1,55 от минимальной высоты лопаток, а внутренние кромки лопаток образованы цилиндрической поверхностью или конической поверхностью с углом наклона образующей относительно оси рабочего колеса не более 55°. Поверхность ведущего диска между лопатками может быть выполнена в виде поверхностей различной формы, либо в виде сопряжения конической поверхности с плоскостью, либо в виде части тора, либо в виде сочетания части тора с плоскостью, либо в виде сочетания части тора с конической поверхностью. При этом боковые стороны лопаток расположены радиально, лопатки в поперечном сечении могут иметь симметричный профиль с углом между боковыми сторонами не более 30° или несимметричный профиль с углом наклона одной из боковых сторон до 15°, а другой до 65°. Направляющий аппарат и рабочее колесо могут быть выполнены из чугуна, содержащего в мас. %: углерод 2,2-3,1; кремний 1,0-2,8; марганец до 1,6; хром свыше 1,5; никель свыше 13,5; медь до 8,0%. В частном случае реализации полезной модели, рабочее колесо может быть выполнено из термопластичного полимерного материала, содержащего в мас. %: стеклонаполнитель до 50; фторопласт до 20; минеральный наполнитель до 30, при этом сопряжение боковых сторон лопаток с поверхностью верхнего диска между лопатками выполнено в виде радиусов.
Положительный эффект достигается следующим образом. Повышение КПД и износостойкости достигается формой и профилем лопаток на ведущем диске, а также наличием канавки перед лопатками на ведущем диске рабочего колеса. Ограничение наружных кромок лопаток диаметром меньше диаметра ведущего диска позволяет создать препятствие для прямого попадания вихрей из каналов, образованными лопатками, в канал рабочего колеса, образованного лопастями, дисками ведущим и ведомым. При этом снижается сопротивление лопасти на выходе. Канавка на ведущем диске снижает сопротивление движению жидкости в каналы между лопатками, повышая эффективность вымывания абразивных частиц из пространства между нижним диском и верхним диском. При этом повышается КПД. Кроме того, обеспечивается эффективное перемешивание жидкости с газовыми включениями и диспергация газовых пузырей в перекачиваемой жидкости, что существенно повышает стабильность работы насоса в многофазных газожидкостных средах. Для повышения коррозионной стойкости ступени в условиях добычи нефти из скважин с высоким содержанием газа и абразивных частиц в пластовой жидкости направляющий аппарат и рабочее колесо выполнены из чугуна, содержащего в мас. %: углерод 2,2-3,1; кремний 1,0-2,8; марганец до 1,6; хром свыше 1,5; никель свыше 13,5; медь до 8,0%. Кроме того, для повышения износостойкости поверхности каналов, то есть их стойкости к гидроабразивному износу, рабочее колесо может быть выполнено из термопластичного полимерного материала, содержащего в мас. %: стеклонаполнитель до 50; фторопласт до 20; минеральный наполнитель до 30.
Сущность заявляемого решения демонстрируется рисунками. На фиг. 1 изображена ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса в разрезе; на фиг. 2 - рабочее колесо ступени; фиг. 3 - вид А по фиг. 2; на фиг. 4-6 - варианты вида А по фиг. 2; на фиг. 7 - вид Б по фиг. 2; на фиг. 8 - сечение В-В по фиг. 3-6; на фиг. 9, 10 - варианты сечения В-В по фиг. 3-6; на фиг. 11 - изображение рабочего колеса; на фиг. 12 - графическая зависимость напора и КПД ступени от подачи для двух образцов ступени.
На фиг. 1 изображена ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса, которая состоит из направляющего аппарата 1 и рабочего колеса 2. Рабочее колесо 2 (фиг. 2) содержит ступицу 3, предназначенную для установки рабочего колеса на вал насоса, а также ведущий 4 диск диаметром D (фиг. 2-6) и ведомый 5 диск с размещенными между ними лопастями 6. На верхней поверхности 7 ведущего диска 4 на одинаковом расстоянии относительно друг друга по окружности диаметром D1 (фиг. 3-6), составляющего от 0,70 до 0,99 величины D, расположены лопатки 8 трапецеидального профиля в поперечном сечении, который может быть симметричным с углом α между боковыми сторонами 9 величиной до 30° (фиг. 8 и 9) или несимметричным (фиг. 10) с углами наклона боковых сторон 9 относительно оси рабочего колеса 2: β до 15° и γ до 65°. Боковые стороны 9 лопаток 8 ориентированы в радиальном направлении (фиг. 7) и образуют канал, открытый в радиальном направлении, как с внешней, так и с внутренней стороны по отношению к оси рабочего колеса 2 для обеспечения возможности радиального прохода пластовой жидкости в пространство между ведущим диском 4 рабочего колеса 2 и наружной крышкой 10 направляющего аппарата 1. Лопатки 8 ограниченны внутренними 11, наружными 12 и верхними 13 кромками (фиг. 3-6, 11). Внутренние кромки 11 могут быть образованы цилиндрической (фиг. 4) или конической поверхностью (фиг. 3, 5, 6) с углом образующей δ до 55° относительно оси рабочего колеса 2. Наружные кромки 12 образованы цилиндрической поверхностью (фиг. 3-6, 11). Сопряжение боковых сторон 9 с поверхностью 14, расположенной на верхней части ведущего диска 4 между лопатками 8, может быть выполнено с помощью фасок 15 (фиг. 8 и 11) или скруглений радиусом R (фиг. 9). Поверхность 14 может быть представлена в виде сочетания конической поверхности с плоскостью (фиг. 3, 4), части тора радиусом образующей Ra (фиг. 5), сочетания части тора радиусом образующей Ra с плоскостью (фиг. 6) или с конической поверхностью. На верхней поверхности 7 перед лопатками 8, сопрягаясь с их внутренними кромками 11, может располагаться канавка 16 различной формы шириной b, равной от 0,4 до 3,0 от минимальной высоты лопаток Н, и глубиной h, равной от 0,15 до 1,55 от величины Н (фиг. 3-6).
Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса работает следующим образом. Подводимая через направляющий аппарат 1 предыдущей ступени пластовая жидкость проходит через каналы рабочего колеса 2, приводимого в движение валом насоса. Покидая рабочее колесо 2, пластовая жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 1, где кинетическая энергия жидкости преобразуется в давление. Затем через указанные каналы жидкость направляется на вход рабочего колеса 2 следующей ступени, а часть жидкости, отражаясь, попадает в пространство между нижним диском 10 направляющего аппарата 1 и ведущим диском 4 рабочего колеса 2. Через верхнюю кромку 13 и со стороны внутренней кромки 11 лопаток 8 жидкость попадает в канал, где она захватывается лопатками 8. Таким образом, в зазоре между нижним диском 10 направляющего аппарата 1 и ведущим диском 4 рабочего колеса 2 формируется поток с выраженной центробежной составляющей, движущийся приближенно параллельно верхней поверхности 7 ведущего диска 4, причем часть жидкости проходит через внутреннюю часть пространства между нижним диском 10 направляющего аппарата 1 и ведущим диском 4 рабочего колеса 2, что обеспечивает вымывание абразивных частиц, содержащихся в пластовой жидкости, из указанного пространства и исключает возможность скапливания в нем газовых пузырьков, повышая тем самым износостойкость ступени. Канавка 16 на ведущем диске 4 снижает сопротивление движению жидкости в каналы между лопатками 8, повышая эффективность вымывания абразивных частиц из пространства между нижним диском 10 и верхним диском 4. При этом повышается КПД. Кроме того, обеспечивается эффективное перемешивание жидкости с газовыми включениями и диспергация газовых пузырей в перекачиваемой жидкости, что существенно повышает стабильность работы насоса в многофазных газожидкостных средах.
Выполнение лопаток 8 на окружности диаметром меньше диаметра ведущего диска 4, то есть D1<D, позволяет создать препятствие для прямого попадания вихрей из каналов, образованными лопатками 8, в канал рабочего колеса 2, образованного лопастями 6 дисками ведущим 4 и ведомым 5. При этом снижается сопротивление лопасти 6 на выходе, что положительно отражается на КПД. Данная зависимость подтверждается экспериментальными данными, продемонстрированными на фиг. 12, где показана графическая зависимость напора Н от подачи Q «Н-Q» и КПД η от подачи Q «η-Q» для двух образцов ступени: образец №1 - вариант с рабочим колесом 2, у которого D=D1, образец №2 - вариант с рабочим колесом 2, у которого D1<D. Видно, что образец №2 имеет больший КПД чем образец №1.