СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Полезная модель относится к области насосостроения и может быть использована при создании погружных многоступенчатых центробежных насосов, предназначенных для подъема пластовой жидкости из нефтяных скважин, осложненных высоким содержанием механических примесей и свободного газа, в частности при создании малогабаритных насосов для низкодебитных скважин.
Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса состоит из рабочего колеса открытого типа и разборного направляющего аппарата. Рабочее колесо имеет ступицу и размещенные на ней семь радиальных лопастей, развернутых к оси колеса под углом от 40° в корневом сечении до 55° в периферийном сечении лопасти. Направляющий аппарат представляет собой стакан с утолщенным верхним диском и съемным нижним диском. В верхнем диске размещены центральная ступица и шесть спиралевидных расширяющихся лопастей-канавок, соединяющих между собой входную и выходную кольцевые камеры.
Рабочее колесо и направляющий аппарат выполнены из деформируемого алюминиевого сплава с износостойким керамическим покрытием. При сборке насоса обеспечиваются осевые зазоры между торцевыми поверхностями вращающегося рабочего колеса и неподвижных направляющих аппаратов шириной не более 0,1 мм.
Способ изготовления ступени состоит из двух операций и включает в себя прецизионную механическую обработку деталей из алюминиевого круглого прутка в окончательные размеры методом высокоскоростной обработки резанием на металлорежущих станках с ЧПУ и формирование на поверхностях деталей наноструктурного керамического покрытия методом высокочастотного плазменно-электролитического оксидирования с сохранением первоначальных геометрических размеров.
Полезная модель направлена на увеличение износостойкости ступени и, соответственно, на повышение надежности и работоспособности ее при перекачивании абразивосодержащей жидкости, на увеличение напора и КПД, на усовершенствование конструкции ступени и снижение себестоимости ее изготовления.
Полезная модель относится к области насосостроения и может быть использована при создании погружных многоступенчатых центробежных насосов, предназначенных для подъема пластовой жидкости из нефтяных скважин, осложненных высоким содержанием механических примесей и свободного газа, в частности при создании малогабаритных насосов для низкодебитных скважин.
С переходом на поздние стадии разработки месторождений добыча нефти с помощью установок электроцентробежных насосов осложняется рядом негативных факторов. Это, прежде всего, повышенное содержание в перекачиваемой жидкости механических примесей и солей, значительное содержание в ней свободного газа. В таких условиях ступени насосов подвергаются усиленному гидроабразивному износу, засорению проточных частей, отложению солей на поверхностях. Эти процессы усугубляются все увеличивающимся числом малодебитных скважин, применением малогабаритных насосов и высокооборотных электродвигателей. Износ и засорение механическими примесями рабочих органов насосов приводит к снижению их КПД и наработки на отказ.
В этих осложненных условиях традиционные ступени с закрытым колесом оказываются малоэффективными. Из-за уменьшенных сечений проточных каналов они подвергаются засорению механическими примесями и клину или закупорке скоплениями пузырьков газа.
Ступени с рабочими колесами открытого типа (бездисковые) более эффективны при перекачивании пластовой жидкости с высоким содержанием механических примесей и свободного газа. Открытые колеса при работе диспергируют как пузырьки газа, так и грязевые включения, гомогенизируя перекачиваемую через насос жидкость.
Известны конструкции ступеней с открытым рабочим колесом, описанные в патенте SU 387141 А1 от 06.03.1972 и патенте на полезную модель RU 3150 U1 от 14.01.1994. В предложенных конструкциях ступеней верхние торцы вращающегося рабочего колеса открытого типа образуют с неподвижными дисками направляющих аппаратов щели, причем отношение ширины щелей к средней высоте лопаток находится в пределах 0,04-0,3. То есть при средней высоте лопаток 5 мм ширина щели будет составлять 0,2-1,5 мм.
Недостатком описанных ступеней являются низкие значения напоров и КПД, обусловленные нежелательными перетечками рабочей жидкости через относительно широкие щели между деталями ступеней, приводящими к потере давления, создаваемого рабочим колесом.
Известна ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса по своим конструктивным признакам наиболее близкая к заявляемой и принятая в качестве прототипа, описанная в патенте на полезную модель RU 59752 U1 от 05.07.2006. Ступень состоит из рабочего колеса открытого типа и сборного направляющего аппарата со съемным нижним диском.
Недостатком известного устройства является его невысокая эффективность и низкая надежность при перекачивании жидкости с высоким содержанием механических примесей.
Поверхности рабочего колеса и направляющего аппарата не обладают повышенной твердостью и износостойкостью. Абразивные частицы, содержащиеся в жидкости, попадая в узкие зазоры между вращающимся колесом и неподвижными дисками направляющих аппаратов, интенсивно изнашивают детали. В результате этого зазоры расширяются, напор и КПД ступени резко снижаются.
Ступени, изготовленные из традиционных материалов, применяемых при производстве ступеней, таких как порошковый материал (патент RU 2376500 С2 от 07.03.2008), легированный чугун (патент RU 2116515 С1 от 27.07.1998), литье из нержавеющей стали (патент RU 2734495 С1 от 13.08.2008) или листовая нержавеющая сталь (патент RU 2457365 С1 от 29.11.2010) малоэффективны при перекачивании абразивосодержащих жидкостей, так как эти материалы не обладают высокой износостойкостью. Более того, высокие частоты вращения валов насосов (4500-10000 об/мин), характерные для малогабаритных насосов, в сочетании с высокой концентрацией твердых частиц в потоке перекачиваемой жидкости, вызывают еще более ускоренный износ деталей ступеней и деградацию гидродинамических характеристик ступеней.
Повысить долговечность и надежность ступеней насосов за счет предотвращения ускоренного износа поверхностей и обеспечить долговременное сохранение ширины зазоров между рабочим колесом и направляющими аппаратами при перекачивании абразивосодержащей жидкости позволяет применение износостойких покрытий на поверхностях деталей ступеней.
Известны ступени и способы упрочнения поверхностей деталей ступеней с целью повышения их износостойкости.
В патенте RU 2213886 С2 от 29.10.2001 детали ступени выполняются из литого чугуна. Рабочие поверхности после механообработки подвергаются упрочнению путем пластической деформации ультразвуковым инструментом. В результате этого на поверхности ступени формируется износостойкий слой толщиной до 8 мкм, обогащенный карбидами.
В патенте RU 2570277 С2 от 18.09.2013 детали ступени выполняются литьем из чугуна и после механообработки подвергаются низкотемпературному азотированию при 540-600°С. Износостойкий азотированный слой толщиной более 50 мкм имеет твердость HV 850-1100.
Недостатком указанных ступеней является их низкая технологичность, связанная с большим числом технологических операций при их изготовлении. Кроме того, чугунные рабочие колеса обладают значительной массой, что приводит при работе насоса к вибрациям и повышенным нагрузкам на подшипники насоса, особенно при повышенных частотах вращения ротора. Также литые ступени имеют высокую шероховатость проточных каналов, что увеличивает гидросопротивление потоку жидкости и способствует солеотложению.
2
3
Известна также близкая к заявляемому техническому решению ступень погружного электроцентробежного насоса, описанная в патенте WO 2008069702 от 12.06.2008. Ступень, состоящая из рабочего колеса и направляющего аппарата, выполнена из алюминиевого сплава с керамическим покрытием AlO.
Основным недостатком данного технического решения является низкая технологичность конструкции ступени, не позволяющая в полной мере использовать преимущества нового конструкционного материала и технологии плазменно-электролитического оксидирования. Рабочее колесо и направляющий аппарат традиционно выполнены цельнолитыми и имеют закрытую конструкцию. Во-первых, наличие глубоких узких полостей, образованных дисками колеса и направляющего аппарата и расположенными между ними лопатками, крайне затрудняет получение при оксидировании качественных, с достаточной толщиной керамических покрытий из-за взаимного экранирования поверхностей. А, во-вторых, поверхности проходных гидравлических каналов в деталях ступеней, полученных методом литья, имеют высокую шероховатость, что увеличивает гидросопротивление потоку жидкости и способствует солеотложению.
Техническая задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, состоит в создании эффективной износостойкой ступени насоса с открытым рабочим колесом, а также в разработке простого и высокопроизводительного способа ее изготовления.
Предлагаемая конструкция ступени насоса обеспечивает:
- повышение напора и КПД ступени за счет уменьшения ширины осевых зазоров между колесом и направляющими аппаратами и минимизации, таким образом, паразитных перетечек при работе насоса и за счет оптимизации геометрии проточных частей колеса и направляющего аппарата;
- повышение работоспособности и надежности ступени при перекачивании абразивосодержащей жидкости и сохранение контролируемой ширины осевых зазоров между колесом и направляющими аппаратами в течение всего срока службы ступени за счет применения износостойкого наноструктурного керамического покрытия на деталях ступени;
- повышение технологичности конструкции ступени и снижение себестоимости изготовления деталей ступени за счет применения новых материалов и новых высокопроизводительных технологий.
Указанный технический результат достигается тем, что ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, состоящая из рабочего колеса открытого типа, имеющего ступицу и размещенные на ней радиальные лопасти, и разборного направляющего аппарата, представляющего собой стакан с утолщенным верхним диском, в котором размещены ступица и спиралевидные лопасти-канавки, и съемный нижний диск, выполнена из алюминиевого сплава с керамическим покрытием. При этом при сборке ступеней ширина осевых зазоров между лопастями вращающегося рабочего колеса и торцевыми поверхностями неподвижных направляющих аппаратов не превышает 0,1 мм.
1
2
За счет высокой точности изготовления деталей ступеней ширина осевых зазоров t и t (см. фиг. 1) между колесом и торцевыми поверхностями направляющих аппаратов при сборке насоса выдерживается в размерах не более 0,1 мм. Это существенно снижает паразитные перетечки жидкости при работе насоса и позволяет повысить напор и КПД ступени.
Минимизация ширины осевых зазоров между вращающимся колесом и торцами неподвижных направляющих аппаратов позволила поднять напор и КПД ступени с открытым колесом до уровня ступеней с закрытым колесом.
Улучшение гидродинамических характеристик ступени достигается также за счет оптимизации геометрических параметров проточных каналов рабочего колеса и направляющего аппарата путем установления оптимального количества лопастей.
Сравнительные эксперименты и гидравлические расчеты, полученные при 3D-моделировании в среде ANSYS CFX, позволили установить оптимальные условия протекания рабочей жидкости через межлопастные полости колеса и спиралевидные расширяющиеся лопасти-каналы направляющего аппарата, дающие возможность получить наибольшие напор и КПД при определенных подачах и частотах вращения.
Оптимальной конструкцией рабочего колеса является семилопастное колесо открытого типа, состоящее из ступицы и семи радиальных лопастей. Увеличение количества лопастей более семи приводит к ухудшению условий протекания жидкости, стеснению потока на входе в колесо (вблизи ступицы) и увеличению поверхностей трения лопастей о жидкость. Это вызывает рост гидравлических потерь и снижает гидродинамические характеристики ступени. Кроме того, увеличение числа лопастей колеса ведет к уменьшению их толщины и снижению прочности лопастей.
Уменьшение количества лопастей менее семи приводит к ухудшению всасывающей способности колеса, возрастанию вихревых диффузионных потерь в межлопастных полостях и также к снижению гидродинамических характеристик ступени. Кроме того, уменьшение лопастей колеса вызывает снижение диспергирующих свойств колеса.
Также для улучшения гидродинамических параметров колеса и обеспечения прочностных характеристик его лопастей профиль лопасти устанавливается под углом 40° к оси колеса в корневом сечении и под углом 55° в периферийном сечении лопасти.
То есть угол установки профиля лопасти относительно оси колеса увеличивается с высотой лопасти (спиральная закрутка).
Оптимальной конструкцией направляющего аппарата является разборный направляющий аппарат, представляющий собой цилиндрический стакан, выполненный заодно с верхним утолщенным диском, и нижний диск в виде отдельной детали. В верхнем диске выполнены центральная ступица и шесть спиралевидных расширяющихся канавок. Эти канавки вместе с плоскостью нижнего диска образуют шесть лопастей-канавок направляющего аппарата. Шесть лопастей-канавок, согласно экспериментам и расчетам, наиболее соответствуют семилопастному колесу по соотношению площадей сечений проходных каналов, скоростей и объемов перекачиваемой жидкости. Увеличение лопастей-канавок более шести приводит к росту гидравлических потерь из-за уменьшения их проходных сечений.
Оптимизация проточных частей ступени за счет установления оптимального числа лопастей у колеса и направляющего аппарата позволила дополнительно поднять напор и КПД ступени с открытым колесом.
На фиг. 1 изображено сечение двух заявленных ступеней.
Ступени собраны в цилиндрическом корпусе 2 и состоят из открытых рабочих колес 3, сидящих на валу насоса 1, и направляющих аппаратов 4. Рабочее колесо 3 состоит из ступицы 10 и радиальных лопастей 7. Направляющий аппарат 4 имеет утолщенный верхний диск 5 и съемный нижний диск 6. Нижний диск 6 имеет диаметр меньший, чем внутренний диаметр стакана, вследствие чего образуется кольцевая периферийная входная камера 9. На наружной стороне верхнего диска 5 выполнена проточка, образующая кольцевую выходную камеру 8. Входная и выходная кольцевые камеры и соединяющие их спиралевидные лопасти-канавки образуют проточную часть направляющего аппарата.
1
2
Контролируемые осевые зазоры t и t между лопастями колеса и торцевыми поверхностями соседних направляющих аппаратов обеспечиваются кольцевыми выступами 11 и 12 на ступице направляющих аппаратов, являющимися осевыми опорами рабочих колес.
Ступень насоса работает следующим образом. При вращении рабочего колеса 3, сообщаемого ему валом 1, перекачиваемая жидкость, поступая в межлопастные полости колеса, за счет центробежных сил устремляется к периферии колеса. При этом кинетическая энергия жидкости возрастает. Далее жидкость поступает в периферийную кольцевую входную камеру 9 направляющего аппарата 4 и оттуда в спиралевидные расширяющиеся лопасти-канавки, выполненные в утолщенном верхнем диске 5 направляющего аппарата 4. При этом скорость жидкости плавно снижается и часть кинетической энергии потока трансформируется с потенциальную, то есть происходит создание дополнительного напора.
Из лопастей-канавок жидкость поступает в кольцевую выходную камеру 8 направляющего аппарата 4 и там получает осевое направление потока на следующее рабочее колесо.
Рабочее колесо и направляющий аппарат выполнены из деформируемого алюминиевого сплава, не уступающего по прочности легированному чугуну и нержавеющей стали. На поверхностях деталей ступени сформирован износостойкий керамический слой толщиной 50-60 мкм и твердостью HV 1400-1900, что превышает твердость абразивных частиц кварцевого песка, присутствующих в перекачиваемой жидкости (HV 900-1100).
1
2
Высокая износостойкость керамического покрытия позволяет в течение всего срока службы ступени поддерживать контролируемые минимальные осевые зазоры между лопастями вращающегося рабочего колеса и торцевыми поверхностями неподвижных направляющих аппаратов t и t при перекачивании жидкости с высокой концентрацией абразивных частиц (до 4 г/л).
Гидрофобные свойства керамического покрытия снижают гидравлическое сопротивление потоку жидкости и препятствуют солеосаждению на поверхностях деталей ступени.
Способ изготовления ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, обеспечивающий достижение указанного выше технического результата, заключается в том, что детали ступеней изготавливаются из круглого алюминиевого прутка методом высокоскоростной обработки резанием в окончательные размеры, а затем на поверхностях деталей методом высокочастотного плазменно-электролитического оксидирования формируется износостойкое керамическое покрытие с сохранением первоначальных геометрических размеров.
Конструкция ступени с открытым рабочим колесом и разборным направляющим аппаратом высокотехнологична. Такая конструкция ступени позволяет отойти от литейной или сварной технологий и применить в качестве конструкционного материала прочный и легко обрабатываемый резанием алюминиевый сплав с износостойким керамическим покрытием. Отсутствие в деталях ступени закрытых полостей упрощает их механическую обработку и позволяет получать на поверхностях равномерные по толщине, качественные керамические покрытия.
Технологичность рабочего колеса и направляющего аппарата состоит также в малом количестве технологических операций при изготовлении их и удобстве их выполнения. Это обуславливает снижение себестоимости изготовления ступени.
Низкая технологичность упомянутых выше известных ступеней и, связанное с этим большое количество операций и применяемого технологического оборудования при изготовлении ступеней, приводят к росту трудоемкости и себестоимости изготовления ступени.
Например, в вышеуказанном патенте RU 2457364 С1 от 29.11.2010 описывается ступень и способ ее изготовления, который включает в себя вырубку заготовок из листового проката нержавеющей стали, отжиг и формовку, предварительную механообработку, контактную сварку, окончательную механообработку на обрабатывающих центрах с ЧПУ и сборку в кондукторах. Всего семь операций.
Согласно настоящей полезной модели сложнопрофильные прецизионные детали ступени изготавливаются из круглого прутка деформируемого алюминиевого сплава всего за две операции.
Выполнение минимальных осевых зазоров с контролируемой шириной между деталями ступеней требует соблюдения жестких допусков на осевые размеры деталей. Эта задача реализуется при высокоскоростной обработке резанием с использованием высокоскоростных станков с ЧПУ.
Высокоскоростная обработка заключается в малых сечениях среза металла при высоких скоростях резания и подачах. По сравнению с обычной механообработкой скорость резания увеличивается в 3-5 раз, а подача в 1,5-3 раза. Так за счет высокой частоты вращения шпинделя подача на зуб при высокоскоростном фрезеровании алюминиевого сплава (двузубая фреза) составляет всего 0,05-0,08 мм. При таких режимах основная масса тепла концентрируется в стружке, не успевая переходить в деталь и инструмент. Из-за малых усилий резания, отсутствия нагрева и коробления тонкостенных деталей при обработке, а также из-за малого износа инструмента достигается высокая точность исполнения геометрических размеров (6-7 квалитет) и низкая шероховатость обработанной поверхности (Ra 0,63-0,80 мкм).
Высокоскоростная обработка алюминиевых сплавов позволяет в 2-3 раза сократить время производственного цикла. Система ЧПУ, которой оснащены высокоскоростные металлорежущие станки, позволяют обеспечить высокую степень повторяемости геометрических размеров деталей ступеней в серийном производстве. Высокоскоростная обработка деталей ступеней ведется в окончательные размеры, поскольку при последующем плазменно-электролитическом оксидировании размеры деталей не изменяются, так как керамическое покрытие растет вглубь металла.
2
3
Плазменно-электролитическое оксидирование - эффективный метод модификации поверхности алюминиевых деталей и формирования на них керамических покрытий, состоящих из различных кристаллических фаз AlO. Высокочастотное плазменно-электролитическое оксидирование (патент RU 2681028 С2 от 17.01.2018) позволяет получить на поверхности деталей из алюминиевых сплавов наноструктурные, гладкие, равномерные по толщине керамические покрытия твердостью HV 1400-1900.
Покрытие толщиной 50-60 мкм формируется за 30 мин. Метод отличается простотой и экологической безопасностью.
Описанный способ изготовления обеспечивает основные параметры качества ступеней, влияющих на напорно-расходные и энергетические характеристики, - это высокая точность геометрических размеров деталей и низкая шероховатость обрабатываемых поверхностей. Высокая стойкость керамического покрытия к гидроабразивному износу позволяет ступеням при эксплуатации длительное время сохранять высокий напор и КПД при перекачивании жидкостей, содержащих механические примеси и свободный газ.
3
Заявленная ступень насоса, выполненная в 2А габарите, при номинальной подаче 40 м/сут. и частоте вращения колеса 6000 об/мин обеспечила надежную работу при перекачивании газожидкостной смеси с механическими примесями и имела высокие технико-эксплуатационные показатели: напор 14 м и КПД 44%.