НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ ЦЕНТРОБЕЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО НАСОСА
DISTRIBUTOR OF RADIAL-FLOW MULTISTAGE PUMP

Изобретение относится к области насосостроения и, прежде всего, к многоступенчатым насосам, используемым для добычи нефти из скважин и для подачи воды в продуктивный нефтеносный пласт для поддержания и повышения в нем пластового давления.
В настоящее время для откачки пластовой жидкости из нефтяных скважин широко применяются центробежные погружные многоступенчатые насосы. Ступени таких насосов содержат рабочее колесо закрытого типа и направляющий аппарат с лопатками, выступающими за диаметральный размер наружной крышки аппарата. Рабочее колесо ступени имеет специально спрофилированные лопатки между ведущим и ведомым дисками (Богданов Н.А. Погружные центробежные насосы для добычи нефти. - М.: Недра, 1968, с.38-50).
Направляющий аппарат такой ступени имеет цилиндрический корпус, два диска с расположенными между ними лопатками. Проточный тракт в ступени можно разделить на следующие участки: рабочее колесо и лопаточный отвод, состоящий из безлопаточной кольцевой камеры, лопаточного направляющего аппарата и безлопаточной кольцевой камеры (Агеев Ш.Р., Григорян Е.Е., Макиенко Г.П. Российские установки лопастных насосов и их применение: Энциклопедический справочник. Пермь: ООО «Пресс-Мастер», 2007, с.75-76).
К недостаткам такой ступени относится невысокое давление, создаваемое ступенью при малых расходах, и нестабильность характеристик при работе в двух- или трехфазных нефтеводогазовых средах. Одной из главных причин этого недостатка является наличие первой из перечисленных безлопаточных кольцевых камер, расположенных на выходе из колеса.
Известен направляющий аппарат многоступенчатого центробежного насоса, содержащий цилиндрический корпус, верхний и нижний диски, между которыми расположены лопатки, образующие направляющие каналы для пластовой жидкости. Лопатки переходят в боковые окружные ребра, которые совместно с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса формируют боковые направляющие каналы (см., например, патент РФ №35392 на полезную модель, МКИ F04D 29/44, опубл. 10.01.2004). Эта конструкция относится к классу радиальных направляющих аппаратов (Богданов Н.А. Погружные центробежные насосы для добычи нефти. - М.: Недра, 1968, с.38-50).
Известен целый ряд радиальных направляющих аппаратов: (авт. свид-во СССР №479399, опубл. 05.08.76, патент РФ №2142069, опубл. 27.11.99). В рассматриваемых конструкциях имеются спиральные выходы, диффузорные каналы, переходные боковые каналы и обратные каналы. Подобная последовательность характерна для ступеней большого габарита. Отсутствие безлопаточной цилиндрической камеры обеспечивает устойчивую работу насоса в двух- или трехфазных нефтеводогазовых средах.
Недостатком подобной конструкции является то, что в ступенях малого габарита и предназначенных для использования на малых расходах, выполнение перечисленных конструктивных элементов затруднено технологическими трудностями изготовления. Кроме того, переход к малым расходам в данной конструкции вынуждает уменьшать сечения каналов, что нежелательно, так как узкие каналы в условиях, приводящих к солеотложениям, зарастают.
Заявляемая конструкция направляющего аппарата проще, обеспечивает высокие напорные характеристики ступени и снижение потребления энергии при максимальных расходах, а также эффективную работу при перекачке газожидкостных смесей.
Предлагаемый направляющий аппарат центробежного многоступенчатого насоса, содержащий цилиндрический корпус, верхний и нижний диски с лопатками между ними, образующими обратные каналы, отличается тем, что он дополнительно снабжен наклонными лопатками, расположенными на внутренней боковой поверхности цилиндрического корпуса между верхним диском направляющего аппарата одной ступени и нижним диском направляющего аппарата следующей ступени, причем лопатки сформированы двумя спиральными поверхностями с образованием в продольном (меридианном) сечении профиля в виде треугольника, вытянутого под углом к оси аппарата, и выполнены с толщиной, уменьшающейся в направлении движения жидкости. В зависимости от габарита аппарата наклонные лопатки могут быть размещены на внутренней боковой поверхности цилиндрического корпуса или прикреплены к одному из дисков. Для дополнительного увеличения напора в аппарате между верхней частью наклонных лопаток и нижним диском следующего направляющего аппарата может быть дополнительно установлен цилиндрический экран.
Для пояснения сущности предлагаемого изобретения приведены чертежи двух вариантов исполнения.
На фиг.1-3 проиллюстрирован первый вариант конструкции, в которой наклонные лопатки расположены впереди (ниже) нижнего диска (экран не показан).
На фиг.4, 5 представлена вторая конструкция с наклонными лопатками, расположенными позади верхнего диска, и экраном.
На фиг.1, 4 приведены меридиональные разрезы ступеней с заявленным направляющим аппаратом, на фиг.2, 5 - горизонтальные разрезы ступеней, разрез по А-А, фиг.1, 4; на фиг.3 - вид внешних кромок наклонных лопаток по поверхности прикрепления к внутренней стенке корпуса (для наглядности стенка корпуса направляющего аппарата удалена).
Насос набирается из ступеней, состоящих из направляющего аппарата 1, внутри которого установлено рабочее колесо 2.
Направляющий аппарат 1 состоит (фиг.1, 4) из цилиндрического корпуса 3, верхнего диска 4, нижнего диска 5, между которыми размещены лопатки 6, образующие обратные каналы. Напротив выхода из рабочего колеса 2 между верхним диском 4 направляющего аппарата одной ступени и нижним диском 5 направляющего аппарата следующей ступени на равном расстоянии друг от друга размещены наклонные лопатки 7, которые могут быть прикреплены к внутренней боковой поверхности корпуса 3 или к диску 4 или 5 направляющего аппарата 1. В некоторых вариантах исполнения к верхней части наклонных лопаток 7 может быть прикреплен цилиндрический экран 8.
Толщина лопатки 7 в горизонтальном сечении напротив выхода из колеса увеличивается от ее начала к концу по ходу движения жидкости (фиг.2, 5). Кроме тангенциального окружного движения жидкости, имеется еще и осевое движение. В меридиональном сечении толщина лопаток 7 по ходу жидкости вдоль оси уменьшается (фиг.1, 4), а расстояние между ними в вертикальном направлении увеличивается (фиг.3). В целом площадь сечения пространства между соседними лопатками 7 увеличивается по ходу движения жидкости. Передние части каналов между наклонными лопатками 7 открыты (в области выхода из колеса), а задние закрыты с помощью экрана 8. Таким образом, наклонные лопатки 7 вместе с экраном образуют кольцевую систему диффузоров.
Наклонные лопатки 7 сформированы двумя спиральными поверхностями 9, образующими в меридиональном сечении профиль в виде треугольника 10, вытянутого под углом к оси аппарата 1 (фиг.1).
Во втором варианте форма лопаток 7 (фиг.4-5) в меридиональном сечении также имеет треугольное сечение, но длинные стороны треугольника несколько вогнуты, кроме того, имеется изгиб лопаток и небольшое кручение, приводящее к тому, что наклон лопаток на выходе из диффузора ближе к горизонтали.
Направляющий аппарат 1 работает следующим образом. Поток перекачиваемой жидкости, выходя из рабочего колеса 2, попадает в каналы между наклонными лопатками 7. Далее жидкость поступает на периферийную часть обратных каналов направляющего аппарата 1 этой же ступени (в первом варианте) или на периферийную часть обратных каналов следующего (верхнего) направляющего аппарата 1 (во втором варианте), после чего перемещается в радиальном направлении к центральной части и через кольцевой зазор поднимается на вход рабочего колеса 2 следующей ступени.
В том случае, когда необходимо обеспечить точное взаимное положение наклонных и обратных лопаток, предпочтительнее первый вариант исполнения. Каналы между наклонными лопатками 7 выполняют функцию диффузора, поэтому по ходу движения жидкости между лопатками скорость движения потока падает, а давление (напор) увеличивается. Цилиндрический экран 8 предотвращает перетоки между соседними каналами (из конца одного канала в начало следующего), возможные из-за возникающих перепадов давления между ними.
Предлагаемая конструкция обеспечивает минимум гидравлических потерь и позволяет увеличить напор за счет стабилизации потока рабочей жидкости между ступенями.