Ступень погружного электроцентробежного насоса

Полезная модель относится к машиностроению (гидро- и электромашиностроению) и может быть использована в насосных установках, приспособленных для работы в буровых скважинах (установках погружных электронасосов для добычи нефти).
Известна ступень погружного электроцентробежного насоса, состоящая из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего диска, а также ведомого покрывного диска и лопастей, которые закреплены между передней поверхностью ведущего диска и ведомым покрывным диском, и из направляющего аппарата, выполненного в виде лопаточного покрывного диска, цилиндрической обоймы и лопаток. Лопаточный покрывной диск направляющего аппарата установлен со стороны задней поверхности ведущего диска рабочего колеса. На ведущем диске рабочего колеса выполнен лопаточный венец.
Количество лопастей рабочего колеса равно семи, а количество лопаток направляющего аппарата - восьми. Отношение расстояния между ведущим диском колеса и покрывным диском направляющего аппарата к диаметру лопаточного покрывного диска составляет не менее 0,007. Каждая лопасть рабочего колеса выполнена с переменным средним радиусом, увеличивающимся от входа рабочего колеса к выходу, причем переменный радиус лопасти выбран в диапазоне, в котором отношение минимального среднего радиуса лопасти и максимального среднего радиуса лопасти к диаметру ведомого диска находится в интервале от 0,3 до 0,45, и имеет угол входа в интервале от 14° до 22° и угол выхода в интервале от 17° до 25°. Отношение высоты лопасти рабочего колеса к диаметру ведомого диска находится в интервале от 0,045 до 0,055, каждая лопатка направляющего аппарата выполнена с переменным средним радиусом, плавно уменьшающимся от входа направляющего аппарата к выходу, причем переменный радиус лопатки выбран в диапазоне, в котором отношение минимального среднего радиуса лопатки и максимального среднего радиуса лопатки к диаметру лопаточного покрывного диска находится в интервале от 0,1 до 0,5, каждая лопатка имеет угол входа в интервале от 6° до 14° и угол выхода в интервале от 86° до 94°, отношение высоты лопатки к диаметру лопаточного покрывного диска находится в диапазоне от 0,07 до 0,08 (по патенту RU 169497, опубл. 21.03.17).
3
Ступень с указанными геометрическими параметрами имеет оптимальные параметры при подаче 45 м/сут ±10% при условии, что погружной насос выполнен в 5-ом габаритном размере (диаметр корпуса насоса 92 мм).
Также, известна ступень электроцентробежного насоса, состоящая из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего диска, а также ведомого покрывного диска и лопастей, которые закреплены между передней поверхностью ведущего диска и ведомым покрывным диском, и из направляющего аппарата, выполненного в виде лопаточного покрывного диска, цилиндрической обоймы и лопаток. Лопаточный покрывной диск направляющего аппарата установлен со стороны задней поверхности ведущего диска рабочего колеса. Количество лопастей рабочего колеса равно десяти, а количество лопаток направляющего аппарата - одиннадцати. Отношение расстояния между ведущим диском колеса и покрывным диском направляющего аппарата к диаметру лопаточного покрывного диска составляет не менее 0,03. Каждая лопасть рабочего колеса выполнена с постоянным средним радиусом, отношение которого к диаметру ведомого диска находится в диапазоне от 0,9 до 2,2, и имеет угол входа в интервале от 20° до 30° и угол выхода в интервале от 50° до 60°, при этом лопасть выступает за внутренний диаметр покрывного диска не более чем на 35% от длины лопасти, отношение высоты лопасти рабочего колеса к диаметру ведомого диска находится в интервале от 0,09 до 0,11, а на входе и выходе рабочего колеса на участке до 35% от длины лопасти отношение высоты лопасти рабочего колеса к диаметру ведомого диска находится в интервале от 0,12 до 0,13. Каждая лопатка направляющего аппарата выполнена с переменным средним радиусом, плавно уменьшающимся от входа направляющего аппарата к выходу, причем переменный радиус лопатки выбран в диапазоне, в котором отношение минимального среднего радиуса лопатки и максимального среднего радиуса лопатки к диаметру лопаточного покрывного диска в интервале от 0,19 до 0,29, каждая лопатка имеет угол входа в интервале от 8° до 16° и угол выхода в интервале от 60° до 75°, отношение высоты лопатки к диаметру лопаточного покрывного диска находится в диапазоне от 0,07 до 0,08 (по патенту RU 160105, опубл. 10.03.16).
3
Ступень с указанными геометрическими параметрами имеет оптимальные параметры при подаче 160 м/сут ±10% при условии, что погружной насос выполнен в 5-ом габаритном размере (диаметр корпуса насоса 92 мм).
Техническое решение по патенту RU 160105 выбрано в качестве ближайшего аналога, имеющего следующие общие признаки с предлагаемым устройством: рабочее колесо, установленное на валу и выполненное в виде ведущего диска, ведомый покрывной диск, лопасти, которые закреплены между передней поверхностью ведущего диска и ведомым покрывным диском, направляющий аппарат, выполненный в виде лопаточного покрывного диска, цилиндрической обоймы и лопаток, причем лопаточный покрывной диск направляющего аппарата установлен со стороны задней поверхности ведущего диска рабочего колеса.
Погружной электроцентробежный насос (далее - ЭЦН) имеет рабочий диапазон подач (номинальная подача ±10%), в котором он работает эффективно, с высокими значениями напора и КПД. Для каждого диапазона подач рабочие органы насоса, направляющий аппарат и рабочее колесо, имеют определенную форму (геометрию). В номенклатурном ряду у каждого производителя погружного оборудования имеются ЭЦН с различными рабочими диапазонами.
Заявляемая полезная модель решает техническую проблему повышения технико-эксплуатационных качеств, повышение КПД ступени ЭЦН и увеличение срока службы.
3
При использовании полезной модели достигается следующий технический результат: получение высоких значений напора и КПД ступени ЭЦН 5-го габарита при номинальной подаче 280 м/сут.
Указанная техническая проблема решается следующим образом.
Ступень погружного электроцентробежного насоса включает рабочее колесо, установленное на валу и выполненное в виде ведущего диска, ведомый покрывной диск и лопасти, которые закреплены между внешней конической поверхностью ведущего диска и внутренней конической поверхностью ведомого покрывного диска, а также направляющий аппарат, выполненный в виде обоймы, лопаточного покрывного диска и лопаток, которые закреплены между внутренней конической поверхностью обоймы и внешней конической поверхностью лопаточного покрывного диска, при этом угол конической поверхности ведущего диска находится в интервале от 119° до 125°, угол конической поверхности ведомого покрывного диска находится в интервале от 93° до 99°, угол конической поверхности обоймы находится в интервале от 75° до 81°, угол конической поверхности лопаточного покрывного диска находится в интервале от 95° до 101°, лопаточный покрывной диск направляющего аппарата установлен со стороны ведущего диска рабочего колеса, количество лопастей рабочего колеса равно девяти, а количество лопаток направляющего аппарата - одиннадцати, отношение высоты лопасти рабочего колеса к диаметру ведомого диска находится в интервале от 0,08 до 0,13, отношение высоты лопатки к диаметру лопаточного покрывного диска находится в диапазоне от 0,08 до 0,15, проекция каждой лопасти рабочего колеса на плоскость, перпендикулярную лопасти и расположенную под углом 40° относительно оси ступени, имеет угол входа в интервале от 57° до 63° и выполнена с переменным средним радиусом, увеличивающимся от входа рабочего колеса к выходу, причем переменный радиус лопасти выбран в диапазоне, в котором отношение минимального среднего радиуса лопасти и максимального среднего радиуса лопасти к диаметру ведомого покрывного диска находится в интервале от 0,7 до 0,85, проекция каждой лопатки на плоскость, перпендикулярную лопатке и расположенную под углом 25° относительно оси ступени, имеет угол входа в интервале от 20° до 26° и переменный средний радиус, отношение которого к диаметру лопаточного покрывного диска находится в интервале от 0,28 до 0,34 на входе и от 0,67 до 0,73 на выходе.
По варианту исполнения проекция каждой лопасти рабочего колеса имеет прямолинейный участок на выходе из рабочего колеса длиной не более 0,4 длины лопасти.
Полезная модель поясняется фигурами, на которых изображено:
фиг. 1 - последовательно установленные ступени центробежного насоса, продольный разрез;
фиг. 2 - лопасть с проекцией;
фиг. 3 - лопатка с проекцией.
Ступень погружного электроцентробежного насоса (фиг. 1) состоит из рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2. Рабочее колесо 1 установлено на валу 3 и выполнено в виде ведущего диска 4, ведомого покрывного диска 5 и лопастей 6. Лопасти 6 закреплены между ведущим диском 4 и ведомым покрывным диском 5. Направляющий аппарат 2 выполнен в виде лопаточного покрывного диска 7, цилиндрической обоймы 8 и лопаток 9. Обойма 8 выполнена с конической поверхностью 10. Внутри обоймы 8 установлены рабочие колесо 1 и лопаточный покрывной диск 7. Лопатки 9 закреплены в направляющем аппарате 2 между конической поверхностью 10 обоймы 8 и лопаточным покрывным диском 7.
к1
к2
a1
a2
Угол ϕ конической поверхности ведущего диска 4 находится в интервале от 119° до 125°, угол ϕ конической поверхности ведомого покрывного диска 5 находится в интервале от 93° до 99°. Угол ϕ конической поверхности 10 обоймы 8 находится в интервале от 75° до 81°, угол ϕ конической поверхности лопаточного покрывного диска 7 находится в интервале от 95° до 101°.
Количество лопастей 6 рабочего колеса 1 равно девяти, а количество лопаток 9 направляющего аппарата 2 - одиннадцати.
лк
к
Отношение высоты Н лопасти 6 рабочего колеса 1 к диаметру D ведомого покрывного диска 5 находится в интервале от 0,08 до 0,13.
ла
Отношение высоты Н лопатки 9 к диаметру лопаточного покрывного диска 7 находится в диапазоне от 0,08 до 0,15.
1
mjn
max
к
Проекция каждой лопасти 6 (фиг. 2) рабочего колеса 1 на плоскость перпендикулярную лопасти и расположенную под углом 40° относительно оси ступени имеет угол входа β в интервале от 57° до 63° и выполнена с переменным средним радиусом R, увеличивающимся от входа рабочего колеса к выходу, причем переменный радиус лопасти 6 выбран в диапазоне, в котором отношение минимального среднего радиуса r лопасти 6 и максимального среднего радиуса r лопасти 6 к диаметру D ведомого покрывного диска 5 находится в интервале от 0,7 до 0,85.
Проекция каждой лопасти 6 рабочего колеса 1 может иметь прямолинейный участок на выходе из рабочего колеса длиной не более 0,4 длины лопасти L.
2
a
вх
вых
Проекция каждой лопатки 9 (фиг.3) на плоскость перпендикулярную лопатки и расположенную под углом 25° относительно оси ступени имеет угол входа β в интервале от 20° до 26° и переменный средний радиус R, отношение которого к диаметру D лопаточного покрывного диска 7 находится в интервале от 0,28 до 0,34 на входе (r), от 0,67 до 0,73 на выходе (r).
Как показали исследования, если вышеперечисленные геометрические параметры рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2 выполнены в указанных диапазонах, то удается решить поставленную задачу с достижением технического результата.
Для работы в скважинах обсаженных трубой с минимальным внутренним диаметром 121,7 мм используются ЭЦН 5-го габарита (диаметр корпуса 92 мм).
3
Испытания показали, что заявленная ступень ЭЦН, выполненная в 5 габарите (диаметр насоса 92 мм), имеет высокие технико-эксплуатационные характеристики на номинальной подаче 280 м/сут при частоте вращения вала 2910 об/мин: напор 4,2 м и КПД 62%.
Вывод о повышении технико-экономических показателей сделан в результате сравнения работой:
3
- ступени насоса DC2200 производства «Бейкер Хьюз» при подаче 280 м/сут имеет напор 2,2 м и КПД 58%;
3
- ступени насоса ЭЦНМИК5-300 производства «Борец» при подаче 280 м/сут имеет напор 4 м и КПД 60%.
3
Таким образом, решения, используемые в полезной модели, позволили создать ступень с номинальной подачей 280 м/сут при частоте вращения вала 2910 об/мин с высокими значениями напора и КПД.