СТУПЕНЬ ЦЕНТРОБЕЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО НАСОСА
ROTARY MULTISTAGE PUMP STAGE

Предлагаемое 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.
Известен центробежный погружной многоступенчатый насос для откачки пластовой жидкости из нефтяных скважин, ступени которого содержат рабочее колесо закрытого типа, имеющее специально спрофилированные лопасти между ведущим и ведомым дисками, и направляющий аппарат с лопатками, выступающими за диаметральный размер наружной крышки аппарата (Богданов Н.А. Погружные центробежные насосы для добычи нефти. - М.: Недра, 1968, 38-50 с.). Направляющий аппарат такой ступени имеет цилиндрический корпус, два диска с расположенными между ними лопатками.
Недостаток указанной конструкции заключается в достаточно быстром износе боковой стенки направляющего аппарата напротив выхода рабочего колеса при перекачке жидкости, содержащей абразивные частицы.
Известна ступень центробежного многоступенчатого насоса, состоящая из закрытого рабочего колеса с ведущим диском, лопастями и ведомым диском и направляющего аппарата, в котором верхний диск имеет конусный участок, сопряженный с внутренней поверхностью корпуса, а на наружной торцевой поверхности верхнего диска выполнены дугообразные ребра, имеющие закругление по направлению движения основного потока перекачиваемой пластовой жидкости, при этом один конец каждого ребра соединен с кольцевым выступом, а второй конец соединен с конусным участком наружной поверхности диска (Патент на ПМ № 57395 РФ, F04D 13/10, опубл. 10.10.2006). Сочетание конусного участка и дугообразных ребер, выполненных на наружной поверхности верхнего диска направляющего аппарата, обеспечивает не только удаление механических примесей из безлопаточной полости, но и направленное их перемещение в проточную часть ступени, благодаря чему степень разрушения внутренней стенки корпуса со стороны безлопаточной полости под воздействием механических примесей значительно снижается.
Однако такая конструкция не решает проблему износа стенки корпуса напротив выхода потока из рабочего колеса.
Известно применение резины для защиты внутренних поверхностей корпусов насосов от эрозии при перекачивании суспензий (см., например, Consideration for proper sizing and material selection to optimize centrifugal slurry pump performance / Gary Davidson // 4 th International Pump User Symposium (1987)).
При этом внутренние поверхности корпуса покрывают толстым слоем резины, что неприемлемо для насосов малого габарита, какими являются погружные многоступенчатые насосы для добычи нефти, так как потребуется уменьшение диаметра рабочего колеса и показатели ступени ухудшатся.
Наиболее близкой к заявляемой является ступень центробежного многоступенчатого насоса, состоящая из закрытого рабочего колеса с ведущим диском, лопастями и ведомым диском, и направляющего аппарата, содержащего цилиндрический корпус, верхний и нижний диски с лопатками между ними, образующими обратные каналы, и спиральные ребра, при этом спиральные ребра размещены на внутренней боковой поверхности цилиндрического корпуса напротив выхода рабочего колеса и выполнены наклонными (Патент № 2403450 РФ, F04D 13/10, опубл. 10.11.2010). Спиральные ребра прикреплены непосредственно к внутренней боковой поверхности цилиндрического корпуса и образуют между собой каналы, увеличивающиеся по ширине, причем передние части каналов в области выхода рабочего колеса выполнены открытыми, а задние перекрыты экраном, что делает их замкнутыми с четырех сторон и, как следствие, исключает переток жидкости между каналами.
Недостатком известной ступени является высокая вероятность износа боковой стенки направляющего аппарата в месте крепления спиральных ребер под воздействием выходящего из рабочего колеса потока жидкости, содержащего абразивные примеси.
Заявляемая конструкция обеспечивает увеличенный срок службы ступеней за счет повышения износостойкости боковой стенки направляющего аппарата напротив выхода потока из рабочего колеса.
Указанный технический результат достигается тем, что в ступени центробежного многоступенчатого насоса, состоящей из закрытого рабочего колеса с ведущим диском, лопастями и ведомым диском и направляющего аппарата, содержащего цилиндрический корпус, верхний и нижний диски с лопатками между ними, образующими обратные каналы, и наклонные спиральные ребра, размещенные на внутренней боковой поверхности цилиндрического корпуса напротив выхода рабочего колеса, согласно изобретению, спиральные наклонные ребра сформированы в объеме профилированного вкладыша из эластомера, который закреплен на поверхности цилиндрического корпуса направляющего аппарата.
Вкладыш из эластомера может быть закреплен с помощью, по крайней мере, одного кольцевого выступа на его внутренней поверхности, взаимодействующего с ответным кольцевым пазом на поверхности корпуса. Кроме того, возможно закрепление вкладыша с помощью кольцевого выступа на корпусе и ответного кольцевого паза, выполненного во вкладыше.
Формирование наклонных ребер в объеме профилированного вкладыша увеличивает толщину стенки направляющего аппарата в месте выхода потока из рабочего колеса, что приводит к увеличению срока службы ступени.
Применение эластомера, например резины, для изготовления профилированного вкладыша, прежде всего, обеспечивает простоту формирования в нем спиральных наклонных ребер. При этом возможно использовать резиновую вставку с толщиной, достаточной для достижения высокой сопротивляемости материала к гидроабразивому износу при сохранении показателей ступени.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 приведен меридиональный разрез заявляемой ступени с кольцевым пазом на корпусе направляющего аппарата для крепления профилированного вкладыша;
на фиг. 2 - меридиональный разрез профилированного вкладыша (показано только три спиральных наклонных ребра);
на фиг. 3 представлены результаты сравнительных испытаний стандартной ступени 1 ВНН5-25, выпускаемой ЗАО «Новомет-Пермь», и заявляемой конструкции, отличающейся от стандартной ступени 1 ВНН5-25 только наличием ребер.
Ступень центробежного многоступенчатого насоса состоит из закрытого рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2 (фиг. 1). Рабочее колесо 1 имеет ведущий 3 и ведомый 4 диски с расположенными между ними лопастями 5, образующими проточные полости. Направляющий аппарат 2 содержит цилиндрический корпус 6, верхний диск 7 и нижний диск 8, между которыми размещены лопатки 9, образующие обратные каналы.
Напротив выхода из рабочего колеса 1 на внутренней боковой поверхности цилиндрического корпуса 6 размещены спиральные наклонные ребра 10, сформированные в профилированном вкладыше 11 (фиг. 1, 2). Форма, наклон и изгиб спиральных наклонных ребер 10 обеспечивают минимум гидравлических потерь, что способствуют сохранению уровня напорных и энергетических характеристик ступени.
Профилированный вкладыш 11 изготовлен из эластомера, например из резины, толщина которой на месте попадания потока составляет порядка 3 мм. Вкладыш закреплен в направляющем аппарате 2 посредством выполненного на нем кольцевого выступа 12, входящего в ответный паз корпуса 6. Такое крепление обеспечивает простоту изготовления, легкость сборки и надежную фиксацию.
Ступень работает следующим образом.
Жидкость выходит из колеса 1 и попадает на поверхности спиральных наклонных ребер 10, которые предотвращают попадание жидкости с абразивными частицами на внутреннюю поверхность стенки корпуса 6 направляющего аппарата и его износ (вымывание). Далее жидкость попадает в обратные каналы направляющего аппарата 2 и переходит в следующую ступень.
На примере пластиковых моделей направляющих аппаратов и металлических рабочих колес проведены испытания ступеней 1 ВНН5-25 в стандартном исполнении (кривые 1) и со спиральными наклонными ребрами на направляющем аппарате согласно заявляемой конструкции (кривые 2).
Испытания показали, что при наличии ребер напорная кривая незначительно сдвигается вверх и вправо, при этом КПД ступени остается на прежнем уровне.
Таким образом, профилированный резиновый вкладыш, размещенный на месте попадания потока с абразивом напротив выхода из рабочего колеса, при выполнении функции защиты от размыва не ухудшает показателей ступени.