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 №2138691, МПК F04D 13/10, F04D 1/06, F04D 31/00 опубл. 27.09.1999), имеющая рабочее колесо, содержащее ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопатками, и направляющий аппарат с лопатками, входные кромки которых выступают за внешний диаметр наружной крышки аппарата, отличающаяся тем, что на периферии ведущего диска рабочего колеса на его боковой поверхности установлены трехсторонние ячейки, открытые с внешней стороны диска, а на сопряженной колесу поверхности наружной крышки направляющего аппарата выполнен боковой кольцевой канал.
У известного решения есть недостатки. Во-первых, низкая абразивная стойкость, вызванная тем, что сторона трехсторонней ячейки, расположенная со стороны ступицы колеса, препятствует протоку жидкости с абразивными частицами и пузырьками газа в зазоре между верхним диском колеса и диском направляющего аппарата в радиальном направлении по отношению к оси рабочего колеса, приводя к образованию застойных зон для газовых пузырьков и абразивных частиц, которые, попадая в зазоры радиальной пары трения «ступица колеса-отверстие направляющего аппарата» вызывают повышенный абразивный износ пары, в том числе в условиях сухого трения. Во-вторых, низкий КПД ступени из-за наличия кольцевой выточки, плоскость которой параллельна торцевой плоскости трехсторонних ячеек.
Указанные недостатки частично решены конструкцией известной ступени 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 ступени.
Однако ступень в указанном решении имеет низкую абразивную стойкость и низкий КПД ввиду низкой скорости потока жидкости в зазоре между верхним диском рабочего колеса и диском направляющего аппарата.
Задачей заявляемого решения является повышение абразивной стойкости ступени и КПД 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 выступы, отделенные друг от друга. При этом на нижнем диске направляющего аппарата напротив выступов рабочего колеса выполнена коническая поверхность, верхняя поверхность выступов, обращенная к нижнему диску направляющего аппарата, расположена перпендикулярно оси вращения рабочего колеса, а высота выступов со стороны ступицы рабочего колеса меньше их высоты снаружи. Кроме того, в частном случае, боковые стороны каждого выступа расположены симметрично относительно радиуса ведущего диска рабочего колеса.
Положительный эффект достигается следующим образом. Повышение абразивной стойкости достигается обеспечением радиальной диффузорности во всех направлениях полости, образованной боковыми сторонами выступов, расположенными симметрично относительно радиуса ведущего диска рабочего колеса на его верхней поверхности, верхней конической поверхностью ведущего диска между этими выступами и конической поверхностью нижнего диска направляющего аппарата. При данной диффузорности снижается сопротивление движению потока жидкости в зазоре между ведущим диском рабочего колеса и диском направляющего аппарата, а, следовательно, снижается вероятность образования застойных зон, способствующих скоплению абразивных частиц и газовых пузырьков, содержащихся в пластовой жидкости, что повышает абразивную стойкость ступени и улучшает эффективность ее работы в скважинах с высоким газосодержанием. Постепенное увеличение зазора между верхней поверхностью выступов на ведущем диске колеса и конической поверхностью нижнего диска направляющего аппарата снижает гидродинамическую нагрузку на периферию выступов, что повышает КПД ступени.
Сущность заявляемого решения демонстрируется рисунками. На фиг. 1 изображены ступени погружного центробежного многоступенчатого насоса в разрезе; на фиг. 2 - вид А по фиг. 1; фиг. 3 - сечение Б-Б по фиг. 2; на фиг. 4 - графические зависимости напора от подачи и КПД 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 содержит ступицу 3, предназначенную для установки рабочего колеса на вал насоса и передачу крутящего момента от вала к ведущему диску 4, ведомый диск 5, лопасти 6, размещенные между дисками 4 и 5. На верхней поверхности 7 ведущего диска 4 расположены радиальные выступы 8. Боковые стороны 9 (фиг. 2 и 3) выступов образуют канал, открытый в радиальном направлении как с внешней, так и с внутренней стороны по отношению к оси рабочего колеса 2. Направляющий аппарат 1 содержит лопатки 10, расположенные между верхним диском 11 и нижним диском 12, на периферии которого имеется коническая поверхность 13, расположенная напротив выступов 8 и уменьшающая толщину диска 12 с увеличением его диаметра, стакан 14, втулку 15 с отверстием 16, которое со ступицей 3 образует радиальную пару трения скольжения. Между выступами 8 на верхней поверхности 7 имеется поверхность 17. Верхняя поверхность 18 выступов 8 располагается перпендикулярно оси вращения рабочего колеса 2.
Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса работает следующим образом. При вращении вала насоса пластовая жидкость проходит через направляющий аппарат 1 предыдущей по ходу движения жидкости ступени в каналы рабочего колеса 2, после которого пластовая жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 1, где кинетическая энергия жидкости преобразуется в давление, и далее вверх на вход рабочего колеса 2 следующей ступени. При этом часть жидкости попадает в зазор между ведущим диском 4 рабочего колеса 2 и нижним диском 12 направляющего аппарата 1.
Далее жидкость захватывается выступами 8 на ведущем диске 4 и попадает в каналы, образованные боковыми сторонами 9 выступов 8, поверхностью 17 (фиг. 2 и 3) ведущего диска 4 между выступами 8 и конической поверхностью 13 направляющего аппарата 1. Таким образом, на верхней части ведущего диска рабочего колеса 2 формируется центробежный поток, наличие которого обеспечивает постоянную циркуляцию присутствующих в пластовой жидкости абразивных частиц и газовых пузырьков в пространстве, заключенном между ведущим диском 4 рабочего колеса 2 и нижним диском 12 направляющего аппарата 1, что в конечном итоге снижает вероятность их накопления в указанном пространстве, а для абразивных частиц снижает вероятность их осаждения в зазорах радиальной пары трения между ступицей колеса 3 и отверстием 16 во втулке 15 направляющего аппарата 1.
При этом, как показали исследования, при работе насоса наличие конической поверхности 13 снижает гидродинамическую нагрузку на периферию выступов 8, то есть их наружную часть, что повышает КПД ступени, на который также положительно влияет и постепенное увеличение зазора между верхней поверхностью выступов 18, которая перпендикулярна оси рабочего колеса, и конической поверхностью 13. Иллюстрация результатов данных исследований продемонстрирована на фиг. 4, где показана графическая зависимость «Напор - Подача» и «КПД - Подача» для двух образцов ступени:
образец №1 - ступень с рабочим колесом 2 и направляющим аппаратом 1 без конической поверхности 15 на нижнем диске 12;
образец №2 - ступень с рабочим колесом 2 и направляющим аппаратом 1 с конической поверхностью 15 на нижнем диске 12. На фиг. видно, что образец №2 имеет больший КПД, чем образец №1.