ПОГРУЖНОЙ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к гидромашиностроению, преимущественно к конструкции малодебитных погружных центробежных насосов и может быть использовано при добыче из скважин пластовой жидкости, воды и других жидких сред с широким диапазоном изменения механических примесей.
Известен многоступенчатый центробежный насос, содержащий ступень, состоящую из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего диска, 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, причем лопаточный покрывной диск направляющего аппарата установлен со стороны задней поверхности ведущего диска рабочего колеса, цилиндрическая обойма направляющего аппарата выполнена с кольцеобразной стенкой, расположенной поперечно, внутри цилиндрической обоймы установлены рабочее колесо и лопаточный покрывной диск, лопатки закреплены в направляющем аппарате между кольцеобразной стенкой цилиндрической обоймы и лопаточным покрывным диском, выбраны определенные соотношения параметров и геометрических размеров лопастей и лопаток (см. Патент РФ №2161737 МПК 7 F04D 1/06, F04D 13/10, опубл. 10.01.2001 г.).
В известной конструкции многоступенчатого центробежного насоса решается задача оптимизации формы лопастей и их углов входы и выхода для повышения напора и КПД, но не ставится задача работы насоса в скважинах с широким диапазоном изменения механических примесей в пластовой жидкости, поэтому число лопастей у рабочего колеса 7, угол охвата рабочего колеса лежит в диапазоне 98÷104°, угол установки лопасти на выходе лежит в диапазоне 28÷35°.
В связи с интенсификацией добычи нефти, в скважинах увеличивается доля воды и механических примесей. Это, а также малые размеры малодебитных погружных многоступенчатых центробежных насосов, ведет к засорению проточных каналов погружного многоступенчатого центробежного насоса.
Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение срока службы погружного многоступенчатого центробежного насоса путем уменьшения вероятности засорения при добыче из скважин пластовой жидкости, воды и других жидких сред с широким диапазоном изменения механических примесей практически без ухудшения напора и КПД.
Указанный технический результат достигается тем, что в многоступенчатом центробежном насосе, содержащем ступень, состоящую из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего диска, ведомого покрывного диска и лопастей, которые закреплены между ведущим диском 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, цилиндрическая обойма направляющего аппарата выполнена с кольцеобразной стенкой, расположенной поперечно, внутри цилиндрической обоймы установлены рабочее колесо и лопаточный покрывной диск, а лопатки закреплены в направляющем аппарате между кольцеобразной стенкой цилиндрической обоймы и лопаточным покрывным диском, при этом число лопастей рабочего колеса лежит в диапазоне 1-4, каждая из лопастей рабочего колеса выполнена с углом охвата 150-360°, высота лопастей рабочего колеса на выходе лежит в диапазоне 4,4-6,5 мм, высота лопаток направляющего аппарата на входе лежит в диапазоне 4,4-6,5 мм, угол установки лопастей рабочего колеса на выходе лежит в диапазоне 5-35°.
Сущность полезной модели поясняется прилагаемыми фигурами.
На фиг.1 представлены две последовательные "степени погружного многоступенчатого центробежного насоса.
3
На фиг.2 представлено рабочее колесо погружного многоступенчатого центробежного насоса на подачу 30 м/сут для работы в скважинах повышенным содержанием механических примесей.
На фиг.3 - представлено сравнение проточной части серийной ступени с числом лопастей 8 и проточной части ступени для работы в скважинах с повышенным содержанием механических примесей с числом лопастей 3.
На фиг.4 представлены напорные и КПД характеристики (зависимость напора и КПД от расхода) для заявленного устройства и серийного погружного многоступенчатого центробежного насоса примерно с тем же номинальным расходом.
На фиг.5 показаны различные геометрические параметры ступеней серийных погружных малодебитных центробежных насосов.
Погружной многоступенчатый центробежный насос содержит, по меньшей мере, две ступени 1. Ступени 1 расположены вдоль вала (на чертеже не показан) последовательно. Ступень 1 состоит из рабочего колеса 2 и направляющего аппарата 3. Рабочее колесо 2 установлено на валу и выполнено в виде ведущего диска 4, покрывного диска 5 и лопастей 6. Лопасти 6 закреплены между ведущим диском 4 и покрывным диском 5. Направляющий аппарат 3 выполнен в виде лопаточного покрывного диска 7, цилиндрической обоймы 8 и лопаток 9. Лопаточный покрывной диск 7 установлен со стороны задней поверхности 10 ведущего диска 4 рабочего колеса 2. Цилиндрическая обойма 8 выполнена с кольцеобразной стенкой 11, расположенной поперечно. Внутри цилиндрической обоймы 8 установлены рабочее колесо 2 и лопаточный покрывной диск 7. Лопатки 9 закреплены в направляющем аппарате 3 между кольцеобразной стенкой 11 цилиндрической обоймы 8 и лопаточным покрывным диском 7.
Для уменьшения сил трения, возникающих при вращении рабочего колеса 2, в конструкции применяются шайбы 12, 13, 14 из антифрикционного материала, выполняющие роль индивидуальных опор.
K
к
2
3
2л
Количество лопастей 6 выбрано в диапазоне Z=1÷4, каждая из лопастей 6 рабочего колеса 2 выполнена с углом охвата θ=150÷360°, высота лопастей 6 рабочего колеса 2 на выходе лежит в диапазоне b=4,4÷6,5 мм, высота лопаток 9 направляющего аппарата 3 на входе выбрана в диапазоне b=4,4÷6,5 мм, угол установки лопастей 6 рабочего колеса 2 на выходе выбран в диапазоне β=5÷35°,
Работает погружной многоступенчатый центробежный насос следующим образом.
K
к
2
2л
Рабочее колесо 2 приводится во вращение валом насоса. Перекачиваемая жидкость поступает в тракты между лопастями 6 вращающегося рабочего колеса 2 и движется от его центра к периферии. При этом рабочее колесо 2 создает напор перекачиваемой жидкости, как за счет циркуляционных сил, так и за счет кориолисовых сил. Выбор количества лопастей 6 рабочего колеса 2 Z=1÷4, выбор угла охвата лопастей 6 θ=150÷360°, выбор высоты лопастей 6 рабочего колеса 2 на выходе b=4,4÷6,5 мм позволяет расширить каналы рабочего колеса 2, тем самым уменьшить вероятность их засорения и уменьшить гидравлические потери. За счет выбора угла установки лопастей 6 рабочего колеса 2 на выходе β=5÷35° удается получить необходимое положение максимума КПД.
3
Далее жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 3, в которых осуществляется торможение потока (увеличение статической составляющей давления) с целью уменьшить потери, разворот и направление потока на рабочее колесо следующей ступени. Выбор высоты лопаток 9 направляющего аппарата 3 на входе b=4,4÷6,5 мм позволяет расширить каналы направляющего аппарата 3, тем самым уменьшить вероятность их засорения и уменьшить гидравлические потери.
Как показали исследования, при заявленных параметрах рабочего колеса 2 и направляющего аппарата 3 достигается уменьшение вероятности засорения проточной части погружного многоступенчатого центробежного насоса механическими примесями и, следовательно, увеличение его срока службы практически без ухудшения напора и КПД.
Серийные малодебитные погружные многоступенчатые центробежные насосы имеют малые размеры проточной части (фиг.3 и 5), что ведет к засорению проточных каналов при работе в скважинах с широким диапазоном изменения механических примесей. Методов проектирования ступеней малодебитных погружных центробежных насосов при работе с механическими примесями нет.
K
K
K
K
3
3
Одним из способов уменьшить вероятность засорения проточных каналов малодебитных погружных многоступенчатых центробежных насосов является увеличение площадей (расширение) проточных каналов. Согласно фиг.1, 2, площади проходного сечения проточного канала рабочего колеса ограничены лопастями и основным и покрывным дисками. Чем меньше количество лопастей рабочего колеса, тем больше площади проточного канала, что видно из фиг.3. Для серийных малодебитных погружных многоступенчатых центробежных насосов количество лопастей рабочего колеса Z=5÷8 (фиг.3 и 5), но этого не достаточно для удовлетворительной работы в скважинах с повышенным содержанием механических примесей. Уменьшение количества лопастей рабочего колеса (меньше пяти) позволяет увеличить проходные каналы и улучшить работу насоса. Исходя из этого количество лопастей рабочего колеса выбирается из диапазона Z=1÷4, причем Z=4 соответствует расходам Q=40÷60 м/сут, a Z=1 соответствует расходам Q=5÷10 м/сут.
к
к
к
к
к
K
K
k
к
к
K
к
к
к
K
к
к
3
Напор и КПД насоса зависит от густоты τ решетки лопастей центробежного колеса τ~L/a, увеличиваясь с возрастанием τ до определенного предела, где L - длина канала, а - ширина канала (фиг.2). При уменьшении количества лопастей рабочего колеса длина канала L уменьшается, а ширина канала a - увеличивается. Вследствие этого густота решетки падает, и, соответственно, падают напор и КПД. Чтобы этого избежать и обеспечить оптимальную густоту решетки рабочего колеса τ=1,8÷2,1 при выборе числа лопастей Z=1÷4, необходимо увеличивать (по сравнению с серийными насосами) угол охвата лопастей θ и выбирать из диапазона θ=150÷360°, причем меньшие значения из данного диапазона соответствуют Q=40÷60 м/сут, а большие значения соответствует Q=5÷10 м /сут. При увеличении угла охвата лопасти θ до указанных значений, длина канала L увеличивается, а ширина канала а - уменьшается, чем и обеспечивается необходимая густота решетки τ.
3
2
Выбор высоты лопастей рабочего колеса на выходе b=4,4÷6,5 мм обосновывается также увеличением площади проходного сечения проточного канала рабочего колеса. Значения меньше 4,4 мм не достаточны для удовлетворительной работы в скважинах с повышенным содержанием механических примесей (происходит засорение), а значения больше 6,5 мм сильно смещают максимум КПД область больших расходов и работать приходится на режимах много меньших расчетного. У серийных же малодебитных погружных многоступенчатых центробежных насосов высота лопастей рабочего колеса на выходе b=3,5÷4,8 мм (фиг.5).
3
3
Выбор высоты лопатки направляющего аппарата на входе b=4,4÷6,5 мм обосновывается увеличением площади проходного сечения проточного канала направляющего аппарата. Значения меньше 4,4 мм не достаточно для удовлетворительной работы в скважинах с повышенным содержанием механических примесей (происходит засорение), а значения больше 6,5 мм сильно смещают максимум КПД область больших расходов и работать приходится на режимах много меньших расчетного. У серийных же малодебитных погружных многоступенчатых центробежных насосов высота лопаток направляющего аппарата на входе b=3,6÷4,2 мм (фиг.5).
2л
2л
к
2л
Угол установки лопастей рабочего колеса на выходе выбирается из диапазона β=5÷35°, причем значение β напрямую связано с углом охвата лопасти рабочего колеса θ. Чем больше угол охвата лопасти, тем меньше значение угла установки лопасти на выходе. Эта зависимость получается конструктивно при профилировании лопасти рабочего колеса. Также значение угла установки лопасти на выходе β=5÷35° обеспечивает работу насоса на максимуме КПД (требование многих нефтяных компаний). Это можно показать следующим образом.
Точка максимального расхода, при котором теоретический напор равен нулю, определяется из выражения
max
2
2
2
2л
Q=π·D·b·u·tg(β),
2
где D - диаметр рабочего колеса на выходе,
2
b - высота лопасти рабочего колеса на выходе,
2
2
u - окружная скорость рабочего колеса на диаметре D,
2л
β - угол установки лопасти рабочего колеса на выходе.
2
2
2л
При увеличении b (расширении проточного канала) максимальный расход должен увеличиться, а с ним и положение максимума КПД сместится правее, но если одновременно с увеличением b уменьшить угол лопасти на выходе β то максимальный расход не увеличится, а с ним и не изменится положение максимума КПД, и требование нефтяной компании будет удовлетворено.
3
3
Указанная конструкция была проверена на насосе с номинальным расходом 25-30 м/сут. На фиг.4 показаны напорная и КПД характеристики предлагаемой конструкции (кривые А и В), а также напорная и КПД характеристики серийного погружного многоступенчатого центробежного насоса примерно с тем же номинальным расходом. Сравнение этих характеристик показывает, что на расходе Q=30 м/сут КПД по предлагаемой заявке выше на 1% (η=36% против η=35%), а напор практически совпадает. Кроме того, напорная характеристика насоса новой конструкции падает более круто, чем у серийного, что благотворно влияет на регулирование системы.
Таким образом, предлагаемая конструкция многоступенчатого центробежного насоса, благодаря оптимально выбранным параметрам и размерам лопастей, лопаток АН и их углов позволяет обеспечить увеличение срока службы многоступенчатого центробежного насоса путем уменьшения вероятности засорения при добыче из скважин пластовой жидкости, воды и других жидких сред с широким диапазоном изменения механических примесей практически без ухудшения напора и КПД.