ИЗНОСОУСТОЙЧИВЫЙ УПОРНЫЙ ПОДШИПНИК НАСОСА, ИМЕЮЩИЙ УМЕНЬШЕННОЕ СЕЧЕНИЕ
PUMP WEAR-PROOF THRUST BEARING WITH DECREASED CROSS-SECTION

Область техники
Настоящее изобретение в целом относится к электрическим погружным скважинным насосам и, в частности, к упорным подшипникам для центробежного насоса.
Уровень техники
Центробежные скважинные насосы обычно используются для откачки нефти и воды из нефтяных скважин. Насосы имеют большое число ступеней, каждая из которых включает неподвижный диффузор и вращающееся рабочее колесо насоса. При движении текучей среды вверх, вращающиеся рабочие колеса насоса создают направленное вниз усилие. Кроме того, особенно при пуске и в случаях неоднородного потока текучей среды рабочие колеса насоса могут создавать усилие, направленное вверх. В насосах обычной конструкции рабочие колеса насоса свободно смещаются на валу так, что каждое рабочее колесо насоса передает направленное вниз усилие одному из диффузоров. Между частью каждого рабочего колеса насоса и расположенным вверх по потоку диффузором располагается упорная шайба, втулка или подшипник, которые воспринимают направленное вниз усилие. Другая упорная шайба передает усилие, направленное вверх.
Из некоторых скважин наряду с нефтью и водой выходят абразивные материалы, например песок. Абразивные материалы вызывают износ компонентов насоса, в частности, в местах, куда приложены направленные вниз и вверх усилия. В таких насосах снижение износа может достигаться использованием упорных подшипников и втулок подшипника из карбида вольфрама, а также выбором формы компонентов. Существует ряд конструкций таких компонентов, однако желательны дальнейшие усовершенствования.
Раскрытие изобретения
Ступень центробежного насоса в соответствии с настоящим изобретением имеет неподвижный диффузор с отверстием. В отверстие диффузора вставляется трубчатая часть упорного подшипника. Для передачи направленного вниз усилия, приложенного к диффузору расположенным с его входной стороны (вверх по потоку) рабочим колесом насоса, в опорную поверхность, сформированную в отверстии в диффузоре, упирается расходящееся по радиусу наружу в целом цилиндрическое основание или фланец. Кроме этого от внешнего фланца отходит конический упор, упирающийся в соответствующую коническую опорную поверхность, сформированную на диффузоре, для передачи радиального усилия от рабочего колеса насоса к диффузору.
С криволинейной внутренней поверхностью упорного подшипника на его выходном (находящемся вниз по потоку) конце соприкасается с возможностью вращения упорная пята для передачи направленного вниз осевого усилия от расположенного вниз по потоку рабочего колеса насоса к диффузору через втулку, соприкасающуюся как с рабочим колесом насоса, так и с упорной пятой. Упорная пята вместе с упорным подшипником в совокупности также могут рассматриваться как подшипник. Криволинейный входной конец упорной пяты сопряжен с внутренней поверхностью упорного подшипника, благодаря чему площадь его поверхности на входном конце больше, чем на выходном конце. Криволинейный входной конец упорной пяты передает усилие подшипнику в радиальном направлении. Кроме того, большая площадь поверхности контакта между криволинейной внутренней поверхностью упорного подшипника и соответствующего криволинейного входного конца упорной пяты обеспечивает работу с большими нагрузками. В предпочтительном варианте упорный подшипник, втулка и упорная пята выполняются из износостойких материалов, например карбида вольфрама.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 на виде сбоку схематически представлен насос в соответствии с настоящим изобретением, помещенный в буровую скважину;
на фиг.2 представлен вид сечения ступени насоса, выполненного в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.3 представлен в перспективе вид упорного подшипника и упорной пяты ступени насоса, изображенной на фиг.2, показанных отдельно от насоса;
на фиг.4 представлен вид сбоку упорной пяты ступени насоса, изображенной на фиг.2, показанной отдельно от насоса;
на фиг.5 представлен в перспективе вид сечения упорного подшипника и упорной пяты ступени насоса, изображенной на фиг.2, показанных отдельно от насоса;
на фиг.6 представлен вид сверху упорной пяты, показанной на фиг.2;
на фиг.7 представлен вид сечения другого варианта выполнения ступени насоса в соответствии с настоящим изобретении;
на фиг.8 представлен вид сечения другого варианта выполнения ступени насоса в соответствии с настоящим изобретении.
Подробное описание осуществления изобретения
На фиг.1 представлен насосный агрегат, расположенный в буровой скважине, имеющей обсадную трубу 11. Отверстия 13 в обсадной трубе 11 позволяют скважинному флюиду поступать в обсадную трубу 11. В скважине на насосно-компрессорной колонне 17 подвешен электрический погружной насос (ЭЦПН) 15. У насоса 15 имеется впускное отверстие 19 для всасывания скважинного флюида и нагнетания его через колонну 17 на поверхность. В некоторых других случаях насос 15 выводит флюид в обсадную трубу над пакером (не показан).
К нижнему концу насоса 15 присоединена секция 21 гидрозащиты. К нижнему концу секции 21 гидрозащиты присоединен электрический двигатель 23. Секция 21 гидрозащиты снижает перепад давлений между давлением смазки внутри двигателя 23 и гидростатическим давлением в скважине. К двигателю 23 вниз с поверхности подходит силовой кабель 24 для подвода питания.
На фиг.2 показана ступень насоса 15 (фиг.1), рассматриваемая в данном варианте выполнения. Насос 15 является центробежным насосом и включает насколько ступеней. В каждой ступени имеется диффузор 27 и расположенный с его входной стороны (верх по потоку) рабочее колесо 28 насоса. Диффузор 27 направляет флюид в расположенный с его выходной стороны (вниз по потоку) рабочее колесо 29 насоса. Каждое рабочее колесо 28, 29 насоса вращается и имеет каналы 30, направленные вверх и наружу от нижнего впускного отверстия. Диффузоры 27 устанавливаются друг на друга внутри цилиндрического корпуса 25. Диффузоры 27 не могут вращаться относительно корпуса 25. Каждый диффузор 27 имеет несколько каналов 31, проходящих от нижнего, или впускного (расположенного вверх по потоку), отверстия, к верхнему, или выпускному (расположенному вниз по потоку), отверстию. Впускное отверстие находится по радиусу дальше от продольной оси насоса 15, чем выпускное отверстие. В данном варианте выполнения ступени представляют собой ступени смешанного потока, в которых каналы 30, 31 проходят одновременно радиально и вдоль оси. Настоящее изобретение также применимо и ступеням радиального потока, где каналы ступеней проходят в основном радиально.
Диффузор 27 имеет осевое отверстие, имеющее нижнюю часть 33a, обращенный вверх фланец, или опорную поверхность 33b, конический упор, или опорную поверхность 33c, и верхнюю часть 33d. Термины "верхний" и "нижний" используются в настоящем описании только для удобства и не ограничивают изобретения. Нижняя часть 33a имеет минимальный диаметр, в то время как конический упор 33c смещен по радиусу наружу на расстояние, определяемое обращенным вверх фланцем 33b. Конический упор 33c расходится по радиусу отлого вверх, соединяясь с верхней частью 33d, имеющей форму цилиндра и определяющей максимальный диаметр отверстия. В этом варианте выполнения нижняя часть 33a имеет наибольшую длину по сравнению с любой остальной частью 33b, 33c или 33d. Эти части 33b, 33c или 33d имеют в целом вогнутую форму.
Как далее показано на фиг.2, в данном варианте выполнения сквозь части 33a, 33b, 33c и 33d отверстия диффузора проходит вал 35, который может вращаться, приводя во вращение рабочее колесо 28, 29 насоса. В частях 33b, 33c и 33d отверстия диффузора установлено основание 37 упорного подшипника, закрепленное на тугой посадке или иным способом без возможности вращения. Основание 37 упорного подшипника может представлять собой элемент в целом чашевидной формы, имеющий в целом цилиндрическое днище или фланец 42 на входной стороне, расходящийся по радиусу наружу. Нижний фланец 42 может по меньшей мере частично упираться в обращенный вверх фланец 33b, сформированный в отверстии диффузора 27, для передачи на диффузор направленного вниз усилия от расположенного с входной стороны рабочего колеса 29 насоса. Далее, наружный конический упор 45 на основании 37 упорного подшипника выступает вверх от нижнего фланца 42 и упирается в соответствующий конический несущий упор 33c, сформированный на диффузоре 27, для передачи тем самым на диффузор усилия от расположенного с выходной стороны рабочего колеса 29 насоса. Наружный диаметр нижнего фланца 42, величина которого меньше наружного диаметра верхней части 33d отверстия, определяет нижний конец конического упора 45 основания 37 упорного подшипника. Верхний конец конического упора 45 соединяется с цилиндрической поверхностью на основании 37 упорного подшипника. Цилиндрическая поверхность сопряжена с поверхностями 33d в диффузоре 27. При этом нижняя сторона основания 37 упорного подшипника имеет в целом выпуклую форму и сопрягается с верхними частями 33b, 33c и 33d диффузора 27. Хотя нижняя сторона основания 37 упорного подшипника имеет в целом выпуклую форму и сопряжена с верхней, в целом вогнутой, стороной диффузора 27, возможны и другие формы. Основание 37 упорного подшипника соответствующим образом прикреплено к диффузору 27.
Верхняя, или выходная, сторона 43 основания 37 упорного подшипника заканчивается по существу заподлицо с выходным отверстием каналов 31. На выходной, или верхней, стороне основания 37 упорного подшипника сформирована в целом вогнутая опорная поверхность 41, кривизна которой проходит от внутреннего диаметра основания 37 упорного подшипника до ободка 43 на выходном конце основания 37 упорного подшипника. Вогнутая опорная поверхность 41 имеет форму, аналогичную форме нижней стороны частей 42, 45 основания 37 упорного подшипника, обеспечивая достаточно однородную толщину основания 37 упорного подшипника. В данном варианте выполнения вогнутая опорная поверхность 41 представляет собой часть сферы.
В этом варианте выполнения упорная пята 57 имеет входной, или нижний, выпуклый конец 48, сопряженный с возможностью вращения с соответствующей вогнутой опорной поверхностью 41 основания 37 упорного подшипника, как показано на фиг.3. Упорная пята 57 передает диффузору 27 направленное вниз осевое усилие от расположенного на выходной стороне рабочего колеса 29 насоса через втулку 51, соприкасающуюся как с рабочим колесом 29 насоса, так и с упорной пятой 57. Втулка 51 может иметь нижний плоский конец 59 цилиндра, соприкасающийся с выходной стороной 59 упорной пяты 57.
Выступающая вниз ступица 65 рабочего колеса насоса соседнего рабочего колеса 29 насоса, расположенного с выходной стороны, или проставка (не показана), если она используется, соприкасается с верхним концом втулки 51. У соседнего рабочего колеса 28 насоса, расположенного со входной стороны, имеется выступающая вверх ступица 67, входящая в кольцевое пространство, образуемое нижней частью 33a отверстия и частью основания 37 упорного подшипника. Верхний конец ступицы 67 не соприкасается с фланцем 42 основания упорного подшипника. Втулка 51 и упорная пята 57 закреплены на валу 35 на шпонке, что заставляет втулку 51 и упорную пяту 57 вращаться вместе с валом 35. Втулка 51 и упорная пята 57 могут свободно смещаться вдоль оси на валу 35 на ограниченное расстояние, определяемое осевым смещением расположенного с выходной стороны рабочего колеса 29 насоса. В этом варианте выполнения осевая длина втулки 51 больше осевой длины основания 37 упорного подшипника. Втулка 51 и упорная пята 57 могут быть соединены друг с другом, составляя единое целое.
Выпуклые и вогнутые поверхности 48, 41 упорной пяты 57 и основания 37 упорного подшипника соответственно обеспечивают увеличенную площадь поверхности, воспринимающей осевые нагрузки, по сравнению с плоской поверхностью. Как показано на фиг.5, направленное вниз усилие, передаваемое на основание 37 упорного подшипника, имеет направленную наружу, или радиальную, составляющую благодаря вогнуто/выпуклой кривизне сопряженной поверхности упорной пяты 57 и основания 37 упорного подшипника. Площадь поверхности выпуклой стороны 48 упорной пяты с входной стороны примерно такая же, что и площадь поверхности вогнутой опорной поверхности 41 основания 37 упорного подшипника. Как показано на фиг.3 и 4, на выпуклой стороне 48 упорной пяты могут быть сформированы спиральные, или винтовые, канавки 55. Канавки 55 способствуют введению смазки между упорной пятой 57 и основанием 37 упорного подшипника. Канавки 55 могут быть параллельны друг другу и проходить по кривой от нижней к верхней стороне упорной пяты 57. В альтернативном варианте канавки 55 могут быть сформированы в вогнутой поверхности 41 основания 37 упорного подшипника. В этом варианте выполнения во внутренний паз 63 под шпонку (фиг.5 и 6) в упорной пяте 57 входит шпонка (не показана), имеющаяся на валу 35, заставляя вращаться упорную пяту.
Основание 37 упорного подшипника, втулка 51 и упорная пята 57 могут быть выполнены из более твердого и более износостойкого материала по сравнению с материалом диффузоров 27 и рабочих колес 28, 29 насоса. В предпочтительном варианте выполнения этот материал может включать карбид, например карбид вольфрама. Карбид вольфрама обеспечивает более высокое сопротивление истиранию в отношении абразивных материалов, например песка, по сравнению с материалом диффузора 27 и рабочего колеса 28, 29 насоса.
В процессе работы двигатель 23 (фиг.1) вращает вал 35 (фиг.2), который, в свою очередь, заставляет вращаться рабочие колеса 28, 29 насоса, упорную пяту 57 и втулку 51. Вращение рабочих колес 28, 29 насоса создает поток флюида через каналы 30 рабочих колес насоса и каналы 31 диффузора. Давление флюида в потоке нарастает в каждой ступени насоса. Рабочие колеса 28, 29 насоса установлены на валу 35 на шпонку, что заставляет их вращаться вместе с валом, но не фиксирует их осевого положения на валу 35. Каждое рабочее колесо 28, 29 насоса создает осевое усилие вниз по оси, возникающее за счет работы насоса. Нижний конец ступицы 65 расположенного с выходной стороны рабочего колеса 29 насоса передает осевое усилие через вращающуюся упорную пяту 57 на неподвижное основание 37 упорного подшипника. Осевое усилие и радиальная компонента передаются через диффузор 27 к диффузору (не показан), расположенному под ним, и, в конечном итоге, к нижнему концу корпуса 25 насоса.
В определенных обстоятельствах возникает и направленное вверх усилие, заставляющее ступицу 67 расположенного с входной стороны рабочего колеса 28 насоса смещаться вверх и касаться расположенного с входной стороны фланца на нижней части 33a диффузора 27. Направленная вверх сила передается от диффузора 27 к корпусу 25.
При желании каждая ступень может включать основания 37 упорного подшипника, или упорные пяты 57, или втулку 51. В другом варианте, показанном на фиг.7, некоторые из ступеней могут быть обычного типа, не содержащими упорную пяту, упорный подшипник или втулку, описанных выше. В этих обычных ступенях распорные втулки 69 расположены между ступицами 57 их рабочих колес насоса и упорными втулками 51, отделяющими следующую ступень, содержащую упорную пяту.57 и основание 37 упорного подшипника, описанные выше. Упорная пята 57 и основание 37 упорного подшипника, расположенные так же, как и в описанном ранее варианте, установлены в одной из ступеней. Дополнительные основание 80 упорного подшипника и упорная пята 82 расположены внутри диффузора 84, расположенного вниз по потоку от упорной пяты 57 и основания 37 подшипника, находящихся с входной стороны. Между основанием 80 упорного подшипника и основанием 37 упорного подшипника находятся две обычные ступени 71, 73. Направленное вниз усилие от ступени 71 проходит через ее упорную втулку 51 и распорную втулку 69 к ступени 73. Усилие проходит от ступеней 73 через ступицу 67 на упорную втулку 51, упорную пяту 57 и основание 37 упорного подшипника к связанному с ними диффузору 27. В такой конструкции обеспечивается повышенная способность воспринимать нагрузку в ЭЦПН 15.
В еще одном варианте выполнения, представленном на фиг.8, показаны обращенные в противоположные стороны узлы упорного подшипника и пяты. Расположенные с входной стороны основание упорного подшипника и пята 37, 57, воспринимающие направленное вниз усилие, идентичны ранее рассмотренному варианту выполнения и передают направленное вниз усилие диффузору 27. Расположенное с выходной стороны основание 90 упорного подшипника установлено внутри диффузора 94 с его обращенной вниз стороны, и обращенная вверх упорная пята 92 соприкасается с ним с возможностью вращения. Расположенный с выходной стороны узел идентичен узлу, расположенному с входной стороны, хотя расположенные с выходной стороны основание 90 упорного подшипника и упорная пята 92 установлены так, что обращены навстречу узлу, расположенному со входной стороны, и воспринимают направленное вверх усилие. Верхний конец ступицы 67 соседнего рабочего колеса 28 насоса упирается в нижнюю сторону упорной пяты 92 для передачи направленного вверх усилия. Таким образом, конструкция, описанная в данном варианте выполнения, может воспринимать усилия, направленные как вверх, так и вниз. Кроме того, если какая-либо из упорных пят рассоединится с упорным подшипником, другая, сохранившая соединение, упорная пята будет способна воспринимать усилие. В варианте выполнения, показанном на фиг.8, распорная втулка 69 передает усилия между ступицами 67 и упорной пятой 51, направленные как вверх, так и вниз.
Изобретение обладает существенными преимуществами. Упорный подшипник обеспечивает передачу диффузору как осевой, так и радиальной компонент усилия. Основание упорного подшипника и пята также обеспечивают радиальную фиксацию вала. Опорные поверхности имеют значительно большую площадь поперечного сечения, чем плоская поверхность, благодаря использованию криволинейных поверхностей. Устройство может воспринимать большие усилия при меньшей высоте, поскольку для радиальных нагрузок не требуется отдельных подшипников. Снижение количества частей также снижает стоимость и повышает надежность.
В то время как изобретение было представлено одной из своих форм, для специалистов будет очевидно, что только этой формой оно не ограничено, но может быть подвергнуто различным изменениям в пределах притязаний изобретения.