ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫЙ МАЛОДЕБИТНЫЙ НАСОС С НАСТРАИВАЕМОЙ РАСХОДНО-НАПОРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ

Полезная модель относится к нефтяному машиностроению, а именно к конструкциям электроцентробежных насосов для добычи скважинной жидкости в малодебитных скважинах. Обычные малодебитные насосы имеют форму расходно-напорной характеристики с характерным "горбом" с левой стороны рабочей зоны, при котором напор, развиваемый насосом, при нулевом расходе жидкости меньше, чем напор при некотором небольшом расходе. Такая форма характеристики приводит к нестабильности работы насоса в данной области. Обеспечение стабильной раснодно-напорной характеристики особенно важно для малодебитных скважинных насосов добычи нефти, для которых характерно заниженное значение КПД, напора и неоптимальная форма напорной характеристики.
В описании полезной модели используется следующая терминология. Напор - высота столба жидкости, определяемая избыточным давлением, создаваемым насосом. Расход - объем скважинной жидкости перекачивающим насосом в единицу времени. Рабочая характеристика - зависимость напора, развиваемого насосом Н от расхода Q.
Известен центробежный насос с настраиваемой расходно-напорной характеристикой, имеющей форму монотонно спадающей кривой (патент США 4139330). Рабочее колесо насоса имеет лопасти, положение которых может изменяться в зависимости от требуемого вида расходно-напорной характеристики. Лопатки закрепляются с помощью крепежных элементов, обеспечивающих изменения геометрического положения лопаток. Такая конструкция, в случае ее применения в погружном скважинном центробежном насосе, отличается значительно более низкой надежностью, чем традиционная конструкция колеса и высокой трудоемкостью при сборке.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является центробежный насос со ступенью, включающей рабочее колесо, установленное на валу и выполненное в виде ведущего диска, ведомого покрывного диска и лопастей, которые закреплены между ведущим диском и ведомым покрывным диском, и направляющий аппарат, содержащий диск с лопатками, цилиндрический корпусный элемент (патент РФ на изобретение 2161737). Отношение количества лопастей к количеству лопаток выбрано равным 1,75. Отношение ширины лопастей к ширине лопаток - в диапазоне 0,75-0,95. Отношение толщины лопатки к диаметру лопаточного покрывного диска - 0,01-0,29. Толщина лопатки выполнена плавно увеличивающейся от входа направляющего аппарата к его выходу. Использование изобретения позволяет значительно улучшить форму расходно-напорной характеристики Q-H для малодебитных насосов. Однако рабочее колесо имеет конструкцию, которая не может быть получена путем простой доработки типовых ступеней для насосов. Кроме того, конструкция рабочего колеса не позволяет получить настраиваемую расходно-напорную характеристику насоса.
Задачей предлагаемого технического решения является упрощение конструкции рабочей ступени насоса и получение настраиваемой расходно-напорной характеристики. При этом конструкция рабочей ступени такова, что ее получают с помощью простой доработки типовых рабочих ступеней центробежных погружных насосов. Такая конструкция обеспечивает настраиваемую (регулируемую) расходно-напорную характеристику малодебитного электроцентробежного многоступенчатого высокооборотного насоса, придавая ей устойчивую форму, монотонно падающей на всем ее протяжении кривой.
Для достижения указанного технического результата в известный центробежный насос с по меньшей мере одной ступенью, включающей рабочее колесо, установленное на валу и выполненное в виде ведущего
диска, ведомого покрывного диска и лопастей, которые закреплены между ведущим диском и ведомым покрывным диском, и направляющий аппарат, содержащий диск с лопатками, цилиндрический корпусный элемент, введен кольцевой регулирующий элемент, закрепленный на поверхности вышеуказанного диска с лопатками и предназначенный для настройки расходно-напорной характеристики насоса, причем продольная ось симметрии кольцевого регулирующего элемента совпадает с продольной осью симметрии диска с лопатками, внешний диаметр кольцевого регулирующего элемента равен внешнему диаметру диска с лопатками, причем лопатки расположены в пределах цилиндрической области с осью симметрии совпадающей с продольной осью симметрии диска с лопатками с диаметром равным внутреннему диаметру кольцевого регулирующего элемента, на торцевой поверхности кольцевого регулирующего элемента, обращенной к поверхности диска с лопатками выполнены сквозные каналы, причем ширина сквозного канала кольцевого регулирующего элемента меньше расстояния между концами соседних лопаток, лежащих на границах вышеуказанной цилиндрической области, толщина кольцевого регулирующего элемента равна высоте лопатки, а число вышеуказанных сквозных каналов соответствует количеству лопаток, формирующих часть стенок проточных каналов направляющего аппарата, причем входной участок каждого проточного канала образован соответствующими поверхностями - боковой и торцевой поверхностями диска с лопатками и стенками сквозного канала кольцевого регулирующего элемента. В вышеуказанном насосе настройка расходно-напорной характеристики насоса может осуществляться таким вращением кольцевого регулирующего элемента в плоскости перпендикулярной продольной оси симметрии вала, при котором происходит изменение степени открытия поперечного сечения каналов направляющего аппарата, с последующим жестким закреплением
выбранного положения кольцевого регулирующего элемента до установки направляющего аппарата в насос.
На фиг 1. представлен направляющий аппарат с кольцевым регулирующим элементом и рабочим колесом в сборе. На фиг.2. и фиг.3 рассмотрена конструкция кольцевого регулирующего элемента - соответственно фронтальный и боковой виды. На фиг.4 показан фронтальный вид диска с лопатками сопряженного с кольцевым регулирующим элементом. На фиг.5 приведены две рабочие характеристики насоса, соответственно А - для насоса без кольцевого регулирующего элемента и В для насоса, содержащего в каждой ступени направляющего аппарата кольцевой регулирующий элемент.
Электроцентробежный малодебитный насос с регулируемой формой расходно-напорной характеристики содержит набор ступеней, расположенных на валу 8. В состав каждой ступени входит цилиндрический корпусный элемент 1, направляющий аппарат 7, содержащий кольцевой регулирующий элемент 2 и диск с лопатками 5, рабочее колесо 3, состоящее из ведомого 10 и ведущего диска 9 с лопастями, заключенными между ними. На одной торцевой поверхности кольцевого регулирующего элемента выполнены сквозные каналы 11 с шириной W и глубиной h2. Торцевая поверхность кольцевого регулирующего элемента 2 со сквозными каналами 11 зафиксирована на торцевой поверхности 4 диска с лопатками. Внутренняя боковая поверхность кольцевого регулирующего элемента 2 примыкает к вершинам лопаток диска 15. Кольцевой элемент имеет внутренний диаметр D1', внешний диаметр кольцевого элемента D2'. Высота регулирующего кольцевого элемента h1. Входной участок проточного канала 12 сформирован поверхностью диска и стенками сквозного канала на кольцевом регулирующем элементе 2. За входным участком 12 проточного канала следует участок 13 проточного канала
направляющего аппарата. Его боковые стенки образованы боковыми стенками соседних лопаток 14.
Устройство работает следующим образом. Скважинная жидкость (направление потока указано стрелкой S на фиг.1), которая поступает с предшествующей ступени или входного модуля насоса в проточный канал 6 вращающегося рабочего колеса 3, установленного на валу 8 и выполненного в виде ведущего диска 9, ведомого покрывного диска 10 и лопастей, которые закреплены между дисками 9 и 10. Рабочее колесо придает вращательную кинетическую энергию скважинной жидкости, которая далее поступает на входной участок 12 проточного канала 13 направляющего аппарата 7, в котором происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию (давление напора). Входной участок 12 каждого проточного канала образован соответствующими поверхностями - боковой и торцевой поверхностями диска с лопатками и стенками сквозного канала кольцевого регулирующего элемента, параметры которого (например, ширина сквозного канала W, положение стенок сквозного канала по отношению к положению соседней лопатки - определяющие величину поперечного сечения проточных каналов направляющего аппарата (изменение степени открытия поперечного сечения) управляют изменением формы расходно-напорной характеристики. Далее жидкость проходит по участку проточного канала 13 направляющего аппарата 7, боковые стенки которого образованы боковыми стенками соседних лопаток 14. Таким образом происходит гашение части напора (дросселирование) с помощью вводимого в напорную линию насоса дополнительного гидравлического сопротивления на входном участке проточного канала направляющего аппарата. Безусловно, часть энергии пластовой жидкости тратится на преодоление сопротивления во входном участке и при этом рассеивается соответствующая мощность с соответствующим падением КПД и напора. Однако, положительный эффект изменения формы расходно-напорной характеристики, прежде всего
удаления нежелательного "горба" достигается, что может быть чрезвычайно актуальным при добыче пластовой жидкости из низкодебитных скважин высокооборотными центробежными насосами.
3
Проведенные испытания показали наличие эффекта корректировки формы (настройки) рабочей характеристики. В, частности, удаление "горба" расходно-напорной характеристики. На фиг.5. проиллюстрированы испытания, подтверждающие наличие положительного эффекта. Кривая А - расходно-напорная характеристика многоступенчатого центробежного высокооборотного малодебитного насоса (45 м/сут, 40 ступеней, 10000 об/мин, поперечный габарит насоса 115 мм) без использования кольцевого регулирующего элемента. Кривая В - расходно-напорная характеристика насоса, в котором каждая ступень содержит кольцевой регулирующий элемент. Она имеет форму монотонно спадающей кривой. Таким образом наличие кольцевого регулирующего элемента позволяет добиться более устойчивой, стабильной работы высокооборотного насоса на малодебитных скважинах.