РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
CENTRIFUGAL PUMP RUNNER

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к конструкциям погружных насосов, и может быть использовано при конструировании насосов, применяемых при добыче жидкостей, содержащей механические примеси, из скважин.
Известно рабочее колесо центробежного насоса для неоднородных сред, содержащее ведущий и ведомый диски и установленные между ними лопатки, выходные части которых имеют с рабочей стороны утолщения, частично перекрывающие межлопаточные каналы (SU 802635, кл. F04D 29/22, 1981).
Однако это устройство не позволяет получить существенно более напорный и менее расходный насос в рамках одной предоставляемой мощности и не обеспечивает возможность использования его для откачки жидкости из низкодебитных нефтяных скважин, содержащей механические примеси, с необходимым давлением нагнетания.
Известно рабочее колесо центробежного насоса, содержащее ведущий и ведомый диски с закрепленными между ними лопатками с образованием межлопаточных каналов, в которых расположены перегородки, в виде отбойных пластин, установленных под углом, равным 60-70°, выполненных с отверстиями и имеющих прямоугольное поперечное сечение. На периферии ведущего диска по оси лопаток 4 закреплены ребра диспергирования перекачиваемых неоднородных сред [SU 879029].
Однако известное колесо не позволяет получить существенно более напорный и менее расходный насос на одном и том же электродвигателе с определенной мощностью и не обеспечивает возможность использования его для откачки жидкости из низкодебитных нефтяных скважин, продукция которых содержит механические примеси.
Известно также рабочее колесо центробежного насоса, содержащее ведущий и ведомый диски с закрепленными между ними лопатками с образованием межлопаточных каналов, в которых расположены перегородки, причем каждая перегородка закреплена своими концами на боковых поверхностях смежных лопаток с образованием заглушенного участка межлопаточного канала и каждая перегородка расположена на расстоянии от входа в межлопаточный канал с образованием заглушенного участка, перегородки выполнены в виде пластин прямоугольного сечения или перегородки выполнены в виде дуг окружностей (RU 2116518, прототип).
Недостатками известного колеса являются активная турбулизация перекачиваемой среды в закрытых с одной стороны непроточных межлопаточных каналах с разрушением твердых частиц и дополнительным абразивным воздействием продуктов разрушения на лопатки, которые подвергаются неравномерному износу с обеих сторон, формированием вихрей и разрывов потока, создающих неравномерное звуковое и механическое воздействие при откачке жидкости. Отсутствует возможность создания оптимального по напору и размерам перекачиваемых частиц, т.е. по высоте лопаток, и одновременно малорасходного насоса заданной располагаемой мощности на одном и том же электродвигателе.
В основу изобретения положена задача создания конструкции рабочего колеса центробежного насоса, обеспечивающего эффективную откачку жидкости с механическими примесями, в частности, из низкодебитных нефтяных скважин.
Постановка такой задачи обусловлена тем, что, проектируя насосную технику, нередко возникает необходимость сбалансировать характеристики приводного электродвигателя (или иного двигателя) и гидравлической части. Ряд электродвигателей, как правило, стандартизован, известен, и нерационально использовать уникальный двигатель для каждой конкретной гидравлической характеристики насоса. В связи с этим целесообразно конструктивными мерами перераспределять кривую расходно-напорной характеристики в сторону повышения напора в ущерб подаче (в рамках располагаемой мощности), сохраняя при этом возможность перекачивания среды с содержанием твердых частиц достаточно крупного размера без засорения.
Основными параметрами, влияющими на гидравлические характеристики центробежного колеса и потребляемую мощность насоса, являются его диаметр D и высота Н лопатки (фиг. 4). Критичным параметром, влияющим на значение максимального напора, является диаметр D колеса. Высота Н лопатки на выходе из колеса является величиной, характеризующей способность насоса перекачивать среду с содержанием твердых частиц (например, дренажные воды), размер которых, как правило, и ограничивается значением Н.
В итоге, для того чтобы получить более напорный и менее расходный насос стандартной конструкции на одном и том же электродвигателе в рамках его располагаемой мощности, т.е. не допустить увеличения потребляемой мощности при увеличении диаметра D, пришлось бы сократить высоту Н лопатки. Это снизило бы потребительские свойства насоса, в первую очередь ограничивало бы возможность перекачивания среды с крупными загрязнениями и минимальным абразивным воздействием на лопатки.
Чтобы избежать занижения высоты Н лопатки при увеличении диаметра D и ограничении потребляемой мощности, предлагается конструкция крыльчатки рабочего колеса с частично закрытым и минимально доступным для турбулизации межлопаточным пространством колеса насоса.
Техническим результатом использования изобретения является возможность при фиксированной потребляемой мощности насоса перераспределить значения расходно-напорной характеристики в сторону повышения напора за счет увеличения диаметра D, не занижая при этом высоту лопатки на выходе Н, то есть без ухудшения потребительских свойств насоса, поскольку в межлопаточных каналах не происходит интенсивное вихреобразование и разрушение твердых частиц с воздействием на лопатки, не возникают разрывы потока, изменяющие характер движения жидкости. В результате имеется возможность не допускать потерь энергии и оптимально сбалансировать располагаемую мощность приводного электродвигателя и гидравлической части насоса. В предложенной конструкции сокращается и стабилизируется потребление энергии приводным двигателем и обеспечивается возможность успешной насосной эксплуатации низкодебитных скважин без засорения колеса механическими примесями. При этом обеспечена возможность выравнивания температур, давления и содержания растворенных веществ как в проточных, так и в непроточных межлопаточных каналах, что препятствует возникновению неравномерных радиальных и осевых нагрузок на приводном валу.
Сущность изобретения состоит в том, что рабочее колесо центробежного насоса содержит крышку и крыльчатку с лопатками, закрепленными с образованием чередующихся проточных и непроточных межлопаточных каналов, причем в непроточных межлопаточных каналах между лопатками размещены перегородки, в каждом из непроточных межлопаточных каналов между соседними лопатками размещены по две перегородки, одна из которых внутренняя, а вторая - внешняя, расположенные на разных расстояниях от оси крыльчатки, при этом одна из перегородок выполнена сплошной и соединена краями с обеими соседними лопатками, а другая перегородка соединена с одной из этой пары соседних лопаток с образованием отверстия на одной стороне непроточного межлопаточного канала.
Предпочтительно крыльчатка выполнена с четным количеством криволинейных лопаток, каждая внутренняя перегородка выполнена сплошной и соединена краями с парой соседних лопаток, а каждая внешняя перегородка соединена с одной из этих соседних лопаток с образованием с другой лопаткой периферийного отверстия непроточного межлопаточного канала.
Предпочтительно перегородки выполнены в виде участков концентричных друг другу цилиндрических поверхностей, выпуклых в направлении внешнего края крыльчатки.
Предпочтительно каждая внешняя перегородка соединена с одной стороны с периферийным концом лопатки с вогнутой стороны последней и выполнена с длиной, меньшей расстояния до соседней лопатки.
Предпочтительно каждая лопатка выполнена с высотой, уменьшающейся от внутреннего конца к периферийному концу, высота которого выбрана из условия обеспечения перекачивания среды с содержанием частиц заданного размера.
Предпочтительно крышка выполнена конической на участке сопряжения с лопатками, а крыльчатка выполнена со ступицей и снабжена осевой втулкой для соединения с приводным двигателем.
На фиг. 1 изображено рабочее колесо центробежного насоса в сборе, на фиг. 2 - конструктивная схема лопаток крыльчатки с выделением проходного сечения рабочего колеса, на фиг. 3 - конструктивная схема расположения лопаток крыльчатки в аксонометрической проекции, на фиг. 4 - вид сбоку по фиг. 2.
Рабочее колесо центробежного насоса имеет крышку 11 и крыльчатку 10 с криволинейными лопатками 1, 2, 3, 4, установленными с образованием чередующихся проточных (открытых) межлопаточных каналов 13, 14 и непроточных (закрытых) межлопаточных каналов 15, 16. В непроточных межлопаточных каналах 15, 16 попарно закреплены перегородки 5, 6, 7, 8. В каждом из непроточных межлопаточных каналов закреплены по две перегородки 5, 6 и 7, 8, из которых перегородки 5, 7 внутренние, а перегородки 6, 8 внешние (периферийные), т.е. расположенные на разных расстояниях относительно центра (оси вращения) ступицы 9 крыльчатки 10. Внутренняя перегородка 5 выполнена сплошной и соединена краями с парой соседних лопаток 2, 3, внутренняя перегородка 7 выполнена сплошной и соединена краями с парой соседних лопаток 1, 4. Внешняя перегородка 6 соединена с одной лопаткой 2 из пары соседних лопаток 2, 3 с образованием с другой лопаткой 3 периферийного отверстия (окна) 17 на одной (внешней, периферийной) стороне непроточного межлопаточного канала 15. Внешняя перегородка 8 соединена с лопаткой 4 из пары соседних лопаток 1, 4 с образованием с другой лопаткой 1 периферийного отверстия (окна) 18 на одной (внешней, периферийной) стороне непроточного межлопаточного канала 16. На фиг. 2 обозначено S - проходное сечение для перекачиваемой среды проточных (открытых) межлопаточных каналов 13, 14.
В результате общее проходное сечение колеса существенно снижено. Тем самым снижен расход колеса и, как следствие, потребляемая мощность насоса, что позволяет использовать разницу в рамках номинальной располагаемой мощности двигателя для увеличения диаметра D и напора колеса.
Крыльчатка 10 выполнена с четным количеством лопаток 1-4, а внутренние перегородки 5, 7 выполнены сплошными, размещены ближе, чем внешние перегородки 6, 8, к внутренним концам лопаток 1-4 и соединены краями с парой соседних лопаток 2, 3 и 1, 4 соответственно. При этом внешние перегородки 6 и 8 размещены ближе к периферийным концам лопаток 1-4 у внешнего края крыльчатки 10 и соединены каждая с одной лопаткой 2 или 4 соответственно из пары соседних лопаток 2, 4 с образованием периферийных отверстий (окон) 17, 18 непроточных межлопаточных каналов 15, 16.
Перегородки 5, 7 и 6, 8 соответственно выполнены в виде участков концентричных друг другу цилиндрических поверхностей, выпуклых в направлении внешнего края крыльчатки 10.
Периферийные края лопаток 1-4 размещены по дуге окружности внешнего края крыльчатки 10, диаметр D которой выбран из условия обеспечения заданного напора. Тем самым снижен расход колеса и, как следствие, потребляемая мощность насоса, что позволяет использовать разницу в рамках располагаемой номинальной мощности двигателя для увеличения диаметра D и напора колеса.
Лопатки 1-4 выполнены криволинейными и закреплены на крыльчатке 10 штифтами, или лопатки 1-4 могут быть выполнены криволинейными за одно с крыльчаткой 10.
Каждая внешняя перегородка 6, 8 соединена с одной стороны с периферийным концом одной лопатки (2, 4) с вогнутой стороны последней и выполнена с длиной, меньшей расстояния до соседней лопатки (1, 3).
Передняя и задняя поверхности каждой лопатки 1-4 выполнены в виде плавно сопряженных цилиндрических участков с образующими криволинейной формы.
Каждая лопатка 1-4 выполнена с высотой (толщиной), уменьшающейся от внутреннего к периферийному концу, высота (толщина) Н которого выбрана из условия обеспечения перекачивания среды с содержанием частиц заданного размера, а диаметр D окружности внешнего края крыльчатки 10 выбран из условия обеспечения необходимого давления нагнетания.
Крышка 11 выполнена конической на участке сопряжения с лопатками 1-4, а ступица 9 крыльчатки 10 и снабжена осевой втулкой 12 для соединения с валом приводного электродвигателя или иного двигателя (не изображен).
Рабочее колесо центробежного насоса работает следующим образом.
Крыльчатка 10 с лопатками 1-4 приводится во вращение приводным двигателем, вал которого сопряжен с осевой втулкой 12.
Перекачиваемая среда, например водонефтегазовая смесь, с механическими примесями поступает из ствола скважины в межлопаточные каналы 13, 14, образуемые лопатками 1-4, крыльчаткой 10 и крышкой 11. Основными параметрами, влияющими на гидравлические характеристики центробежного колеса и потребляемую мощность насоса, являются диаметр D крыльчатки 10 и высота Н лопатки 1-4. Критичным параметром, влияющим на значение максимального напора, является диаметр D крыльчатки 10. Высота Н лопатки 1-4 на выходе из колеса является величиной, характеризующей способность насоса перекачивать среду с содержанием целых твердых частиц (например, дренажные воды), размер которых, как правило, и ограничивается значением Н.
В заявляемом рабочем колесе через межлопаточные каналы 15, 16, образуемые лопатками 2 и 3, а также 1 и 4 перекачиваемая среда не подается, т.е. проходное сечение рабочего колеса и расход перекачиваемой среды конструктивно уменьшены с одновременным ограничением потребляемой мощности, без уменьшения наружного диаметра D колеса и высоты Н лопаток 1-4 на периферийных концах. Тем самым достигается снижение расхода насоса и, как следствие, потребляемой мощности, что позволяет использовать разницу в рамках располагаемой номинальной мощности двигателя для увеличения диаметра D и напора колеса.
При взаимодействии потока смеси с лопатками 1-4 и перегородками 5-8 перекачиваемая среда поступает только через сечения S межлопаточных каналов 13, 14, а благодаря практически перекрытым остальным межлопаточным каналам 15, 16 в последних не происходит разрушение твердых частиц, а также интенсивное вихреобразование и не возникают разрывы потока, изменяющие характер движения жидкости, так как перегородки 7-8 не допускают выход перекачиваемой среды нагнетательный патрубок (не изображен) из этих межлопаточных каналов 15, 16. В результате имеется возможность оптимально сбалансировать характеристики приводного электродвигателя и гидравлической части насоса. Между перегородкой 6 и лопаткой 3, а также между перегородкой 8 и лопаткой 1 есть лишь небольшие отверстия 17, 18 (зазоры) для заполнения закрытых межлопаточных каналов 15, 16 перекачиваемой средой с целью исключения дисбаланса вращающихся частей. Таким образом, закрытое состояние указанных межлопаточных каналов 15, 16 препятствует образованию в колесе вихрей и разрывов потока, изменяющих характер движения жидкости и вызывающих пульсации нагрузки, ведущих к ускоренному износу и сокращению срока безотказной эксплуатации. При этом обеспечена возможность выравнивания температур, давления и содержания растворенных веществ, как в проточных 13, 14, так и в непроточных межлопаточных 15, 16 межлопаточных каналах.
После прохождения через рабочее колесо продукция скважины поступает через каналы 13, 14 в нагнетательный патрубок, где приобретенная кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную энергию давления.
Благодаря рациональному соотношению диаметра D крыльчатки 10 и высоты Н лопаток 1-4 на периферийных концах, основанному на уменьшении суммарного проточного межлопаточного пространства колеса и стабилизации состояния среды в нем, предотвращается быстрый износ, разбалансировка и засорение механическими примесями рабочего колеса предложенной конструкции, сокращается и стабилизируется потребление энергии приводным двигателем и обеспечивается возможность успешной насосной эксплуатации низкодебитных нефтяных и иных скважин.
Испытания модельного рабочего колеса предложенной конструкции в осложненных условиях показали, что засорения колеса механическими примесями не происходит.