СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Полезная модель относится к области разработки насосов и компрессоров и может быть использована в погружных многоступенчатых центробежных насосах для добычи нефти из скважин.
Известна диспергирующая ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, содержащая направляющий аппарат, и установленное в направляющем аппарате открытое рабочее колесо, лопасти которого расположены на нижней поверхности ведущего диска, в котором в промежутках между местами закрепления лопастей выполнены отверстия, а расстояние от нижней кромки каждой из лопастей до верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата увеличивается в направлении от внутреннего края нижней кромки лопасти, к внешнему краю указанной кромки лопасти. [Патент РФ 2209347 от 22.06.2001; F04D 13/10, F04D 31/00]
Объемный расход среды, протекающей через диспергирующие отверстия в рабочем колесе, зависит от перепада давления и, следовательно, от режима работы самого насоса. Таким образом, эффективность подобного диспергирующего устройства ослабевает с повышением подачи насоса и со снижением перепада давления. Подобное диспергирующее устройство не имеет систему регулировки для меняющихся условий эксплуатации насоса.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, состоящая из рабочего колеса, имеющего ступицу и лопатки, разборного направляющего аппарата, имеющего съемный верхний диск и нижний диск с размещенными между дисками лопатками, формирующими проточную часть направляющего аппарата. На входе и выходе проточной
части направляющего аппарата выполнены соответственно входная и выходная кольцевые камеры, которые обеспечивают гидравлическую связь проточных частей рабочего колеса и направляющего аппарата. Лопатки рабочего колеса имеют удлиненные до ступицы входные участки, расположенные по окружности с образованием осевой круговой решетки. Осевая решетка обеспечивает разворот потока на входе в рабочее колесо, и кроме этого обеспечивает выполнение функций диспергатора. Между контактирующими горизонтальными поверхностями рабочего колеса и направляющего аппарата установлены осевые опоры. [Заявка №2006124211/22(026252) от 05.07.2006; F04D 13/10].
Недостатком известного устройства является то, что перемешивание жидкости с газом, то есть диспергирование, обеспечивается только за счет вихрей, образующихся при обтекании осевой решетки жидкостно-газовым потоком. Подобное диспергирующее устройство не имеет систему регулировки для меняющихся условий эксплуатации насоса.
Техническим результатом использования полезной модели является повышение коэффициента полезного действия и надежности работы ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, за счет улучшения процесса диспергирования при перекачке жидкостно-газовых смесей, особенно при добыче нефти с высоким содержанием газа и в осложненных условиях эксплуатации нефтяных скважин. В дополнение техническое решение должно позволить регулировать, настраивать систему диспергирования с учетом условий эксплуатации насоса. Кроме того, техническое решение должно упростить и удешевить технологию изготовления деталей ступени.
Указанный технический результат достигается тем, что ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса состоит из рабочего колеса открытого типа, имеющего ступицу и лопатки, направляющего
аппарата, имеющего верхний диск и нижний диск с размещенными между дисками лопатками, формирующими проточную часть направляющего аппарата. На входе и выходе проточной части направляющего аппарата выполнены соответственно входная и выходная кольцевые камеры, которые обеспечивают гидравлическую связь проточных частей рабочего колеса и направляющего аппарата. Лопатки рабочего колеса имеют удлиненные до ступицы входные участки, расположенные по окружности с образованием осевой круговой решетки. В направляющем аппарате выполнены сквозные отверстия, сообщающие проточную часть рабочего колеса с проточной частью направляющего аппарата или с проточной частью рабочего колеса соседней ступени, с возможностью периодического перекрытия этих отверстий лопатками рабочего колеса при его вращении.
Возможны варианты исполнения ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса:
- в верхнем диске направляющего аппарата выполнены сквозные отверстия, сообщающие проточную часть направляющего аппарата одной ступени с проточной частью рабочего колеса соседней ступени, установленной выше.
- в нижнем диске направляющего аппарата выполнены сквозные отверстия, сообщающие проточную часть направляющего аппарата с проточной частью рабочего колеса.
- в направляющем аппарате выполнены сквозные отверстия, проходящие через верхний диск, лопатки направляющего аппарата и нижний диск, обеспечивая непосредственное сообщение проточной части рабочего колеса одной ступени с проточной частью рабочего колеса соседней ступени.
Форма и размеры отверстий могут выступать как регулирующие параметры. Верхний диск с простейшими геометрическими формами можно использовать как сменную деталь. Имея набор верхних дисков с различными площадями отверстий, при сборке насоса можно регулировать и настраивать систему диспергирования, учитывая условия эксплуатации насоса.
Совокупность существенных признаков заявляемого технического решения может быть многократно использована в производстве насосов.
Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия и надежности работы насоса за счет эффективности диспергирования смесей жидкостей и газов. Заявляемое техническое решение обеспечивает упрощение изготовления конструкции при наличии возможностей регулирования и настройки системы диспергирования.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего технического решения станут понятными при рассмотрении вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые рисунки.
На фигуре 1 изображен разрез двух ступеней в сборе.
На фигуре 2 изображен поперечный разрез многоступенчатого погружного центробежного насоса с видом на колесо со стороны его входа.
На фигуре 3 изображена ступень варианта погружного многоступенчатого центробежного насоса, у которого в направляющем аппарате отверстия выполнены в верхнем диске. Верхний диск и колесо изображены в приподнятом положении. Из верхнего колеса и направляющего аппарата условно вырезан сегмент.
На фигуре 4 изображена ступень варианта погружного многоступенчатого центробежного насоса, у которого в направляющем аппарате отверстия выполнены в нижнем диске. Верхний диск и колесо
изображены в приподнятом положении. Из верхнего колеса и направляющего аппарата условно вырезан сегмент.
На фигуре 5 изображена ступень варианта погружного многоступенчатого центробежного насоса, у которого в направляющем аппарате отверстия выполнены в верхнем диске, лопатках и нижнем диске. Из верхнего колеса и направляющего аппарата условно вырезан сегмент.
Погружной многоступенчатый центробежный насос содержит набор ступеней, собранных в цилиндрическом корпусе 1. Ступень состоит из рабочего колеса 2 и неподвижного направляющего аппарата 3. Рабочее колесо 2 имеет ступицу 4 и лопатки 5. Между лопатками 5 сформированы каналы 6 проточной части рабочего колеса 2. Направляющий аппарат 3 имеет втулку 7, верхний диск 8, нижний диск 9 и лопатки 10, размещенные между дисками 8 и 9. Таким образом, между лопатками 10 сформированы каналы 11 проточной части направляющего аппарата 3. На входе направляющего аппарата 3 имеется входная кольцевая камера 12. На выходе направляющего аппарата 3 выполнена выходная кольцевая камера 13. Кольцевые камеры 12 и 13 обеспечивают гидравлическую связь проточных частей рабочего колеса 2 и направляющего аппарата 3, а именно, обеспечивают гидравлическую связь каналов 6 с каналами 11, С внешней стороны направляющего аппарата 3 выполнено кольцо 14, обеспечивающее пространство для вращения колеса 2. Между контактирующими горизонтальными поверхностями рабочего колеса 2 и направляющего аппарата 3 установлены осевые опоры 15. Радиальная опора выполнена в виде центрирующего подшипника 16, установленного на вал 17 и размещенного в расточке втулки 7.
Лопатки 5 рабочего колеса 2 имеют удлиненные входные участки 18, расположенные по окружности с образованием осевой круговой решетки.
Удлинение лопаток 5 выполнено в направлении к оси вращения рабочего колеса 2, до ступицы 4.
На выходе рабочего колеса 2 концы лопаток 5, как в известных насосах, могут быть прямыми, отогнутыми назад иди отогнутыми вперед по направлению вращения. Так же, как и в известных насосах, лопатки 5 могут быть расположены под прямым или под острым углом к плоскости, перпендикулярной к оси вращения рабочего колеса.
В варианте исполнения изображенного на фигуре 3, в верхнем диске 8 направляющего аппарата 3 выполнены сквозные отверстия 19, сообщающие каналы 11 проточной части направляющего аппарата 3 с каналами 6 проточной части рабочего колеса 2 соседней ступени, установленной выше.
В варианте исполнения изображенного на фигуре 4, в нижнем диске 9 направляющего аппарата 3 выполнены сквозные отверстия 20, сообщающие каналы 11 проточной части направляющего аппарата 3 с каналами 6 проточной части рабочего колеса 2, установленного ниже.
В варианте исполнения изображенного на фигуре 5, в верхнем диске 8, в толстостенных лопатках 10 и в нижнем диске 9 направляющего аппарата 3 выполнены сквозные отверстия 21, обеспечивающие непосредственное сообщение проточной части рабочего колеса 2 одной ступени с проточной частью рабочего колеса соседней ступени.
Форма, размеры и положение отверстий 19, 20 и 21 выбираются из условия возможности перекрытия этих отверстий лопатками 5 рабочего колеса 2. Площадь сечения отверстий 19, 20 и 21 может выступать как регулирующий параметр. Верхний диск 8 с простейшими геометрическими формами можно использовать как сменную деталь. Имея набор верхних дисков 8 с различными площадями отверстий 19, можно
регулировать и настраивать систему диспергирования при сборке насоса, учитывая условия эксплуатации насоса.
Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса работает следующим образом.
При вращении вала 17 лопатки 5 рабочего колеса 2 оказывают силовое воздействие на перекачиваемую среду (жидкость или жидкостно-газовую смесь), заполняющую каналы 6 и проточную часть рабочего колеса 2 в целом. Перекачиваемая среда, таким образом, вовлекается во вращательное движение. Возникающие при этом центробежные силы обеспечивают повышение давления на периферии рабочего колеса 2 и обеспечивают создание потока в направлении от центра рабочего колеса 2 к его периферии. Из каналов 6 перекачиваемая среда вытесняется во входную кольцевую камеру 12 направляющего аппарата 3. Из входной кольцевой камеры 12 перекачиваемая среда поступает в каналы 11 между лопатками 10, где за счет постепенного увеличения площади сечения каналов 11 по направлению потока обеспечивается снижение скорости течения и, соответственно, обеспечивается повышение гидростатического давления. Из каналов 11 перекачиваемая среда поступает в выходную кольцевую камеру 13, где наблюдается осевое течение, направленное вдоль оси вращения вала 17. За счет профиля лопаток 10 в выходной кольцевой камере 13 может иметь место и закрутка потока по направлению вращения вала 17. Поток с осевым направлением течения из выходной кольцевой камеры 13 попадает в каналы осевой круговой решетки, образованной входными участками 18 на лопатках 5 следующего рабочего колеса. Внутри названной круговой решетки между входными участками 18 происходит разворот потока, из осевого направления в радиальное направление течения. Векторы скоростей отдельных точек на поверхности входных участков 18 не совпадают с векторами движения
отдельных мелких порций перекачиваемой среды, что неизбежно приведет к созданию турбулентности в потоке и к перемешиванию перекачиваемой среды. Взаимодействие удлиненных входных участков 18 с потоком перекачиваемой среды способствует предварительному перемешиванию газа с жидкостью при перекачке жидкостно-газовой смеси, что наиболее характерно для условий добычи нефти, где всегда присутствует и газ. Известно, что перемешивание, так называемое диспергирование, способствует улучшению характеристик насоса при перекачке жидкостно-газовых смесей. В заявляемом техническом решении диспергирование происходит на входе в рабочее колесо 2. В представленном техническом решении применяется рабочее колесо 2 открытого типа. При вращении рабочего колеса 2 лопатки 5 периодически перекрывают отверстия 19 (20 или 21). Перекрытие может быть полным или частичным, в зависимости от соотношения толщины лопатки 5 с размерами диспергирующего отверстия 19 (20, 21). За счет такого циклического перекрывания этих диспергирующих отверстий в них реализуется импульсное течение жидкостно-газовой смеси. При этом импульсами меняется не только скорость течения, но и направление течения, так как при каждом импульсе струя (возвратный поток) обтекает движущуюся лопатку 5 и отражается от нее в разные стороны, в зависимости от положения лопатки 5 относительно отверстия 19 (или 20, 21). Импульсный характер течения через диспергирующие отверстия 19, 20, 21 способствует интенсификации перемешивания жидкости и газа, и, следовательно, можно уменьшить объемный расход в возвратном потоке. А уменьшение расхода в возвратном потоке способствует снижению затрат мощности на процесс диспергирования, тем самым повышается эффективность работы насоса в целом. При сборке насоса можно использовать один из трех типов диспергирующих отверстий: 19, или 20, или 21. Но также можно
использовать и любые комбинации из таких отверстий, включая одновременное использование в одной конструкции ступени насоса всех трех типов отверстий.
Верхний диск 8 направляющего аппарата 3 может быть выполнен съемным. Такое техническое решение позволяет упростить и удешевить технологию изготовления направляющего аппарата 3.
Осевая опора 15 может быть выполнена в виде комплекта антифрикционных шайб, либо путем нанесения антифрикционного материала на контактирующие поверхности. Осевая опора 15, центрирующий подшипник 16, втулка 7, нижний диск 9, толстостенные лопатки 10 и кольцо 14 направляющего аппарата 3 обеспечивают передачу силовых нагрузок на корпус 1.
Повышение эффективности диспергирования достигается за счет организации импульсного течения перекачиваемой среды через диспергирующие отверстия 19, 20 или 21. Регулировочные настройки системы диспергирования могут проводиться за счет изменения суммарной площади сечения диспергирующих отверстий. Подобные регулировки можно осуществлять за счет использования сменных верхних дисков 8, каждый из которых может отличаться количеством отверстий и суммарной площадью этих отверстий.
Эффективное диспергирование (дробление газовых пузырей в жидкости) позволяет уменьшить количество диспергирующих ступеней, необходимых для бесперебойной работы насоса. Это повышает коэффициент полезного действия и надежность работы насоса.