СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
STAGE OF SUBMERSIBLE MULTI-STAGE CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к многоступенчатым погружным насосам для откачки пластовой жидкости из скважин.
Ступени с дополнительным лопаточным венцом по сравнению с центробежными ступенями при одинаковых диаметральных габаритах имеют более высокую напорную характеристику во всем диапазоне подач ступени, при этом обеспечивается монотонно падающая ее форма.
Выполнение на ведущем диске рабочего колеса лопаточного венца позволяет повысить напор, кпд ступени насоса, а также оптимизировать осевую силу, действующую на рабочее колесо, что повышает надежность работы насоса.
В настоящее время рабочие колеса с лопаточным венцом на ведущем диске (импеллерами) изготавливаются из порошковых материалов.
В патенте RU 2245761 С2 (МПК B22F 7/06, B22F 3/26, опубл. 10.02.2005) представлена ступень, содержащая рабочее колесо из порошка технического железа, причем на внешней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены импеллеры.
Наиболее близкой к изобретению является центробежно-вихревая ступень центробежного насоса, содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо, изготовленное из порошковых материалов [Агеев Ш.Р., Григорян Е.Е., Макиенко Г.П. Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение. Энциклопедический справочник. Пермь: ООО «Пресс-Мастер», 2007. - С.75, рис.2.8в].
Недостатки данных ступеней обусловлены особенностями технологии их изготовления и особенностями конструкции.
Порошковый материал является пористым, обычно пропитывается медью, ступени из него по сравнению с цельнолитыми ступенями из аналогичных материалов обладают недостаточно высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью. Стоимость порошковых ступеней превосходит стоимость ступеней, изготовленных методом литья из аналогичного материала. Ступени из порошковых материалов имеют более высокую скорость солеотложения из-за наличия пористости и очагов коррозии. Недостаточные технологические возможности обусловлены тем, что в порошковой технологии затруднено изготовление наклонных форм и галтелей, таким образом, затруднено изготовление рабочих колес сложных форм с высокими энергетическими параметрами.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении коррозионностойкости, износостойкости ступени погружного центробежного насоса, снижении скорости солеотложения и повышении технологических возможностей при изготовлении, а также снижении себестоимости и повышении энергетических параметров ступени погружного центробежного насоса.
Указанный технический результат достигается тем, что ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса содержит направляющий аппарат и рабочее колесо, которое содержит ведущий и покрывной диски, между которыми размещены лопасти, и ступицу, причем на ведущем диске рабочего колеса выполнен лопаточный венец, в соответствии с изобретением рабочее колесо выполнено в виде цельнолитой конструкции из чугуна, между боковыми гранями каждой лопатки лопаточного венца и ведущим диском выполнены скругления, причем высота лопаточного венца не превышает минимальное расстояние между ведущим и покрывным дисками рабочего колеса, а радиус скруглений составляет от 0,1 до 0,8 от этой величины.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, в рабочем колесе угол между каждой лопаткой лопаточного венца на ее периферии и радиусом составляет от минус 45° до плюс 45°.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения лопаточный венец выполнен в виде чередующихся ячеек, открытых с внешней стороны, или в виде чередующихся каналов.
Кроме того, величина радиуса на входе в направляющий аппарат составляет от 0,1 до 3 величины минимального расстояния между ведущим и покрывным дисками рабочего колеса.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения чугун содержит, в частности, кремний, марганец, хром, церий, фосфор и серу при следующем содержании указанных элементов, мас.%:
углерод
3,5-3,9
кремний
2,1-2,7
марганец
0,4-0,6
хром
<0,12
сера
0,05-0,07
фосфор
<0,3
церий
<0,03
бор
<0,01
Кроме того, в частном случае реализации изобретения чугун содержит, в частности, кремний, марганец, хром, никель, медь, фосфор и серу при следующем содержании указанных элементов, мас.%:
углерод
2,7-3,1
кремний
1,2-1,9
марганец
0,85-1,5
хром
0,7-1,5
никель
15-17
медь
6,1-8
сера
<0,03
фосфор
<0,25
алюминий
0,01-0,3
магний
0,01-0,07
Кроме того, в частном случае реализации изобретения чугун содержит, в частности, кремний, марганец, хром, никель, медь, фосфор и серу при следующем содержании указанных элементов, мас.%:
углерод
3,25-3,6
кремний
1,8-2,4
марганец
0,5-0,85
хром
0,1-0,2
никель
0,1-0,3
медь
0,2-0,5
сера
0,09-0,15
фосфор
<0,1
олово
0,06-0,1
Выполнение цельнолитого рабочего колеса из чугуна позволяет избавиться от пористости в сравнении с порошковыми ступенями из аналогичных материалов, получить более высокую износостойкость и коррозионную стойкость, снизить стоимость.
Ступени, изготовленные методом литья, имеют более высокую коррозионную стойкость по сравнению со ступенями, изготовленными технологиями спекания порошковых материалов. Пористая структура порошковых материалов по мере вымывания меди не препятствует проникновению агрессивной среды вглубь материала - контактирующая поверхность кратно возрастает, что приводит к быстрому выходу ступеней из эксплуатации.
Рабочее колесо, выполненное из чугуна типа нирезист, имеет более низкую скорость солеотложения по сравнению с обычным порошковым материалом из-за отсутствия очагов коррозии, которые являются центрами отложения солей. Кроме того, в местах возникновения коррозии появляется разница потенциалов, которая также способствует отложению ионов соли.
Использование технологии литья позволяет достичь более высоких технологических возможностей, в порошковой технологии затруднено изготовление наклонных форм и галтелей, таким образом, затруднено изготовление рабочих колес сложных форм с более высокими энергетическими параметрами.
Проведенные исследования показали, что высота лопаточного венца большая, чем расстояние между ведущим и покрывными дисками рабочего колеса, экономически не выгодна, поскольку повышает монтажную высоту ступени погружного насоса, содержащую рабочее колесо, а также не приводит к существенному повышению напора и кпд.
Изготовление таких скруглений между боковыми гранями каждой лопатки лопаточного венца и ведущим диском, что радиус скруглений составляет от 0,1 до 0,8 минимального расстояния между ведущим и покрывным дисками рабочего колеса, позволяет снизить гидродинамические потери при течении жидкости в зазоре между рабочим колесом и направляющим аппаратом и тем самым повысить КПД и напор ступени. Гидравлические потери в круглых трубах меньше чем в квадратных трубах той же площади. Наибольшая скорость потока в ступени между выходом из рабочего колеса и входом в направляющий аппарат. Гидравлические потери зависят от скорости потока в квадрате. Выполнение радиуса на входе в направляющий аппарат, составляющего от 0,1 до 3 величины минимального расстояния между ведущим и покрывным дисками рабочего колеса, позволяет сделать вход в каналы направляющего аппарата более плавным и вследствие этого снизить гидравлические потери на входе в направляющий аппарат.
С точки зрения технологии и гидродинамики наиболее оптимален угол между каждой лопаткой лопаточного венца рабочего колеса и радиусом от минус 45° до плюс 45°. При углах, близких к нулевому значению, выше технологичность изготовления рабочего колеса. При положительных углах выше скорость течения рабочей жидкости в зазоре между рабочим колесом и направляющим аппаратом, поэтому выше напор ступени, при отрицательных углах наклона скорость меньше, соответственно меньше гидродинамические потери и в ряде случаев может быть выше кпд ступени.
Краткое описание графических материалов, поясняющих сущность изобретения.
На фиг.1 представлена ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса в разрезе в составе секции погружного многоступенчатого насоса.
На фиг.2 - рабочее колесо с лопаточным венцом в виде комбинации чередующихся ячеек и каналов.
На фиг.3 - рабочее колесо с лопаточным венцом в виде чередующихся ячеек.
На фиг.4 - рабочее колесо с лопаточным венцом в виде чередующихся каналов.
На фиг.5 - скругления между лопатками лопаточного венца и ведущим диском.
Секция 1 погружного многоступенчатого центробежного насоса содержит вал 2, корпус 3, в котором установлены ступени, каждая из которых состоит из рабочего колеса 4, содержащего ступицу, ведущий 5 и покрывной 6 диски, между которыми размещены лопасти, и направляющего аппарата 7, головку 8 и основание 9. На ведущем диске 5 рабочего колеса 4, выполненного в виде цельнолитой конструкции из чугуна, изготовлен лопаточный венец 10. Лопаточный венец может быть изготовлен в виде чередующихся ячеек, открытых с внешней стороны 11 (фиг.3), каналов 12 (фиг.4) или в виде комбинации чередующихся ячеек и каналов (фиг.2).
Между боковыми гранями каждой из лопаток лопаточного венца 10 и ведущим диском 5 выполнены скругления; высота лопаточного венца 10 не превышает минимальное расстояние между ведущим 5 и покрывным 6 дисками рабочего колеса 4, а радиус R скруглений составляет от 0,1 до 0,8 от этой величины.
Ступень работает следующим образом. При вращении вала 2 погружного многоступенчатого центробежного насоса крутящий момент передается на рабочие колеса 4. Пластовая жидкость входит в секцию через основание 9, последовательно проходит через рабочие колеса 4, направляющие аппараты 7, выходит через головку 8. При этом происходит повышение давления пластовой жидкости.
При вращении рабочего колеса 4 благодаря наличию лопаточного венца 10 на ведущем диске 5 жидкость в пазухе между этим диском и направляющим аппаратом 7 вращается с большей угловой скоростью, чем при отсутствии лопаточного венца. Возникает торообразный вихрь, благодаря которому происходит переход жидкости от рабочего колеса 4 к направляющему аппарату 7.
Наличие скруглений между боковыми гранями каждой лопатки лопаточного венца 10 и ведущим диском 5 снижает гидравлические потери при течении жидкости в лопаточном венце 10, так как течение потока происходим по скругленным, а не по прямоугольным каналам. Снижение гидравлических потерь соответственно приводит к увеличению напора.
С точки зрения технологии и гидродинамики наиболее оптимален угол между каждой лопаткой лопаточного венца 10 рабочего колеса 4 и радиусом R от минус 45° до плюс 45°. При углах, близких к нулевому значению, выше технологичность изготовления рабочего колеса. При положительных углах выше скорость в рабочей жидкости в зазоре между рабочим колесом и направляющим аппаратом, поэтому выше напор ступени, при отрицательных углах наклона скорость меньше, соответственно меньше гидродинамические потери и в ряде случаев может быть выше кпд ступени. RA - радиус на входе в направляющий аппарат.