РАДИАЛЬНЫЙ НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ПОГРУЖНОГО НАСОСА
RADIAL GUIDE VANE OF MULTI-STAGE SUBMERSIBLE PUMP

Изобретение относится к области насосостроения и, прежде всего, к многоступенчатым насосам, используемым для добычи нефти из скважин и для подачи воды в продуктивный нефтеносный пласт для поддержания и повышения в нем пластового давления.
Известно применение в ступенях погружного многоступенчатого центробежного насоса направляющего аппарата с лопастями, размещенными между верхним и нижним дисками, формирующими проточную часть направляющего аппарата (см., например, В.Н.Ивановский и др. «Оборудование для добычи нефти и газа», Москва: ГУЛ, изд-во «Нефть и газ» РГУ Нефти и газа им. И.М.Губкина, 2002, ч.1, с.356-360, рис.5.5).
Недостатком ступени с известным направляющим аппаратом является низкое значение напора, связанное с тем, что при переходе потока из рабочего колеса в направляющий аппарат через кольцевую безлопаточную камеру происходит расслоение перекачиваемой газожидкостной смеси, при котором жидкость будет прижиматься к стенке корпуса и терять значительную часть энергии до того, как попадет на лопатки направляющего аппарата.
Такой направляющий аппарат относительно прост в изготовлении, но ступени с таким НА недостаточно хорошо перекачивают газожидкостные смеси.
Известен целый ряд радиальных направляющих аппаратов, у которых конструкция устроена так, что перекачиваемая среда, выходя с рабочего колеса, попадает под воздействие направляющих элементов, выполненных в виде направляющих лопаток или ребер, образующих совместно с плоскими поверхностями дисков и цилиндрической поверхностью корпуса НА направляющие каналы, по которым перекачиваемая среда переходит ко входу в рабочее колесо следующей ступени (патент РФ №35392 U1 на полезную модель, опубл. 10.01.2004, авт. свид-во СССР №479399, опубл. 05.08.1976, патент РФ №2142069, опубл. 27.11.1999).
В рассматриваемых конструкциях имеются спиральные выходы, диффузорные каналы, переходные наклонные каналы и обратные каналы. Подобная последовательность характерна для ступеней большого габарита. В ступенях меньшего габарита из-за необходимости сокращения общей длины направляющих каналов в некоторых случаях отдельные из перечисленных элементов отсутствуют.
В одном из таких направляющих аппаратов диффузорный канал укорочен, а вместо наклонных переходных каналов имеются вырезы с боковой поверхности нижнего диска, через которые среда может переходить из диффузорного канала в обратные (авт. свид-во СССР №479399, МКИ F04D 29/44, опубл. 05.08.1976). В другой конструкции направляющего аппарата переходный боковой канал образует боковые ребра более сложной формы (патент РФ №35392 U1 на полезную модель, МКИ F04D 29/44, опубл. 10.01.2004), что позволяет лучше организовать переход, однако форма таких наклонных переходных каналов несовершенна. Существуют конструкции направляющих аппаратов, в которых полностью отсутствуют диффузорные каналы, но есть хорошо оформленные наклонные переходные каналы (патент РФ №2142069, МКИ F04D 29/44, опубл. 27.11.1999).
Общим недостатком для всех перечисленных направляющих аппаратов является сложность изготовления.
Наиболее близким техническим решением является радиальный направляющий аппарат, имеющий цилиндрический корпус, выполненный заодно с верхним диском, и нижний диск в виде отдельной детали. На нижней, боковой и верхней поверхностях нижнего диска расположены направляющие лопатки, образующие с плоскими поверхностями верхних дисков данной и соседней ступеней, а также с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса последовательность направляющих каналов: спирального выхода, диффузорного канала, переходного канала, обратного канала. При этом на боковой поверхности нижнего диска образованы выемки (см., например, Богданов А.А. Центробежные погружные электронасосы для добычи нефти. М.: Недра, 1968, с.48-49, фиг.36).
Недостатком данного направляющего аппарата является достаточно высокая сложность изготовления нижнего диска, особенно для малых габаритов.
Задачей изобретения является обеспечение изготовления направляющего аппарата из более простых по форме деталей, обеспечение высоких напорных и энергетических характеристик ступени и эффективной работы при перекачке газожидкостных смесей.
Технический результат достигается тем, что в радиальном направляющем аппарате центробежного многоступенчатого насоса, содержащем цилиндрический корпус, верхний и нижний диски, спиральные выходы, образованные с помощью выемок на сопрягаемых поверхностях и соединенные с обратными каналами посредством переходных каналов, согласно изобретению на внутренней поверхности цилиндрического корпуса выполнены выступы, имеющие цилиндрическую поверхность, ось которой параллельна оси направляющего аппарата, и плоский торец, верхний диск изготовлен в виде отдельной детали и оснащен щелевыми гнездами, а переходные каналы сформированы с помощью выемок в отдельных вкладышах, установленных вплотную к плоским торцам каждого выступа на внутренней поверхности корпуса и неподвижно закрепленных в щелевых гнездах верхнего диска и в боковых выемках нижнего диска с возможностью образования непрерывных направляющих каналов.
Вкладыш может быть выполнен в форме тела, ограниченного внутренней и внешней цилиндрическими поверхностями, параллельными оси направляющего аппарата, двумя торцевыми плоскостями, параллельными оси направляющего аппарата, и двумя горизонтальными гранями, перпендикулярными оси направляющего аппарата, при этом во внешней цилиндрической поверхности вкладыша сформирована наклонная профилированная выемка. При этом дно выемки во вкладыше может быть образовано цилиндрической поверхностью, ось которой параллельна оси направляющего аппарата, а стенки выемки могут быть выполнены в виде сложной цилиндрической поверхности, образующие которой перпендикулярны оси направляющего аппарата. Поверхность стенок может иметь вогнутые и выпуклые участки переменной кривизны, причем для обеспечения непрерывного тока жидкости входные и выходные участки выемки могут быть параллельны или направлены под малым углом к горизонтальным граням вкладыша и плавно сопряжены с промежуточной частью, выполненной наклонной. Вкладыш может быть изготовлен методом прессования вдоль оси, параллельной его горизонтальной грани.
Под нижним диском направляющего аппарата может быть установлена кольцевая крышка со спиральными выступами, а спиральные выходы сформированы цилиндрическими поверхностями выступов корпуса, внутренними цилиндрическими поверхностями вкладышей, поверхностями боковых выступов нижнего диска и поверхностями выступов на кольцевой крышке.
Предпочтительно соединять отдельные детали направляющего аппарата путем склейки, пайки, сварки или фиксирующих элементов.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 приведен разрез сборки двух ступеней по плоскости, проходящей через ось вала и пересекающей спиральный канал.
На фиг.2 - цилиндрический корпус направляющего аппарата с выступами, общий вид снизу.
На фиг.3 - верхний диск направляющего аппарата, вид снизу.
На фиг.4 - нижний диск направляющего аппарата, виды снизу (а) и сбоку в разрезе (б).
На фиг.5 - крышка направляющего аппарата, вид сверху.
На фиг.6 - вкладыш направляющего аппарата, вид сверху (а) и со стороны выемки (б, в).
Насос набирается из ступеней вдоль вала 1. Каждая ступень состоит из направляющего аппарата 2 и рабочего колеса 3.
Направляющий аппарат 2 состоит (фиг.1) из цилиндрического корпуса 4, верхнего диска 5, нижнего диска 6, вкладышей 7 и крышки 8, выполненных в виде отдельных деталей.
На внутренней поверхности корпуса 4 имеются выступы 9 со спиральной поверхностью 10 и плоским торцом 11 (фиг.2). Спиральная поверхность 10 вместе с внутренней поверхностью вкладыша 7 формирует боковую стенку спирального выхода.
По сторонам выступов 9 в корпусе 4 выполнены нижняя 12 и верхняя 13 цилиндрические расточки.
На нижней поверхности верхнего диска 5 между ребрами 14 имеются обратные каналы 15 (фиг.3). На периферийной части диска 5 непосредственно перед входом в обратные каналы 15 выполнены щелевые гнезда 16, предназначенные для размещения вкладышей 7. Глубина щелевых гнезд 16 несколько больше, чем глубина каналов 15.
Нижний диск 6 имеет гладкие нижние и верхние поверхности и выполнен как единое целое с втулкой 17. В боковой части нижнего диска 6 сформированы двугранные выемки 18, состоящие из длинной выпуклой стороны и короткой плоской (фиг.4).
Кольцевая крышка 8 с внутренней стороны снабжена спиральными выступами 19, форма которых повторяет контур, образованный двугранными выемками 18 нижнего диска 6 (фиг.5).
Вкладыш 7 (фиг.6) ограничен внутренней 20 и внешней 21 цилиндрическими поверхностями, параллельными оси направляющего аппарата, двумя торцевыми плоскостями 22 и 23, параллельными оси направляющего аппарата и двумя горизонтальными гранями 24 и 25, перпендикулярными оси направляющего аппарата. Во внешней цилиндрической поверхности 21 сформирована наклонная профилированная выемка 26 с цилиндрическим дном 27 и стенками 28, которая может иметь выпуклые 29 и вогнутые 30 участки. Входные 31 и выходные 32 участки выемки 26 параллельны или направлены под малым углом к ее горизонтальным 24 и 25 граням и плавно сопряжены с наклонной промежуточной частью между выпуклыми 29 и вогнутыми 30 участками. Форма выемки 26 обеспечивает возможность прессования вкладыша 7 вдоль оси, параллельной его горизонтальным плоским граням 24 и 25.
При сборке направляющего аппарата в верхнюю цилиндрическую расточку 13 корпуса 4 вплотную к верхней стороне выступов 9 устанавливают верхний диск 5, совмещая переднюю кромку щелевого гнезда 16 с поверхность торца 11. Вкладыши 7 вставляют в щелевые гнезда 16, форма которых соответствует форме верхних горизонтальных граней 25, причем торцевую плоскость 23 плотно прижимают к поверхности торца 11 одного из выступов 9, при этом внешняя цилиндрическая поверхность 21 вкладыша 7 стыкуется со спиральной поверхностью 10 соседнего выступа 9, последняя совместно с тремя стенками выемки 26 формирует переходной канал. После установки вкладыша 7 его внутренняя поверхность 20 становится продолжением спиральной поверхности 10 выступа 9, а его нижняя горизонтальная грань 24 образует с нижней стороной выступа 9 общую горизонтальную поверхность. В результате образуется фигурная полость, в которой между выступами 9 и вкладышами 7 вписывается нижний диск 6, устанавливаемый при ориентации втулки 17 вверх. В образовавшуюся полость нижний диск 6 вставляют до соприкосновения с ребрами 14 верхнего диска 5. Между верхним диском 5 и нижним диском 6 таким образом формируются обратные каналы, ограниченные с четырех сторон. Далее до упора с нижней стороной выступа 9 вставляют кольцевую крышку 8, размещая спиральные выступы 19 в пустые промежутки между вкладышами 7 и свободной поверхностью выступов 9 корпуса.
Во время сборки направляющего аппарата места стыков отдельных деталей промазываются шликером на основе порошковой смеси, из которой изготовлены эти детали. Благодаря этому после сборки и спекания зазоры между деталями направляющего аппарата герметизируются и получаются проточные части, представляющие собой каналы, ограниченные с четырех сторон (переходные и обратные), что по сравнению с прототипом позволяет устранить возможные протечки.
Направляющий аппарат работает следующим образом. Поток перекачиваемой жидкости, выходя из рабочего колеса 3, попадает в спиральные отводы на нижней поверхности нижнего диска 6, затем проходит через переходные каналы во вкладышах 7 и поступает на периферийную часть обратных каналов 15 верхнего диска 5, закрытых снизу верхней стороной нижнего диска 6. Далее жидкость перемещается в радиальном направлении к центральной части диска 5 и через кольцевой зазор вокруг втулки 17 поднимается на вход рабочего колеса 3 следующей ступени.
Предлагаемая конструкция позволяет увеличить напор за счет стабилизации потока в четырехгранных каналах и предотвращения перетоков рабочей жидкости между ступенями.
Оптимальная конфигурация переходных каналов снижает гидравлические потери и обеспечивает эффективную перекачку жидкости с высоким содержанием газа.
Выполнение направляющего аппарата разъемным позволяет использовать для его изготовления технологию порошкового материаловедения с привлечением широкого ассортимента материалов. Кроме того, в случае изнашивания каждый из элементов может быть заменен отдельно.