СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
STEP OF SUBMERSIBLE CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в погружных центробежных скважинных насосах для добычи нефти из скважин с высоким содержанием солей, свободного газа и механических примесей.
Погружные центробежные насосы, как правило, содержат одну или несколько насосных секций. Насосная секция такого насоса состоит из корпуса, в котором установлены направляющие аппараты и вал с рабочими колесами (Чичеров Л.Г. и др. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования. - М.: Недра, 1987). При этом в процесс эксплуатации проходные каналы рабочих колес и направляющих аппаратов забиваются механическими примесями, особенно первых ступеней, что являются причиной срыва потока насоса, износа щелевых уплотнений, повышенной вибрации и, как следствие, - выхода насоса из строя. Кроме того, элементы насоса подвергаются воздействию агрессивной среды, в результате чего металлические детали подвержены коррозии. Взаимодействие пар трения в агрессивной среде скважины, в которой присутствуют взвешенные механические частицы, приводит к их интенсивному изнашиванию.
Известен погружной центробежный насос для откачки пластовой жидкости из нефтяных скважин. Каждая ступень такого насоса содержит рабочее колесо закрытого типа и направляющий аппарат с лопатками, выступающими за диаметральный размер наружной крышки аппарата. Рабочее колесо ступени имеет спрофилированные лопатки между ведущим и ведомым дисками (Богданов Н.А. Погружные центробежные насосы для добычи нефти. - М.: Недра, 1968, 38-50 с.).
Известна ступень многоступенчатого центробежного насоса (патент РФ №2220327, МПК F04D 29/02, 27.12.2003), содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо, выполненное в виде единого целого с втулкой, внешняя цилиндрическая поверхность которой образует пару трения с соответствующей внутренней цилиндрической поверхностью направляющего аппарата. Одна из деталей, поверхности которых образуют упомянутую пару трения, выполнена из спеченного пористого металлического материала, а вторая деталь выполнена из литейного чугуна нирезиста, при этом, по меньшей мере, часть детали из спеченного пористого металлического материала пропитана сплавом с высоким содержанием меди.
Недостатками известного насоса (патент РФ №2220327, МПК F04D 29/02, 27.12.2003) является значительная трудоемкость и высокая стоимость его изготовления при низкой коррозионной и износостойкости, а также значительный вес деталей, выполненных методами спекания и литья.
Наиболее близким аналогом является ступень погружного центробежного насоса (патент №РФ 2274769, МПК F04D 13/10, F04D 29/02, СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА. 20.04.2006). Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса содержит рабочее колесо с втулкой и направляющий аппарат, состоящий из стакана, верхнего диска, втулки, нижнего диска (крышки) и лопастей, где рабочее колесо с втулкой выполнены из пластмассы, например из полиамида с наполнителем. Лопасти и втулка расположены на отдельной планшайбе, закрепленной на верхнем диске, а нижний диск выполнен в виде крышки, при этом планшайба лопасти и нижний диск выполнены из пластмассы.
Однако использование металлического стакана направляющего аппарата делает конструкцию металлоемкой и подверженной коррозионному износу. Кроме того, в процессе эксплуатации перекачиваемая жидкость, содержащая механические примеси, приводит к интенсивному абразивному износу деталей насоса, а также к скоплению примесей во внутренних полостях насоса.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание такой ступени погружного насоса, который позволил бы с наименьшими экономическими затратами производить и эксплуатировать погружные центробежные насосы в условиях работы в скважинах с высоким содержанием минеральных солей, механических и абразивных примесей в пластовой жидкости, за счет изготовления элементов насоса пониженной массой, обеспечивающих требуемые эксплуатационные свойства насосов.
Таким образом, техническим результатом изобретения является уменьшение массы изделия и повышение надежности его работы.
Технический результат достигается за счет того, что в ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, содержащей рабочее колесо со ступицей и направляющий аппарат, состоящий из стакана, верхнего диска с осевой опорой, нижнего диска и лопаток, согласно изобретению верхний диск направляющего аппарата с осевой опорой выполнены монолитно со стаканом, причем стакан выполнен из перфорированного металлического цилиндра с покрытием из полимерного материала на его внутренней поверхности, причем полимерный материал покрытия заполняет перфорации металлического цилиндра, а металлический цилиндр выполнен на одном конце с буртиком, внедренным внутрь материала верхнего диска направляющего аппарата.
Технический результат достигается также за счет того, что в ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса используется вальцованный металлический цилиндр с буртиком, а верхний диск с осевой опорой, нижний диск и лопатки направляющего аппарата, а также рабочее колесо изготовлены из полимерного материала, в качестве металла цилиндра с буртиком используется нержавеющая или легированная сталь, а в качестве полимерного материала используются композиции на основе полифениленсульфида.
Технический результат достигается также за счет того, что в ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса могут быть реализованы следующие варианты: по крайней мере, в одной осевой опоре колеса выполнены равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, углубления и/или каналы и, по крайней мере, один из каналов открыт с внешней стороны, причем глубина углублений и каналов составляет от 0,8 до 2,5 мм, а их общая площадь величину от 10 до 50% от общей площади сопрягаемой пары трения; на верхнем диске направляющего аппарата со стороны рабочего колеса выполнены равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, и/или углубления, и/или каналы, причем глубина углублений и каналов составляет от 0,8 до 2,5 мм, их общая площадь величину от 10 до 50% от общей площади сопрягаемой пары трения, а высота дополнительных лопаток составляет от 1 до 6 мм; на нижнем диске направляющего аппарата со стороны рабочего колеса выполнены равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, и/или углубления, и/или каналы, причем глубина углублений и каналов составляет от 0,8 до 2,5 мм, а их общая площадь величину от 10 до 50% от общей площади сопрягаемой пары трения; перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде кругов диаметром от 1 мм до 5 мм, общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем круги расположены по поверхности равномерно; перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде овалов общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем овалы расположены по поверхности равномерно; перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде кругов и овалов общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем круги и овалы расположены по поверхности равномерно, при их чередовании.
В процессе эксплуатации насоса стаканы направляющего аппарата подвергаются воздействию осевых нагрузок, возникающих вследствие перепада давления. Поэтому в традиционных насосах для обеспечения необходимой прочности, стаканы изготавливаются чисто металлическими. Однако это приводит к их преждевременному разрушению из-за интенсивной коррозии. Это противоречие решается в предлагаемом техническим решении за счет выполнения стакана из перфорированного металлического цилиндра с покрытием из полимерного материала на его внутренней поверхности, причем полимерный материал покрытия заполняет перфорации металлического цилиндра, а металлический цилиндр выполнен на одном конце с буртиком, внедренным внутрь материала верхнего диска направляющего аппарата. При этом полимерное покрытие надежно защищает металлический каркас от коррозионного износа, а металлический цилиндр обеспечивает необходимую прочность стакана. За счет заполнения полимерным материалом покрытия перфораций металлического цилиндра обеспечивается прочное сцепление покрытия с основным материалом цилиндра, а выполнение на одном конце цилиндра с буртика, внедренного  внутрь материала верхнего диска направляющего аппарата, обеспечивает большую жесткость конструкции и, следовательно, большую эксплуатационную надежность насоса. В известных технических решениях (например, патент №РФ 2274769) верхний диск направляющего аппарата присоединяется к металлическому стакану, что приводит к возникновению дополнительного «проблемного» стыка на границе «стакан - верхний диск» или «металл-полимер», герметичность которого должна быть обеспечена. В предлагаемом техническом решении стакан направляющего аппарата и верхний диск выполняются в виде одной детали из полимерного материала с армированием границы стыка «стакан - верхний диск», что к тому же позволяет избежать возникновения указанного дополнительного стыка в конструкции ступени насоса. Еще одним преимуществом выполнения композиционной детали, совмещающей достоинства металла и полимера в одной детали, является уменьшение веса конструкции и снижение стоимости насоса за счет экономии более дорогого материала (металла). При этом из полимерного материала могут быть изготовлены другие элементы и детали насоса, такие как рабочее колесо, элементы направляющего аппарата. Преимущество увеличения доли полимерного материала в конструкции насоса связано с меньшей плотностью этого материала по сравнению с металлом, низкой подверженностью коррозии, небольшой стоимостью и меньшей склонностью к отложению солей. В качестве полимерного материала могут быть использованы композиции на основе полифениленсульфида с армирующей фазой, например фортрон.
Использование перфораций в металлическом цилиндре стакана позволяет уменьшить долю металла в монолитной детали «верхний диск - стакан» при обеспечении той же жесткости конструкции. Перфорации в металлическом цилиндре стакана позволяют сделать соединение металлического каркаса с полимерным покрытием более надежным, поскольку полимерный материал пронизывает насквозь металлический цилиндр через выполненные в нем перфорации. Полимерное покрытие может быть нанесено одним их известных способов, например газотермическим методом или при прессовании монолитной детали. Перфорации металлического цилиндра выполняются в поперечном сечении в виде кругов диаметром от 1 мм до 5 мм и/или овалов общей площадью кругов или овалов от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем круги и овалы расположены по поверхности равномерно, а при использовании перфораций в виде кругов и овалов - они располагаются по поверхности, чередуясь друг с другом. Использование диаметра круглых перфораций менее 1 мм и более 5 мм, а также общей площади перфораций менее 10% ухудшает прочность сцепления «полимер-металл». Превышение общей площади перфораций более 70%, снижает прочность стакана.
Для обеспечения смазки и удаления механических примесей из зоны трения, по крайней мере, в одной из сопрягаемых пар трения выполнены равномерно расположенные по поверхности углубления и/или каналы, причем глубина углублений и каналов составляет от 0,8 до 2,5 мм. При изготовлении углублений или каналов меньше 0,8 мм ухудшается процесс удаления механических примесей (например, мелкого песка), а при увеличении углублений более 2,5 мм ухудшаются технические характеристики насоса. Форма поперечного сечения углублений и каналов должна обеспечивать выброс механических частиц из зоны трения и создавать эффект гидродинамического подшипника. При этом углубления могут располагаться по различной схеме, быть открытыми или закрытыми с внешней стороны. Каналы, как правило, имеют более разветвленное расположение на поверхности, могут пересекаться между собой, имеют более узкое сечение. Возможна комбинация углублений и каналов. В этом случае эффект удаления механических частиц связан с характером чередования и шагом расположения углублений и каналов. По сравнению с применением только углублений композиция «каналы-углубления» позволяет меньшее время механическим частицам находиться непосредственно в зоне контакта пары трения. Протяженные углубления и каналы в осевых опорах могут быть ориентированы как в радиальном направлении, так и располагаться под углом от 10 до 80 градусов в прямом или обратном направлении. Общая площадь углублений или каналов может составлять величину от 10 до 50% от общей площади сопрягаемой пары трения. При величине, меньшей 10%, уменьшится эффект удаления механических частиц из зоны трения, а при большей - возрастут контактные нагрузки на пару трения. Использование дополнительных лопаток наряду с углублениями позволяет предотвратить перемещения жидкости в областях между дисками рабочего колеса и соседними направляющими аппаратами, а также препятствовать образованию газовых пузырьков. Их число может составлять от 3 до 9.
Использование дополнительных лопаток на верхнем диске направляющего аппарата, выполненных высотой от 1 до 6 мм и загнутых на периферийной части верхнего диска под углом от 20 до 80 градусов в направлении вращения рабочего колеса, обеспечивает отвод механических примесей. Углы меньше 20 градусов и больше 80 градусов снижают указанный эффект.
Использование дополнительных лопаток на нижнем диске направляющего аппарата, обеспечивают регулирование осевой силой и повышают напор насоса.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена ступень погружного насоса, продольный разрез. Ступень содержит: 1 - стакан; 2 - рабочее колесо; 3 - ступица; 4 - ось насоса; 5 - металлический цилиндр с перфорациями; 6 - полимерный материал; 7 - направляющий аппарат; 8 - перфорации в металлическом цилиндре; 9 - верхний диск направляющего аппарата; 10 - лопатки направляющего аппарата; 11 - нижний диск направляющего аппарата; 12 - ступица; 13 - осевая опора; 14 - лопатки рабочего колеса; 15 - буртик металлического цилиндра; 16 - покрытие из полимерного материала.
Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса содержит рабочее колесо 2 со ступицей 3 и лопастями 14, направляющий аппарат 7, состоящий из верхнего диска 9 с осевой опорой 13, стакана 1, нижнего диска 11 со ступицей 12, лопаток 10. Верхний диск 9 направляющего аппарата 7 с осевой опорой 13 изготовлен монолитно со стаканом 1 из полимерного материала 6. Стакан 1 выполнен из перфорированного металлического цилиндра 5 с покрытием 16 из полимерного материала на его внутренней поверхности. Металлический цилиндр 5 выполнен с перфорациями 8. Верхний диск 9 с осевой опорой 13, нижний диск 11 и лопатки 10 направляющего аппарата 7, а также рабочее колесо 2 изготовлены из полимерного материала, а в качестве металла цилиндра 5 используется нержавеющая или легированная сталь. В качестве полимерного материала 6 используются композиции на основе полифениленсульфида.
По крайней мере, в одной осевой опоре колеса 2 выполнены равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки углубления и/или каналы и, по крайней мере, один из каналов открыт с внешней стороны, причем глубина углублений и каналов составляет от 0,8 до 2,5 мм, а их общая площадь величину от 10 до 50% от общей площади сопрягаемой пары трения. По крайней мере, в одной осевой опоре 13 направляющего аппарата 7 выполнены равномерно расположенные по поверхности углубления и/или каналы и, по крайней мере, один из каналов открыт с внешней стороны, причем глубина углублений и каналов составляет от 0,8 до 2,5 мм, а их общая площадь величину от 10 до 50% от общей площади сопрягаемой пары трения. По крайней мере, в одной втулке 3 радиальной пары трения ступени выполнены равномерно расположенные по поверхности углубления и/или каналы, причем глубина углублений и каналов составляет от 0,8 до 2,5 мм, а их общая площадь величину от 10 до 50% от общей площади сопрягаемой пары трения. На верхнем диске 9 направляющего аппарата 7 со стороны рабочего колеса 2 выполнены равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, и/или углубления, и/или каналы, причем глубина углублений и каналов составляет от 0,8 до 2,5 мм, их общая площадь величину от 10 до 50% от общей площади сопрягаемой пары трения, а высота дополнительных лопаток составляет от 1 до 6 мм. На нижнем диске направляющего аппарата со стороны рабочего колеса выполнены равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, и/или углубления, и/или каналы, причем глубина углублений и каналов составляет от 0,8 до 2,5 мм, а их общая площадь величину от 10 до 50% от общей площади сопрягаемой пары трения.
Работа ступени осуществляется следующим образом. Перекачиваемая жидкость подводится через направляющий аппарат 7 предыдущей ступени. Она проходит через каналы рабочего колеса 2, образованные между его лопастями. Колесо приводится во вращение валом насоса через ступицу 3. Выбрасываясь из рабочего колеса 2, перекачиваемая жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 7, образованные между лопатками 10. Пройдя через направляющий аппарат 7 со ступицей 12, жидкость направляется на вход рабочего колеса следующей ступени.
Пример. Были проведены сравнительные испытания двух партий насосов - по пять штук в каждой. Одна партия насосов была изготовлена согласно прототипу (патент №РФ 2274769), другая - согласно предлагаемому техническому решению. Масса выполненного по предложенному техническому решению насоса была меньше на 28% по сравнению с прототипом. Надежность работы, оцениваемая по длительности безотказной работы, у насосов по предлагаемому техническому решению была на 22-30% выше, чем у прототипа.
Таким образом, ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, включающая следующие признаки: содержащая рабочее колесо со ступицей и направляющий аппарат, состоящий из стакана, верхнего диска с осевой опорой, нижнего диска и лопаток; верхний диск направляющего аппарата с осевой опорой выполнены монолитно со стаканом; стакан выполнен из перфорированного металлического цилиндра с покрытием из полимерного материала на его внутренней поверхности; полимерный материал покрытия заполняет перфорации металлического цилиндра; металлический цилиндр выполнен на одном конце с буртиком, внедренным внутрь материала верхнего диска направляющего аппарата; используется вальцованный металлический цилиндр с буртиком; верхний диск с осевой опорой, нижний диск и лопатки направляющего аппарата, а также рабочее колесо изготовлены из полимерного материала; в качестве металла цилиндра с буртиком используется нержавеющая или легированная сталь; в качестве полимерного материала используются композиции на основе полифениленсульфида; по крайней мере, в одной осевой опоре колеса выполнены равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, углубления и/или каналы и, по крайней мере, один из каналов открыт с внешней стороны, причем глубина углублений и каналов составляет от 0,8 до 2,5 мм, а их общая площадь величину от 10 до 50% от общей площади сопрягаемой пары трения; на верхнем диске направляющего аппарата со стороны рабочего колеса выполнены равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, и/или углубления, и/или каналы, причем глубина углублений и каналов составляет от 0,8 до 2,5 мм, их общая площадь величину от 10 до 50% от общей площади сопрягаемой пары трения, а высота дополнительных лопаток составляет от 1 до 6 мм; на нижнем диске направляющего аппарата со стороны рабочего колеса выполнены равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, и/или углубления, и/или каналы, причем глубина углублений и каналов составляет от 0,8 до 2,5 мм, а их общая площадь величину от 10 до 50% от общей площади сопрягаемой пары трения; перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде кругов диаметром от 1 мм до 5 мм, общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем круги расположены по поверхности равномерно; перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде овалов общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем овалы расположены по поверхности равномерно; перфорации металлического цилиндра выполнены в поперечном сечении в виде кругов и овалов общей площадью от 10 до 70% от внутренней площади металлического цилиндра, причем круги и овалы расположены по поверхности равномерно при их чередовании, позволяет достичь поставленного в изобретении технического результата - уменьшение массы изделия и повышение надежности его работы.