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 ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, содержащая рабочее колесо с лопатками, размещенными между ведущим и ведомым дисками, формирующими проточную часть рабочего колеса, и направляющего аппарата с лопатками, размещенными между нижним и верхним дисками, формирующими проточную часть направляющего аппарата. На верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены выступы, ориентированные в радиальном направлении, выполняющие функции дополнительного подпорного колеса вихревого насоса. [Патент RU 2218482 С1, 10.07.2002, F 04 D 13/10]
Работа такого подпорного колеса сопровождается повышением мощности привода насоса, особенно в зоне характеристики с малыми значениями подачи.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, состоящая из рабочего колеса с лопатками размещенными между ведущим и ведомым дисками, формирующими проточную часть рабочего колеса, и направляющего аппарата с лопастями, размещенными между дисками, формирующими проточную часть направляющего аппарата, при этом лопатки рабочего колеса выполнены Г-образной формы, выступающие выходные участки которых расположены по окружности за внешней кромкой ведущего диска и образуют осевую круговую решетку, обеспечивающую разворот потока жидкости с выхода рабочего колеса из радиального направления в осевое. Высота выступающих участков
рабочего колеса относительно наружной поверхности ведущего диска составляет от 0,5 до 1,0 высоты проточной части рабочего колеса. Возможен вариант исполнения, в котором лопатки рабочего колеса нормально расположены к ведущему диску. Возможен также вариант исполнения, в котором лопатки рабочего колеса расположены под углом к ведущему диску, не превышающим значения выходного угла лопаток более чем на 20°. На входе и выходе проточной части направляющего аппарата имеются соответственно входная и выходная кольцевые камеры, которые обеспечивают гидравлическую связь проточных частей рабочего колеса и направляющего аппарата. Между контактирующими горизонтальными поверхностями рабочего колеса и направляющего аппарата установлены осевые опоры. [Патент RU 2269032 С2, 03.02.2004; F 04 D 1/06, 13/10].
Недостатком известного устройства является то, что необходима дополнительная мощность привода насоса. В известной ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, круговая решетка, образованная выступами лопаток работает как дополнительное подпорное колесо вихревого насоса, причем выступы установлены на максимально возможном диаметре - на выходе лопасти рабочего колеса, что вызовет максимально возможный рост затрачиваемой на работу мощности. Дополнительные затраты мощности на работу такого подпорного колеса тем выше, чем больше диаметр, на котором установлены выступы, а повышение мощности привода насоса особенно велико в зоне характеристики с малыми значениями подачи. В известном устройстве -выступающие выходные участки лопастей потребуют увеличения высоты ступени и, соответственно, потребуют увеличения габаритного осевого размера насоса в целом.
Техническим результатом использования полезной модели является создание ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса,
обеспечивающей снижение мощности привода насоса при перекачке газожидкостных смесей и позволяющей сократить габаритный осевой размер насоса. В дополнение техническое решение должно позволить упростить и удешевить технологию изготовления деталей ступени.
Указанный технический результат достигается тем, что ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса состоит из рабочего колеса, имеющего ступицу и лопатки, направляющего аппарата, верхний и нижний диски с размещенными между ними лопатками, формирующими проточную часть направляющего аппарата. На входе и выходе проточной части направляющего аппарата имеются 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. Удлиненные участки лопаток рабочего колеса могут иметь выступы, расположенные по окружности ниже верхнего диска направляющего аппарата и вращающиеся в выходной кольцевой камере направляющего аппарата. Направляющий аппарат может выполняться разборным. В этом случае верхний диск направляющего аппарата выполняется съемным. Рабочее колесо может быть выполнено как колесо открытого типа и оснащено лопатками, закрепленными непосредственно на ступице. Между валом и направляющим аппаратом может быть установлен центрирующий подшипник.
Совокупность существенных признаков заявляемого технического решения может быть многократно использована в производстве насосов.
Технический результат заключается в снижении потребляемой мощности и соответственно в повышении коэффициента полезного действия насоса, особенно в зоне малых подач. Заявляемое техническое
решение обеспечивает уменьшение габарита в осевом направлении и упрощение изготовления конструкции.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего технического решения станут понятными при рассмотрении вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые рисунки.
На фигуре 1 изображены две ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса в сборе.
На фигуре 2 изображены ступени, где на входе рабочего колеса лопатки имеют выступы.
На фигуре 3 изображен направляющий аппарат со снятым верхним диском в изометрии.
На фигуре 4 изображена одна ступень без корпуса в изометрии.
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 на лопатках 10 закреплено 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. Удлиненные входные участки 18 лопаток 5 могут иметь выступы 19 (смотри фиг.2), расположенные по окружности ниже верхнего диска 8 направляющего аппарата 3 и вращающиеся в выходной кольцевой камере 13 направляющего аппарата 3.
Направляющий аппарат 3 может быть выполнен разборным. При этом, верхний диск 8 направляющего аппарата 3 выполнен съемным и зажат между кольцом 14 и лопатками 10.
На выходе рабочего колеса 2 концы лопаток 5, как в известных насосах, могут быть прямыми, отогнутыми назад или отогнутыми вперед по направлению вращения.
Верхний диск 8 направляющего аппарата 3 выполнен свободным от механического контакта с рабочим колесом 2. Отсутствие силового воздействия от механического контакта двух деталей позволяет изготовить верхний диск 8 тонкостенным, что способствует уменьшению габаритных размеров ступени центробежного 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 газожидкостную 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 13 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 удлиненными 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. Когда на удлиненных входных участках 18 выполнены выступы 19, силовое воздействие на перекачиваемую среду начинается уже в выходной кольцевой камере 13. 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 газожидкостной 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 газожидкостных смесей. В заявляемом техническом решении диспергирование происходит на входе в рабочее колесо 2, где окружная (тангенциальная) скорость вращения меньше, чем в известном техническом решении, что способствует и уменьшению потерь энергии на процесс диспергирования. В заявляемом техническом решении лопастная круговая решетка сформирована на входе рабочего колеса, а не на выходе рабочего колеса и за его пределами, как в известном решении. Это также позволило полезно использовать объем рабочего колеса и уменьшить габариты ступени насоса. Кроме того, выступы 19 позволили полезно использовать ранее не использованный в известном решении объем выходной кольцевой камеры 13 направляющего аппарата 3. За счет выступов 19 удается увеличить время силового взаимодействия рабочего колеса с перекачиваемой средой, что позволяет подвести дополнительную мощность к насосу без увеличения его габаритов.
Верхний диск 8 направляющего аппарата 3 выполнен свободным от механического контакта с рабочим колесом 2. Отсутствие силового воздействия от механического контакта двух деталей позволяет изготовить верхний диск 8 тонкостенным, что способствует уменьшению габаритных размеров ступени центробежного насоса. При расчете толщины верхнего диска 8 следует учитывать, что основная действующая на диск нагрузка обусловлена наличием перепада гидростатического давления. Это, в свою очередь, позволяет направляющий аппарат выполнить разборным. В данном случае верхний диск направляющего аппарата выполняют съемным. Такое техническое решение позволяет упростить и удешевить технологию изготовления направляющего аппарата 3.
Может применить колесо открытого типа. За счет отказа от использования ведомого диска, или за счет отказа от использования
ведущего и ведомого дисков, появляется возможность уменьшить габариты ступени многоступенчатого центробежного насоса и всего насоса в целом.
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, лопатки 10 и кольцо 14 направляющего аппарата 3 обеспечивают передачу силовых нагрузок на корпус 1.
Технический результат в снижении потребляемой мощности достигается за счет снижения затрат механической энергии на диспергирование. Повышается коэффициент полезного действия насоса. Конструкцию насоса можно выполнить с меньшими габаритами в осевом направлении. Что позволит упростить его монтаж и эксплуатацию. Отсутствие закрытых полостей в деталях упрощает их изготовление.