СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
STAGE OF SUBMERSIBLE MULTI-STAGE CENTRIFUGAL 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 нём пластового давления.
Известна из авторского свидетельства SU 479399 конструкция направляющего аппарата для центробежного питательного насоса, в которой 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.
Известна также из патента RU 35392 конструкция направляющего аппарата для ступени центробежного скважинного многоступенчатого насоса, в которой переходный боковой канал образует боковые ребра более сложной формы.
Известная также из патента RU 2142069 конструкция направляющего аппарата центробежного насоса, в которой отсутствуют диффузорные каналы, но есть хорошо оформленные наклонные переходные каналы.
Однако все перечисленные конструкции направляющих аппаратов имеют сложный процесс производства и высокую стоимость изготовления, так как ступень состоит из нескольких деталей. Наличие нескольких деталей в направляющем аппарате ступени снижает точность линейного габарита каждой секции насоса, что делает затруднительным сделать насос в компрессионном исполнении, наиболее надежном, где вся секция является по сути одним большим пакетом. Длины ступиц рабочих колёс и направляющих аппаратов равны. Это позволяет осевую силу, действующую на каждое рабочее колесо, воспринимать не осевой опорой в ступени, а гидродинамической опорой в гидрозащите, которая работает не в пластовой жидкости с механическими примесями, а в масле, и имеет на порядок меньше коэффициент трения.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является ступень центробежного многоступенчатого насоса, известная из патента RU 2364756, с радиальными направляющими аппаратами, содержащими цилиндрический корпус, выполненный заодно с верхним диском, нижний диск в виде отдельной детали, спиральные выходы, соединенные с обратными каналами посредством переходных каналов. При этом каждый аппарат снабжён вкладышами, установленными напротив спиральных выходов и контактирующими с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса, при этом в теле вкладышей выполнены наклонные профилированные выемки, формирующие переходные каналы.
Однако в таком направляющем аппарате проточная часть образована несколькими деталями, между которыми существуют зазоры из-за допусков на форму. Зазоры в проточной части снижают КПД в связи с перетеканием через зазоры. Наличие нескольких деталей в направляющем аппарате также снижает точность линейного габарита каждой секции насоса, что делает затруднительным изготовление насоса в наиболее надёжном  компрессионном исполнении, где вся секция является по сути одним большим пакетом. Длины ступиц рабочих колес и направляющих аппаратов в этом исполнении должны быть равны. Это позволяет установить ступицу каждого рабочего колеса на ступицу предыдущего в секции насоса. За счет этого осевая сила, действующая на каждое рабочее колесо, будет восприниматься не осевой опорой в ступени, а гидродинамической опорой в гидрозащите, которая работает не в пластовой жидкости с механическими примесями, а в масле и имеет на порядок меньше коэффициент трения. Компрессионное исполнение насоса приводит к увеличению срока службы установки при работе с высоким содержанием механических примесей. Кроме этого, осевая сила, действующая на рабочее колесо, не уравновешена, это снижает ресурс работы. В пазухах между дисками рабочего колеса и направляющего аппарата будут собираться пузырьки газа, укрупняться в крупный пузырь, который периодически может выходить в проточную часть рабочего колеса, снижая напорную и энергетические характеристики. Также не оптимизированы диаметральные габариты ступени, которые влияют на энергетические параметры: напор и КПД.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является недостаточная надёжность ступени при работе в пластовой жидкости с высоким содержанием свободного газа и механических примесей.
Техническим результатом является повышение надёжности при работе в пластовой жидкости с высоким содержанием свободного газа и механических примесей.
Дополнительным техническим результатом является повышение КПД и коэффициента напора ступени.
Ещё одним техническим результатом является создания технического решения, альтернативного известному решению.
Заявляемые технические результаты достигаются за счёт того, что в ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, содержащей рабочее колесо со ступицей и ведущим и ведомым дисками, между которыми расположены лопасти, и направляющий аппарат, который содержит цилиндрическую часть в виде стакана, ступицу, верхний и нижний диски, между которыми расположены лопатки, направляющий аппарат выполнен в виде цельнолитой конструкции из чугуна, на выходе из рабочего колеса выполнена кольцевая проточка, в которой установлены дополнительные лопатки на дополнительном диске, установленном в нижнем диске направляющего аппарата, при этом внешний диаметр рабочего колеса относится к внешнему диаметру стакана направляющего аппарата в соответствии с соотношением:
dк ≤ 0,85dст,
к
где d - внешний диаметр рабочего колеса;
ст
d- внешний диаметр стакана направляющего аппарата;
диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат относится к внешнему диаметру рабочего колеса в соответствии с соотношением:
л
к
d ≥ 1,005d,
л
где d - диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат;
внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата составляет не более тридцати семи процентов от внешнего диаметра стакана направляющего аппарата:
оп
ст
d≤ 0,37 d,
оп
где d – внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата;
внутренний диаметр ступицы направляющего аппарата составляет не более двадцати двух процентов от внешнего диаметра стакана направляющего аппарата:
b
ст
d≤ 0,22 d,
b
где d – внутренний диаметр ступицы рабочего колеса.
Кроме того чугун может содержать, 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.
Кроме того чугун может содержать, 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 чугун может содержать, 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.
Благодаря тому, что направляющий аппарат выполнен в виде цельнолитой конструкции из чугуна, проточная часть не содержит зазоров, отсутствуют перетечки, вследствие этого повышается объёмный и общий КПД ступени, повышается надежность при работе в пластовой жидкости с высоким содержанием свободного газа и механических примесей.
За счёт того, что на выходе из рабочего колеса выполнена кольцевая проточка,  в которой установлены дополнительные лопатки, которые установлены на дополнительном диске, установленном в нижнем диске направляющего аппарата, внешний диаметр рабочего колеса относится к внешнему диаметру стакана направляющего аппарата в соответствии с соотношением:
к
ст
d ≤ 0,85d,
к
где d - внешний диаметр рабочего колеса;
ст
d- внешний диаметр стакана направляющего аппарата,
а диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат относится к внешнему диаметру рабочего колеса в соответствии с соотношением:
л
к
d ≥ 1,005d,
л
где d - диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат;
к
d - внешний диаметр рабочего колеса,
обеспечивается плавный выход потока из рабочего колеса, выравнивание скоростей, снижение скорости потока с увеличением давления в кольцевом канале, плавный входу потока перекачиваемой жидкости в установленный за рабочим колесом направляющий аппарат. Как результат это приводит к увеличению гидравлического и общего КПД, напора и коэффициента напора, повышению надежности при работе в пластовой жидкости с высоким содержанием свободного газа и механических примесей.
Если внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата составляет не более тридцати семи процентов от внешнего диаметра стакана направляющего аппарата:
оп
ст
оп
d≤ 0,37 d, где d – внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата (основной осевой опоры);
внутренний диаметр ступицы рабочего колеса составляет не более двадцати двух процентов от внешнего диаметра направляющего аппарата:
b
ст
b
d≤ 0,22 d, где d – внутренний диаметр ступицы рабочего колеса, определяющий положение пары трения, ступицы рабочего колеса и направляющего аппарата, которые образуют радиальную опору ступени.
В этом случае относительно малые радиусы, на которых изготовлены осевая и радиальная опоры ступени, позволяют минимизировать затраты мощности на трение в опорах.
Если направляющий аппарат выполнен с наружным диаметром 100±2 мм, внешний диаметр рабочего колеса и другие размеры ступени соответствуют, указанным рекомендациям, это позволяет использовать уже готовые серийные рабочие колеса. Диаметр рабочих колес и соответственно развиваемый ими напор достаточно высокие, поэтому можно использовать серийный двигатель без частотного преобразователя для увеличения числа оборотов. Как результат это может привести к снижению себестоимости.
Дополнительные лопатки, выполненные на дополнительном диске, который установлен в нижнем диске направляющего аппарата, позволяют упростить литье, но потребуют последующую технологическую операцию по запрессовке диска к направляющему аппарату.
Если 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, то установки со ступенями, изготовленными из этого материала, могут использоваться в обычных скважинах, где не требуется высокая коррозионная стойкость и износостойкость. Небольшое количество агрессивных компонентов, концентрация сероводорода до 0,01 г/л.
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
2
2
магний 0,01-0,07, то установки со ступенями, изготовленными из этого материала, могут использоваться в скважинах, с высоким содержанием механических примесей, где требуется высокая коррозионная стойкость. Максимальное количество агрессивных компонентов: НS 1.25 г/л, CO-0.15 г/л.
При использовании чугуна, который содержит 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, то установки со ступенями, изготовленными из этого материала, могут использоваться в скважинах, с высоким содержанием механических примесей, где не требуется высокая коррозионная стойкость.
Изобретение поясняется фигурой, на которой изображен продольный разрез ступени с кольцевой проточкой, в которой установлены дополнительные лопатки на дополнительном диске, установленные в нижнем диске направляющего аппарата.
На фиг. позициями 1-14 обозначены:
1 – рабочее колесо;
2 – направляющий аппарат;
3 – ведущий диск рабочего колеса;
4 – ступица рабочего колеса;
5 – ведомый диск рабочего колеса;
6 – лопасти рабочего колеса;
7 – цилиндрический стакан направляющего аппарата;
8 – верхний диск направляющего аппарата;
9 – нижний диск направляющего аппарата;
10 – ступица направляющего аппарата;
11 – лопатки направляющего аппарата;
12 – кольцевая проточка;
13 – дополнительные лопатки направляющего аппарата;
14 – дополнительный диск.
Насос состоит из сборки ступеней, каждая ступень состоит из рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2. Рабочие колеса 1 установлены на валу (не показан), направляющие аппараты 2 – внутри корпуса (не показан). Рабочее колесо 1 состоит из ведущего диска 3, выполненного заодно со ступицей 4, ведомого диска 5. Между ведущим 3 и ведомым 5 дисками выполнены лопасти 6. Направляющий аппарат 2 состоит из цилиндрического стакана 7, выполненного заодно с верхним диском 8, нижнего диска 9, выполненного заодно со ступицей 10. Между дисками  выполнены лопатки 11.
На выходе из рабочего колеса 1 выполнена кольцевая проточка 12, в которой установлены дополнительные лопатки 13, причем дополнительные лопатки 13 выполнены на дополнительном диске 14, который установлен в нижнем диске 9 направляющего аппарата 2.
к
ст
Внешний диаметр рабочего колеса выполнен размером по отношению к внешнему диаметру стакана направляющего аппарата в соответствии с соотношением: d ≤ 0,85d,
к
где d - внешний диаметр рабочего колеса;
ст
d- внешний диаметр стакана направляющего аппарата.
Диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат выполнен с размером по отношению к внешнему диаметру рабочего колеса в соответствии с соотношением:
л
к
d ≥ 1,005d,
л
где d - диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат;
Внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата составляет не более тридцати семи процентов от внешнего диаметра направляющего аппарата:
оп
ст
d≤ 0,37 d,
оп
где d – внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата, здесь изготовлена основная осевая опора направляющего аппарата.
Внутренний диаметр ступицы направляющего аппарата составляет не более двадцати двух процентов от внешнего диаметра направляющего аппарата:
b
ст
d≤ 0,22 d,
b
где d – внутренний диаметр ступицы рабочего колеса.
ст
к
л
оп
b
Пример конкретных размеров разработанной ступени. Внешний диаметр стакана d = 100 мм, внешний диаметр рабочего колеса d= 80 мм, диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат d= 80,5 мм, внутренний диаметр основной осевой опоры рабочего колеса d=35 мм, внутренний диаметр ступицы рабочего колеса d= 20 мм.
3
Расчетные энергетические параметры ступени на подачу 125 м/сутки составляют: напор – 8 метров, КПД – 70%, превосходят известные аналоги для данного типоразмера.
Направляющий аппарат 2 выполнен в виде цельнолитой конструкции из чугуна. Используемый чугун может содержать кремний, марганец, хром, серу, фосфор, церий и бор 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
Может быть использован другой состав чугуна, содержащий кремний, марганец, хром, никель, медь, серу, фосфор магний и алюминий, 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
Может быть также использован другой состав чугуна, содержащий кремний, марганец, хром, никель, медь, серу, фосфор и олово, 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
Погружной многоступенчатый центробежный насос работает следующим образом.
При вращении ротора поток перекачиваемой жидкости, выходя из рабочего колеса 1, попадает в дополнительный радиальный аппарат в виде кольцевой проточки 12, в которой установлены дополнительные лопатки 13 на нижнем диске 9 направляющего аппарата 2. Пройдя через кольцевую проточку 12, поток заходит в проточную часть направляющего аппарата 2, образованную лопатками 11. В направляющем аппарате 2 динамический напор, полученный в рабочем колесе 1, преобразуется в давление.
Оптимальная конфигурация переходных каналов снижает гидравлические потери и обеспечивает эффективную перекачку жидкости с высоким содержанием газа.
Предлагаемое изобретение приводит к техническим результатам: расширение линейки существующих насосов, повышение надежности при работе в пластовой жидкости с высоким содержанием свободного газа и механических примесей, КПД и напора.