ПОГРУЖНОЙ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ СКВАЖИННЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС С КОМПРЕССИОННОЙ СХЕМОЙ СБОРКИ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к нефтяному машиностроению, а именно к многоступенчатым центробежным насосам с компрессионной схемой сборки, в частности, к скважинным высокооборотным насосам (преимущественно с вентильным приводом) с нижней осевой опорой, располагаемой в гидрозащите двигателя (ниже входного модуля насосной сборки).
Уровень техники.
Рабочие опорные элементы вышеуказанных насосов (как радиальные, так и осевые подшипники) обычно подвержены сильному перегреву из-за высокого контактного трения и испытывают большие механические нагрузки. Такие воздействия - одна из основных причин их быстрого изнашивания и разрушения и, соответственно, снижения рабочего ресурса насосной установки, особенно для высокооборотных насосов. Для предотвращения вышеуказанных нежелательных эффектов используют различные конструктивные решения повышающие надежность работы опорных элементов насоса.
Известен (Патент Великобритании GB2377972A, опубликован 29.01.2003) погружной скважинный центробежный насос, содержащий конструктивное решение для обеспечения смазки и стабилизации работы опор вала насоса. Насос состоит из вала с осевым сквозным каналом, радиальных подшипников окружающих вал, набора ступеней насоса. Сквозной осевой канал вала имеет входное отверстие для жидкости, выполненное на нижнем торце вала и выходные отверстия на боковой поверхности вала, обеспечивающие выход жидкости непосредственно в зазор между внутренней поверхностью внешнего кольцевого элемента радиального подшипника и вала. Набор ступеней (с рабочими колесами и направляющими аппаратами) используется для повышения давления жидкости для обеспечения ее прохода через сквозной осевой канал вала к радиальным подшипникам (см. фиг. 2 к патенту GB 2377972 А). Наличие жидкости обеспечивает необходимый смазочный режим для продления ресурса опорных радиальных подшипников. Однако в сквозной осевой канал вала могут проникать твердые механические частицы, которые попадают в вышеуказанный зазор и могут повредить радиальный подшипник. Более того, такое конструктивное техническое решение для продления ресурса подшипников насоса не может быть использовано для осевых (нерадиальных) опор погружного скважинного центробежного насоса.
Ближайшим аналогом полезной модели является (патент RU 2726977, опубликован 17.07.2020) погружной многоступенчатый скважинный центробежный насос с компрессионной схемой сборки и с цилиндрическим корпусом. Он имеет вал, ловильную головку, входной модуль с камерой с отверстиями для забора скважинной жидкости. Набор ступеней насоса расположен между ловильной головкой и камерой с отверстиями для забора скважинной жидкости и содержит рабочие колеса и направляющие аппараты, собранные на валу и установленные по оси цилиндрического корпуса. Насос снабжен гидростатической опорой вала расположенной ниже камеры с отверстиями для забора скважинной жидкости. Такая гидростатическая опора может выполнять роль разгрузочной опоры для основной - нижней осевой опоры для насосов с нижней осевой опорой, располагаемой в гидрозащите двигателя (ниже входного модуля насосной сборки). Гидростатическая опора содержит упорный диск, жестко закрепленный в корпусе входного модуля, а также жестко закрепленный на валу диск осевой опоры, расположенный ниже упорного диска. Диск осевой опоры выполнен с возможностью его сопряжения через торцевые упоры (на сопрягаемых поверхностях) с упорным диском при вертикальном перемещении диска осевой опоры. Гидростатическая опора также содержит нагнетательную камеру, сформированную ниже диска осевой опоры. Каналы в стенке ловильной головки и в стенке нагнетательной камеры входного модуля соединены нагнетательным каналом в виде отдельного трубопровода, проходящего по внешней цилиндрической поверхности насоса (см. Фиг. 1 к патенту РФ RU 2726977). Нагнетательный канал выполняется с возможностью подачи части скважинной жидкости высокого давления в нагнетательную камеру. Такое техническое решение имеет ряд конструктивных недостатков, не позволяющих значительно увеличить ресурс насоса за счет увеличения срока службы осевых опор. В частности, наружное конструктивное выполнение нагнетательного канала увеличивает вероятность его повреждения при эксплуатации и установке в скважину, увеличивает массу насоса, усложняет конструкцию насоса и его сборку. Кроме того, в таком конструктивном исполнении увеличивается вероятность проникновения твердых частиц примесей скважинной жидкости из камеры ловильной головки по трубопроводу в нагнетательную камеру и соответственно ведет к выходу из строя гидростатической опоры при ее засорении и росту нежелательных контактных давлений в трибосопряжениях контактной опоры через относительной короткий временной период. Раскрытие сущности полезной модели Задачей настоящего изобретения является разработка конструктивного решения, повышающего надежность насоса (в особенности, высокооборотных насосов с оборотами вала больше 3000 об/мин) при одновременном упрощении конструкции насоса и снижении его массогабаритных показателей. Необходимо обеспечивать увеличение рабочего ресурса погружного многоступенчатого скважинного центробежного насоса с компрессионной схемой сборки насоса (в частности для насосов с нижней осевой опорой, располагаемой в секции гидрозащиты двигателя и дополнительной гидростатической разгрузочной осевой опорой) преимущественно за счет повышения надежности опор, например, увеличения рабочего ресурса гидростатической разгрузочной опоры.
Технический результат полезной модели - повышение ресурса насоса обеспечивается длительным и устойчивым снижением контактного давления в трибосопряженных зонах осевых опорных элементов скольжения погружного многоступенчатого центробежного насоса при эксплуатации насоса путем эффективной (длительной по времени и по величине) разгрузки вращающегося вала от осевых нагрузок при перепадах давления на входе в насос и выходе пластовой жидкости из него. При этом осевые нагрузки концентрируются на валу насоса. Длительное и устойчивое снижение контактного давления в трибосопряженных опорах, связано в частности с тем, что в конструкции гидростатической опоры снижена вероятность повреждения ее рабочих элементов (нагнетательных канала и камеры опоры). Дополнительным преимуществом указанной насоса является его повышенная производительность за счет возможности повышения грузоподъемности его осевой опоры.
Для достижения заявленных технических результатов разработан погружной многоступенчатый скважинный центробежный насос с компрессионной схемой сборки и с цилиндрическим корпусом, содержащий вал, ловильную головку, входной модуль с камерой с отверстиями для забора скважинной жидкости, набор ступеней расположенный между ловильной головкой и камерой с отверстиями для забора скважинной жидкости и содержащий рабочие колеса и направляющие аппараты, собранные на валу и установленные по оси цилиндрического корпуса. Насос снабжен гидростатической опорой расположенной ниже камеры с отверстиями для забора скважинной жидкости. Гидростатическая опора содержит упорный диск, жестко закрепленный в корпусе входного модуля, а также жестко закрепленный на валу диск осевой опоры, расположенный ниже упорного диска. Диск осевой опоры выполнен с возможностью его сопряжения с упорным диском при вертикальном перемещении диска осевой опоры, при этом гидростатическая опора содержит нагнетательную камеру, сформированную ниже диска осевой опоры. Насос имеет нагнетательный канал, выполненный с возможностью подачи части скважинной жидкости в нагнетательную камеру. Нагнетательный канал выполнен как внутренний осевой канал вала с по меньшей мере одним входным отверстием, выполненным выше набора ступеней и с по меньшей мере одним выходным отверстием, выходящим во внутреннею полость нагнетательной камеры. Эти отверстия выполнены в виде радиальных каналов расположенных на боковой поверхности вала, при этом верхние и нижние торцевые концы вала выполнены глухими.
Входные и выходные отверстия внутреннего осевого канала могут иметь диаметры от 1.5 до 3.5 мм, внутренний осевой канала вала с диаметром от 5 до 8 мм, а диаметр вала D не менее 12 мм и не более 30 мм.
Диск осевой опоры может быть выполнен в виде втулки, имеющую нижнюю часть с углублением, формирующим верхнюю часть нагнетательной камеры, при этом по меньшей мере одно вышеуказанное выходное отверстие выходит в полость верхней части нагнетательной камеры. Углубление может иметь имеет кольцевую форму с глубиной не менее 0.2 D и внешним диаметром не менее 1.5D, при этом диаметр вала D не менее 18 мм и не более 30 мм. В нижней части нагнетательной камеры может быть выполнено уплотнение лабиринтно-винтового типа с ротором расположенным на валу насоса. Диаметр диска осевой опоры может быть не менее чем на 10% больше диаметра ротора уплотнения лабиринтно-винтового типа.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показан погружной многоступенчатый скважинный центробежный насос с компрессионной схемой сборки (секция двигателя (вентильного привода) с гидрозащитой с нижней осевой опорой не показана).
Осуществление полезной модели
Погружной многоступенчатый скважинный центробежный насос с компрессионной схемой сборки имеет цилиндрический корпус 14. Ловильная головка 1 расположена в верхней (торцевой) части цилиндрического корпуса 14. Входной модуль 18 расположен в нижней (торцевой) части цилиндрического корпуса 14 и содержит камеру с отверстиями для забора скважинной жидкости 27. Набор ступеней размещен между ловильной головкой 1 и камерой с отверстиями для забора скважинной жидкости 27. В составе набора ступеней - рабочие колеса 13 и направляющие аппараты 12, собранные на валу 2 и установленные по оси цилиндрического корпуса 14.
Насос снабжен гидростатической опорой внутри входного модуля 18 и расположенной ниже камеры с отверстиями для забора скважинной жидкости 27 входного модуля 18. Гидростатическая опора содержит жестко закрепленный упорный диск с торцевыми упорами 28 в нижней части корпуса входного модуля 18. В состав гидростатической опоры входит и жестко закрепленный на валу диск осевой опоры в виде упорной втулки 17 с торцевыми упорами 29, расположенный ниже упорного диска. Гидростатическая опора, расположенная внутри конструктивного элемента 19 (составной части входного модуля 18) содержит также нагнетательную камеру 26, расположенную ниже упорного диска. Расположенное ниже диска осевой опоры 17 лабиринтно-винтовое уплотнение с втулками 22 (вала 2) обеспечивает герметичность в нижней части нагнетательной камеры. Упорной втулки (в виде диска) 17 имеет нижнюю часть с дискообразным углублением (или кольцевым), формирующим верхнюю часть внутренней полости нагнетательной камеры 26. Углубление в рабочем состоянии насоса (собранном состоянии) имеет кольцевую форму (которой может быть сформирована соответствующей цилиндрической поверхностью вала и стенками углубления). Глубина его не менее 0.2 D, а диаметр углубления не менее 1.5D при диаметре вала D не менее 18 мм и не более 30 мм. Наличие такого исполнения нагнетательной камеры с углублением и заданными размерами обеспечивает повышение ресурса работы камеры гидростатической опоры и обеспечивает сокращение общей длины насоса.
Вал имеет нагнетательный канал для подачи части скважинной жидкости в нагнетательную камеру выполненный в виде внутреннего осевого канала 25 (диаметром dl), при этом внутренний осевой канал вала содержит входные отверстия 24 выше набора ступеней и выходные отверстия 23, выходящие во внутреннею полость нагнетательной камеры. Отверстия 23, 24 (могут быть с одинаковыми диаметрами d3, либо с различными диаметрами) выполнены в виде радиальных каналов и расположены на цилиндрической боковой поверхности вала. Выполнение каналов радиальными на боковой поверхности вала необходимо для обеспечения функционирования гидростатической опоры, а именно для предотвращения ее засорения различными твердыми частицами или примесями, которые есть практически в любой скважинной жидкости (нефти) поступающих во входной модуль насоса. Радиальные каналы играют роль отбойников, предотвращающих за счет центробежных сил попадание тяжелых частиц примесей в нагнетательную камеру. Особенно эффективно такое решение при высокой плотности твердых примесей в скважинной жидкости.
Верхние и нижние торцевые концы вала 2 выполнены глухими для обеспечения эффективной работы нагнетательного канала. Выполнение диаметров входных и выходных отверстий 23,24 от 1.5 до 3.5 мм, диаметра канала 25 от 5 до 8 мм, диаметра вала D не более 30 мм также способствует продлению срока службы нагнетательной камеры - эффективному режиму работы нагнетательной камеры в сочетании с сохранением прочностных свойств вала.
Жесткое закрепление диска осевой опоры 17 достигается за счет применения сухарей 21 в нижней части вала (сухари - вспомогательные фиксирующие детали в соответствующих сопряженных узлах, предохраняющих их от относительного смещения). Конструкция, обеспечивающая удержание вала в нужном положении, в частности, отсутствие нежелательных смещений вала (в частности биений) содержит также сухари 4 в верхней части вала 2, втулки упорные 3, 5 и втулки подшипников 6, втулки дистанционные 7, 16, кольцевой элемент 8, винт 9, гайки 10, упор 11. Для уплотнения насоса используются, например, кольца 15,20.
Выполнение диаметра диска осевой опоры не менее чем на 10% больше диаметра ротора уплотнения лабиринтно-винтового типа также содействует повышению эксплуатационных характеристик нагнетательной камеры и повышает качество ее герметизации и способствует повышению надежности и ресурса работы гидростатической опоры и насоса в целом. Пример осуществления полезной модели
Устройство работает следующим образом. При вращении вала 2 поток пластовой жидкости всасывается через отверстия 27 входного модуля 18 в камеру входного модуля 18 и поступает на вход первого рабочего колеса набора ступеней. Постепенно при движении потока происходит увеличение давления потока от ступени к ступени достигая максимальной величины в камере ловильной головки 1 в соответствии с режимом работы насоса и со статическим давлением столба жидкости в колонне насосно-компрессорных труб. При этом на валу 2 насоса возникает направленная против течения жидкости осевая сила, величина которой определяется перепадом давления на торцах вала и суммарной силой осевых сил в рабочих ступенях насоса. Противодействие суммарной осевой силе на вал насоса обеспечивается за счет передачи высокого давления из камеры ловильной головки 1 через каналы 23, 24, 25, в нагнетательную камеру 26.
Герметичность и противодавление в камере 26 которой может обеспечивается, в частности, уплотнением лабиринтно-винтового уплотнения (включающего статор и ротор). При этом подшипник с втулкой 22 является ротором лабиринтно-винтового уплотнения. Такое уплотнение содержит ротор и статор (неподвижно закрепленный элемент), выполненные с многозаходной винтовой нарезкой одинакового сечения (не показана), причем на роторе нарезка имеет обратное направление. За счет этого протекающая по канавкам неподвижной гильзы (сформированной статором и ротором) скважинная жидкость встречает на своем пути бегущий ей навстречу вращающийся винт, захватывается им и отгоняется обратно в уплотняемую полость. При высоких оборотах (превышающих больше 3000 об/мин) использование именно лабиринтно-винтового уплотнения обеспечивает высокую степень герметизации и требуемый ресурс работы гидростатической опоры.
Возникающее от подведенного в нагнетательную камеру высокого давления, гидростатическое осевое усилие на нижний торец диска осевой опоры 17, направленное по вектору течения пластовой жидкости компенсирует суммарную осевую силу на вал и ступени насоса, направленную против течения жидкости. Ограничением от всплытия служат соответствующие сопряженные торцовыми упоры расположенные соответственно на упорном диске с торцевыми упорами 28 и на диске осевой опоры 17 с торцевыми упорами 29.
Ограничение по движению вала вниз обеспечивается нижней осевой опорой в модуле гидрозащиты электродвигателя (на Фиг. 1 не показано), расположенного ниже соответственно входного модуля 18 (и гидростатической опоры). Усилие на нижнюю осевую опору передается через вал, который может выполнен составным из нескольких частей. При этом обеспечивается постоянное автоматическое равновесие указанных ранее сил, так как они обе зависят от режима работы насоса, характеризующегося частотой вращения вала и расходом потока пластовой жидкости.
В результате работы гидростатической опоры обеспечивается длительное и устойчивое снижение контактного давления в трибосопряженных зонах осевых опорных элементов скольжения погружного многоступенчатого центробежного насоса, путем разгрузки вращающегося вала от осевых нагрузок при перепадах давления на входе в насос и выходе пластовой жидкости из него. Таким образом, длительный ресурс работы гидростатической опоры обеспечивает соответственно длительный срок эффективной работы (с пониженным контактным давлением) трибосопряжений нижней осевой опоры (гидрозащиты) и соответственно повышение ресурса работы насоса в целом.
Указанный насос может производиться промышленным способом.