Шпоночное соединение рабочего колеса скважинного насоса

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к нефтяному машиностроению, в частности, к погружным насосам для откачки пластовой жидкости, и может быть использована для фиксации и размещения рабочих колес на валу погружного центробежного насоса.
Уровень техники
Известен погружной многоступенчатый центробежный насос (патент РФ №2655447, кл. МПК F04D 13/10, F04D 29/20, F16B 3/00, дата публ. 28.05.2018), содержащий рабочие колеса со ступицами, соединенными с приводным валом с помощью шпоночного соединения в виде шпоночных канавок, и установленных в них шпонок. Шпоночная канавка на каждом рабочем колесе выполнена в виде поперечного паза с уменьшением его глубины в сторону вращения приводного вала с возможностью смещения шпонки с валом относительно рабочего колеса и фиксации их в радиальном и продольном направлениях.
Рабочее колесо - это фактически расходный материал. Чем больше оно забирает на себя причин ремонта, тем надежней и долговечней в целом весь насос.Недостатком конструкции, когда шпонка на валу, является более сложный процесс центрирования вала. Также шпонка вала, не закрытая рабочими ступенями, при вращении сопротивляется потоку жидкости, что снижает КПД установки.
Обратное расположение узла: шпонка на колесе, шпон-паз на валу, более эффективно по указанным выше причинам.
Наиболее близким по конструктивному исполнению и достигаемому техническому результату является шпоночное соединение рабочих колес погружного центробежного насоса с валом привода погружного многоступенчатого центробежного насоса (патент РФ №167096, кл. МПК F04D 29/20, F04D 13/10, дата публ. 20.12.2016), на валу привода которого и на каждом рабочем колесе насоса выполнены шпоночные канавки, в которых установлены шпонки, причем на рабочем колесе канавки выполнены в виде поперечного паза с уменьшением его глубины в сторону вращения приводного вала, при этом шпоночные канавки на приводном валу выполнены с диаметрально-противоположных сторон, а количество колес, соединенных со шпонкой, расположенной с одной стороны вала, равно количеству колес, соединенных со шпонками, расположенными с другой стороны вала, причем колеса, соединенные со шпонками с одной из сторон вала, разделены по количеству на две равные группы, расположенные с двух сторон от колес, соединенных со шпонкой с другой стороны. Недостатком данной конструкции является сложность конструирования и производства вала насоса. В частности, это связано с необходимость выполнения шпон-паза, в который в последствии нужно установить шпонку вала насоса. Дополнительная деталь вала становится объектом ремонтов. Ремонт вала более сложен, чем ремонт рабочих колес, которые принято просто заменять.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом данной полезной модели является сокращение времени установки колес на вал насоса, упрощение технологии сборки вал-ступень, улучшении центрации вала и снижение вибраций.
Технический результат, заключающийся в сокращении времени установки колес на вал насоса и упрощении технологии сборки «вал-ступень насоса» достигается благодаря тому, что в шпоночном соединении рабочего колеса скважинного насоса с валом привода погружного центробежного насоса, на валу привода которого выполнены шпон-пазы с установленными в них шпонками, соединение «рабочее колесо- шпонка» выполнено неразъемным, а в ступице каждого рабочего колеса выполнено фигурное углубление, профиль которого идентичен профилю фигурного выступа шпонки, устанавливаемой при отливке рабочего колеса.
Технический результат, заключающийся в улучшении центрации вала и снижении вибраций, и приводящий к увеличению КПД двигателя, достигается благодаря тому, что шпон-пазы, выполненные по всей длине приводного вала сверху до низу, выполнены равноудаленно друг от друга по длине окружности поперечного сечения вала.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлено продольное сечение рабочего колеса насоса с фигурной шпонкой. На Фиг. 2 представлена аксонометрия продольного сечения рабочего колеса насоса с установленной в ступице фигурной шпонкой. На Фиг. З представлены поперечные сечение вала привода с вариантами размещения колес со шпонками в шпон-пазах вала привода. На Фиг. 4 представлены виды расположения шпон-пазов относительно центральной оси вала привода.
Осуществление полезной модели
Представляемое шпоночное соединение рабочего колеса
скважинного насоса с валом привода включает вал 1 привода погружного центробежного скважинного насоса со шпон- пазом 2, рабочее колесо 3 со ступицей 4, шпоночный паз 5 ступицы 4 рабочего колеса 3, выполненный с фигурным углублением в средней части, фигурную шпонку 6 (Фиг. 1).
Фигурная шпонка 6, выполненная плоской с толщиной не более ширины шпон-паза 2 вала 1, по высоте выполнена не более габаритной высоты ступицы 4 рабочего колеса 3. На боковой стороне фигурной шпонки 6, в средней части, выполнен фигурный выступ 7, суженный в средней части с расширяющимся симметричным двухсторонними выступами на конце, центральная ось которого ориентирована перпендикулярно центральной продольной оси тела шпонки 6 (Фиг. 2). Материал шпонки 6 рабочего колеса 3: металл, керамика или иной материал, с прочностными характеристиками, не уступающими характеристикам материала рабочего колеса 3. Шпонку 6 устанавливают при отливке рабочего колеса 3, получая ее влитой в колесо 3, что не позволяет извлечь ее без разрушения ступицы 4 рабочего колеса 3. Вариантом исполнения неразъемного соединения «рабочее колесо-фигурная шпонка», является выполнение в шпоночном пазу 5 ступицы рабочего колеса более одного фигурного углубления, обеспечивающих повышенную прочность шпоночного соединения.
При установке колес 3 с влитыми фигурными шпонками 6 на вал 1 насоса, выступающую часть шпонки 6 совмещают со шпон-пазом 2 вала 1, нанизывая их на вал 1, что упрощает технологию сборки узла «рабочее колесо-шпонка-паз».
При сборке, на валу 1 привода, равноудаленно друг от друга, диаметрально, располагают не менее 2 (двух) шпон-пазов 2 (Фиг. 3), образующих в поперечном сечении вершины условных геометрических фигур (Фиг. 4), что позволяет улучшить центрацию конструкции. Рабочие колеса 3 на валу 1 располагают в зависимости от параметров установки электроцентробежного насоса (УЭЦН) и перекачиваемой продукции скважин, в частности, блоки рабочих колес 3 с влитыми фигурными шпонками 6 располагают - в первом блоке - 1 колесо, во втором - 2 в третьем - 3 колеса и т.д.
При этом поперечные сечения могут быть трехлучевыми, 4, 5, 6 7 и более (Фиг. 4)
При проведении ремонтных работ из-за поломки фигурной шпонки 6, заменяют рабочее колесо 3 с влитой фигурной шпонкой 6 на новое, обеспечивая упрощение технологи сборки узла «вал-ступень насоса», при этом снижается стоимость конструкции за счет увеличения ремонтопригодности ступеней.
Конструкция вала 1 упрощается при выполнении на нем шпон-паза 2, а не шпонки по всей длине вала. Деформация длинномерной шпонки может служить причиной ремонта, в отличие от шпон-паза 2, который практически не отбраковывается. В такой конструкции при ремонте насоса главным объектом ремонта становится рабочая ступень насоса: направляющий аппарат и рабочее колесо. Данные запчасти малогабаритны и могут быть заменены в частности в полевых условиях.
Вибрации снижаются за счет лучшей центровки и симметричности вала 1 со шпон-пазами 2. Также центрирование можно улучшать с помощью рабочего колеса 3, направляя его шпонкой 6 в один из шпон-пазов 2 вала 1. В шпон-пазу 2, где стоит шпонка 6, произойдет увеличение веса вала на вес шпонки. Также конструкция «вал со шпон-пазами» и «рабочие колеса со шпонками» в сборе весит меньше, чем обратная конструкция.
Эффективная длина шпонки 6 снижается в среднем 2 раза, т.к. она присутствует только по длине ступицы 4 рабочего колеса 3, а не по всей длине вала 1. Следствием этого является снижение вероятности проведения операций по ремонту шпонки вала 1 насоса.
Конструкция со шпонкой на валу 1 ассиметрична, в связи с чем такой вал обладает повышенной вибрацией, что ускоряет его износ. В предлагаемой конструкции, если вал 1 со шпон-пазом после ремонта проявит децентрированность, то улучшить центровку можно путем перестановки рабочих колес с одного шпон-паза в другой, при этом количество колес в каждом шпон-пазе может быть не одинаково. Вал со шпон-пазами возвращают в работу, отцентрировав его с помощью соответствующей расстановки колес в соответствующих шпон-пазах на валу, установив большее колес с фигурной шпонкой в шпон-паз, противоположный стороне смещения центра тяжести.