ОТКРЫТОЕ РАБОЧЕЕ КОЛЕСО СТУПЕНИ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
OPEN STAGE IMPELLER OF ELECTRIC-CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к области нефтяного машиностроения, в частности к многоступенчатым погружным лопастным насосам для добычи нефти.
Известно лопастное рабочее колесо открытого типа, верхние торцы лопастей которого образуют с неподвижными дисками направляющих аппаратов щели, а нижние торцы установлены на неподвижную поверхность направляющего аппарата или износостойкого диска. Колесо имеет индивидуальную пяту, состоящую из опорного бурта, образуемого ступицей направляющего аппарата предыдущей ступени и антифрикционной износостойкой шайбой, помещенной в расточку рабочего колеса, расположенную в промежутке между втулкой колеса и входными кромками его лопастей [Св. на полезную модель №3150 РФ, F04D 13/08, опубл. 16.11.1996].
Недостатком данного изобретения является низкий КПД и небольшой напор из-за расхода энергии на преодоление силы трения, возникающей между рабочим колесом и дополнительной опорой в виде неподвижного диска.
Известно открытое рабочее колесо ступени погружного центробежного насоса, имеющее втулку с закрепленным ведущим диском, на нижней стороне которого размещены профильные рабочие лопасти, а на верхней - прямолинейные вихревые лопасти, расположенные по периферии и обеспечивающие компенсацию осевой силы, действующей на рабочее колесо [Патент RU №133215, F04D 13/10, опубл. 11.04.2012].
Недостатком такого рабочего колеса является его низкий КПД, связанный с потерей энергии на создание вихревым венцом движения жидкости над колесом и большой массой открытого рабочего колеса.
Известно открытое рабочее колесо ступени погружного центробежного насоса, содержащее проточные каналы закрытого типа на входе колеса и открытого типа на выходе, при этом каналы открытого типа выполнены с С-образными лопастями, полки которых расположены на выпуклых сторонах лопастей [Патент RU №2522141, F04D 29/22, опубл. 11.02.2013].
Недостатком такого рабочего колеса является уменьшение КПД ступени и увеличение потребляемой мощности, вызванное трением рабочего колеса о направляющий аппарат в процессе эксплуатации вследствие износа опорной шайбы из-за недостаточной подъемной силы.
Известно открытое рабочее колесо, лопасти которого в своей приемной части повернуты под углом к потоку для безударного входа жидкости [А.с. СССР №106135 от 03.12.1951].
Недостатком рабочего колеса является уменьшение напора, вызванное вихревым движением жидкости, и создание дополнительного гидравлического сопротивления во входной части рабочего колеса.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является открытое рабочее колесо ступени центробежного насоса, состоящее из свободно перемещающейся вдоль вала насоса ступицы, ведущего и ведомого дисков и расположенных между этими дисками лопастей, образующих проточные каналы, имеющее индивидуальную опорную пяту, состоящую из антифрикционной, износостойкой шайбы, в ведущем и ведомом дисках которого не менее чем на половину длины проточного канала, начиная от большего диаметра дисков, между всеми лопастями выполнены вырезы, расстояние от границы выреза до соответствующей выпуклой или вогнутой стороны лопасти постоянно по длине лопасти, при этом одна из двух границ каждого выреза совмещена с выпуклой стороной лопасти на ведущем или ведомом диске, и с вогнутой стороной лопасти на противоположном диске [Патент RU №2376500, F04D 29/22, опубл. 07.03.2008].
Недостатком данного изобретения является уменьшение КПД и напора в процессе эксплуатации вследствие прижатия рабочего колеса к направляющему аппарату и износа опорной шайбы, что приводит к увеличению потребляемой мощности.
Технической задачей изобретения является создание рабочего колеса открытого типа, обеспечивающего безотказную работу в течение длительного времени за счет компенсации осевой силы и уменьшения прижатия колеса к шайбам.
Указанный технический результат достигается тем, что в открытом рабочем колесе ступени центробежного насоса, содержащем ступицу, имеющую возможность свободного перемещения вдоль вала насоса, ведущий диск с расположенными на одной из его плоских поверхностей лопастями, образующими проточные каналы, по длине которых, начиная от большего диаметра диска, выполнены вырезы, и индивидуальную опорную пяту на обеих поверхностях диска в виде антифрикционной, износостойкой шайбы, согласно изобретению границы вырезов совмещены с границами боковых поверхностей лопастей в зоне крепления лопасти к ведущему диску, а лопасть по высоте составлена из двух частей, по меньшей мере одна из которых наклонена относительно оси вращения.
Лопасть может быть выполнена в трех вариантах. По первому варианту исполнения часть лопасти, примыкающая к ведущему диску, наклонена на угол α от 1° до 45°, а ее открытая часть параллельна оси вращения. По второму варианту часть лопасти, примыкающая к ведущему диску, параллельна оси вращения, а ее открытая часть наклонена на угол β от 1° до 45° относительно оси вращения вала. По третьему варианту обе части лопасти наклонены на одинаковый угол α=β от 1° до 45° относительно оси вращения вала и составляют единую наклонную лопасть.
Отсутствие ведомого диска снижает осевую силу, действующую на рабочее колесо, что уменьшает его трение и препятствует износу опор.
Для увеличения рабочей поверхности лопасти границы вырезов в ведущем диске и боковые стороны примыкающей к диску части лопасти выполнены под одинаковым углом и образуют между собой плавный переход в зоне крепления лопасти.
За счет наклона хотя бы одной части лопасти обеспечивается подъемная сила, которая компенсирует массовую силу и обеспечивает парение колеса, вследствие чего не происходит износа опорной шайбы, поддерживается напор и сохраняется значение КПД насоса во время его эксплуатации. С целью создания оптимальной подъемной силы варьируются углы наклона лопасти α, β∈ [1°, 45°].
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен общий вид рабочего колеса в аксонометрии; на фиг. 2 - рабочее колесо, вид со стороны лопастей; на фиг. 3 - сечение лопасти рабочего колеса, перпендикулярное ее средней линии, по первому варианту; на фиг. 4 - сечение лопасти по второму варианту; на фиг. 5 - сечение лопасти по третьему варианту.
Открытое рабочее колесо ступени центробежного насоса содержит свободно перемещающуюся вдоль вала насоса ступицу 1, ведущий диск 2 с лопастями 3, расположенными на его плоской поверхности. На противоположной поверхности ведущего диска 2 размещена индивидуальная опорная пята 4, состоящая из антифрикционной износостойкой шайбы (фиг. 1). Аналогичная опорная пята 5, воспринимающая осевую нагрузку, действующую в обратном направлении, расположена на поверхности ведущего диска 2 с лопастями 3 (фиг. 2). Каждая лопасть 3 состоит из открытой части 6 и примыкающей к диску части 7, по меньшей мере, одна из которых наклонена на угол α(β) против вращения (фиг. 1, 3, 4, 5). Между боковыми сторонами лопастей 3 образованы проточные каналы. В ведущем диске 2 между всеми лопастями 3 не менее чем на половину длины проточных каналов, начиная от большего диаметра диска, выполнены вырезы 8. Границы вырезов 8 ведущего диска 2 и примыкающей к нему части 7 лопастей 3 выполнены под одинаковым углом относительно оси вращения 9 таким образом, что граница выреза 8 совмещена с границей (боковой стенкой), примыкающей к диску части лопасти 7. В лопасти 3 по первому варианту (см. Фиг. 3) примыкающая к диску часть 7 наклонена на угол α относительно оси вращения 9, а открытая часть 6 расположена параллельно оси вращения 9. По второму варианту (см. Фиг. 4) примыкающая к диску часть 7 лопасти 3 параллельна оси вращения 9, а открытая часть 6 наклонена на угол β относительно оси вращения 9. По третьему варианту (см. Фиг. 5) примыкающая к диску 7 и открытая 6 части наклонены на одинаковый угол α=β относительно оси вращения 9 и образуют общую боковую стенку.
При работе центробежного насоса на открытое рабочее колесо поступает жидкость, которая, попадая на лопасть 3, приобретает энергию за счет закрутки. Тем самым происходит перекачка жидкости. По первому варианту открытая прямая часть 6 лопасти 3 обеспечивает передачу энергии жидкости, а примыкающая к диску наклонная часть 7 не только передает энергию жидкости, но и создает подъемную силу за счет поворота на угол α, а во втором варианте передачу энергии жидкости осуществляет примыкающая к диску прямая часть 7 лопасти 3, а открытая наклонная часть 6 за счет поворота на угол β дополнительно создает подъемную силу. По третьему варианту примыкающая к диску 7 и открытая 6 части наклонных поверхностей 3 совместно передают энергию жидкости и обеспечивают подъемную силу за счет общего наклона на угол α=β
Таким образом, предлагаемая конструкция характеризуется простотой изготовления и реализует новый механизм компенсации осевой силы, позволяющий сохранить в процессе работы характеристики ступени (напор, КПД, мощность) за счет всплытия рабочего колеса и, как следствие, избежать засорения проточных каналов, а значит, повысить надежность рабочего колеса при перекачке жидкостей, содержащих механические примеси.