РАБОЧЕЕ КОЛЕСО НАСОСА

Рабочее колесо насоса
Полезная модель относится к области разработки насосов и компрессоров и может быть использовано в погружных многоступенчатых центробежных насосах для добычи нефти из скважин.
Известен центробежный насос, содержащий рабочее лопастное колесо с каналами, образованными лопастями между ведущим и ведомым дисками. Для снижения подачи насоса уменьшают ширину рабочего лопастного колеса, не изменяя диаметра колеса и формы профиля лопасти [Айзенштейн М.Д. Центробежные насосы для нефтяной промышленности. Москва, ГОСТОПТЕХИЗДАТ, 1957, с.93-95.].
Недостатком известного насоса является то, что его характеристику можно отрегулировать только на стадии проектирования насоса. Характеристику готового насоса уже нельзя изменить с использованием известного рабочего колеса, так как подбор геометрических форм рабочего колеса предусмотрен только на стадии проектирования насоса. Кроме того, уменьшение расстояния между ведущим и ведомым дисками негативно сказывается на надежности работы насоса при перекачке жидкостей с большим содержанием механических примесей.
Наиболее близким к полезной модели является центробежный насос, содержащий рабочее лопастное колесо с каналами, образованными лопастями между ведущим и ведомым дисками. Регулировку такого насоса проводят путем обточки рабочего лопастного колеса по внешнему диаметру [Насосы и компрессоры /С.А.Абдурашитов, А.А.Тупиченков, И.М.Вершинин, С.М.Тепенгольц/. Москва, Недра, 1974, с.60-61]. При этом для регулирования работы центробежных насосов, имеющих направляющий аппарат, срезают только лопатки, а в насосах спирального типа обтачивают рабочее колесо по наружному диаметру - обтачивают лопатки вместе с ведущим и ведомым дисками. В этом случае, как известно, наблюдается линейная зависимость подачи насоса от диаметра рабочего колеса и квадратичная зависимость напора от диаметра рабочего колеса.
Недостатком известного насоса является то, что обточка колеса по внешнему диаметру приводит одновременно и к снижению подачи, и к снижению напора насоса. Это обусловлено тем, что при обточке колес удаляется наиболее нагруженная периферийная часть лопатки, а это приводит к ослаблению силового воздействия лопатки на перекачиваемую среду на всех режимах работы насоса. При перекачке высоковязких жидкостей и газожидкостных смесей наблюдается значительное снижение подачи и напора насоса на всех режимах работы насоса.
Полезная модель направлена на расширение возможностей регулирования насоса, повышение напора насоса в левой части его напорно-расходной характеристики (в зоне малых расходов), а также повышение эффективности процесса диспергирования при перекачке вязких газожидкостных смесей, особенно при добыче нефти в осложненных условиях эксплуатации нефтяных скважин.
Указанный технический результат достигается тем, что в рабочем колесе насоса, содержащем лопатки, заключенные между ведущим и ведомым дисками с образованием межлопаточных каналов, согласно полезной модели в выходной части  лопаток выполнены щелевидные каналы, через которые сообщаются между собой межлопаточные каналы. Лопатки с щелевидными каналами могут чередоваться с цельными лопатками. Отдельные лопатки могут иметь щелевидные каналы, различающиеся между собой по геометрическим размерам. Ширина щелевидного канала может быть постоянной или переменной по длине лопатки.
Подачу насоса изменяют за счет соответствующего подбора площади сечения и формы щелевидных каналов с учетом свойств перекачиваемой среды. На выходе рабочего колеса во всех или в некоторых лопатках выполняют щелевидные каналы, через которые сообщаются между собой соседние межлопаточные каналы.
При реализации полезной модели возможны следующие варианты исполнения рабочего лопастного колеса центробежного насоса:
- щелевидные каналы расположены на равном расстоянии от ведущего и от ведомого дисков;
- щелевидные каналы расположены на различном расстоянии от ведущего и от ведомого дисков;
- щелевидные каналы выполнены расширяющимися от входа к выходу рабочего колеса;
- щелевидные каналы выполнены сужающимися от входа к выходу рабочего колеса;
- щелевидные каналы имеют форму, представляющую сочетание выше перечисленных исполнений.
Технический результат заключается в повышении напора и коэффициента полезного действия насоса в левой части напорно-расходной характеристики за счет дополнительного силового воздействия на перекачиваемую среду на участке расположения щелевидных каналов. Такое техническое решение позволяет уменьшать подачу насоса с сохранением прежнего уровня значений напора. Техническое решение можно использовать как на стадии проектирования насоса, так и при эксплуатации насоса. Форму и размеры щелевидных каналов в лопатках подбирают с учетом вязкости и других свойств перекачиваемой среды.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего технического решения станут понятными при рассмотрении вариантов его осуществления со ссылками на чертежи.
На фиг. 1 изображено рабочее лопастное колесо насоса. Щелевидные каналы выполнены на равном расстоянии от ведущего и от ведомого дисков. Из ведомого диска условно вырезан сегмент.
На фиг. 2 изображена лопатка рабочего колеса. Щелевидный канал выполнен на разных расстояниях от ведущего и от ведомого дисков. На фигуре условно вырезаны остальные лопатки и ведомый диск.
Рабочее лопастное колесо на фиг. 1 содержит межлопаточные каналы 1, образованные лопатками 2 между ведущим  и ведомым  дисками 3, 4. В лопатках 2 выполнены щелевидные каналы 5. Расстояние от канала 5 до ведущего диска 3 обозначено - «А». Расстояние «Б» - от канала 5 до ведомого диска 4.
Колесо насоса работает следующим образом. На входе в рабочее колесо перекачиваемая среда распределяется по межлопаточным каналам 1, а рабочий процесс происходит как в известных центробежных насосах. Но на периферии рабочего колеса меняется принцип силового воздействия на перекачиваемую среду. Так через щелевидный канал 5 в лопатке 2 обеспечивается прямое сообщение двух соседних межлопаточных каналов 1, разделенных этой лопаткой 2, с возможностью перетекания перекачиваемой среды через канал 5. На периферии колеса расположенные консольно на дисках 3 и 4 части лопатки участвуют в передаче энергии от колеса к перекачиваемой среде. Но при таком силовом воздействии лопаток 2 одна часть перекачиваемой среды отбрасывается к выходу рабочего колеса, а другая часть перекачиваемой среды через щелевидный канал 5 устремляется в соседний межлопаточный канал. За счет имеющегося перепада давления создаются условия для циркуляции перекачиваемой среды из межлопаточного канала через щелевидный канал 5 лопатки 2 в соседний межлопаточный канал. При такой циркуляции на выходе из щелевидного канала 5 формируется плоская струя, способствующая перемешиванию перекачиваемой среды, что повышает эффективность работы насоса на газожидкостных смесях. Перетекание перекачиваемой среды через канал 5 сопровождается вихреобразованием, поскольку ширина канала 5 меньше ширины лопасти 2, и меньше расстояния между ведущим 3 и ведомым 4 дисками. Турбулентный режим течения газожидкостной смеси в плоской струе обеспечивает эффективное диспергирование смеси, измельчение пузырьков газа в потоке. Известно, что центробежные насосы работают эффективнее, если обеспечено диспергирование газожидкостной смеси.
При использовании описываемого рабочего колеса сохраняется исходный максимальный диаметр рабочего колеса (и лопаток 2 соответственно), а регулировку насоса выполняют за счет специальной формы лопатки 2 на выходе колеса. Известно, что максимальный напор насоса главным образом зависит от диаметра рабочего колеса и слабо зависит от формы лопаток 2 колеса. Следовательно, при использовании данного технического решения, за счет изменения формы лопаток 2 при сохранении их первоначального выходного диаметра, сохраняется высокий напор в левой части напорно-расходной характеристики насоса.
При перекачке вязких жидкостей за счет сил трения, как в динамических насосах трения, обеспечиваются благоприятные условия для силового воздействия на жидкость на периферии рабочего колеса, в щелевидном канале 5, что способствует обеспечению высокого напора.
При регулировании насоса уменьшение подачи достигается без необходимости уменьшать зазоры между ведущим и ведомым дисками 3,4 рабочего колеса, что позитивно отражается на надежности насоса при перекачке жидкостей с большим содержанием механических примесей.
При реализации полезной модели возможны варианты исполнения рабочего лопастного колеса центробежного насоса:
- стенки щелевидных каналов 5 расположены на равном расстоянии от ведущего 3 и от ведомого 4 дисков, «А»=«Б»;
- стенки щелевидных каналов 5 расположены на различных расстояниях от ведущего 3 и от ведомого 4 дисков, тогда «А» не равно «Б»;
- две соседние лопатки 2 могут иметь сквозные пазы - щелевидные каналы 5 с различными геометрическими размерами;
- щелевидные каналы 5 выполнены расширяющимися от входа к выходу рабочего колеса;
- щелевидные каналы 5 выполнены сужающимися от входа к выходу рабочего колеса;
- щелевидные каналы 5 имеют форму, представляющую сочетание выше перечисленных исполнений;
- щелевидные каналы 5 выполняют на выходе рабочего колеса во всех или в некоторых лопатках 2.
Рабочее колесо может быть использовано для всех известных конструкций насосов и компрессоров, когда лопатка рабочего колеса прямая, или отогнута назад, или отогнута вперед по направлению вращения рабочего колеса. Обточка рабочего колеса, с выполнением щелевидных каналов в лопатках, может производиться с помощью токарных или фрезерных операций, или с использованием лазерной резки или других известных технологий. Подбирая форму и размеры щелевидных каналов, можно изменять характеристику насоса или компрессора в зависимости от вязкости и других свойств перекачиваемой среды.