BR112013010924B1

BR112013010924B1 - CENTRIFUGAL PUMP WITH SEVERAL STAGES CROSSED BY A TRANSMISSION SHAFT

Info

Publication number: BR112013010924B1
Application number: BR112013010924-6A
Authority: BR
Inventors: Christopher M. Brunner; David W. Chilcoat; Jason B. Ives
Original assignee: Baker Hughes Incorporated
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2023-06-20

Abstract

MANCAL DE EMPUXO DE BOMBA RESISTENTE A ABRASÃO DE PERFIL REDUZIDO. Uma bomba centrífuga tem um difusor estacionário com um furo. Um mancal de empuxo é pressionado para dentro do difusor e tem um interior curvo. Um rotor de empuxo com um exterior curvo é correspondentemente e firmemente recebido pelo interior do mancal de empuxo. O rotor de empuxo é chaveado a um eixo e transmite a empuxo de um propulsor rotativo para o difusor através do mancal de empuxo. A superfície curva do mancal de empuxo permite a manipulação de ambos os empuxos axial e radial sem a necessidade de múltiplos mancais de empuxo. A área superficial aumentada da superfície curva no mancal de empuxo pode também manipular maiores cargas.REDUCED PROFILE ABRASION RESISTANT PUMP THRUST BEARING. A centrifugal pump has a stationary diffuser with a hole. A thrust bearing is pressed into the diffuser and has a curved interior. A thrust rotor with a curved exterior is correspondingly and firmly received by the thrust bearing interior. The thrust rotor is keyed to a shaft and transmits thrust from a rotating impeller to the diffuser through the thrust bearing. The curved surface of the thrust bearing allows manipulation of both axial and radial thrust without the need for multiple thrust bearings. The increased surface area of the curved surface on the thrust bearing can also handle greater loads.

Description

FIELD OF THE INVENTION

A invenção refere-se em geral a bombas elétricas de poços submersíveis e, em particular, a mancais de empuxo para uma bomba centrífuga.The invention relates in general to electric submersible well pumps and, in particular, to thrust bearings for a centrifugal pump.

FUNDAMENTALS OF THE INVENTION

Bombas centrífugas de poços são geralmente usadas para bombeamento de óleo e água a partir de poços de óleo. As bombas possuem um grande número de estágios, cada estágio tendo um difusor estacionário e um propulsor rotativo. Os propulsores rotativos exercem um empuxo para baixo à medida que o fluido se desloca para cima. Também, especialmente na partida e quando o fluxo de fluido não é uniforme, os propulsores podem exercer empuxo para cima. Em um projeto de bomba comum, os propulsores deslizam livremente no eixo de modo que cada propulsor transfere empuxo para baixo para um dos difusores. Um mancal, arruela ou luva está localizado entre uma seção de cada propulsor e do difusor a montante para acomodar o empuxo para baixo. Outra arruela de empuxo transfere o empuxo para cima.Centrifugal well pumps are generally used for pumping oil and water from oil wells. The pumps have a large number of stages, each stage having a stationary diffuser and a rotating impeller. Rotary impellers exert a downward thrust as the fluid moves upward. Also, especially at start-up and when fluid flow is not uniform, propellers can exert upward thrust. In a typical pump design, the impellers slide freely on the shaft so that each impeller transfers thrust downward to one of the diffusers. A bearing, washer, or sleeve is located between a section of each impeller and the upstream diffuser to accommodate downward thrust. Another thrust washer transfers thrust upward.

Alguns poços produzem materiais abrasivos, tais como areia, junto com o óleo e água. O material abrasivo provoca desgaste dos componentes da bomba, especialmente nas áreas onde o empuxo para baixo e o empuxo para cima são transferidos. Mancais de empuxo e luvas de mancais de carboneto de tungstênio combinados com a modelagem de componentes podem ser utilizados nestas bombas para reduzir desgaste. Existem diversos projetos destes componentes, mas são desejáveis melhoramentos.Some wells produce abrasive materials, such as sand, along with the oil and water. Abrasive material wears out pump components, especially in areas where downward thrust and upward thrust transfer. Thrust bearings and tungsten carbide bearing sleeves combined with component modeling can be used in these pumps to reduce wear. There are several designs of these components, but improvements are desirable.

O documento US7575413 descreve uma bomba centrífuga que possui um difusor estacionário com um furo. Um mancal de impulso tem uma porção tubular que se insere no furo. O mancal de impulso tem um ressalto externo que contata uma superfície de suporte no furo do difusor para transmitir o impulso para baixo de um impulsor a montante para o difusor. O mancal de impulso tem um ressalto interno para transmitir o impulso para cima de um impulsor a jusante para o difusor.Document US7575413 describes a centrifugal pump that has a stationary diffuser with a hole. A thrust bearing has a tubular portion that fits into the bore. The thrust bearing has an external shoulder that contacts a support surface in the diffuser bore to transmit downward thrust from an upstream impeller to the diffuser. The thrust bearing has an internal shoulder to transmit upward thrust from a downstream impeller to the diffuser.

O documento US5722812 descreve uma bomba de poço centrífuga que tem módulos de estágios de bombeamento, cada módulo tendo um mancal de empuxo separado. O rolamento de impulso para cada módulo é suportado por um difusor superior do módulo. Um rotor de impulso gira com o eixo e engata o rolamento de impulso estacionário. Um membro de tensão engata o rotor e se estende para baixo através dos estágios. O membro de tensão tem vários ressaltos de carga voltados para cima, um para cada impulsor dentro do módulo. Cada um dos ombros de carga apoia o cubo de um dos impulsores. O empuxo descendente em cada impulsor é transferido através do ressalto de carga para o membro de tensão e de lá para o rotor de empuxo.Document US5722812 describes a centrifugal sump pump that has modules of pumping stages, each module having a separate thrust bearing. The thrust bearing for each module is supported by a module top spreader. A thrust rotor rotates with the shaft and engages the stationary thrust bearing. A tension member engages the rotor and extends down through the stages. The tension member has several upward facing load shoulders, one for each impeller within the module. Each of the load shoulders supports the hub of one of the thrusters. Downward thrust on each impeller is transferred through the load shoulder to the tension member and from there to the thrust rotor.

O documento US7552782 descreve conjuntos de mancal de empuxo e aparelhos de mancal de empuxo e motores de fundo de poço incorporando tais conjuntos de mancal de empuxo. Em um aspecto do documento US7552782, um conjunto de mancal de impulso é divulgado. O conjunto de mancal de empuxo compreende um assento incluindo uma superfície geralmente esférica definindo pelo menos parcialmente um recesso. Um suporte de rolamento é posicionado dentro do recesso. O suporte de mancal inclui uma superfície geralmente esférica configurada de modo que o suporte de mancal seja capaz de se mover com o recesso do assento. Pelo menos um elemento de mancal pode ser montado no suporte de mancal. O conjunto de mancal de impulso inclui ainda uma estrutura limitadora de movimento configurada para limitar o movimento relativo entre o suporte de mancal e o assento. A estrutura limitadora de movimento não se estende entre a superfície geralmente esférica do assento e a superfície geralmente esférica do suporte de mancal.Document US7552782 describes thrust bearing assemblies and thrust bearing apparatus and downhole motors incorporating such thrust bearing assemblies. In one aspect of US7552782 a thrust bearing assembly is disclosed. The thrust bearing assembly comprises a seat including a generally spherical surface at least partially defining a recess. A bearing support is positioned within the recess. The bearing bracket includes a generally spherical surface configured so that the bearing bracket is able to move with the recess in the seat. At least one bearing element can be mounted on the bearing bracket. The thrust bearing assembly further includes a motion limiting structure configured to limit relative motion between the bearing bracket and the seat. The motion limiting structure does not extend between the generally spherical surface of the seat and the generally spherical surface of the bearing bracket.

SUMMARY OF THE INVENTION

O estágio de bomba centrífuga desta invenção tem um difusor estacionário com um furo. Um mancal de empuxo tem uma seção tubular que se insere dentro do furo do difusor. Uma base ou ressalto geralmente cilíndrico estende-se radialmente para fora e apoia-se contra uma superfície de apoio formada no furo do difusor para transmitir empuxo para baixo de um propulsor a montante para o difusor. Além disso, um ressalto cônico estende-se a partir do ressalto externo e apoia-se contra uma superfície de apoio correspondentemente cônica formada no difusor para transmitir radialmente o empuxo do propulsor para o difusor.The centrifugal pump stage of this invention has a stationary diffuser with a hole. A thrust bearing has a tubular section that fits into the diffuser bore. A generally cylindrical base or shoulder extends radially outward and rests against a bearing surface formed in the diffuser bore to transmit downward thrust from an upstream impeller to the diffuser. In addition, a tapered shoulder extends from the outer shoulder and bears against a correspondingly conical bearing surface formed on the diffuser to radially transmit thrust from the propeller to the diffuser.

Um rotor de empuxo engata de modo rotativo uma superfície interior curva em uma extremidade a jusante do mancal de empuxo para transmissão do empuxo axial para baixo do propulsor a jusante para o difusor por meio de uma luva em contato tanto com o propulsor como com o rotor de empuxo. O rotor de empuxo e o mancal de empuxo podem também coletivamente ser considerados como um mancal. O rotor de empuxo tem uma extremidade curva a montante que corresponde à superfície interior do mancal de empuxo, resultando em uma maior área superficial na extremidade a montante que em uma extremidade a jusante. A extremidade curva a montante do rotor de empuxo transmite empuxo radialmente para o mancal. Além disso, a maior área superficial entre a superfície interior curva do mancal de empuxo e a correspondente extremidade curva a montante do rotor de empuxo permite a manipulação de maiores cargas. O mancal de empuxo e a luva de mancal são preferivelmente construídos de materiais duros resistentes a desgaste, tal como carboneto de tungstênio.A thrust rotor rotatably engages a curved interior surface on a downstream end of the thrust bearing for transmitting downward axial thrust from the downstream impeller to the diffuser via a sleeve in contact with both the impeller and the impeller. of thrust. The thrust rotor and thrust bearing can also collectively be considered as one bearing. The thrust rotor has a curved upstream end that matches the interior surface of the thrust bearing, resulting in a greater surface area on the upstream end than on a downstream end. The upstream curved end of the thrust rotor transmits thrust radially to the bearing. In addition, the increased surface area between the thrust bearing's curved inner surface and the corresponding curved upstream end of the thrust rotor allows greater loads to be handled. The thrust bearing and bearing sleeve are preferably constructed of hard wear resistant materials such as tungsten carbide.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

A Figura 1 é uma vista esquemática em elevação de uma bomba de acordo com esta invenção e mostrada dentro de um poço.Figure 1 is a schematic elevation view of a pump in accordance with this invention and shown inside a well.

A Figura 2 é uma vista em seção de um estágio de uma bomba construída de acordo com esta invenção.Figure 2 is a sectional view of a stage of a pump constructed in accordance with this invention.

A Figura 3 é uma vista em perspectiva de um mancal e rotor de empuxo do estágio da bomba da Figura 2, mostrado removido da bomba.Figure 3 is a perspective view of a bearing and thrust rotor of the pump stage of Figure 2, shown removed from the pump.

A Figura 4 é uma vista lateral de um rotor de empuxo do estágio da bomba da Figura 2, mostrado removido da bomba.Figure 4 is a side view of a thrust rotor of the pump stage of Figure 2, shown removed from the pump.

A Figura 5 é uma vista secional em perspectiva de um mancal e rotor de empuxo do estágio da bomba da Figura 2, mostrado removido da bomba.Figure 5 is a sectional perspective view of a bearing and thrust impeller of the pump stage of Figure 2, shown removed from the pump.

A Figura 6 é uma vista superior do rotor de empuxo da Figura 2.Figure 6 is a top view of the thrust rotor of Figure 2.

A Figura 7 é uma vista em seção de outra modalidade de um estágio de uma bomba construída de acordo com esta invenção.Figure 7 is a sectional view of another embodiment of a pump stage constructed in accordance with this invention.

A Figura 8 é uma vista em seção de outra modalidade de um estágio de uma bomba construída de acordo com esta invenção.Figure 8 is a sectional view of another embodiment of a pump stage constructed in accordance with this invention.

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Com referência à Figura 1, é mostrado um mecanismo de bomba em um poço com um revestimento 11. Perfurações 13 dentro do revestimento 11 permitem que fluido do poço flua para dentro do revestimento 11. É mostrada uma bomba elétrica submersível ("ESP") 15 suspensa no poço em uma coluna de tubulação de perfuração 17. A bomba 15 tem uma admissão 19 para aspiração de fluido do poço e bombeamento deste através da tubulação 17 para a superfície. Alternativamente, em alguns casos a bomba 15 descarregará para dentro do revestimento 11 acima de um obturador (não mostrado).Referring to Figure 1, there is shown a pump mechanism in a well with a casing 11. Perforations 13 within the casing 11 allow fluid from the well to flow into the casing 11. An electric submersible pump ("ESP") 15 is shown. suspended in the well in a drill pipe string 17. The pump 15 has an intake 19 for drawing fluid from the well and pumping it through the pipe 17 to the surface. Alternatively, in some cases pump 15 will discharge into casing 11 above a shutter (not shown).

A bomba 15 tem uma seção de vedação 21 conectada à sua extremidade inferior. Um motor elétrico 23 conecta-se à extremidade inferior da seção de vedação 21. A seção de vedação 21 reduz um diferencial de pressão entre o lubrificante dentro do motor 23 e a pressão hidrostática no poço. Um cabo de energia elétrica 24 estende-se para baixo desde a superfície até o motor 23 para fornecimento de energia.The pump 15 has a sealing section 21 connected to its lower end. An electric motor 23 connects to the lower end of the sealing section 21. The sealing section 21 reduces a pressure differential between the lubricant within the motor 23 and the hydrostatic pressure in the well. An electrical power cable 24 extends downward from the surface to the motor 23 for power supply.

Com referência à Figura 2, é ilustrado nesta modalidade um estágio da bomba 15 (Figura 1). Contudo, a bomba 15 é uma bomba centrífuga e incluirá diversos estágios. Cada estágio tem um difusor 27 e um propulsor 28 a montante. O difusor 27 descarrega para dentro de um propulsor a jusante 29. Cada propulsor 28, 29 gira e tem passagens 30 que conduzem para cima e para baixo a partir de uma entrada. Os difusores 27 empilham-se uns em cima dos outros dentro de um invólucro cilíndrico 25. Os difusores 27 não giram em relação ao invólucro 25. Cada difusor 27 tem diversas passagens 31 que se estendem desde uma entrada inferior ou a montante até uma saída superior ou a jusante. A entrada está mais distante radialmente de um eixo geométrico longitudinal da bomba 15 que a saída. Nesta modalidade, os estágios são de um tipo de fluxo misto, onde as passagens 30, 31 se estendem tanto radial como axialmente. Esta invenção é também aplicável a tipos de fluxos radiais, onde as passagens dos estágios são principalmente radiais.With reference to Figure 2, a pump stage 15 is illustrated in this embodiment (Figure 1). However, pump 15 is a centrifugal pump and will include several stages. Each stage has a diffuser 27 and an upstream impeller 28. The diffuser 27 discharges into a downstream impeller 29. Each impeller 28, 29 rotates and has passages 30 leading up and down from an inlet. The diffusers 27 are stacked one on top of the other within a cylindrical housing 25. The diffusers 27 do not rotate relative to the housing 25. Each diffuser 27 has a plurality of passageways 31 extending from a lower or upstream inlet to an upper outlet. or downstream. The inlet is radially farther from a longitudinal axis of the pump 15 than the outlet. In this embodiment, the stages are of a mixed flow type, where the passages 30, 31 extend both radially and axially. This invention is also applicable to radial flow types, where the stage passages are mainly radial.

O difusor 27 tem um furo axial com uma seção inferior 33a, um ressalto ou superfície de apoio voltado para cima 33b, um ressalto ou superfície de apoio cônico 33c e uma seção superior 33d. Os termos "superior" e "inferior" são usados aqui por conveniência apenas e não de um modo limitativo. A seção inferior 33a tem o menor diâmetro, enquanto o ressalto cônico 33c é rebaixado radialmente para fora de um montante definido pelo ressalto voltado para cima 33b. O ressalto cônico 33c inclina-se radialmente para cima para encontrar a seção superior 33d, a qual é cilíndrica e tem o maior diâmetro do furo. Nesta modalidade, a seção inferior 33a tem um comprimento maior que qualquer dos ressaltos 33b, 33c, ou 33d. As diversas porções 33b, 33c e 33d criam um formato geralmente côncavo.Diffuser 27 has an axial bore with a bottom section 33a, an upwardly facing shoulder or bearing surface 33b, a tapered shoulder or bearing surface 33c, and an upper section 33d. The terms "superior" and "inferior" are used herein for convenience only and not in a limiting manner. The bottom section 33a has the smallest diameter, while the tapered shoulder 33c is recessed radially away from a mullion defined by the upwardly facing shoulder 33b. The conical shoulder 33c slopes radially upward to meet the upper section 33d, which is cylindrical and has the largest bore diameter. In this embodiment, the bottom section 33a has a length greater than any of the shoulders 33b, 33c, or 33d. The various portions 33b, 33c and 33d create a generally concave shape.

Continuando a referência à Figura 2, nesta modalidade, um eixo 35 estende-se de modo rotativo através das seções do furo do difusor 33a, 33b, 33c e 33d para girar os propulsores 28, 29. Uma base de mancal de empuxo 37 é montada de modo não-rotativo nas seções 33b, 33c e 33d do furo do difusor, tal como por meio de um encaixe de interferência ou outro meio. A base de mancal de empuxo 37 pode ser um elemento geralmente em forma de taça com um fundo ou ressalto geralmente cilíndrico 42 em um lado a montante que se estende radialmente para fora. O ressalto inferior 42 ao menos parcialmente apoia-se contra o ressalto voltado para cima 33b formado no furo do difusor 27 para transmitir empuxo para baixo do propulsor a montante 29 para o difusor 27. Alem disso, um ressalto exterior cônico 45 na base de mancal de empuxo 37 estende- se para cima do ressalto inferior 42 e apoia-se contra o correspondente ressalto de apoio cônico 33c formado no difusor 27 para deste modo transmitir empuxo do propulsor a jusante 29 para o difusor 27. O diâmetro externo do ressalto inferior 42 é menor que o diâmetro externo da seção superior 33d do furo, definindo a extremidade inferior do ressalto cônico 45 da base de mancal de empuxo 37. A extremidade superior do ressalto cônico 45 une-se a uma superfície cilíndrica na base de mancal de empuxo 37. A superfície cilíndrica une-se com as superfícies 33d no difusor 27. O lado superior da base de mancal de empuxo 37 é, portanto, geralmente convexa e conforma-se então com as seções do lado superior 33b, 33c e 33d do difusor 27. Embora o lado superior da base de mancal de empuxo 37 seja geralmente convexa e o lado superior conjugado do difusor 28 geralmente côncavo, são possíveis outros formatos. A base de mancal 37 está adequadamente ligada ao difusor 28.Continuing with reference to Figure 2, in this embodiment, a shaft 35 rotatably extends through the diffuser bore sections 33a, 33b, 33c and 33d to rotate the impellers 28, 29. A thrust bearing base 37 is mounted non-rotatably in diffuser bore sections 33b, 33c and 33d, such as by means of an interference fit or other means. The thrust bearing base 37 may be a generally cup-shaped member with a generally cylindrical bottom or shoulder 42 on an upstream side extending radially outward. The lower shoulder 42 at least partially bears against the upwardly facing shoulder 33b formed in the diffuser bore 27 to transmit downward thrust from the upstream impeller 29 to the diffuser 27. In addition, a tapered outer shoulder 45 in the bearing base thrust plate 37 extends upward from lower shoulder 42 and abuts against a corresponding conical bearing shoulder 33c formed on diffuser 27 to thereby transmit thrust from downstream impeller 29 to diffuser 27. The outside diameter of lower shoulder 42 is less than the outer diameter of the upper section 33d of the hole defining the lower end of the tapered shoulder 45 of the thrust bearing base 37. The upper end of the tapered shoulder 45 mates with a cylindrical surface on the thrust bearing base 37 The cylindrical surface mates with the surfaces 33d on the diffuser 27. The top side of the thrust bearing base 37 is therefore generally convex and then conforms to the top side sections 33b, 33c and 33d of the diffuser 27 Although the upper side of the thrust bearing base 37 is generally convex and the mating upper side of the diffuser 28 is generally concave, other shapes are possible. Bearing base 37 is suitably connected to diffuser 28.

O lado superior ou a jusante 43 da base de mancal de empuxo 37 termina substancialmente nivelado com a saída das passagens 31. Uma face de empuxo geralmente côncava 41 é formada no lado superior ou a jusante da base de mancal de empuxo 37, com uma curvatura estendendo-se desde um diâmetro interior da base de mancal de empuxo 37 até um aro 43 na extremidade a jusante da base de mancal de empuxo 37. A face de empuxo côncava 41 tem formato similar às seções do lado inferior 42, 45 da base de mancal de empuxo 37 propiciando espessura uniforme para a base de mancal de empuxo 37. Nesta modalidade, a face de empuxo côncava 41 é uma seção de uma esfera.The upper or downstream side 43 of the thrust bearing base 37 ends substantially flush with the outlet of the passages 31. A generally concave thrust face 41 is formed on the upper or downstream side of the thrust bearing base 37, with a curvature extending from an inside diameter of the thrust bearing base 37 to a rim 43 at the downstream end of the thrust bearing base 37. The concave thrust face 41 is shaped similarly to the bottom side sections 42, 45 of the thrust bearing base 37. thrust bearing 37 providing uniform thickness for thrust bearing base 37. In this embodiment, the concave thrust face 41 is a section of a sphere.

Nesta modalidade, um rotor de empuxo 57 tem uma extremidade convexa inferior ou a montante 48 que se conjuga e engata de modo rotativo com a correspondente face de empuxo côncava 41 da base de mancal de empuxo 37, como mostrado na Figura 3. O rotor de empuxo 57 transmite empuxo axial para baixo do propulsor a jusante 29 para o difusor 27 por meio de uma luva 51 em contato tanto com o propulsor 29 como com o rotor de empuxo 57. A luva 51 pode ter uma extremidade inferior plana cilíndrica 59 que está em contato com um lado a jusante 59 do rotor de empuxo 57.In this embodiment, a thrust rotor 57 has a lower or upstream convex end 48 that mates and rotatably engages with the corresponding concave thrust face 41 of the thrust bearing base 37, as shown in Figure 3. The thrust 57 transmits downward axial thrust from the downstream impeller 29 to the diffuser 27 via a sleeve 51 in contact with both the impeller 29 and the thrust rotor 57. The sleeve 51 may have a flat cylindrical lower end 59 which is in contact with a downstream side 59 of the thrust rotor 57.

Um cubo de propulsor que se estende para baixo 65 do propulsor adjacente a jusante 29 ou um espaçador (não mostrado) se usado, faz contato com a extremidade superior da luva 51. O propulsor adjacente a montante 28 tem um cubo que se estende para cima 67 que se encaixa em um espaço anular definido pela seção inferior do furo 33a e uma seção da base de mancal de empuxo 37. A extremidade superior do cubo 67 não faz contato com o ressalto da base de mancal de empuxo 42. A luva 51 e o rotor de empuxo 57 estão chaveados no eixo 35 para fazer com que a luva 51 e o rotor de empuxo 57 girem com o eixo 35. A luva 51 e o rotor de empuxo 57 estão livres para se mover axialmente no eixo 35 de uma distância limitada que é definida pelo movimento axial do propulsor a jusante 29. Nesta modalidade, o comprimento axial da luva 51 é maior que o comprimento axial da base de mancal de empuxo 37. A luva 51 e o rotor de empuxo 57 poderiam estar integralmente fixados entre si.A downwardly extending impeller hub 65 from the downstream adjacent impeller 29 or a spacer (not shown) if used, makes contact with the upper end of the sleeve 51. The upstream adjacent impeller 28 has an upwardly extending hub 67 that fits into an annular space defined by the lower bore section 33a and a thrust bearing base section 37. The upper end of the hub 67 does not make contact with the shoulder of the thrust bearing base 42. The sleeve 51 and thrust rotor 57 are keyed on shaft 35 to cause sleeve 51 and thrust rotor 57 to rotate with shaft 35. Sleeve 51 and thrust rotor 57 are free to move axially on shaft 35 a distance limited that is defined by the axial movement of the downstream impeller 29. In this embodiment, the axial length of the sleeve 51 is greater than the axial length of the thrust bearing base 37. The sleeve 51 and the thrust rotor 57 could be integrally fixed between yes.

As superfícies convexa e côncava 48, 41 do rotor de empuxo 57 e da base de mancal de empuxo 37, respectivamente, propiciam uma maior área superficial para manipular maiores cargas axiais que uma superfície plana. Como mostrado na Figura 5, o empuxo para baixo transmitido à base de mancal de empuxo 37 tem uma componente radial ou para fora devido à curvatura côncava/convexa da superfície de união do rotor de empuxo 57 e base de mancal de empuxo 37. A área superficial do lado convexo a montante 48 do rotor de empuxo 57 é substancialmente a mesma que a área superficial da face côncava de empuxo 41 da base de mancal de empuxo 37. Como mostrado nas Figuras 3 e 4, ranhuras helicoidais ou em espiral 55 podem ser formadas sobre o lado convexo 48 do rotor de empuxo 57. As ranhuras 55 facilitam a introdução de lubrificante entre o rotor de empuxo 57 e a base de mancal de empuxo 37. As ranhuras 55 podem ser paralelas entre si e curvas desde o lado inferior até o superior do rotor de empuxo 57. Alternativamente, as ranhuras 55 poderiam ser formadas na face côncava 41 da base de mancal de empuxo 37. Nesta modalidade, uma fenda interna de chave 63 (Figuras 5 e 6) no rotor de empuxo 57 recebe uma chave (não mostrada) no eixo 35 para provocar a rotação do rotor de empuxo 57.The convex and concave surfaces 48, 41 of the thrust rotor 57 and thrust bearing base 37, respectively, provide a greater surface area for handling greater axial loads than a flat surface. As shown in Figure 5, the downward thrust transmitted to the thrust bearing base 37 has a radial or outward component due to the concave/convex curvature of the mating surface of the thrust rotor 57 and thrust bearing base 37. The area The surface area of the upstream convex side 48 of the thrust rotor 57 is substantially the same as the surface area of the concave thrust face 41 of the thrust bearing base 37. As shown in Figures 3 and 4, helical or spiral grooves 55 can be formed on the convex side 48 of the thrust rotor 57. The grooves 55 facilitate the introduction of lubricant between the thrust rotor 57 and the thrust bearing base 37. The grooves 55 can be parallel to each other and curved from the underside to the top of thrust rotor 57. Alternatively, slots 55 could be formed in the concave face 41 of thrust bearing base 37. In this embodiment, an internal key slot 63 (Figures 5 and 6) in thrust rotor 57 receives a key (not shown) on shaft 35 to cause thrust rotor 57 to rotate.

A base de mancal de empuxo 37, luva 51 e rotor de empuxo 57 podem ser construídos de material mais duro e mais resistente a desgaste que o material dos difusores 27 e propulsores 28, 29. Em uma modalidade preferida, o material compreende um carboneto, tal como carboneto de tungstênio. O carboneto de tungstênio fornece melhor resistência à abrasão contra materiais abrasivos, tal como areia, do que o material do difusor 27 e propulsores 28, 29.The thrust bearing base 37, sleeve 51 and thrust rotor 57 may be constructed of a harder and more wear resistant material than the material of the diffusers 27 and impellers 28, 29. In a preferred embodiment, the material comprises a carbide, such as tungsten carbide. Tungsten carbide provides better abrasion resistance against abrasive materials, such as sand, than diffuser material 27 and impellers 28, 29.

Em funcionamento, o motor 23 (Figura 1) gira o eixo 35 (Figura 2), o qual por sua vez faz com que os propulsores 28, 29, rotor de empuxo 57 e luva 51 girem. A rotação dos propulsores 28, 29 provoca o fluxo de fluido através das passagens dos propulsores 30 e passagens dos difusores 31. A pressão de fluido do fluido que flui aumenta com cada estágio da bomba. Os propulsores 28, 29 são chaveados no eixo 35 para rotação, mas não estão fixados axialmente ao eixo 35. O empuxo axial para baixo exercido pela ação de bombeamento é aplicada por cada propulsor 28, 29. A extremidade inferior do cubo 65 do propulsor a jusante 29 transmite o empuxo axial através do rotor de empuxo 57 para dentro da base de mancal de empuxo 37 estacionária. O empuxo axial e uma componente radial transferem-se através do difusor 27 para o difusor (não mostrado) localizado debaixo daquele, e eventualmente para a extremidade inferior do invólucro da bomba 25.In operation, motor 23 (Figure 1) rotates shaft 35 (Figure 2), which in turn causes impellers 28, 29, thrust rotor 57 and sleeve 51 to rotate. Rotation of impellers 28, 29 causes fluid to flow through impeller passages 30 and diffuser passages 31. The fluid pressure of the flowing fluid increases with each stage of the pump. Impellers 28, 29 are keyed to shaft 35 for rotation, but are not axially attached to shaft 35. The axial downward thrust exerted by the pumping action is applied by each impeller 28, 29. The lower end of impeller hub 65 a downstream 29 transmits the axial thrust through the thrust rotor 57 into the stationary thrust bearing base 37. Axial thrust and a radial component transfer through the diffuser 27 to the diffuser (not shown) located below it, and eventually to the lower end of the pump casing 25.

Sob certas circunstâncias, ocorre empuxo para cima, fazendo com que o cubo 67 do propulsor a montante 28 se desloque para cima para contato com um ressalto voltado para montante na seção inferior 33a do difusor 27. A força para cima transfere-se do difusor 27 para dentro do invólucro 25.Under certain circumstances, upward thrust occurs, causing the hub 67 of the upstream impeller 28 to move upward into contact with an upstream facing shoulder on the bottom section 33a of the diffuser 27. The upward force transfers from the diffuser 27 into housing 25.

Se desejado, cada estágio poderia ter um de cada uma das bases de mancais de empuxo 37, rotores de empuxo 57 e luva 51. Alternativamente, como mostrado na Figura 7, alguns dos estágios poderiam ser do tipo convencional, não tendo um rotor de empuxo, mancal de empuxo, ou luva como descritos. Luvas espaçadoras estão localizadas entre os cubos de propulsores 57 destes estágios convencionais e luvas de empuxo 51 para o estágio seguinte com um rotor de empuxo 57 e base de mancal de empuxo 37 como descritos. Um arranjo de rotor de empuxo 57 e base de mancal de empuxo 37 idêntico àquele descrito previamente está instalado dentro de um dos estágios. Uma base de mancal de empuxo adicional 80 e um rotor de empuxo 82 estão localizados dentro de um difusor 84 localizado a jusante do rotor de empuxo a montante 57 e base de mancal 37. Dois estágios convencionais estão localizados entre a base de mancal de empuxo 80 e a base de mancal de empuxo 37. O empuxo para baixo proveniente do estágio atravessa a sua luva de empuxo 51 e espaçador para o estágio. O empuxo é passado dos estágios através do cubo 67 para a luva de empuxo 51, rotor de empuxo 57 e base de mancal de empuxo 37 para o difusor associado 27. Este arranjo propicia capacidade adicional de manipulação de empuxo na ESP 15.If desired, each stage could have one each of thrust bearing bases 37, thrust rotors 57 and sleeve 51. Alternatively, as shown in Figure 7, some of the stages could be of the conventional type, not having a thrust rotor , thrust bearing, or sleeve as described. Spacer sleeves are located between the thruster hubs 57 of these conventional stages and thrust sleeves 51 for the next stage with a thrust rotor 57 and thrust bearing base 37 as described. A thrust rotor 57 and thrust bearing base 37 arrangement identical to that previously described is installed within one of the stages. An additional thrust bearing base 80 and thrust rotor 82 are located within a diffuser 84 located downstream of the upstream thrust rotor 57 and bearing base 37. Two conventional stages are located between the thrust bearing base 80 and thrust bearing base 37. Downward thrust from the stage passes through its thrust sleeve 51 and spacer to the stage. Thrust is passed from the stages through hub 67 to thrust sleeve 51, thrust rotor 57 and thrust bearing base 37 to associated diffuser 27. This arrangement provides additional thrust handling capability in ESP 15.

Ainda em outra modalidade ilustrada na Figura 8, são mostrados arranjos de mancal e rotor de empuxo virados um para o outro. A base de mancal e rotor de empuxo 37, 57 a montante que manipulam o empuxo para baixo são idênticos a uma modalidade previamente discutida e transferem o empuxo para baixo para o difusor 27. Uma base de mancal de empuxo 90 a jusante está instalada dentro de um lado voltado para baixo do difusor 94, e um rotor de empuxo para cima 92 engata de modo rotativo a base de mancal de empuxo 90. O arranjo a jusante é idêntico ao arranjo a montante, contudo a base de mancal de empuxo 90 a jusante e o rotor de empuxo 92 são instalados em uma direção que está voltada para o arranjo a montante e manipula o empuxo para cima. Uma extremidade superior do cubo 67 do propulsor adjacente 28 encosta-se no lado inferior do rotor de empuxo 92 para transferir o empuxo para cima. O arranjo descrito nesta modalidade pode, portanto, manipular tanto empuxo para cima como empuxo para baixo. Além disso, se qualquer dos rotores de empuxo se desengatar de um mancal de empuxo, o outro rotor de empuxo engatado ainda será capaz de manipular o empuxo. Na modalidade da Figura 8, o espaçador transmite tanto empuxo para cima como empuxo para baixo entre os cubos 67 e o rotor de empuxo 51.In yet another embodiment illustrated in Figure 8, bearing and thrust rotor arrangements facing each other are shown. The upstream thrust bearing base and rotor 37, 57 which handle the downward thrust are identical to a previously discussed embodiment and transfer the downward thrust to the diffuser 27. A downstream thrust bearing base 90 is installed within a downward facing side of the diffuser 94, and an upward thrust rotor 92 rotatably engage the thrust bearing base 90. The downstream arrangement is identical to the upstream arrangement, however the thrust bearing base 90 is downstream and thrust rotor 92 are installed in a direction that faces the upstream arrangement and handles upward thrust. An upper end of hub 67 of adjacent impeller 28 abuts against the underside of thrust rotor 92 to transfer thrust upward. The arrangement described in this embodiment can therefore handle both upward thrust and downward thrust. Furthermore, if either thrust rotor becomes disengaged from a thrust bearing, the other engaged thrust rotor will still be able to handle thrust. In the embodiment of Figure 8, the spacer transmits both upward and downward thrust between hubs 67 and thrust rotor 51.

A invenção tem vantagens significativas. O mancal de empuxo fornece transferência de ambos os componentes axial e radial de empuxo para o difusor. A base de mancal e rotor de empuxo também fornecem apoio radial para o eixo. As faces de empuxo são consideravelmente maiores em área de seção transversal que a face plana devido às superfícies curvas utilizadas. Mais empuxo pode ser manipulado em menos peso porque não são necessários mancais individuais para manipular cargas radiais. A diminuição em peças também diminui o custo e aumenta a confiabilidade.The invention has significant advantages. The thrust bearing provides transfer of both axial and radial thrust components to the diffuser. The bearing base and thrust rotor also provide radial support for the shaft. The thrust faces are considerably larger in cross-sectional area than the planar face due to the curved surfaces used. More thrust can be handled with less weight because individual bearings are not required to handle radial loads. The decrease in parts also lowers cost and increases reliability.

Embora a invenção tenha sido mostrada em apenas uma de suas formas, deverá ser evidente para aqueles versados na técnica que não é limitada deste modo, mas que é suscetível a diversas alterações sem divergir do âmbito da invenção.Although the invention has been shown in only one of its forms, it should be apparent to those skilled in the art that it is not limited in this way, but that it is susceptible to various changes without departing from the scope of the invention.

Claims

1. Centrifugal pump with several stages traversed by a transmission shaft, characterized by the fact that it comprises: a rotationally driven transmission shaft; a diffuser (27) with a hole traversed by the shaft; the diffuser (27) having a concave receptacle around the diffuser hole; a thrust bearing base (37) having a convex side connected to the diffuser receptacle (27), the thrust bearing base (37) having a concave thrust face; a thrust rotor (57) with a convex side in rotary engagement with the thrust face of the thrust bearing base (37), the thrust rotor (57) being axially movable with respect to the shaft and rotatable with the shaft; an impeller rotated by the shaft downstream of the diffuser (27); and a thrust sleeve (51) surrounding and rotating with the shaft and extending between the impeller and the thrust rotor (57) for downward transmission to the thrust bearing base (37); and wherein the thrust sleeve (51), thrust rotor (57), and thrust bearing base are made of a harder material than the diffuser (27) and impeller.

2. Centrifugal pump, according to claim 1, characterized in that the diffuser receptacle (27) comprises: a flat shoulder, a conical surface extending out of the shoulder and a cylindrical surface that joins and extends to from the conical surface.

3. Centrifugal pump, according to claim 2, characterized by the fact that the thrust face of the thrust bearing base (37) is spherical.

4. Centrifugal pump, according to claim 1, characterized by the fact that the thrust sleeve (51), the thrust rotor (57) and the thrust bearing base are made of tungsten carbide.

5. Centrifugal pump, according to claim 1, characterized in that it further comprises: an upstream impeller rotated by the shaft in engagement with an upstream side of the diffuser (27), the upstream impeller having a hub through which the axis passes; and wherein the impeller bearing base has an inner section spaced from the upstream impeller hub by a clearance.

6. Centrifugal pump, according to claim 1, characterized by the fact that: the thrust rotor (57) has a flat side; and the thrust sleeve has an end that abuts the flat side of the impeller rotor.

7. Centrifugal pump, according to claim 1, characterized by the fact that: the base of the thrust bearing has an end opposite the thrust face that is flush with the junction of the hole with the receptacle and that has a smaller internal diameter than an inside diameter of the hole in the diffuser (27) measured at a hole-to-receptacle junction.

8. Centrifugal pump, according to claim 1, characterized by the fact that it further comprises: a second downstream propeller spaced downstream of the first mentioned downstream propeller; and a spacer sleeve surrounding the shaft, engaging a hub of the second downstream impeller and a hub of the aforementioned first downstream impeller, the spacer sleeve being axially movable with respect to the shaft for transmitting impeller downwards from the second downstream impeller to the first mentioned downstream thruster.

9. Centrifugal pump, according to claim 1, characterized by the fact that it further comprises: a diffuser (27) downstream of the first mentioned diffuser; an upward thrust bearing base (37) connected to the downstream diffuser (27), the upward thrust bearing base (37) having a concave thrust face; an upstream thrust rotor (57) having a convex side in rotary engagement with the thrust face of the thrust bearing base (37) upwards, the upstream thrust rotor (57) being axially movable with respect to the shaft and rotating with the shaft, the upstream thrust rotor (57) transmitting upward thrust from the downstream impeller to the downstream diffuser (27); and wherein the upstream thrust rotor (57) and upstream thrust bearing base are made of a harder material than the downstream diffuser (27) and downstream impeller.

10. Centrifugal pump with several stages traversed by a transmission shaft, characterized by the fact that it comprises: a rotationally driven transmission shaft; a diffuser (27) with a hole traversed by the shaft and a concave receptacle at an upper end of the hole; a thrust bearing base (37) having a convex side that fits and is connected to the receptacle, the thrust bearing base (37) having a concave impeller face opposite the convex side; a thrust rotor (57) having a convex underside in rotary engagement with the thrust face of the thrust bearing base (37), the thrust rotor (57) being axially movable with respect to the shaft and rotatable with the shaft; an impeller adjacent to and above the diffuser (27) and rotated by the shaft; a thrust sleeve (51) surrounding and rotating with the shaft and extending between the impeller and thrust rotor (57) for transmitting thrust downward to the thrust bearing base (37); and wherein the thrust sleeve (51), thrust rotor (57) and thrust bearing base (37) are made of a harder and more wear resistant material than that of the diffuser (27) and impeller.

11. Centrifugal pump, according to claim 10, characterized by the fact that the thrust sleeve (51), thrust rotor (57) and thrust bearing base (37) are made of tungsten carbide.

12. Centrifugal pump according to claim 10, characterized in that the receptacle comprises a flat shoulder facing upwards, a conical surface that extends upwards and outwards and a cylindrical surface that joins the conical surface.

13. Centrifugal pump, according to claim 10, characterized in that the thrust bearing base (37) has an underside that is spaced by a gap from a hub of an adjacent impeller located below the diffuser (27) .

14. Centrifugal pump, according to claim 10, characterized in that the thrust rotor (57) has a flat upper side and the impeller sleeve has a lower end that adjoins the upper side of the thrust rotor (57 ).

15. Centrifugal pump according to claim 10, characterized in that: the thrust bearing base (37) has a lower end with an internal diameter smaller than an internal diameter of the hole in the diffuser (27) measured in a hole-to-receptacle junction; and the lower end of the thrust bearing base is flush with the hole and receptacle junction.

16. Centrifugal pump, according to claim 10, characterized in that it further comprises: a second impeller spaced above and adjacent to the first mentioned impeller; a spacer sleeve surrounding the shaft engaging a hub of said second thruster and a hub of said first thruster, the spacer sleeve being axially movable with respect to the shaft for transmitting downward thrust from the second thruster to said first thruster.

17. Centrifugal pump, according to claim 10, characterized in that it further comprises: a second diffuser (27) mounted above said first mentioned diffuser; an upward thrust bearing base (37) attached to a lower section of the second diffuser (27), the upward thrust bearing base (37) having a concave thrust face on an underside; an upward thrust rotor (57) having a convex top side in rotary engagement with the thrust face of the thrust bearing base (37), the upward thrust rotor (57) being axially movable relative to the shaft and rotating with the shaft, the thrust rotor (57) upwards transmitting the upward thrust from the impeller to the second diffuser (27); and wherein the upward thrust bearing base (37) and upward thrust rotor (57) are formed of a harder material than the impeller and the second diffuser (27).

18. Centrifugal pump with several stages traversed by a transmission shaft, characterized by the fact that it comprises: a shaft driven rotatably; a first diffuser (27) having a hole through the shaft, the first diffuser (27) having a concave receptacle in an upper section; a downward thrust bearing base (37) mounted stationarily in the receptacle, the downward thrust bearing base (37) having a concave thrust face on an upper side; a downward thrust rotor (57) with a convex underside in rotary engagement with the thrust face of the thrust bearing base (37) downward, the downward thrust rotor (57) being axially movable with respect to the shaft and rotatable with the shaft; a first impeller rotated by the shaft above the first diffuser (27); a thrust sleeve (51) surrounding and rotatable with the shaft and extending between the first impeller and the thrust rotor (57) downwards for downward transmission of thrust to the thrust bearing base (37); a second propeller spaced above the first diffuser (27); a second impeller spaced above the first impeller and in rotational engagement with a second diffuser (27); and a spacer sleeve surrounding the shaft which engages a hub of said second thruster with a hub of said first thruster, the spacer sleeve being axially movable with respect to the shaft to impart downward thrust from the second thruster to the first thruster; and wherein the thrust sleeve (51), thrust rotor (57), and thrust bearing base are made of a harder material than the first and second diffusers and the first and second impellers.

19. Centrifugal pump, according to claim 18, characterized in that it further comprises: a third diffuser (27) mounted above the second diffuser; an upward thrust bearing base (37) mounted stationarily on a lower section of a third diffuser (27) mounted above said second diffuser (27), the upward thrust bearing base (37) having a face concave thrust; and an upward thrust rotor (57) having a convex top side in rotary engagement with the upward thrust face of the thrust bearing base (37), the upward thrust rotor (57) being axially movable relative to the shaft and rotatable with the shaft, the thrust rotor (57) upwards transmitting upward thrust from the second impeller 5 to the third diffuser (27).