RU179380U1

RU179380U1 - Ступень погружного многоступенчатого насоса

Info

Publication number: RU179380U1
Application number: RU2017106417U
Authority: RU
Inventors: Юрий Михайлович Меркушев; Александр Васильевич Краев; Олег Николаевич Виноградов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Ижнефтепласт"
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2018-05-11

Abstract

Полезная модель относится к гидромашиностроению и может быть использована в нефтедобывающей промышленности при создании погружных центробежных насосов, предназначенных для добычи нефти из скважин с высоким содержанием газа и абразивных частиц в пластовой жидкости.Полезная модель направлена на повышение КПД ступени, повышение ее износостойкости и коррозионной стойкости в условиях добычи нефти из скважин с высоким содержанием газа и абразивных частиц в пластовой жидкости.Указанная задача достигается тем, что ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса содержит направляющий аппарат и рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопастями, на верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены лопатки, отделенные друг от друга. При этом наружные кромки лопаток ограничены цилиндрической поверхностью диаметром меньше диаметра ведущего диска, а сопряжение боковых сторон лопаток с верхней поверхностью ведущего диска выполнено с помощью фасок. 16 з.п. ф-лы, 12 ил.

Description

Заявляемая полезная модель относится к гидромашиностроению и может быть использована в нефтедобывающей промышленности при создании погружных центробежных насосов, предназначенных для добычи нефти из скважин с высоким содержанием газа и абразивных частиц в пластовой жидкости.

Известна ступень погружного многоступенчатого насоса (патент РФ на изобретение №2218482, МПК F04D 13/10, опубл. 10.12.2003), которая содержит направляющий аппарат и рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопатками. На верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены отделенные друг от друга ориентированные в радиальном направлении выступы. Боковые поверхности выступов расположены под ненулевым углом к радиусу ведущего диска, проходящему через этот выступ. Выступы расположены по окружности ведущего диска на приближенно одинаковом угловом расстоянии относительно друг друга и выполнены с возможностью выполнения функции дополнительных лопаток рабочего колеса. Изобретение направлено на повышение стабильности характеристик ступени при работе в двух- или трехфазных газожидкостных средах, обеспечение высокого напора при малых подачах без снижения прочности и надежности ступени, а также на повышение коэффициента полезного действия (КПД) ступени.

Известное решение имеет ряд недостатков. Во-первых, находясь в непосредственной близости с лопастями рабочего колеса, выступы на верхнем покрывном диске создают дополнительные потоки, попадающие в том числе в канал самого рабочего колеса и создающие дополнительные вихри на тыльной части каждой лопасти, тем самым увеличивая активную ширину лопасти на выходе, а, следовательно, и сопротивление ее при вращении, что в конечном итоге увеличивает мощность и снижает КПД ступени в частности и насоса в целом. Во-вторых, расположение боковых сторон выступов под ненулевым углом к радиусу ведущего диска рабочего колеса, проходящему через выступ, изменяет скорость перемещения потока в зазоре между ведущим диском рабочего колеса и нижним диском направляющего аппарата в радиальном направлении, то есть снижает в случае поворота выступов против вращения рабочего колеса, и увеличивает при повороте выступов по направлению его вращения, но при этом значительно падает эффективность работы самих выступов. Снижение указанной скорости вызывает накопление на поверхности ведущего диска рабочего колеса механических, в том числе абразивных частиц, которые, попадая на поверхности трения в данной области, вызывают их повышенный износ и снижают абразивную стойкость ступени в частности и насоса в целом.

Указанные недостатки частично решены конструкцией ступени погружного многоступенчатого насоса (патент РФ на изобретение №2449176, МПК F04D 13/10, F04D 29/02, F04D 29/22, опубл. 27.04.2012), содержащей направляющий аппарат и рабочее колесо, которое содержит ведущий и покрывной диски, между которыми размещены лопасти, и ступицу. На ведущем диске рабочего колеса выполнен лопаточный венец. Рабочее колесо выполнено в виде цельнолитой конструкции из чугуна, между боковыми гранями каждой лопатки лопаточного венца и ведущим диском выполнены скругления. Высота лопаточного венца не превышает минимальное расстояние между ведущим и покрывным дисками, а радиус скруглений составляет от 0,1 до 0,8 от этой величины.

Недостатками являются, во-первых, низкий КПД ступени из-за равенства диаметров ведущего диска колеса и его лопаточного венца. Лопатки такого венца вызывают дополнительные потоки, попадающие в канал самого рабочего колеса и создающие дополнительные вихри на тыльной части каждой лопасти, тем самым увеличивая активную ширину лопасти на выходе, а, следовательно, и сопротивление ее при вращении, что в конечном итоге увеличивает мощность и снижает КПД. Во-вторых, низкая износостойкость пар трения известной ступени погружного многоступенчатого насоса в условиях добычи нефти из скважин с высоким содержанием газа и абразивных частиц в пластовой жидкости. Выполнение лопаточного венца в виде ячеек снижает скорость перемещения жидкости с абразивными частицами и газовыми пузырями в радиальном направлении у ведущего диска в зазоре между ступицей рабочего колеса и буртиком ячеек лопаточного венца и вызывает образование застойных зон. В данных зонах скапливаются абразивные частицы и газовые пузыри, которые, попадая в зазор между ступицей рабочего колеса и сопрягаемым отверстием направляющего аппарата, увеличивают износ данной радиальной пары трения из-за повышения концентрации абразивных частиц и образования зон сухого трения. В-третьих, низкая коррозионная стойкость в условиях добычи нефти из скважин с высоким содержанием газа и абразивных частиц в пластовой жидкости из-за низкого содержания легирующих элементов, например, никеля и хрома.

Задачей заявляемого решения является повышение КПД ступени, повышение ее износостойкости и коррозионной стойкости в условиях добычи нефти из скважин с высоким содержанием газа и абразивных частиц в пластовой жидкости.

Технический результат достигается тем, что ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса содержит направляющий аппарат и рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопастями, на верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены лопатки, отделенные друг от друга. При этом наружные кромки лопаток ограничены цилиндрической поверхностью диаметром меньше диаметра ведущего диска, а сопряжение боковых сторон лопаток с верхней поверхностью ведущего диска выполнено с помощью фасок. Кроме того, диаметр цилиндрической поверхности, ограничивающей наружные кромки лопаток, составляет от 0,7 до 0,99 величины диаметра ведущего диска, а на верхней поверхности ведущего диска выполнена канавка различной формы, сопрягаемая с внутренними кромками лопаток. При этом ширина канавки находится в пределах от 0,4 до 3,0 от минимальной высоты лопаток, глубина канавки находится в пределах от 0,15 до 1,55 от минимальной высоты лопаток, а внутренние кромки лопаток образованы цилиндрической поверхностью или конической поверхностью с углом наклона образующей относительно оси рабочего колеса не более 55°. Поверхность ведущего диска между лопатками может быть выполнена в виде поверхностей различной формы, либо в виде сопряжения конической поверхности с плоскостью, либо в виде части тора, либо в виде сочетания части тора с плоскостью, либо в виде сочетания части тора с конической поверхностью. При этом боковые стороны лопаток расположены радиально, лопатки в поперечном сечении могут иметь симметричный профиль с углом между боковыми сторонами не более 30° или несимметричный профиль с углом наклона одной из боковых сторон до 15°, а другой до 65°. Направляющий аппарат и рабочее колесо могут быть выполнены из чугуна, содержащего в мас. %: углерод 2,2-3,1; кремний 1,0-2,8; марганец до 1,6; хром свыше 1,5; никель свыше 13,5; медь до 8,0%. В частном случае реализации полезной модели, рабочее колесо может быть выполнено из термопластичного полимерного материала, содержащего в мас. %: стеклонаполнитель до 50; фторопласт до 20; минеральный наполнитель до 30, при этом сопряжение боковых сторон лопаток с поверхностью верхнего диска между лопатками выполнено в виде радиусов.

Положительный эффект достигается следующим образом. Повышение КПД и износостойкости достигается формой и профилем лопаток на ведущем диске, а также наличием канавки перед лопатками на ведущем диске рабочего колеса. Ограничение наружных кромок лопаток диаметром меньше диаметра ведущего диска позволяет создать препятствие для прямого попадания вихрей из каналов, образованными лопатками, в канал рабочего колеса, образованного лопастями, дисками ведущим и ведомым. При этом снижается сопротивление лопасти на выходе. Канавка на ведущем диске снижает сопротивление движению жидкости в каналы между лопатками, повышая эффективность вымывания абразивных частиц из пространства между нижним диском и верхним диском. При этом повышается КПД. Кроме того, обеспечивается эффективное перемешивание жидкости с газовыми включениями и диспергация газовых пузырей в перекачиваемой жидкости, что существенно повышает стабильность работы насоса в многофазных газожидкостных средах. Для повышения коррозионной стойкости ступени в условиях добычи нефти из скважин с высоким содержанием газа и абразивных частиц в пластовой жидкости направляющий аппарат и рабочее колесо выполнены из чугуна, содержащего в мас. %: углерод 2,2-3,1; кремний 1,0-2,8; марганец до 1,6; хром свыше 1,5; никель свыше 13,5; медь до 8,0%. Кроме того, для повышения износостойкости поверхности каналов, то есть их стойкости к гидроабразивному износу, рабочее колесо может быть выполнено из термопластичного полимерного материала, содержащего в мас. %: стеклонаполнитель до 50; фторопласт до 20; минеральный наполнитель до 30.

Сущность заявляемого решения демонстрируется рисунками. На фиг. 1 изображена ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса в разрезе; на фиг. 2 - рабочее колесо ступени; фиг. 3 - вид А по фиг. 2; на фиг. 4-6 - варианты вида А по фиг. 2; на фиг. 7 - вид Б по фиг. 2; на фиг. 8 - сечение В-В по фиг. 3-6; на фиг. 9, 10 - варианты сечения В-В по фиг. 3-6; на фиг. 11 - изображение рабочего колеса; на фиг. 12 - графическая зависимость напора и КПД ступени от подачи для двух образцов ступени.

На фиг. 1 изображена ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса, которая состоит из направляющего аппарата 1 и рабочего колеса 2. Рабочее колесо 2 (фиг. 2) содержит ступицу 3, предназначенную для установки рабочего колеса на вал насоса, а также ведущий 4 диск диаметром D (фиг. 2-6) и ведомый 5 диск с размещенными между ними лопастями 6. На верхней поверхности 7 ведущего диска 4 на одинаковом расстоянии относительно друг друга по окружности диаметром D1 (фиг. 3-6), составляющего от 0,70 до 0,99 величины D, расположены лопатки 8 трапецеидального профиля в поперечном сечении, который может быть симметричным с углом α между боковыми сторонами 9 величиной до 30° (фиг. 8 и 9) или несимметричным (фиг. 10) с углами наклона боковых сторон 9 относительно оси рабочего колеса 2: β до 15° и γ до 65°. Боковые стороны 9 лопаток 8 ориентированы в радиальном направлении (фиг. 7) и образуют канал, открытый в радиальном направлении, как с внешней, так и с внутренней стороны по отношению к оси рабочего колеса 2 для обеспечения возможности радиального прохода пластовой жидкости в пространство между ведущим диском 4 рабочего колеса 2 и наружной крышкой 10 направляющего аппарата 1. Лопатки 8 ограниченны внутренними 11, наружными 12 и верхними 13 кромками (фиг. 3-6, 11). Внутренние кромки 11 могут быть образованы цилиндрической (фиг. 4) или конической поверхностью (фиг. 3, 5, 6) с углом образующей δ до 55° относительно оси рабочего колеса 2. Наружные кромки 12 образованы цилиндрической поверхностью (фиг. 3-6, 11). Сопряжение боковых сторон 9 с поверхностью 14, расположенной на верхней части ведущего диска 4 между лопатками 8, может быть выполнено с помощью фасок 15 (фиг. 8 и 11) или скруглений радиусом R (фиг. 9). Поверхность 14 может быть представлена в виде сочетания конической поверхности с плоскостью (фиг. 3, 4), части тора радиусом образующей Ra (фиг. 5), сочетания части тора радиусом образующей Ra с плоскостью (фиг. 6) или с конической поверхностью. На верхней поверхности 7 перед лопатками 8, сопрягаясь с их внутренними кромками 11, может располагаться канавка 16 различной формы шириной b, равной от 0,4 до 3,0 от минимальной высоты лопаток Н, и глубиной h, равной от 0,15 до 1,55 от величины Н (фиг. 3-6).

Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса работает следующим образом. Подводимая через направляющий аппарат 1 предыдущей ступени пластовая жидкость проходит через каналы рабочего колеса 2, приводимого в движение валом насоса. Покидая рабочее колесо 2, пластовая жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 1, где кинетическая энергия жидкости преобразуется в давление. Затем через указанные каналы жидкость направляется на вход рабочего колеса 2 следующей ступени, а часть жидкости, отражаясь, попадает в пространство между нижним диском 10 направляющего аппарата 1 и ведущим диском 4 рабочего колеса 2. Через верхнюю кромку 13 и со стороны внутренней кромки 11 лопаток 8 жидкость попадает в канал, где она захватывается лопатками 8. Таким образом, в зазоре между нижним диском 10 направляющего аппарата 1 и ведущим диском 4 рабочего колеса 2 формируется поток с выраженной центробежной составляющей, движущийся приближенно параллельно верхней поверхности 7 ведущего диска 4, причем часть жидкости проходит через внутреннюю часть пространства между нижним диском 10 направляющего аппарата 1 и ведущим диском 4 рабочего колеса 2, что обеспечивает вымывание абразивных частиц, содержащихся в пластовой жидкости, из указанного пространства и исключает возможность скапливания в нем газовых пузырьков, повышая тем самым износостойкость ступени. Канавка 16 на ведущем диске 4 снижает сопротивление движению жидкости в каналы между лопатками 8, повышая эффективность вымывания абразивных частиц из пространства между нижним диском 10 и верхним диском 4. При этом повышается КПД. Кроме того, обеспечивается эффективное перемешивание жидкости с газовыми включениями и диспергация газовых пузырей в перекачиваемой жидкости, что существенно повышает стабильность работы насоса в многофазных газожидкостных средах.

Выполнение лопаток 8 на окружности диаметром меньше диаметра ведущего диска 4, то есть D1<D, позволяет создать препятствие для прямого попадания вихрей из каналов, образованными лопатками 8, в канал рабочего колеса 2, образованного лопастями 6 дисками ведущим 4 и ведомым 5. При этом снижается сопротивление лопасти 6 на выходе, что положительно отражается на КПД. Данная зависимость подтверждается экспериментальными данными, продемонстрированными на фиг. 12, где показана графическая зависимость напора Н от подачи Q «Н-Q» и КПД η от подачи Q «η-Q» для двух образцов ступени: образец №1 - вариант с рабочим колесом 2, у которого D=D1, образец №2 - вариант с рабочим колесом 2, у которого D1<D. Видно, что образец №2 имеет больший КПД чем образец №1.

Claims

1. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса, содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопастями, на верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены лопатки, отделенные друг от друга, отличающаяся тем, что наружные кромки лопаток ограничены цилиндрической поверхностью диаметром меньше диаметра ведущего диска, сопряжение боковых сторон лопаток с верхней поверхностью ведущего диска выполнено в виде фасок.

2. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса по п. 1, отличающаяся тем, что диаметр цилиндрической поверхности, ограничивающей наружные кромки лопаток, составляет от 0,7 до 0,99 величины диаметра ведущего диска.

3. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса по п. 1, отличающаяся тем, что на верхней поверхности ведущего диска выполнена канавка различной формы, сопрягаемая с внутренними кромками лопаток.

4. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса по п. 3, отличающаяся тем, что ширина канавки находится в пределах от 0,4 до 3,0 от минимальной высоты лопаток.

5. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса по п. 3, отличающаяся тем, что глубина канавки находится в пределах от 0,15 до 1,55 от минимальной высоты лопаток.

6. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса по п. 1, отличающаяся тем, что внутренние кромки лопаток образованы цилиндрической поверхностью или конической поверхностью с углом наклона образующей относительно оси рабочего колеса не более 55°.

7. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса по п. 1, отличающаяся тем, что поверхность ведущего диска между лопатками выполнена в виде поверхностей различной формы.

8. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса по п. 7, отличающаяся тем, что поверхность ведущего диска между лопатками выполнена в виде сопряжения конической поверхности с плоскостью.

9. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса по п. 7, отличающаяся тем, что поверхность ведущего диска между лопатками выполнена в виде части тора.

10. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса по п. 7, отличающаяся тем, что поверхность ведущего диска между лопатками выполнена в виде сочетания части тора с плоскостью.

11. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса по п. 7, отличающаяся тем, что поверхность ведущего диска между лопатками выполнена в виде сочетания части тора с конической поверхностью.

12. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса по п. 1, отличающаяся тем, что боковые стороны лопаток расположены радиально.

13. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса по п. 1, отличающаяся тем, что лопатки в поперечном сечении имеют симметричный профиль с углом между боковыми сторонами не более 30°.

14. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса по п. 1, отличающаяся тем, что лопатки в поперечном сечении имеют несимметричный профиль с углом наклона одной из боковых сторон до 15°, а другой до 65°.

15. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса по п. 1, отличающаяся тем, что направляющий аппарат и рабочее колесо выполнены из чугуна, содержащего в мас. %:

углерод 2,2-3,1;

кремний 1,0-2,8;

марганец до 1,6;

хром свыше 1,5;

никель свыше 13,5;

медь до 8,0%.

16. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса по п. 15, отличающаяся тем, что рабочее колесо выполнено из термопластичного полимерного материала, содержащего в мас. %:

стеклонаполнитель до 50;

фторопласт до 20;

минеральный наполнитель до 30.

17. Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса по п. 16, отличающаяся тем, что сопряжение боковых сторон лопаток с поверхностью верхнего диска между лопатками выполнено в виде радиусов.