RU213580U1

RU213580U1 - STAGE OF SUBMERSIBLE MULTI-STAGE CENTRIFUGAL PUMP

Info

Publication number: RU213580U1
Application number: RU2021110999U
Authority: RU
Inventors: Федор Владимирович Гайдучак; Владимир Никандрович Кокарев; Василий Иванович Носаль; Александр Сергеевич ШАТРОВ; Андрей Геннадьевич Цыденов
Original assignee: Акционерное общество "Завод алюминиевых сплавов"
Filing date: 2021-04-19
Publication date: 2022-09-16

Abstract

Полезная модель относится к области насосостроения и может быть использована при создании погружных многоступенчатых центробежных насосов, предназначенных для подъема пластовой жидкости из нефтяных скважин, осложненных высоким содержанием механических примесей и свободного газа, в частности при создании малогабаритных насосов для низкодебитных скважин.The utility model relates to the field of pump engineering and can be used to create submersible multistage centrifugal pumps designed to lift reservoir fluid from oil wells complicated by a high content of mechanical impurities and free gas, in particular, when creating small-sized pumps for low-rate wells.

Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса состоит из рабочего колеса открытого типа и разборного направляющего аппарата. Рабочее колесо имеет ступицу и размещенные на ней семь радиальных лопастей, развернутых к оси колеса под углом от 40° в корневом сечении до 55° в периферийном сечении лопасти. Направляющий аппарат представляет собой стакан с утолщенным верхним диском и съемным нижним диском. В верхнем диске размещены центральная ступица и шесть спиралевидных расширяющихся лопастей-канавок, соединяющих между собой входную и выходную кольцевые камеры.The stage of a submersible multistage centrifugal pump consists of an open-type impeller and a collapsible guide vane. The impeller has a hub and seven radial blades placed on it, deployed to the wheel axis at an angle from 40° in the root section to 55° in the peripheral section of the blade. The guide apparatus is a glass with a thickened upper disk and a removable lower disk. In the upper disk there is a central hub and six spiral-shaped expanding blades-grooves connecting the inlet and outlet annular chambers.

Рабочее колесо и направляющий аппарат выполнены из деформируемого алюминиевого сплава с износостойким керамическим покрытием. При сборке насоса обеспечиваются осевые зазоры между торцевыми поверхностями вращающегося рабочего колеса и неподвижных направляющих аппаратов шириной не более 0,1 мм.The impeller and guide vane are made of wrought aluminum alloy with a wear-resistant ceramic coating. When assembling the pump, axial clearances between the end surfaces of the rotating impeller and fixed guide vanes are provided with a width of not more than 0.1 mm.

Способ изготовления ступени состоит из двух операций и включает в себя прецизионную механическую обработку деталей из алюминиевого круглого прутка в окончательные размеры методом высокоскоростной обработки резанием на металлорежущих станках с ЧПУ и формирование на поверхностях деталей наноструктурного керамического покрытия методом высокочастотного плазменно-электролитического оксидирования с сохранением первоначальных геометрических размеров.The step manufacturing method consists of two operations and includes precision machining of parts from an aluminum round bar to final dimensions by high-speed cutting on CNC metal-cutting machines and the formation of a nanostructured ceramic coating on the surfaces of parts by high-frequency plasma-electrolytic oxidation while maintaining the original geometric dimensions .

Полезная модель направлена на увеличение износостойкости ступени и, соответственно, на повышение надежности и работоспособности ее при перекачивании абразивосодержащей жидкости, на увеличение напора и КПД, на усовершенствование конструкции ступени и снижение себестоимости ее изготовления.The utility model is aimed at increasing the wear resistance of the stage and, accordingly, at increasing its reliability and performance when pumping an abrasive-containing liquid, at increasing the pressure and efficiency, at improving the design of the stage and reducing the cost of its manufacture.

Полезная модель относится к области насосостроения и может быть использована при создании погружных многоступенчатых центробежных насосов, предназначенных для подъема пластовой жидкости из нефтяных скважин, осложненных высоким содержанием механических примесей и свободного газа, в частности при создании малогабаритных насосов для низкодебитных скважин.

The utility model relates to the field of pump engineering and can be used to create submersible multistage centrifugal pumps designed to lift reservoir fluid from oil wells complicated by a high content of mechanical impurities and free gas, in particular, when creating small-sized pumps for low-rate wells.

Description

С переходом на поздние стадии разработки месторождений добыча нефти с помощью установок электроцентробежных насосов осложняется рядом негативных факторов. Это, прежде всего, повышенное содержание в перекачиваемой жидкости механических примесей и солей, значительное содержание в ней свободного газа. В таких условиях ступени насосов подвергаются усиленному гидроабразивному износу, засорению проточных частей, отложению солей на поверхностях. Эти процессы усугубляются все увеличивающимся числом малодебитных скважин, применением малогабаритных насосов и высокооборотных электродвигателей. Износ и засорение механическими примесями рабочих органов насосов приводит к снижению их КПД и наработки на отказ.With the transition to the late stages of field development, oil production using electric submersible pumps is complicated by a number of negative factors. This is, first of all, an increased content of mechanical impurities and salts in the pumped liquid, a significant content of free gas in it. Under such conditions, pump stages are subjected to increased hydroabrasive wear, clogging of flow parts, and salt deposition on surfaces. These processes are aggravated by the ever-increasing number of marginal wells, the use of small-sized pumps and high-speed electric motors. Wear and clogging with mechanical impurities of the working bodies of pumps leads to a decrease in their efficiency and time between failures.

В этих осложненных условиях традиционные ступени с закрытым колесом оказываются малоэффективными. Из-за уменьшенных сечений проточных каналов они подвергаются засорению механическими примесями и клину или закупорке скоплениями пузырьков газа.In these complicated conditions, traditional closed wheel stages are ineffective. Due to the reduced cross-sections of the flow channels, they are subject to clogging with mechanical impurities and wedge or blockage by accumulations of gas bubbles.

Ступени с рабочими колесами открытого типа (бездисковые) более эффективны при перекачивании пластовой жидкости с высоким содержанием механических примесей и свободного газа. Открытые колеса при работе диспергируют как пузырьки газа, так и грязевые включения, гомогенизируя перекачиваемую через насос жидкость.Stages with open impellers (diskless) are more efficient when pumping reservoir fluid with a high content of mechanical impurities and free gas. During operation, open wheels disperse both gas bubbles and mud inclusions, homogenizing the liquid pumped through the pump.

Известны конструкции ступеней с открытым рабочим колесом, описанные в патенте SU 387141 А1 от 06.03.1972 и патенте на полезную модель RU 3150 U1 от 14.01.1994. В предложенных конструкциях ступеней верхние торцы вращающегося рабочего колеса открытого типа образуют с неподвижными дисками направляющих аппаратов щели, причем отношение ширины щелей к средней высоте лопаток находится в пределах 0,04-0,3. То есть при средней высоте лопаток 5 мм ширина щели будет составлять 0,2-1,5 мм.Known designs of stages with an open impeller are described in the patent SU 387141 A1 dated 03/06/1972 and the utility model patent RU 3150 U1 dated 01/14/1994. In the proposed stage designs, the upper ends of the rotating open-type impeller form slots with the fixed disks of the guide vanes, and the ratio of the slot width to the average height of the blades is in the range of 0.04-0.3. That is, with an average blade height of 5 mm, the slot width will be 0.2-1.5 mm.

Недостатком описанных ступеней являются низкие значения напоров и КПД, обусловленные нежелательными перетечками рабочей жидкости через относительно широкие щели между деталями ступеней, приводящими к потере давления, создаваемого рабочим колесом.The disadvantage of the stages described is the low pressure and efficiency due to undesirable leakage of the working fluid through relatively wide gaps between the parts of the stages, leading to a loss of pressure created by the impeller.

Известна ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса по своим конструктивным признакам наиболее близкая к заявляемой и принятая в качестве прототипа, описанная в патенте на полезную модель RU 59752 U1 от 05.07.2006. Ступень состоит из рабочего колеса открытого типа и сборного направляющего аппарата со съемным нижним диском.Known stage submersible multistage centrifugal pump in its design features closest to the claimed and adopted as a prototype, described in the utility model patent RU 59752 U1 dated 05.07.2006. The stage consists of an open-type impeller and a prefabricated guide vane with a removable lower disc.

Недостатком известного устройства является его невысокая эффективность и низкая надежность при перекачивании жидкости с высоким содержанием механических примесей.A disadvantage of the known device is its low efficiency and low reliability when pumping liquids with a high content of mechanical impurities.

Поверхности рабочего колеса и направляющего аппарата не обладают повышенной твердостью и износостойкостью. Абразивные частицы, содержащиеся в жидкости, попадая в узкие зазоры между вращающимся колесом и неподвижными дисками направляющих аппаратов, интенсивно изнашивают детали. В результате этого зазоры расширяются, напор и КПД ступени резко снижаются.The surfaces of the impeller and guide vanes do not have increased hardness and wear resistance. Abrasive particles contained in the liquid, getting into the narrow gaps between the rotating wheel and the fixed disks of the guide vanes, intensively wear out the parts. As a result, the gaps expand, the pressure and efficiency of the stage are sharply reduced.

Ступени, изготовленные из традиционных материалов, применяемых при производстве ступеней, таких как порошковый материал (патент RU 2376500 С2 от 07.03.2008), легированный чугун (патент RU 2116515 С1 от 27.07.1998), литье из нержавеющей стали (патент RU 2734495 С1 от 13.08.2008) или листовая нержавеющая сталь (патент RU 2457365 С1 от 29.11.2010) малоэффективны при перекачивании абразивосодержащих жидкостей, так как эти материалы не обладают высокой износостойкостью. Более того, высокие частоты вращения валов насосов (4500-10000 об/мин), характерные для малогабаритных насосов, в сочетании с высокой концентрацией твердых частиц в потоке перекачиваемой жидкости, вызывают еще более ускоренный износ деталей ступеней и деградацию гидродинамических характеристик ступеней.Steps made of traditional materials used in the production of steps, such as powder material (patent RU 2376500 C2 dated 03/07/2008), alloyed cast iron (patent RU 2116515 C1 dated 07/27/1998), stainless steel casting (patent RU 2734495 C1 dated 08/13/2008) or sheet stainless steel (patent RU 2457365 C1 dated 11/29/2010) are ineffective when pumping abrasive-containing liquids, since these materials do not have high wear resistance. Moreover, high pump shaft speeds (4500-10000 rpm), typical for small-sized pumps, in combination with a high concentration of solid particles in the pumped liquid flow, cause even more accelerated wear of stage parts and degradation of the hydrodynamic characteristics of the stages.

Повысить долговечность и надежность ступеней насосов за счет предотвращения ускоренного износа поверхностей и обеспечить долговременное сохранение ширины зазоров между рабочим колесом и направляющими аппаратами при перекачивании абразивосодержащей жидкости позволяет применение износостойких покрытий на поверхностях деталей ступеней.To increase the durability and reliability of pump stages by preventing accelerated wear of surfaces and to ensure long-term maintenance of the width of the gaps between the impeller and guide vanes when pumping an abrasive-containing liquid, it is possible to use wear-resistant coatings on the surfaces of stage parts.

Известны ступени и способы упрочнения поверхностей деталей ступеней с целью повышения их износостойкости.Known steps and methods for hardening the surfaces of parts of steps in order to increase their wear resistance.

В патенте RU 2213886 С2 от 29.10.2001 детали ступени выполняются из литого чугуна. Рабочие поверхности после механообработки подвергаются упрочнению путем пластической деформации ультразвуковым инструментом. В результате этого на поверхности ступени формируется износостойкий слой толщиной до 8 мкм, обогащенный карбидами.In patent RU 2213886 C2 dated October 29, 2001, the details of the stage are made of cast iron. The working surfaces after machining are hardened by plastic deformation with an ultrasonic tool. As a result, a wear-resistant layer up to 8 µm thick, enriched with carbides, is formed on the step surface.

В патенте RU 2570277 С2 от 18.09.2013 детали ступени выполняются литьем из чугуна и после механообработки подвергаются низкотемпературному азотированию при 540-600°С. Износостойкий азотированный слой толщиной более 50 мкм имеет твердость HV 850-1100.In the patent RU 2570277 C2 dated September 18, 2013, the stage parts are made of cast iron and, after machining, are subjected to low-temperature nitriding at 540-600°C. Wear-resistant nitrided layer with a thickness of more than 50 microns has a hardness of HV 850-1100.

Недостатком указанных ступеней является их низкая технологичность, связанная с большим числом технологических операций при их изготовлении. Кроме того, чугунные рабочие колеса обладают значительной массой, что приводит при работе насоса к вибрациям и повышенным нагрузкам на подшипники насоса, особенно при повышенных частотах вращения ротора. Также литые ступени имеют высокую шероховатость проточных каналов, что увеличивает гидросопротивление потоку жидкости и способствует солеотложению.The disadvantage of these steps is their low manufacturability associated with a large number of technological operations in their manufacture. In addition, cast iron impellers have a significant mass, which leads to vibrations and increased loads on the pump bearings during pump operation, especially at higher rotor speeds. Also, cast steps have a high roughness of the flow channels, which increases the hydraulic resistance to fluid flow and promotes scaling.

Известна также близкая к заявляемому техническому решению ступень погружного электроцентробежного насоса, описанная в патенте WO 2008069702 от 12.06.2008. Ступень, состоящая из рабочего колеса и направляющего аппарата, выполнена из алюминиевого сплава с керамическим покрытием Al₂O₃.Also known close to the claimed technical solution stage submersible electric centrifugal pump, described in patent WO 2008069702 dated 12.06.2008. The stage, consisting of the impeller and guide vane, is made of aluminum alloy with Al ₂ O ₃ ceramic coating.

Основным недостатком данного технического решения является низкая технологичность конструкции ступени, не позволяющая в полной мере использовать преимущества нового конструкционного материала и технологии плазменно-электролитического оксидирования. Рабочее колесо и направляющий аппарат традиционно выполнены цельнолитыми и имеют закрытую конструкцию. Во-первых, наличие глубоких узких полостей, образованных дисками колеса и направляющего аппарата и расположенными между ними лопатками, крайне затрудняет получение при оксидировании качественных, с достаточной толщиной керамических покрытий из-за взаимного экранирования поверхностей. А, во-вторых, поверхности проходных гидравлических каналов в деталях ступеней, полученных методом литья, имеют высокую шероховатость, что увеличивает гидросопротивление потоку жидкости и способствует солеотложению.The main disadvantage of this technical solution is the low manufacturability of the stage design, which does not allow full use of the advantages of the new structural material and plasma electrolytic oxidation technology. The impeller and guide vane are traditionally made of one-piece cast and have a closed design. Firstly, the presence of deep narrow cavities formed by the disks of the wheel and the guide apparatus and the blades located between them makes it extremely difficult to obtain high-quality ceramic coatings with a sufficient thickness during oxidation due to the mutual screening of the surfaces. And, secondly, the surfaces of the hydraulic passages in the parts of the steps obtained by casting have a high roughness, which increases the hydraulic resistance to the fluid flow and promotes scaling.

Техническая задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, состоит в создании эффективной износостойкой ступени насоса с открытым рабочим колесом, а также в разработке простого и высокопроизводительного способа ее изготовления.The technical problem to be solved by the present utility model is to create an effective wear-resistant pump stage with an open impeller, as well as to develop a simple and high-performance method for its manufacture.

Предлагаемая конструкция ступени насоса обеспечивает:The proposed design of the pump stage provides:

- повышение напора и КПД ступени за счет уменьшения ширины осевых зазоров между колесом и направляющими аппаратами и минимизации, таким образом, паразитных перетечек при работе насоса и за счет оптимизации геометрии проточных частей колеса и направляющего аппарата;- increasing the pressure and efficiency of the stage by reducing the width of the axial gaps between the wheel and guide vanes and thus minimizing parasitic overflows during pump operation and by optimizing the geometry of the flow parts of the wheel and guide vane;

- повышение работоспособности и надежности ступени при перекачивании абразивосодержащей жидкости и сохранение контролируемой ширины осевых зазоров между колесом и направляющими аппаратами в течение всего срока службы ступени за счет применения износостойкого наноструктурного керамического покрытия на деталях ступени;- increasing the efficiency and reliability of the stage when pumping an abrasive-containing liquid and maintaining a controlled width of axial clearances between the wheel and guide vanes throughout the entire life of the stage due to the use of a wear-resistant nanostructured ceramic coating on the details of the stage;

- повышение технологичности конструкции ступени и снижение себестоимости изготовления деталей ступени за счет применения новых материалов и новых высокопроизводительных технологий.- increasing the manufacturability of the stage design and reducing the cost of manufacturing stage parts through the use of new materials and new high-performance technologies.

Указанный технический результат достигается тем, что ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, состоящая из рабочего колеса открытого типа, имеющего ступицу и размещенные на ней радиальные лопасти, и разборного направляющего аппарата, представляющего собой стакан с утолщенным верхним диском, в котором размещены ступица и спиралевидные лопасти-канавки, и съемный нижний диск, выполнена из алюминиевого сплава с керамическим покрытием. При этом при сборке ступеней ширина осевых зазоров между лопастями вращающегося рабочего колеса и торцевыми поверхностями неподвижных направляющих аппаратов не превышает 0,1 мм.This technical result is achieved by the fact that the stage of a submersible multistage centrifugal pump, consisting of an open-type impeller having a hub and radial blades placed on it, and a collapsible guide vane, which is a glass with a thickened upper disk, in which the hub and spiral blades are placed - grooves, and a removable lower disc, made of aluminum alloy with a ceramic coating. At the same time, when assembling the stages, the width of the axial gaps between the blades of the rotating impeller and the end surfaces of the fixed guide vanes does not exceed 0.1 mm.

За счет высокой точности изготовления деталей ступеней ширина осевых зазоров t₁ и t₂ (см. фиг. 1) между колесом и торцевыми поверхностями направляющих аппаратов при сборке насоса выдерживается в размерах не более 0,1 мм. Это существенно снижает паразитные перетечки жидкости при работе насоса и позволяет повысить напор и КПД ступени.Due to the high precision of manufacturing parts of the steps, the width of the axial gaps t ₁ and t ₂ (see Fig. 1) between the wheel and the end surfaces of the guide vanes during the assembly of the pump is maintained in sizes of no more than 0.1 mm. This significantly reduces parasitic fluid overflows during pump operation and makes it possible to increase the pressure and efficiency of the stage.

Минимизация ширины осевых зазоров между вращающимся колесом и торцами неподвижных направляющих аппаратов позволила поднять напор и КПД ступени с открытым колесом до уровня ступеней с закрытым колесом.Minimizing the width of the axial gaps between the rotating wheel and the ends of the fixed guide vanes made it possible to increase the pressure and efficiency of the stage with an open wheel to the level of the stages with a closed wheel.

Улучшение гидродинамических характеристик ступени достигается также за счет оптимизации геометрических параметров проточных каналов рабочего колеса и направляющего аппарата путем установления оптимального количества лопастей.Improving the hydrodynamic characteristics of the stage is also achieved by optimizing the geometric parameters of the flow channels of the impeller and guide vanes by establishing the optimal number of blades.

Сравнительные эксперименты и гидравлические расчеты, полученные при 3D-моделировании в среде ANSYS CFX, позволили установить оптимальные условия протекания рабочей жидкости через межлопастные полости колеса и спиралевидные расширяющиеся лопасти-каналы направляющего аппарата, дающие возможность получить наибольшие напор и КПД при определенных подачах и частотах вращения.Comparative experiments and hydraulic calculations obtained during 3D modeling in the ANSYS CFX environment made it possible to establish the optimal conditions for the flow of the working fluid through the interblade cavities of the impeller and the spiral-shaped expanding blade-channels of the guide vane, which make it possible to obtain the greatest head and efficiency at certain feeds and speeds.

Оптимальной конструкцией рабочего колеса является семилопастное колесо открытого типа, состоящее из ступицы и семи радиальных лопастей. Увеличение количества лопастей более семи приводит к ухудшению условий протекания жидкости, стеснению потока на входе в колесо (вблизи ступицы) и увеличению поверхностей трения лопастей о жидкость. Это вызывает рост гидравлических потерь и снижает гидродинамические характеристики ступени. Кроме того, увеличение числа лопастей колеса ведет к уменьшению их толщины и снижению прочности лопастей.The optimal design of the impeller is an open type seven-bladed impeller, consisting of a hub and seven radial blades. An increase in the number of blades to more than seven leads to a deterioration in the conditions for the flow of liquid, restriction of the flow at the wheel inlet (near the hub) and an increase in the friction surfaces of the blades against the liquid. This causes an increase in hydraulic losses and reduces the hydrodynamic characteristics of the stage. In addition, an increase in the number of wheel blades leads to a decrease in their thickness and a decrease in the strength of the blades.

Уменьшение количества лопастей менее семи приводит к ухудшению всасывающей способности колеса, возрастанию вихревых диффузионных потерь в межлопастных полостях и также к снижению гидродинамических характеристик ступени. Кроме того, уменьшение лопастей колеса вызывает снижение диспергирующих свойств колеса.Reducing the number of blades to less than seven leads to a deterioration in the suction capacity of the wheel, an increase in eddy diffusion losses in the interblade cavities, and also to a decrease in the hydrodynamic characteristics of the stage. In addition, the reduction of the blades of the wheel causes a decrease in the dispersive properties of the wheel.

Также для улучшения гидродинамических параметров колеса и обеспечения прочностных характеристик его лопастей профиль лопасти устанавливается под углом 40° к оси колеса в корневом сечении и под углом 55° в периферийном сечении лопасти.Also, to improve the hydrodynamic parameters of the wheel and ensure the strength characteristics of its blades, the blade profile is set at an angle of 40° to the wheel axis in the root section and at an angle of 55° in the peripheral section of the blade.

То есть угол установки профиля лопасти относительно оси колеса увеличивается с высотой лопасти (спиральная закрутка).That is, the installation angle of the blade profile relative to the axis of the wheel increases with the height of the blade (spiral twist).

Оптимальной конструкцией направляющего аппарата является разборный направляющий аппарат, представляющий собой цилиндрический стакан, выполненный заодно с верхним утолщенным диском, и нижний диск в виде отдельной детали. В верхнем диске выполнены центральная ступица и шесть спиралевидных расширяющихся канавок. Эти канавки вместе с плоскостью нижнего диска образуют шесть лопастей-канавок направляющего аппарата. Шесть лопастей-канавок, согласно экспериментам и расчетам, наиболее соответствуют семилопастному колесу по соотношению площадей сечений проходных каналов, скоростей и объемов перекачиваемой жидкости. Увеличение лопастей-канавок более шести приводит к росту гидравлических потерь из-за уменьшения их проходных сечений.The optimal design of the guide vane is a collapsible guide vane, which is a cylindrical cup made integral with the upper thickened disk, and the lower disk as a separate part. The upper disc has a central hub and six helical expanding grooves. These grooves, together with the plane of the lower disk, form six vanes-grooves of the guide vane. Six blades-grooves, according to experiments and calculations, most correspond to a seven-blade wheel in terms of the ratio of the cross-sectional areas of the passage channels, speeds and volumes of the pumped liquid. An increase in the blade-grooves more than six leads to an increase in hydraulic losses due to a decrease in their flow sections.

Оптимизация проточных частей ступени за счет установления оптимального числа лопастей у колеса и направляющего аппарата позволила дополнительно поднять напор и КПД ступени с открытым колесом.Optimization of the flow parts of the stage by establishing the optimal number of blades at the wheel and guide vane made it possible to further increase the pressure and efficiency of the stage with an open wheel.

На фиг. 1 изображено сечение двух заявленных ступеней.In FIG. 1 shows a cross section of two declared steps.

Ступени собраны в цилиндрическом корпусе 2 и состоят из открытых рабочих колес 3, сидящих на валу насоса 1, и направляющих аппаратов 4. Рабочее колесо 3 состоит из ступицы 10 и радиальных лопастей 7. Направляющий аппарат 4 имеет утолщенный верхний диск 5 и съемный нижний диск 6. Нижний диск 6 имеет диаметр меньший, чем внутренний диаметр стакана, вследствие чего образуется кольцевая периферийная входная камера 9. На наружной стороне верхнего диска 5 выполнена проточка, образующая кольцевую выходную камеру 8. Входная и выходная кольцевые камеры и соединяющие их спиралевидные лопасти-канавки образуют проточную часть направляющего аппарата.The stages are assembled in a cylindrical housing 2 and consist of open impellers 3, sitting on the pump shaft 1, and guide vanes 4. The impeller 3 consists of a hub 10 and radial blades 7. The guide vane 4 has a thickened upper disk 5 and a removable lower disk 6 The lower disk 6 has a diameter smaller than the internal diameter of the cup, as a result of which an annular peripheral inlet chamber 9 is formed. flow part of the guide apparatus.

Контролируемые осевые зазоры t₁ и t₂ между лопастями колеса и торцевыми поверхностями соседних направляющих аппаратов обеспечиваются кольцевыми выступами 11 и 12 на ступице направляющих аппаратов, являющимися осевыми опорами рабочих колес.Controlled axial clearances t ₁ and t ₂ between the impeller blades and the end surfaces of adjacent guide vanes are provided by annular protrusions 11 and 12 on the hub of the guide vanes, which are the axial bearings of the impellers.

Ступень насоса работает следующим образом. При вращении рабочего колеса 3, сообщаемого ему валом 1, перекачиваемая жидкость, поступая в межлопастные полости колеса, за счет центробежных сил устремляется к периферии колеса. При этом кинетическая энергия жидкости возрастает. Далее жидкость поступает в периферийную кольцевую входную камеру 9 направляющего аппарата 4 и оттуда в спиралевидные расширяющиеся лопасти-канавки, выполненные в утолщенном верхнем диске 5 направляющего аппарата 4. При этом скорость жидкости плавно снижается и часть кинетической энергии потока трансформируется с потенциальную, то есть происходит создание дополнительного напора.The pump stage works as follows. When the impeller 3 rotates, communicated to it by the shaft 1, the pumped liquid, entering the interblade cavities of the impeller, rushes to the periphery of the impeller due to centrifugal forces. In this case, the kinetic energy of the liquid increases. Next, the liquid enters the peripheral annular inlet chamber 9 of the guide vane 4 and from there into the spiral-shaped expanding blade-grooves made in the thickened upper disk 5 of the guide vane 4. additional pressure.

Из лопастей-канавок жидкость поступает в кольцевую выходную камеру 8 направляющего аппарата 4 и там получает осевое направление потока на следующее рабочее колесо.From the blades-grooves, the fluid enters the annular outlet chamber 8 of the guide vane 4 and there receives an axial flow direction to the next impeller.

Рабочее колесо и направляющий аппарат выполнены из деформируемого алюминиевого сплава, не уступающего по прочности легированному чугуну и нержавеющей стали. На поверхностях деталей ступени сформирован износостойкий керамический слой толщиной 50-60 мкм и твердостью HV 1400-1900, что превышает твердость абразивных частиц кварцевого песка, присутствующих в перекачиваемой жидкости (HV 900-1100).The impeller and guide vane are made of wrought aluminum alloy, which is not inferior in strength to alloyed cast iron and stainless steel. A wear-resistant ceramic layer with a thickness of 50-60 μm and a hardness of HV 1400-1900 is formed on the surfaces of the parts of the stage, which exceeds the hardness of the abrasive particles of quartz sand present in the pumped liquid (HV 900-1100).

Высокая износостойкость керамического покрытия позволяет в течение всего срока службы ступени поддерживать контролируемые минимальные осевые зазоры между лопастями вращающегося рабочего колеса и торцевыми поверхностями неподвижных направляющих аппаратов t₁ и t₂ при перекачивании жидкости с высокой концентрацией абразивных частиц (до 4 г/л).The high wear resistance of the ceramic coating makes it possible to maintain controlled minimum axial clearances between the blades of the rotating impeller and the end surfaces of the fixed guide vanes t ₁ and t ₂ during the entire service life of the stage when pumping liquid with a high concentration of abrasive particles (up to 4 g/l).

Гидрофобные свойства керамического покрытия снижают гидравлическое сопротивление потоку жидкости и препятствуют солеосаждению на поверхностях деталей ступени.The hydrophobic properties of the ceramic coating reduce the hydraulic resistance to fluid flow and prevent salt deposition on the surfaces of the stage parts.

Способ изготовления ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, обеспечивающий достижение указанного выше технического результата, заключается в том, что детали ступеней изготавливаются из круглого алюминиевого прутка методом высокоскоростной обработки резанием в окончательные размеры, а затем на поверхностях деталей методом высокочастотного плазменно-электролитического оксидирования формируется износостойкое керамическое покрытие с сохранением первоначальных геометрических размеров.A method for manufacturing a stage of a submersible multistage centrifugal pump, which ensures the achievement of the above technical result, consists in the fact that the details of the steps are made from a round aluminum bar by high-speed cutting to final dimensions, and then a wear-resistant ceramic coating is formed on the surfaces of the parts by high-frequency plasma-electrolytic oxidation while maintaining the original geometric dimensions.

Конструкция ступени с открытым рабочим колесом и разборным направляющим аппаратом высокотехнологична. Такая конструкция ступени позволяет отойти от литейной или сварной технологий и применить в качестве конструкционного материала прочный и легко обрабатываемый резанием алюминиевый сплав с износостойким керамическим покрытием. Отсутствие в деталях ступени закрытых полостей упрощает их механическую обработку и позволяет получать на поверхностях равномерные по толщине, качественные керамические покрытия.The design of the stage with an open impeller and a collapsible guide vane is high-tech. This stage design allows moving away from foundry or welded technologies and using a durable and easily machined aluminum alloy with a wear-resistant ceramic coating as a structural material. The absence of closed cavities in the details of the step simplifies their machining and makes it possible to obtain high-quality ceramic coatings of uniform thickness on the surfaces.

Технологичность рабочего колеса и направляющего аппарата состоит также в малом количестве технологических операций при изготовлении их и удобстве их выполнения. Это обуславливает снижение себестоимости изготовления ступени.The manufacturability of the impeller and guide apparatus also consists in a small number of technological operations in their manufacture and the convenience of their implementation. This leads to a reduction in the cost of manufacturing the stage.

Низкая технологичность упомянутых выше известных ступеней и, связанное с этим большое количество операций и применяемого технологического оборудования при изготовлении ступеней, приводят к росту трудоемкости и себестоимости изготовления ступени.The low manufacturability of the above-mentioned known stages and, associated with this, a large number of operations and technological equipment used in the manufacture of stages, lead to an increase in the complexity and cost of manufacturing the stage.

Например, в вышеуказанном патенте RU 2457364 С1 от 29.11.2010 описывается ступень и способ ее изготовления, который включает в себя вырубку заготовок из листового проката нержавеющей стали, отжиг и формовку, предварительную механообработку, контактную сварку, окончательную механообработку на обрабатывающих центрах с ЧПУ и сборку в кондукторах. Всего семь операций.For example, in the above patent RU 2457364 C1 dated November 29, 2010, a step and a method for its manufacture are described, which includes punching blanks from stainless steel sheet, annealing and forming, pre-machining, contact welding, final machining on CNC machining centers and assembly in conductors. There are seven operations in total.

Согласно настоящей полезной модели сложнопрофильные прецизионные детали ступени изготавливаются из круглого прутка деформируемого алюминиевого сплава всего за две операции.According to the present utility model, complex-profile precision stage parts are made from a round bar of a wrought aluminum alloy in just two operations.

Выполнение минимальных осевых зазоров с контролируемой шириной между деталями ступеней требует соблюдения жестких допусков на осевые размеры деталей. Эта задача реализуется при высокоскоростной обработке резанием с использованием высокоскоростных станков с ЧПУ.The implementation of minimum axial clearances with a controlled width between the parts of the steps requires compliance with tight tolerances for the axial dimensions of the parts. This task is realized in high-speed cutting using high-speed CNC machines.

Высокоскоростная обработка заключается в малых сечениях среза металла при высоких скоростях резания и подачах. По сравнению с обычной механообработкой скорость резания увеличивается в 3-5 раз, а подача в 1,5-3 раза. Так за счет высокой частоты вращения шпинделя подача на зуб при высокоскоростном фрезеровании алюминиевого сплава (двузубая фреза) составляет всего 0,05-0,08 мм. При таких режимах основная масса тепла концентрируется в стружке, не успевая переходить в деталь и инструмент. Из-за малых усилий резания, отсутствия нагрева и коробления тонкостенных деталей при обработке, а также из-за малого износа инструмента достигается высокая точность исполнения геометрических размеров (6-7 квалитет) и низкая шероховатость обработанной поверхности (Ra 0,63-0,80 мкм).High-speed machining consists in small metal cutting sections at high cutting speeds and feeds. Compared with conventional machining, the cutting speed increases by 3-5 times, and the feed rate by 1.5-3 times. So, due to the high spindle speed, the feed per tooth during high-speed milling of an aluminum alloy (two-tooth cutter) is only 0.05-0.08 mm. Under such conditions, the bulk of the heat is concentrated in the chips, not having time to pass into the part and tool. Due to low cutting forces, the absence of heating and warpage of thin-walled parts during processing, as well as due to low tool wear, high accuracy of geometric dimensions (6-7 quality) and low roughness of the machined surface (Ra 0.63-0.80) are achieved. µm).

Высокоскоростная обработка алюминиевых сплавов позволяет в 2-3 раза сократить время производственного цикла. Система ЧПУ, которой оснащены высокоскоростные металлорежущие станки, позволяют обеспечить высокую степень повторяемости геометрических размеров деталей ступеней в серийном производстве. Высокоскоростная обработка деталей ступеней ведется в окончательные размеры, поскольку при последующем плазменно-электролитическом оксидировании размеры деталей не изменяются, так как керамическое покрытие растет вглубь металла.High-speed processing of aluminum alloys allows to reduce the production cycle time by 2-3 times. The CNC system, which is equipped with high-speed metal-cutting machines, makes it possible to ensure a high degree of repeatability of the geometric dimensions of the parts of the steps in mass production. High-speed processing of the stage parts is carried out to the final dimensions, since the dimensions of the parts do not change during the subsequent plasma-electrolytic oxidation, since the ceramic coating grows deep into the metal.

Плазменно-электролитическое оксидирование - эффективный метод модификации поверхности алюминиевых деталей и формирования на них керамических покрытий, состоящих из различных кристаллических фаз Al₂O₃. Высокочастотное плазменно-электролитическое оксидирование (патент RU 2681028 С2 от 17.01.2018) позволяет получить на поверхности деталей из алюминиевых сплавов наноструктурные, гладкие, равномерные по толщине керамические покрытия твердостью HV 1400-1900.Plasma-electrolytic oxidation is an effective method for modifying the surface of aluminum parts and forming ceramic coatings on them, consisting of various crystalline phases of Al ₂ O ₃ . High-frequency plasma-electrolytic oxidation (patent RU 2681028 C2 dated January 17, 2018) makes it possible to obtain nanostructured, smooth, uniform in thickness ceramic coatings with a hardness of HV 1400-1900 on the surface of parts made of aluminum alloys.

Покрытие толщиной 50-60 мкм формируется за 30 мин. Метод отличается простотой и экологической безопасностью.A coating with a thickness of 50-60 microns is formed in 30 minutes. The method is simple and environmentally friendly.

Описанный способ изготовления обеспечивает основные параметры качества ступеней, влияющих на напорно-расходные и энергетические характеристики, - это высокая точность геометрических размеров деталей и низкая шероховатость обрабатываемых поверхностей. Высокая стойкость керамического покрытия к гидроабразивному износу позволяет ступеням при эксплуатации длительное время сохранять высокий напор и КПД при перекачивании жидкостей, содержащих механические примеси и свободный газ.The described manufacturing method provides the main parameters of the quality of the steps that affect the pressure-flow and energy characteristics - this is the high accuracy of the geometric dimensions of the parts and the low roughness of the machined surfaces. The high resistance of the ceramic coating to hydroabrasive wear allows the steps to maintain a high pressure and efficiency for a long time during operation when pumping liquids containing mechanical impurities and free gas.

Заявленная ступень насоса, выполненная в 2А габарите, при номинальной подаче 40 м³/сут. и частоте вращения колеса 6000 об/мин обеспечила надежную работу при перекачивании газожидкостной смеси с механическими примесями и имела высокие технико-эксплуатационные показатели: напор 14 м и КПД 44%.Declared pump stage, made in size 2A, at a nominal flow of 40 m ³ /day. and a wheel speed of 6000 rpm ensured reliable operation when pumping a gas-liquid mixture with mechanical impurities and had high technical and operational indicators: a head of 14 m and an efficiency of 44%.

Claims

1. The stage of a submersible multistage centrifugal pump, consisting of an open-type impeller having a hub and radial blades placed on it, and a collapsible guide vane, which is a glass with a thickened upper disk, in which the hub and spiral-shaped blade-grooves are placed, and a removable lower a disk characterized in that it is made of a deformable aluminum alloy with a ceramic coating, while the width of the axial gaps between the blades of the rotating impeller and the end surfaces of the fixed guide vanes does not exceed 0.1 mm.

2. Stage according to claim 1, characterized in that the impeller has seven radial blades installed with an angle of rotation of the blade profile to the wheel axis increasing along the height of the blade from 40 ° in the root section to 55 ° in the peripheral section of the blade.

3. The stage according to claim 1, characterized in that the guide vane has six spiral-shaped expanding blades-grooves connecting the inlet and outlet annular chambers and forming together with them the flow part of the guide vane.