RU2196257C2

RU2196257C2 - Impeller of centrifugal multi-stage pump

Info

Publication number: RU2196257C2
Application number: RU2001107622/06A
Authority: RU
Inventors: Я.А. Глускин; А.Л. Кузнецов; А.Б. Кулигин; А.В. Трулев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Борец"
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2003-01-10

Abstract

FIELD: manufacture of pumps; centrifugal pumps for pumping formation fluid from wells. SUBSTANCE: proposed impeller includes drive disk with impeller blades located on lower surface. First part of upper surface of disk whose outer radius is lesser than radius of impeller is flat in shape. Second part of upper surface of drive disk whose outer radius is lesser than radius of location of upper part of tips of impeller blades is made in form of shoulder. Distance between surface of shoulder and plane where first part of upper surface of drive disk lies reduces from periphery of impeller to point of conjugation of first and second parts of drive disk surface. Shoulder is provided with fins which are so located that maximum radius of location of end surfaces of fins exceeds outer radius of drive disk. Radius of lower surface of drive disk may be lesser than radius of location of lower part of blade trailing edges. Outer side edges of blades may lie on generatrix having form of cone whose vertex lies above upper surface of drive disk. EFFECT: reduced load on bearing members; reduced losses for mechanical friction; enhanced efficiency. 3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к насосостроению, и может быть использовано в конструкциях центробежных насосов, предназначенных для откачки пластовой жидкости из скважин, в частности при добыче нефти. The invention relates to pump engineering, and can be used in the construction of centrifugal pumps designed for pumping formation fluid from wells, in particular during oil production.

Известно рабочее колесо погружного центробежного многоступенчатого насоса [1] , предназначенного для откачки пластовой жидкости из нефтяных скважин, содержащее ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопатками. К недостаткам этого насоса относится малый напор, создаваемый ступенью насоса, в котором используется рабочее колесо, при малых расходах, и нестабильность характеристик при работе с нефтеводогазовыми смесями. Known impeller of a submersible centrifugal multistage pump [1], designed for pumping formation fluid from oil wells, containing a driving and driven discs with blades placed between them. The disadvantages of this pump include the low pressure created by the stage of the pump, which uses the impeller, at low flow rates, and the instability of the characteristics when working with oil and gas mixtures.

Решением, наиболее близким к заявленному изобретению, является рабочее колесо скважинного центробежного многоступенчатого насоса [2]. Указанное рабочее колесо состоит из ведущего диска, на нижней поверхности которого размещены лопасти. Первая часть верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса, внешний радиус которого меньше радиуса ведущего диска, выполнена плоской. На периферии верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса сформирован кольцевой выступ с размещенными на нем ребрами. Указанные ребра создают дополнительный напор за счет перемещения жидкости от оси к периферии рабочего колеса. При работе насоса в области, прилежащей к внешнему краю рабочего колеса, формируется тороидальный вихрь, повышающий устойчивость работы насоса и эффективность дробления газовых включений. The solution closest to the claimed invention is the impeller of a borehole centrifugal multistage pump [2]. The specified impeller consists of a drive disk, on the lower surface of which the blades are placed. The first part of the upper surface of the driving disk of the impeller, the outer radius of which is less than the radius of the driving disk, is made flat. An annular protrusion with ribs placed on it is formed on the periphery of the upper surface of the driving disk of the impeller. These ribs create additional pressure due to the movement of fluid from the axis to the periphery of the impeller. When the pump is operating in the area adjacent to the outer edge of the impeller, a toroidal vortex is formed, which increases the stability of the pump and the efficiency of crushing gas inclusions.

Недостатком известного рабочего колеса является то, что кольцевой выступ способствует осаждению и конгломерации твердых включений пластовой жидкости между втулкой рабочего колеса и кольцевым выступом. Образовавшиеся конгломераты, при их перемещении, способствуют преждевременному износу рабочих органов и могут привести к заклиниванию насоса. Кроме того, при использовании известного рабочего колеса объем пространства, в котором формируется тороидальный вихрь (вихревое кольцо), незначителен, в связи с чем, известное рабочее колесо не обеспечивает существенное повышение устойчивости работы насоса при большом содержании свободного газа в пластовой жидкости, а также при малых расходах. Следствием этого является чрезмерная турбулизация жидкости основного потока, что может увеличить осевую нагрузку на опорные элементы рабочих органов и снизить КПД устройства. A disadvantage of the known impeller is that the annular protrusion contributes to the deposition and conglomeration of solid inclusions of the reservoir fluid between the impeller bushing and the annular protrusion. The conglomerates formed, when moving, contribute to premature wear of the working bodies and can lead to jamming of the pump. In addition, when using the known impeller, the amount of space in which a toroidal vortex (vortex ring) is formed is insignificant, and therefore, the known impeller does not provide a significant increase in the stability of the pump with a large content of free gas in the reservoir fluid, as well as with low costs. The consequence of this is excessive turbulization of the main stream fluid, which can increase the axial load on the supporting elements of the working bodies and reduce the efficiency of the device.

Заявленное изобретение обеспечивает устранение указанных выше недостатков наиболее близкого аналога, а также обеспечивает при его использовании завихрение рабочего потока в периферийной части колеса, таким образом, что при подходе к нижнему диску направляющего аппарата вихрь притормаживается, это способствует безвихревому входу потока в направляющий аппарат, при этом снижается осевая нагрузка на опорные элементы рабочего колеса и направляющего аппарата, уменьшаются потери на механическое трение в пяте опоры и существенно увеличивается КПД насоса. Так как уменьшается турбулентность основного потока жидкости, одновременно повышается эффективность дробления газового содержания и механических включений перекачиваемой среды. The claimed invention eliminates the above drawbacks of the closest analogue, and also provides when it is used, swirling of the working flow in the peripheral part of the wheel, so that when approaching the lower disk of the guide vane, the vortex is braked, this contributes to the vortex-free flow inlet into the guide vane, while the axial load on the supporting elements of the impeller and the guide apparatus is reduced, the loss of mechanical friction in the fifth of the support is reduced and significantly increased pump efficiency. Since the turbulence of the main fluid stream decreases, the efficiency of crushing the gas content and mechanical inclusions of the pumped medium increases simultaneously.

Для достижения указанного выше технического результата рабочее колесо центробежного многоступенчатого насоса, содержащее ведущий диск, на нижней поверхности которого размещены лопасти рабочего колеса, внешний радиус расположения выходных кромок лопастей больше радиуса нижней поверхности диска, а первая часть верхней поверхности, внешний радиус которой меньше радиуса рабочего колеса, выполнена плоской, при этом вторая часть верхней поверхности ведущего диска, внешний радиус которой меньше радиуса расположения верхних кромок лопастей рабочего колеса выполнена в виде уступа, расстояние от поверхности которого до плоскости, в которой лежит первая часть верхней поверхности ведущего диска, уменьшается от периферии рабочего колеса до места сопряжения первой и второй частей поверхности ведущего диска, причем на уступе расположены радиальные ребра таким образом, что максимальный радиус расположения боковых торцевых поверхностей ребер больше внешнего радиуса ведущего диска. To achieve the above technical result, the impeller of a centrifugal multistage pump containing a driving disk, on the lower surface of which the blades of the impeller are located, the outer radius of the output edges of the blades is larger than the radius of the lower surface of the disk, and the first part of the upper surface, the outer radius of which is smaller than the radius of the impeller made flat, while the second part of the upper surface of the drive disk, the outer radius of which is less than the radius of the upper edges of the blades th impeller is made in the form of a ledge, the distance from the surface of which to the plane in which the first part of the upper surface of the driving disk lies, decreases from the periphery of the impeller to the place of mating of the first and second parts of the surface of the driving disk, and on the ledge there are radial ribs in this way that the maximum radius of the lateral end surfaces of the ribs is greater than the outer radius of the drive disk.

Возможно такое выполнение рабочего колеса, при котором радиус нижней поверхности ведущего диска меньше радиуса расположения нижней части выходных кромок лопастей, с образованием поверхности вращения в форме усеченного конуса. Such an impeller embodiment is possible in which the radius of the lower surface of the drive disk is less than the radius of the lower part of the output edges of the blades, with the formation of a surface of revolution in the form of a truncated cone.

Возможно также такое выполнение рабочего колеса, при котором внешние боковые кромки лопастей лежат на образующей в виде конуса, вершина которого лежит выше верхней поверхности ведущего диска. It is also possible that the impeller is designed in which the outer lateral edges of the blades lie on a generatrix in the form of a cone, the apex of which lies above the upper surface of the drive disk.

Приведенные примеры выполнения совокупности признаков рабочего колеса создают дополнительные условия для увеличения напорной характеристики при одновременном повышении КПД насоса. The given examples of performing the set of characteristics of the impeller create additional conditions for increasing the pressure characteristic while increasing the efficiency of the pump.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. The essence of the claimed invention is illustrated by examples of its implementation with reference to the accompanying drawings.

На фиг. 1 изображено продольное сечение двух ступеней многоступенчатого центробежного насоса с закрытыми рабочими колесами, выполненными согласно выполнения изобретения, при котором радиус ведущего диска меньше радиуса расположения верхней части выходных кромок лопастей, и направляющими аппаратами известной конструкции. In FIG. 1 shows a longitudinal section of two stages of a multistage centrifugal pump with closed impellers, made according to an embodiment of the invention, in which the radius of the drive disk is less than the radius of the upper part of the output edges of the blades, and guides of known design.

На фиг. 2 изображено продольное сечение двух ступеней многоступенчатого центробежного насоса с полуоткрытыми (без ведомого диска) рабочими колесами, выполненными согласно выполнения изобретения, при котором радиус ведущего диска меньше радиуса расположения верхней части выходных кромок лопастей, и направляющими аппаратами известной конструкции. In FIG. 2 shows a longitudinal section of two stages of a multistage centrifugal pump with semi-open (without a driven disk) impellers made according to an embodiment of the invention, in which the radius of the drive disk is less than the radius of the upper part of the outlet edges of the blades, and the guiding devices of known design.

На фиг. 3 представлен вид сверху рабочего колеса, выполненного согласно изобретению, изображенного на фиг.2. In FIG. 3 is a plan view of the impeller of the invention shown in FIG.

На фиг.4 изображены рабочие колеса (закрытого типа) и направляющие аппараты согласно выполнения изобретения, при котором внешние боковые кромки лопастей лежат на образующей в виде конуса. Figure 4 shows the impellers (closed type) and guide vanes according to the invention, in which the outer lateral edges of the blades lie on the generatrix in the form of a cone.

На фиг. 5 изображены рабочие колеса (полуоткрытого типа) и направляющие аппараты согласно выполнения изобретения, при котором внешние боковые кромки лопастей лежат на образующей в виде конуса. In FIG. 5 shows the impellers (half-open type) and guide vanes according to an embodiment of the invention, in which the outer lateral edges of the blades lie on a generatrix in the form of a cone.

На фиг.6 представлен вид сверху рабочего колеса, изображенного на фиг.5. Figure 6 presents a top view of the impeller shown in figure 5.

Ступень многоступенчатого центробежного насоса, как изображено на фиг.1, состоит из рабочего колеса с втулкой 1 и направляющего аппарата с корпусом 2. Рабочее колесо содержит ведущий диск 3, на нижней поверхности которого расположены лопасти 4 рабочего колеса, а также может содержать ведомый диск 5, сопряженный с нижними краями лопастей 4. Первая часть 6 верхней поверхности ведущего диска 3, внешний радиус которой меньше, чем радиус рабочего колеса, определяемый как радиус боковой поверхности 7 ведущего диска или как радиус расположения боковых кромок 8 лопастей 4, выполнена плоской. Внутренний радиус первой части 6 внешней поверхности ведущего диска равен внешнему радиусу втулки 1 рабочего колеса. Вторая часть верхней поверхности ведущего диска, внешний радиус которой меньше радиуса расположения верхней части кромок лопастей 4, выполнена в виде уступа 14, расстояние от поверхности которого до плоскости, в которой лежит первая часть верхней поверхности ведущего диска уменьшается от периферии рабочего колеса до места сопряжения первой и второй частей верхней поверхности ведущего диска. При этом указанное расстояние равно длине отрезка, перпендикулярного плоскости, в которой лежит поверхность части 6, соединяющего указанную плоскость с поверхностью уступа. The stage of a multistage centrifugal pump, as shown in figure 1, consists of an impeller with a sleeve 1 and a guiding apparatus with a housing 2. The impeller contains a drive disk 3, on the lower surface of which are located the blades 4 of the impeller, and may also contain a driven disk 5 conjugated with the lower edges of the blades 4. The first part 6 of the upper surface of the drive disk 3, the outer radius of which is less than the radius of the impeller, defined as the radius of the side surface 7 of the drive disk or as the radius of the side x edges 8 of the blades 4, is made flat. The inner radius of the first part 6 of the outer surface of the drive disk is equal to the outer radius of the sleeve 1 of the impeller. The second part of the upper surface of the drive disk, the outer radius of which is less than the radius of the upper part of the edges of the blades 4, is made in the form of a step 14, the distance from the surface of which to the plane in which the first part of the upper surface of the drive disk is reduced from the periphery of the impeller to the mating point of the first and the second part of the upper surface of the drive disk. Moreover, the specified distance is equal to the length of the segment perpendicular to the plane in which the surface of the part 6 connecting the specified plane with the surface of the ledge lies.

На уступе 14 расположены ребра 9, максимальный радиус расположения боковых торцевых поверхностей 11 которых больше, чем внешний радиус ведущего диска. Верхние торцевые поверхности 10 ребер лежат в плоскости, в которой лежит первая часть верхней поверхности ведущего диска 3. Направляющий аппарат включает верхний диск 12, выполненный в корпусе 2, и нижний 13, установленный на втулке 1 рабочего колеса. On the ledge 14 are the ribs 9, the maximum radius of the lateral end surfaces 11 of which is greater than the outer radius of the drive disk. The upper end surfaces 10 of the ribs lie in the plane in which the first part of the upper surface of the drive disk 3 lies. The guide apparatus includes an upper disk 12 made in the housing 2 and a lower 13 mounted on the impeller sleeve 1.

Возможно такое выполнение рабочего колеса, при котором радиус нижней поверхности ведущего диска и радиус расположения верхних частей кромок лопастей меньше радиуса расположения нижней части выходных кромок лопастей, с образованием поверхности вращения в форме усеченного конуса. Such an impeller embodiment is possible in which the radius of the lower surface of the driving disk and the radius of the upper parts of the edges of the blades are smaller than the radius of the lower part of the output edges of the blades, with the formation of a surface of revolution in the form of a truncated cone.

Рабочее колесо может быть выполнено таким образом, при котором внешние боковые кромки лопастей лежат на образующей в виде конуса, вершина которого лежит выше верхней поверхности ведущего диска. The impeller can be made in such a way that the outer lateral edges of the blades lie on a generatrix in the form of a cone, the top of which lies above the upper surface of the drive disk.

Устройство работает следующим образом. При вращении рабочего колеса формируется напор жидкости или газожидкостной смеси (далее - жидкости) при ее прохождении через каналы, образованные рядом расположенными лопастями, ведущим диском 3 и ведомым диском 5, фиг.1, или верхним диском 12 направляющего аппарата, фиг.2. К следующему за рабочим колесом направляющему аппарату жидкость поступает через кольцевой зазор между ведущим диском 3 рабочего колеса с втулкой 1 и корпусом 2 направляющего аппарата. Жидкость, находящаяся между верхней поверхностью 6 ведущего диска 3 и нижним диском 13 направляющего аппарата, выносится в кольцевой зазор между корпусом 2 направляющего аппарата и торцевыми поверхностями 11 ребер 9. В дальнейшем, при взаимодействии потоков жидкости, сформированных лопастями 4 и ребрами 9, на периферии рабочего колеса 3 формируется тороидальный вихрь, который способствует перемещению жидкости таким образом, что обеспечивается дробление газовых включений, этим создаются условия для эффективного перемешивания жидкости и дробления газовых пузырей в результате чего повышается устойчивость работы насоса, так как предотвращается возможность формирования значительных по объему газовых пробок, приводящих к срыву подачи. The device operates as follows. When the impeller rotates, a pressure of a liquid or a gas-liquid mixture (hereinafter referred to as liquid) is formed when it passes through channels formed by adjacent vanes, a drive disk 3 and a driven disk 5, Fig. 1, or the upper disk 12 of the guide apparatus, Fig. 2. The next to the impeller guide device, the fluid enters through the annular gap between the drive disk 3 of the impeller with the sleeve 1 and the housing 2 of the guide device. The liquid located between the upper surface 6 of the drive disk 3 and the lower disk 13 of the guide vane is carried out into the annular gap between the casing 2 of the guide vane and the end surfaces 11 of the ribs 9. Subsequently, when the fluid flows formed by the blades 4 and the ribs 9 interact at the periphery impeller 3 forms a toroidal vortex, which facilitates the movement of fluid in such a way that crushing of gas inclusions is ensured, thereby creating conditions for efficient mixing of the fluid and the core Lenia gas bubbles thereby improving the stability of operation of the pump have been prevented from forming substantial volume of gas tubes leading to the disruption of supply.

В связи с тем, что тороидальный вихрь формируется в зоне, прилегающей к верхним торцевым поверхностям 10 ребер 9, расположенной ниже поверхности диска, расширяется рабочая зона потока, движение жидкости притормаживается, что способствует безвихревому входу его в направляющий аппарат, а так как при этом уменьшается осевая сила, действующая на опоры, снижаются потери мощности на механическое трение в пяте опоры. Кроме этого обеспечивается повышение интенсивности дробления газовых включений, а также степени диспергирования механических примесей, что позволяет предотвратить засорение рабочих органов насоса. Таким образом, заявленное изобретение, в отличие от известных аналогов, обеспечивает возможность повышения КПД насоса с одновременным повышением устойчивости работы и срока службы. Due to the fact that a toroidal vortex is formed in the zone adjacent to the upper end surfaces 10 of the ribs 9, located below the surface of the disk, the working zone of the flow expands, the movement of the fluid slows down, which contributes to its vortex-free entry into the guiding apparatus, and since it decreases axial force acting on the supports, reduced power loss due to mechanical friction in the fifth of the support. In addition, there is an increase in the intensity of crushing of gas inclusions, as well as the degree of dispersion of mechanical impurities, which helps to prevent clogging of the working parts of the pump. Thus, the claimed invention, in contrast to the known analogues, provides the opportunity to increase the efficiency of the pump while increasing the stability of work and service life.

Источники информации
1. Богданов Н.А. Погружные центробежные насосы для добычи нефти. - М.: Недра, 1968, 38-50 с.Sources of information
1. Bogdanov N.A. Submersible centrifugal pumps for oil production. - M .: Nedra, 1968, 38-50 s.

2. Патент РФ 2138691, МПК 6 F 04 D 13/10, 1/06, 31/00 от 25.11.97. 2. RF patent 2138691, IPC 6 F 04 D 13/10, 1/06, 31/00 from 11.25.97.

Claims

1. The impeller of a centrifugal multistage pump containing a drive disk, on the lower surface of which the blades of the impeller are located, and the first part of the upper surface, the outer radius of which is smaller than the radius of the impeller, is made flat, characterized in that the second part of the upper surface of the drive disk is external the radius of which is less than the radius of the upper part of the edges of the blades of the impeller, made in the form of a ledge, the distance from the surface of which to the plane in which the first part of the upper surface of the drive disk decreases from the periphery of the impeller to the point of coupling of the first and second parts of the master disc surface, and ribs located on the ledge such that the maximum radius of the location of the side end surfaces of edges larger than the outer radius of the drive disk.

2. The impeller according to claim 1, characterized in that the radius of the lower surface of the drive disk is less than the radius of the bottom of the output edges of the blades.

3. The impeller according to claim 1, characterized in that the outer lateral edges of the blades lie on a generatrix in the form of a cone whose apex lies above the upper surface of the drive disk.