RU2246044C1

RU2246044C1 - Stage of submersible multi-stage pump

Info

Publication number: RU2246044C1
Application number: RU2003116876/06A
Authority: RU
Inventors: Н.В. Гусин (RU); Н.В. Гусин; А.И. Квашнин (RU); А.И. Квашнин; А.И. Рабинович (RU); А.И. Рабинович; Д.Ю. Мельников (RU); Д.Ю. Мельников
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Новомет-Пермь"
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2005-02-10

Abstract

FIELD: oil engineering; submersible multi-stage pumps for discharge of formation fluid from wells.

SUBSTANCE: proposed stage includes closed-type impeller with drive and driven disks and blades between them and guiding apparatus. Inclined blades are mounted on outer surface of impeller driven disk. Peripheral parts of these blades are rounded-off in radius directed towards rotation of impeller. Cover of guiding apparatus has radial fins. Peripheral parts of these fins are rounded-off over radius directed to side opposite to rotation of impeller. Height of inclined blades on driven disk of impeller and radial fins on cover of guiding apparatus is 0.3-0.4 and rounding-off radius of peripheral parts of inclined blades and radial fins is 2-2.5 of width of passage of impeller at outlet.

EFFECT: avoidance of emerging of impeller; increased pressure head at retained efficiency.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к многоступенчатым погружным насосам для откачки пластовой жидкости из скважин.The invention relates to petroleum engineering, in particular to multistage submersible pumps for pumping formation fluid from wells.

Известна конструкция центробежно-вихревой ступени к погружным многоступенчатым насосам, состоящая из центробежного рабочего колеса с вихревым венцом на внешней поверхности ведущего диска и направляющего аппарата (патент РФ №2138691 C1, F 04 D 13/10, 1/06, 31/00; 27.09.1999).A known design of a centrifugal-vortex stage to multi-stage submersible pumps, consisting of a centrifugal impeller with a vortex ring on the outer surface of the drive disk and guide vane (RF patent No. 2138691 C1, F 04 D 13/10, 1/06, 31/00; 27.09 .1999).

При этом рабочее колесо с указанными ступенями выполняется “плавающим” - имеет нижнюю и верхнюю упорные шайбы и может смещаться в осевом направлении до соприкосновения с соответствующим упором на направляющих аппаратах, смежных с этим рабочим колесом.In this case, the impeller with the indicated steps is “floating” - it has lower and upper thrust washers and can be displaced in the axial direction until it touches the corresponding stop on the guiding devices adjacent to this impeller.

Недостатком такой конструкции ступени является всплытие рабочего колеса по достижении определенной подачи, при которой давление жидкости на ведомый (нижний) диск рабочего колеса оказывается больше, чем на ведущий (верхний). Осевой стык между нижней (передней) упорной шайбой рабочего колеса и упором направляющего аппарата при этом раскрывается и рабочее колесо смещается вверх до соприкосновения верхней шайбы рабочего колеса с упорным буртиком смежного направляющего аппарата. Через раскрывшийся стык возникают перетечки жидкости с выхода колеса на его вход, в результате чего снижается напор и падает КПД. На рабочей характеристике это явление отражается, прежде всего, в виде гистерезиса напорной или энергетический кривой.The disadvantage of this stage design is the ascent of the impeller upon reaching a certain supply, at which the fluid pressure on the driven (lower) impeller disk is greater than on the drive (upper) one. The axial joint between the lower (front) thrust washer of the impeller and the stop of the guide vane opens and the impeller shifts up until the upper washer of the impeller comes into contact with the thrust collar of the adjacent guide vane. Through the opened joint there are fluid overflows from the wheel exit to its entrance, as a result of which the pressure decreases and the efficiency decreases. On the working characteristic, this phenomenon is reflected, first of all, in the form of a hysteresis of the pressure or energy curve.

Известна ступень погружного многоступенчатого насоса с рабочим колесом закрытого типа, на ведущем диске которого расположены импеллеры в виде прямых лопаток, а на внешней стороне ведомого диска - эвольвентные лопатки (патент РФ №21644626 C1, F 04 D 29/22; 27.03.2001).The step of a multi-stage submersible pump with a closed impeller is known, on the drive disk of which there are impellers in the form of straight vanes, and on the outside of the driven disk - involute vanes (RF patent No. 21444626 C1, F 04 D 29/22; 03/27/2001).

Недостаток указанной конструкции заключается в следующем. Эвольвентные лопатки на ведомом диске рабочего колеса, как и сам диск, раскручивают жидкость в окружном направлении в полости (пазухе) между этим диском и стенкой направляющего аппарата до скорости, превышающей окружную составляющую абсолютной скорости на выходе из каналов колеса. Последняя, благодаря смещению этих потоков, увеличивается, а вместе с ней растет и напор рабочего колеса. Однако передача энергии от потока с большей окружной скоростью в упомянутой полости основному потоку из каналов рабочего колеса происходит с большими гидравлическими потерями. Большие потери на вихреобразование обусловлены коротким участком смещения, равным толщине ведомого диска, и, следовательно, резким торможением потока из полости между ведомым диском и стенкой направляющего аппарата. В результате снижается эффект от использования лопаток на ведомом диске и от насосного действия дисков.The disadvantage of this design is as follows. The involute blades on the driven disk of the impeller, like the disk itself, spin the fluid in a circumferential direction in the cavity (sinus) between this disk and the wall of the guide apparatus to a speed exceeding the circumferential component of the absolute speed at the exit of the wheel channels. The latter, due to the displacement of these flows, increases, and with it the pressure of the impeller also increases. However, energy transfer from a stream with a higher peripheral speed in the said cavity to the main stream from the impeller channels occurs with large hydraulic losses. Large losses due to vortex formation are due to a short displacement portion equal to the thickness of the driven disk, and, therefore, a sharp inhibition of the flow from the cavity between the driven disk and the wall of the guide vane. As a result, the effect of using blades on the driven disk and of the pumping action of the disks is reduced.

Кроме того, жидкость, вращающаяся в полости между ведущим диском рабочего колеса и крышкой направляющего аппарата, также резко тормозится на коротком участке при входе на лопатки направляющего аппарата, в результате чего возрастают потери на вихреобразование.In addition, the fluid rotating in the cavity between the driving disk of the impeller and the cover of the guide vane also brakes sharply in a short section at the entrance to the vanes of the guide vane, resulting in an increase in vortex loss.

Настоящее изобретение позволяет предотвратить всплытие рабочего колеса в ступенях нефтяных скважинных насосов при одновременном повышении напора и, по крайней мере, сохранении КПД на прежнем уровне.The present invention allows to prevent the ascent of the impeller in the steps of oil well pumps while increasing the pressure and at least maintaining the efficiency at the same level.

Указанный технический результат достигается тем, что в ступени погружного многоступенчатого насоса, имеющей закрытое рабочее колесо с ведущим диском, лопастями и ведомым диском, на внешней поверхности которого размещены наклонные лопатки, и направляющий аппарат, согласно изобретению, на ведомом диске наклонные лопатки в своей периферийной части выполнены с закруглением по радиусу, обращенным в сторону вращения рабочего колеса, а на крышке направляющего аппарата размещены радиальные ребра, и периферийная часть этих ребер выполнена с закруглением по радиусу, обращенным в сторону, противоположную вращению рабочего колеса.The specified technical result is achieved by the fact that in the step of a submersible multi-stage pump having a closed impeller with a drive disk, blades and a driven disk, on the outer surface of which inclined vanes are placed, and a guide apparatus according to the invention, inclined vanes on its driven disk in its peripheral part made with rounding along the radius facing the direction of rotation of the impeller, and radial ribs are placed on the cover of the guide apparatus, and the peripheral part of these ribs is made with rounding radially, facing in the direction opposite to the rotation of the impeller.

При этом высота наклонных лопаток на ведомом диске рабочего колеса и высота радиальных ребер на крышке направляющего аппарата составляют 0,3-0,4, а радиус закругления периферийной части наклонных лопаток и радиальных ребер 2,0-2,5 от ширины канала рабочего колеса на выходе.The height of the inclined blades on the driven disk of the impeller and the height of the radial ribs on the cover of the guide vane are 0.3-0.4, and the radius of curvature of the peripheral part of the inclined blades and radial ribs is 2.0-2.5 of the channel width of the impeller output.

На фиг.1 представлена ступень погружного многоступенчатого насоса в разрезе, на фиг.2 - ведомый диск с наклонными лопатками на внешней стороне, на фиг.3 - крышка направляющего аппарата с радиальными ребрами.Figure 1 shows the stage of a submersible multistage pump in a section, figure 2 - a driven disk with inclined blades on the outside, figure 3 - the cover of the guide apparatus with radial ribs.

Рабочее колесо 1 ступени имеет ведущий диск 2, ведомый диск 3 и размещенные на нем наклонные лопатки 4, периферийная часть которых выполнена с закруглением по радиусу R, обращенным в сторону вращения колеса 1 (фиг.1, фиг.2). Направляющий аппарат 5 состоит из корпуса 6, крышки 7 и профилированных лопаток 8. На крышке 7 выполнены радиальные ребра 9, периферийная часть которых имеет закругление по радиусу R, обращенное в сторону, противоположную вращению колеса 1 (фиг.1, фиг.3).The impeller 1 of the stage has a driving disk 2, a driven disk 3 and inclined vanes 4 located on it, the peripheral part of which is made with a rounded radius R, facing the direction of rotation of the wheel 1 (Fig. 1, Fig. 2). The guide apparatus 5 consists of a housing 6, a cover 7 and profiled blades 8. On the cover 7 there are made radial ribs 9, the peripheral part of which has a rounded radius R, facing in the opposite direction to the rotation of the wheel 1 (Fig. 1, Fig. 3).

Высота h_л наклонных лопаток 4 на ведомом диске 3 колеса 1 и высота h_pрадиальных ребер 9 на крышке 7 направляющего аппарата 5 составляют 0,3-0,4 от ширины b₂ рабочего колеса 1 на выходе, а радиус закругления R лопаток 4 и ребер 9 - 2,0-2,5 от ширины b₂ (фиг.1). Наклонные лопатки 4 и радиальные ребра 9 по ширине “a” могут быть выполнены как соизмеримыми с радиусом R, так и более узкими, но с обязательным изгибом по радиусу R (пунктир на фиг.2 и фиг.3).The height h _{l of the} inclined blades 4 on the driven disk 3 of the wheel 1 and the height h _{p of the} radial ribs 9 on the cover 7 of the guide apparatus 5 are 0.3-0.4 of the width b ₂ of the impeller 1 at the exit, and the radius of curvature R of the blades 4 and ribs 9 - 2.0-2.5 of the width b ₂ (figure 1). Inclined blades 4 and radial ribs 9 along the width “a” can be made both commensurate with the radius R, and narrower, but with a mandatory bend along the radius R (dotted line in figure 2 and figure 3).

Ступень работает следующим образом. При вращении рабочего колеса 1, благодаря наличию наклонных лопаток 4 на ведомом диске 3, жидкость в нижней пазухе между этим диском и корпусом 6 направляющего аппарата 5 вращается с большей угловой скоростью, чем при отсутствии таких лопаток. Соответственно понижается давление со стороны жидкости в пазухе на ведомый диск 3. Давление жидкости в верхней пазухе между крышкой 7 направляющего аппарата 5 и ведущим диском 2 рабочего колеса 1 при этом будет выше, чем в нижней, и рабочее колесо 1 оказывается прижатым своей нижней упорной шайбой к упору направляющего аппарата 5. Таким образом предотвращается всплытие. Этому способствует и наличие радиальных ребер 9 на крышке 7 направляющего аппарата 5, которые уменьшают вращение жидкости в верхней пазухе, благодаря чему давление в ней повышается и обеспечивается дополнительное прижатие рабочего колеса к упору направляющего аппарата 5. Наклонные лопатки 4 на ведомом диске 3 рабочего колеса 1 одновременно способствуют дополнительному отбору мощности от колеса 1 и передаче этой мощности потоку, в результате чего повышается напор. Известно, что передача энергии от рабочего колеса 1 жидкости происходит не только через лопастной процесс, но и через насосное действие дисков. Энергия, отдаваемая через трение внешними поверхностями дисков колеса жидкости, частично, с той или иной эффективностью, может передаваться основному потоку, выходящему из рабочего колеса, увеличивая полезную мощность ступени.The stage works as follows. When the impeller 1 rotates, due to the presence of inclined blades 4 on the driven disk 3, the liquid in the lower sinus between this disk and the housing 6 of the guide apparatus 5 rotates at a greater angular speed than in the absence of such blades. Accordingly, the pressure from the liquid side in the sinus to the driven disk 3 decreases. The liquid pressure in the upper sinus between the cover 7 of the guide apparatus 5 and the driving disk 2 of the impeller 1 is higher than in the lower one, and the impeller 1 is pressed by its lower thrust washer to the stop of the guide vane 5. In this way, ascent is prevented. This is facilitated by the presence of radial ribs 9 on the cover 7 of the guide apparatus 5, which reduce the rotation of the fluid in the upper sinus, due to which the pressure rises and provides additional pressure on the impeller against the stop of the guide apparatus 5. Inclined blades 4 on the driven disk 3 of the impeller 1 at the same time contribute to the additional power take-off from the wheel 1 and the transfer of this power to the flow, as a result of which the pressure increases. It is known that the transfer of energy from the impeller 1 of the fluid occurs not only through the blade process, but also through the pumping action of the disks. The energy given through friction by the outer surfaces of the disks of the liquid wheel, partially, with one or another efficiency, can be transferred to the main stream exiting the impeller, increasing the useful power of the stage.

Наличие округлений на периферийной части наклонных лопаток 4 снижает вихреобразование при смешивании потока из каналов рабочего колеса 1 и потока из нижней части со стороны ведомого диска 3, так как это смешение, благодаря радиусу, происходит более плавно.The presence of rounding on the peripheral part of the inclined blades 4 reduces vortex formation when mixing the flow from the channels of the impeller 1 and the flow from the lower part from the side of the driven disk 3, since this mixing, due to the radius, occurs more smoothly.

Радиальные ребра 9 на крышке 7 направляющего аппарата 5, выполненные с закруглениями в периферийной части, обращенными в сторону, противоположную вращению рабочего колеса 1, не только уменьшают вращение жидкости в верхней пазухе между ведущим диском 2 колеса 1 и крышкой 7 направляющего аппарата 5, но и способствуют, благодаря радиусу R, введению с наименьшими гидравлическими потерями в основной поток, поступающий на вход лопаток 8 направляющего аппарата 5 из каналов рабочего колеса 1, дополнительной энергии от потока из верхней пазухи, инициированного дисковым трением ведущего диска 2 и сбегающего с его поверхности.Radial ribs 9 on the cover 7 of the guide apparatus 5, made with rounding in the peripheral part, facing the opposite direction to the rotation of the impeller 1, not only reduce the rotation of the fluid in the upper sinus between the drive disk 2 of the wheel 1 and the cover 7 of the guide apparatus 5, but also due to the radius R, contribute to the introduction of the least hydraulic losses into the main stream, coming to the input of the blades 8 of the guide apparatus 5 from the channels of the impeller 1, additional energy from the flow from the upper sinus, initiating vannogo disc friction drive disk 2, and escapes from its surface.

Снижение гидравлических потерь и, соответственно, увеличение напора при наличии закруглений на наклонных лопатках 4 и радиальных ребрах 9 подтверждено экспериментально. Установлено, что радиальные ребра 9 на крышке 7 направляющего аппарата 5 обеспечивают больший эффект, чем наклонные с таким же закруглением. Эффективность заявленных соотношений высоты h_л наклонных лопаток, высоты h_p ребер, радиусов закругления на них и ширины b₂ канала рабочего колеса 1 на выходе также подтверждено опытом.A decrease in hydraulic losses and, accordingly, an increase in pressure in the presence of curves on the inclined blades 4 and radial ribs 9 is confirmed experimentally. It was found that the radial ribs 9 on the cover 7 of the guide apparatus 5 provide a greater effect than inclined with the same rounding. The effectiveness of the claimed ratios of the height h _{l of the} inclined blades, the height h _{p of the} ribs, the radii of curvature on them and the width b _{2 of the} channel of the impeller 1 at the outlet is also confirmed by experience.

В результате всего обеспечивается предотвращение всплытия рабочего колеса в широком диапазоне подач и повышение напора при сохранении уровня КПД.As a result, the impeller is prevented from rising in a wide supply range and the pressure is increased while maintaining the efficiency level.

На фиг.4 показаны зависимости напора и КПД от подачи для центробежно-вихревой ступени (кривая 1) и для такой же ступени погружного многоступенчатого насоса (кривая 2), но с наклонными лопатками на ведомом диске рабочего колеса и радиальными ребрами на крышке направляющего аппарата, выполненными в соответствии с изобретением. Видно, что в конструкции ступени по изобретению гистерезис напорной кривой отсутствует, обеспечивается повышение напора, особенно на больших подачах, при сохранении уровня КПД.Figure 4 shows the dependence of the pressure and efficiency on the supply for the centrifugal-vortex stage (curve 1) and for the same stage of a submersible multistage pump (curve 2), but with inclined blades on the driven disk of the impeller and radial ribs on the cover of the guide apparatus, made in accordance with the invention. It can be seen that in the design of the step according to the invention there is no hysteresis of the pressure curve, the pressure is increased, especially at high flows, while maintaining the level of efficiency.

Claims

1. The step of a submersible multistage pump having a closed impeller with a driving disk, blades and a driven disk, on the outer surface of which inclined vanes are placed, and a guiding apparatus, characterized in that the inclined vanes are made on the driven disk in its peripheral part with a radius rounding facing the direction of rotation of the impeller, and radial ribs are placed on the cover of the guiding apparatus, and the peripheral part of these ribs is made with a rounding along the radius facing to the side, opposite false impeller rotation.

2. The step according to claim 1, characterized in that the height of the inclined blades on the driven disk of the impeller and the height of the ribs on the cover of the guide apparatus are 0.3-0.4, and the radius of curvature of the peripheral part of the inclined blades and radial ribs 2-2, 5 from the channel width of the impeller at the exit.