RU2376505C2

RU2376505C2 - Plain thrust bearing for shafts of submersible centrifugal electric pumps

Info

Publication number: RU2376505C2
Application number: RU2007124964/11A
Authority: RU
Inventors: Игорь Иванович Белоконь (UA); Игорь Иванович Белоконь; Юрий Николаевич Стеценко (UA); Юрий Николаевич Стеценко
Original assignee: Игорь Иванович Белоконь; Юрий Николаевич Стеценко
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2007-07-02
Publication date: 2009-12-20
Also published as: RU2007124964A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to machine building, particularly to structures of plain thrust bearings for shafts or rotating axis of machines and equipment and can be used in submersible multistage centrifugal electric pumps for strata liquid extraction (oil-and-gas mixture) from deep oil wells of minor diametre. Plain thrust bearing contains abutment (1), under-abutment (2) and intermediate thrust collar (3), implemented with flat annular bearing surfaces on its working sides. Ring (3) is free mounted on shaft (7) between abutment (1) and under-abutment (2) with ability of rotation relative to them. Bearing surface (11) of abutment (1) is implemented as smooth. Bearing surface (14) of ring (3) directed to bearing surface (11) is implemented with lubricating grooves (16). Bearing surface (13) of under-abutment (2) is implemented with lubricating grooves (15), and bearing surface (12) of ring (3) directed to bearing surface (13) is implemented as smooth and with major average diametre D₅ than average diametre D₃ of bearing surface (14). Bearing surfaces (13) and (14) are implemented with lubricating grooves (16) and (15). Divided by these grooves for segments. Bearing surfaces (11), (12), (13) and (14) are implemented from wear-resistant substances with solidity not less than 380 HV.

EFFECT: increasing of reliability and vehicle capacity of plain thrust bearings for shafts of submersible centrifugal electric pumps.

3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к конструкциям упорных подшипников скольжения для валов или вращающихся осей машин и оборудования, и может быть использовано в скважинных погружных многоступенчатых центробежных электронасосах для добычи пластовой жидкости (нефтегазовой смеси) из глубоких нефтяных скважин малого диаметра.The invention relates to mechanical engineering, namely to designs of thrust sliding bearings for shafts or rotating axes of machines and equipment, and can be used in submersible multi-stage centrifugal electric pumps for producing formation fluid (oil and gas mixture) from deep oil wells of small diameter.

Известен упорный подшипник скольжения для валов скважинных погружных электродвигателей, содержащий пяту и подпятник с плоскими кольцевыми опорными поверхностями на их рабочих сторонах, прилегающими друг к другу. Опорная поверхность подпятника выполнена гладкой. Опорная поверхность пяты выполнена с глухими радиальными смазочными канавками (авт.св-во СССР №1739101, кл. F16C 33/02, опубл. 07.06.1992).Known thrust bearing for shafts of submersible borehole electric motors containing a heel and a thrust bearing with flat annular bearing surfaces on their working sides adjacent to each other. The supporting surface of the thrust bearing is made smooth. The supporting surface of the heel is made with dull radial lubricating grooves (ed. St. USSR No. 1739101, class F16C 33/02, published 07.06.1992).

Недостатком известного упорного подшипника является то, что под действием центробежной силы происходит удаление части смазочной жидкости из зоны трения скольжения через смазочные канавки и наклонные каналы в пяте, и, к тому же, поступление смазочной жидкости по телу пяты в зону трения со стороны оси вращения пяты ограничивается из-за выполнения смазочных каналов пяты глухими. Это приводит к уменьшению толщины пленки смазочной жидкости в зоне трения между опорными поверхностями пяты и подпятника и, как следствие, к снижению эффективности отвода тепла в зоне трения. В результате снижаются надежность и грузоподъемность упорного подшипника скольжения.A disadvantage of the known thrust bearing is that under the action of centrifugal force, part of the lubricating fluid is removed from the sliding friction zone through the lubricating grooves and inclined channels in the heel, and, moreover, the lubricant flows through the heel body into the friction zone from the axis of rotation of the heel limited due to the implementation of the lubrication channels of the heel deaf. This leads to a decrease in the film thickness of the lubricating fluid in the friction zone between the supporting surfaces of the heel and the thrust bearing and, as a result, to a decrease in the efficiency of heat removal in the friction zone. As a result, the reliability and carrying capacity of the thrust plain bearing are reduced.

Известен упорный подшипник скольжения для валов скважинных многоступенчатых погружных центробежных насосов (патент США №5160240, кл. F04D 29/02, опубл. 03.11.1992), содержащий пяту и подпятник с плоскими кольцевыми опорными поверхностями на рабочих сторонах, прилегающими друг к другу, в котором опорная поверхность пяты выполнена гладкой, а опорная поверхность подпятника в одном варианте исполнения упорного подшипника скольжения выполнена гладкой, как показано на фиг.4А и 4С, а в другом варианте исполнения - со смазочными канавками. Смазочные канавки расположены или радиально, как показано на фиг.5, 6, или тангенциально, как показано на фиг.9, при этом они или сквозные, как показано на фиг.5, 9, и делят рабочую поверхность подпятника на сегменты, или глухие, как показано на фиг.6.Known thrust bearing for shafts of borehole multistage submersible centrifugal pumps (US patent No. 5160240, CL F04D 29/02, publ. 03.11.1992), containing a heel and a thrust bearing with flat annular bearing surfaces on the working sides adjacent to each other, in wherein the bearing surface of the heel is smooth and the bearing surface of the thrust bearing is smooth in one embodiment of the thrust sliding bearing, as shown in FIGS. 4A and 4C, and in another embodiment, with lubricating grooves. Lubricating grooves are located either radially, as shown in Fig.5, 6, or tangentially, as shown in Fig.9, while they are either through, as shown in Fig.5, 9, and divide the working surface of the thrust bearing into segments, or blind as shown in FIG. 6.

Применение известного упорного подшипника с гладкими опорными поверхностями пяты и подпятника, образующими пару трения скольжения, ограничено диапазоном низких осевых нагрузок из-за ограниченной смазки в зоне трения. Упорный подшипник известного исполнения, в котором опорная поверхность подпятника выполнена со смазочными канавками, обеспечивает улучшение охлаждения упорного подшипника в зоне трения и благодаря этому способен выдерживать более значительные по величине осевые нагрузки, чем упорный подшипник с гладкими опорными поверхностями пяты и подпятника, за счет большей толщины пленки смазочной жидкости в зоне трения, или же надежнее работает при тех же величинах осевых нагрузок. Благодаря выполнению в опорной поверхности подпятника смазочных канавок увеличивается объем смазочной жидкости в зоне трения, между опорными поверхностями пяты и подпятника, а значит, улучшается отвод тепла по сравнению с рассмотренным выше известным упорным подшипником по авторскому свидетельству СССР №1739101, в котором смазочные канавки выполнены в опорной поверхности пяты, за счет исключения удаления смазочной жидкости из зоны трения через смазочные канавки.The use of the known thrust bearing with smooth bearing surfaces of the heel and thrust bearing forming a pair of sliding friction is limited by the range of low axial loads due to limited lubrication in the friction zone. A thrust bearing of known design, in which the bearing surface of the thrust bearing is made with lubricating grooves, provides improved cooling of the thrust bearing in the friction zone and is therefore able to withstand larger axial loads than the thrust bearing with smooth bearing surfaces of the heel and thrust bearing due to the greater thickness films of lubricating fluid in the friction zone, or it works more reliably at the same axial loads. Due to the implementation of lubricating grooves in the bearing surface of the thrust bearing, the volume of lubricant in the friction zone increases between the bearing surfaces of the heel and the bearing, and therefore, heat dissipation is improved compared to the above-mentioned thrust bearing according to USSR author's certificate No. 1739101, in which the lubricating grooves are made in the supporting surface of the heel, due to the exclusion of the removal of lubricating fluid from the friction zone through the lubricating grooves.

Общим недостатком вышеописанных известных конструкций упорных подшипников скольжения для валов погружных центробежных электронасосов согласно авторскому свидетельству СССР №1739101 и патенту США №5160240 является большое выделение тепла в зоне трения из-за высокой скорости вращения пяты относительно подпятника, что снижает надежность и грузоподъемность известных упорных подшипников скольжения.A common disadvantage of the above-known known designs of thrust bearings for shafts of submersible centrifugal electric pumps according to the USSR author's certificate No. 1739101 and US patent No. 5160240 is a large heat release in the friction zone due to the high speed of rotation of the heel relative to the thrust bearing, which reduces the reliability and load capacity of the known thrust bearings .

Наиболее близким аналогом заявляемого упорного подшипника является упорный подшипник скольжения для валов скважинных погружных центробежных электронасосов, содержащий пяту, подпятник и промежуточное упорное кольцо, выполненные с плоскими кольцевыми опорными поверхностями одинакового среднего диаметра на рабочих сторонах, причем промежуточное упорное кольцо свободно установлено на валу между пятой и подпятником с возможностью вращения относительно них. Обе опорные поверхности промежуточного упорного кольца, одна из которых обращена к опорной поверхности пяты, а другая - к опорной поверхности подпятника, выполнены со смазочными канавками и разделены этими канавками на сегменты. Опорные поверхности пяты и подпятника выполнены гладкими (Международный транслятор «Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти» под науч. ред. акад. РАЕН, д.э.н. В.Ю.Алекперова, акад. РИА, д.т.н. В.Я.Кершенбаума. М., 1999, с.99-101).The closest analogue of the inventive thrust bearing is a thrust bearing for shafts of submersible borehole centrifugal electric pumps containing a heel, a thrust bearing and an intermediate thrust ring made with flat annular bearing surfaces of the same average diameter on the working sides, and the intermediate thrust ring is freely mounted on the shaft between the fifth and thrust bearing with the possibility of rotation relative to them. Both supporting surfaces of the intermediate thrust ring, one of which is facing the supporting surface of the heel, and the other is facing the supporting surface of the thrust bearing, are made with lubrication grooves and are divided into segments by these grooves. The supporting surfaces of the heel and the thrust bearing are made smooth (International translator “Installations of submersible centrifugal pumps for oil production” under the scientific editor of Academician of the Russian Academy of Natural Sciences, Doctor of Economics V.Yu. Alekperov, Academician of RIA, Doctor of Technical Sciences V.Ya. Kershenbaum. M., 1999, p. 99-101).

Преимуществом известного упорного подшипника, выбранного в качестве наиболее близкого аналога заявляемого технического решения, по сравнению с другими вышеописанными известными упорными подшипниками, является уменьшение выделения тепла в зоне трения при прочих равных условиях за счет введения между пятой и подпятником промежуточного упорного кольца, образующего пару трения скольжения как с пятой, так и с подпятником. Выделение тепла уменьшается за счет уменьшения относительной скорости вращения трущихся опорных поверхностей в парах трения «пята - промежуточное упорное кольцо» и «промежуточное упорное кольцо - подпятник», обусловленного проскальзыванием свободно установленного на валу промежуточного упорного кольца как относительно пяты, так и относительно подпятника. Уменьшение выделения тепла в зонах трения, то есть улучшение охлаждения упорного подшипника, обеспечивает повышение его грузоподъемности, выражаемой в предельно допустимой осевой нагрузке на подшипник. Кроме того, улучшение охлаждения упорного подшипника позволяет повысить надежность его работы и срок службы.An advantage of the known thrust bearing, selected as the closest analogue of the claimed technical solution, in comparison with the other known thrust bearings described above, is the reduction of heat generation in the friction zone, ceteris paribus due to the introduction of an intermediate thrust ring forming the sliding friction pair between the fifth and the thrust bearing both with the fifth and with the thrust bearing. Heat generation is reduced by reducing the relative speed of rotation of the rubbing bearing surfaces in the friction pairs “heel - intermediate thrust ring” and “intermediate thrust ring - thrust bearing”, due to slipping of the intermediate thrust ring freely mounted on the shaft both relative to the heel and relative to the thrust bearing. Reducing heat generation in the friction zones, that is, improving the cooling of the thrust bearing, provides an increase in its carrying capacity, expressed in maximum permissible axial load on the bearing. In addition, improved cooling of the thrust bearing allows to increase its reliability and service life.

Недостатком известного упорного подшипника скольжения для валов погружных центробежных электронасосов, являющегося наиболее близким аналогом заявляемого технического решения, является недостаточный объем смазочной жидкости, а значит, и недостаточная толщина слоя смазочной жидкости в зоне трения между промежуточным упорным кольцом и подпятником из-за удаления смазочной жидкости из смазочных канавок, выполненных в нижней опорной поверхности промежуточного упорного кольца, которая обращена к опорной поверхности пяты, под действием центробежной силы. Кроме того, из-за возникающего поперечного смещения промежуточного упорного кольца вплоть до соприкосновения этого кольца с валом происходит увеличение его скорости вращения относительно неподвижного подпятника, вызывающее дополнительное уменьшение толщины пленки смазочной жидкости между промежуточным упорным кольцом и подпятником, приводящее к снижению грузоподъемности и надежности упорного подшипника. К тому же в этом известном упорном подшипнике вращающимися канавками нижней опорной поверхности промежуточной упорного кольца захватываются и заносятся в зону трения механические примеси и продукты износа, что ведет к интенсивному износу опорных поверхностей упорного подшипника, следствием которого является снижение надежности работы упорного подшипника и его грузоподъемности.A disadvantage of the known thrust sliding bearing for shafts of submersible centrifugal electric pumps, which is the closest analogue of the claimed technical solution, is the insufficient volume of the lubricating fluid, and hence the insufficient thickness of the layer of lubricating fluid in the friction zone between the intermediate thrust ring and the thrust bearing due to the removal of the lubricating fluid from lubrication grooves made in the lower supporting surface of the intermediate thrust ring, which faces the supporting surface of the heel, under the action of centrifugal force. In addition, due to the lateral displacement of the intermediate thrust ring up to the contact of this ring with the shaft, its rotation speed increases relative to the fixed thrust bearing, causing an additional decrease in the film thickness of the lubricating fluid between the intermediate thrust ring and the thrust bearing, which reduces the load bearing capacity and reliability of the thrust bearing . In addition, in this known thrust bearing, by rotating grooves of the lower abutment surface of the intermediate abutment ring, mechanical impurities and wear products are captured and brought into the friction zone, which leads to intensive wear of the abutment surfaces of the thrust bearing, resulting in a decrease in the reliability of the thrust bearing and its load bearing capacity.

В основу изобретения поставлена задача создания упорного подшипника скольжения для валов погружных центробежных электронасосов, в котором за счет новой формы выполнения опорной поверхности подпятника и той из двух опорных поверхностей промежуточного упорного кольца, которая обращена к опорной поверхности подпятника, и нового соотношения среднего диаметра опорной поверхности промежуточного упорного кольца со стороны пяты и среднего диаметра его опорной поверхности со стороны подпятника обеспечивается повышение грузоподъемности и надежности упорного подшипника скольжения путем уменьшения выделения тепла в зонах трения между трущимися опорными поверхностями пары трения «промежуточное упорное кольцо - подпятник» вследствие увеличения толщины пленки смазочной жидкости в зоне трения и путем предотвращения попадания в эту зону трения механических примесей и продуктов износа.The basis of the invention is the task of creating a thrust bearing for shafts of submersible centrifugal electric pumps, in which, due to the new form of the bearing surface of the thrust bearing and that of the two bearing surfaces of the intermediate thrust ring, which faces the bearing surface of the thrust bearing, and a new ratio of the average diameter of the intermediate bearing surface thrust ring from the heel side and the average diameter of its bearing surface from the side of the thrust bearing provides an increase in load capacity and reliability of a thrust sliding bearing by reducing heat generation in the friction zones between the friction supporting surfaces of the friction pair “intermediate thrust ring - thrust bearing” due to an increase in the film thickness of the lubricating fluid in the friction zone and by preventing mechanical impurities and wear products from entering this friction zone.

Поставленная задача решается тем, что в упорном подшипнике скольжения для валов погружных центробежных электронасосов, содержащем пяту, подпятник и промежуточное упорное кольцо, выполненные с плоскими кольцевыми опорными поверхностями на рабочих сторонах, причем промежуточное упорное кольцо свободно установлено на валу между пятой и подпятником с возможностью вращения относительно них, опорная поверхность пяты выполнена гладкой и опорная поверхность промежуточного упорного кольца, обращенная к опорной поверхности пяты, выполнена со смазочными канавками, согласно изобретению опорная поверхность подпятника выполнена со смазочными канавками, а опорная поверхность промежуточного упорного кольца, обращенная к опорной поверхности подпятника, выполнена гладкой и с большим средним диаметром, чем средний диаметр опорной поверхности промежуточного упорного кольца, обращенной к опорной поверхности пяты.The problem is solved in that in a thrust bearing for shafts of submersible centrifugal electric pumps containing a heel, a thrust bearing and an intermediate thrust ring, made with flat annular supporting surfaces on the working sides, and the intermediate thrust ring is freely mounted on the shaft between the fifth and the thrust bearing with the possibility of rotation relative to them, the supporting surface of the heel is smooth and the supporting surface of the intermediate thrust ring facing the supporting surface of the heel is made with o lubricating grooves, according to the invention, the bearing surface of the thrust bearing is made with lubricating grooves, and the bearing surface of the intermediate thrust ring facing the bearing surface of the thrust bearing is made smooth and with a larger average diameter than the average diameter of the bearing surface of the intermediate thrust ring facing the supporting surface of the heel.

Опорные поверхности подпятника и промежуточного упорного кольца, выполненные со смазочными канавками, разделены этими канавками на сегменты.The bearing surfaces of the thrust bearing and the intermediate thrust ring, made with lubricating grooves, are divided into segments by these grooves.

Кроме того, опорные поверхности пяты, подпятника и промежуточного упорного кольца выполнены из износостойкого материала с твердостью не ниже HV 380.In addition, the supporting surfaces of the heel, thrust bearing and intermediate thrust ring are made of wear-resistant material with a hardness of at least HV 380.

Согласно изобретению выполнение опорной поверхности подпятника со смазочными канавками, а опорной поверхности промежуточного упорного кольца, обращенной к опорной поверхности подпятника, гладкой приводит к тому, что на смазочную жидкость, поступающую в смазочные канавки, действуют силы только в окружном направлении и не действуют центробежные силы, что предотвращает удаление смазочной жидкости из канавок за пределы зоны трения и обеспечивает распределение в зоне трения по опорным поверхностям большего объема смазочной жидкости, чем в наиболее близком аналоге. Равномерное распределение смазочной жидкости в зоне трения достигается благодаря тому, что опорная поверхность подпятника разделена смазочными канавками на сегменты. Циркуляция смазочной жидкости через смазочные канавки соседних сегментов опорной поверхности способствует повышению интенсивности охлаждения в зоне трения. Кроме того, выполнение опорной поверхности промежуточного упорного кольца, обращенной к опорной поверхности подпятника, с большим средним диаметром, чем средний диаметр его опорной поверхности, обращенной к опорной поверхности пяты, обеспечивает возможность увеличения момента сопротивления в паре трения «промежуточное упорное кольцо - подпятник» на величину, достаточную для компенсации увеличения относительной скорости вращения трущихся опорных поверхностей в этой паре трения под действием силы трения в паре трения «промежуточное упорное кольцо - вал». Это увеличение момента сопротивления позволяет установить равные по величине относительные скорости вращения в парах трения «пята - промежуточное упорное кольцо» и «промежуточное упорное кольцо - подпятник», что обеспечивает одинаковую толщину пленки смазочной жидкости между опорными поверхностями в этих парах трения и, как следствие этого, уменьшение выделение тепла, а значит, повышение надежности работы упорного подшипника и его грузоподъемности. К тому же предложенное согласно изобретению выполнение опорных поверхностей предотвращает попадание механических примесей и продуктов износа в зону трения, что уменьшает нагрев и механический износ трущихся опорных поверхностей упорного подшипника. Таким образом, изобретение обеспечивает повышение надежности и грузоподъемности упорного подшипника скольжения. Достижению высокой грузоподъемности и высокой надежности работы упорного подшипника способствует выполнение его рабочих поверхностей из износостойкого материала с твердостью по Виккерсу (HV) не ниже 380, например из карбида вольфрама, карбида хрома, карбида кремния, карбида титана.According to the invention, the implementation of the bearing surface of the thrust bearing with lubrication grooves, and the bearing surface of the intermediate thrust ring facing the bearing surface of the thrust bearing smooth, leads to the fact that only the circumferential forces act on the lubricating fluid entering the lubrication grooves and centrifugal forces do not act, which prevents the removal of lubricant from the grooves outside the friction zone and ensures the distribution in the friction zone along the supporting surfaces of a larger volume of lubricant than in the closest analogue. The uniform distribution of the lubricating fluid in the friction zone is achieved due to the fact that the bearing surface of the thrust bearing is divided into segments by lubricating grooves. The circulation of the lubricating fluid through the lubricating grooves of adjacent segments of the bearing surface increases the cooling intensity in the friction zone. In addition, the implementation of the supporting surface of the intermediate thrust ring facing the supporting surface of the thrust bearing, with a larger average diameter than the average diameter of its supporting surface facing the supporting surface of the heel, provides the opportunity to increase the resistance moment in the friction pair "intermediate thrust ring - thrust bearing" by a value sufficient to compensate for the increase in the relative rotation speed of the friction bearing surfaces in this friction pair under the action of the friction force in the friction pair "intermediate PORN ring - shaft ". This increase in the moment of resistance makes it possible to establish equal relative speeds of rotation in the friction pairs “heel - intermediate thrust ring” and “intermediate thrust ring - thrust bearing”, which ensures the same film thickness of the lubricating fluid between the supporting surfaces in these friction pairs and, as a result , reducing heat generation, and therefore, increasing the reliability of the thrust bearing and its load capacity. Moreover, the implementation of the bearing surfaces proposed according to the invention prevents mechanical impurities and wear products from entering the friction zone, which reduces heating and mechanical wear of the friction bearing surfaces of the thrust bearing. Thus, the invention provides increased reliability and load capacity of a thrust sliding bearing. The achievement of high load capacity and high reliability of the thrust bearing is facilitated by the implementation of its working surfaces from wear-resistant material with a Vickers hardness (HV) of at least 380, for example, from tungsten carbide, chromium carbide, silicon carbide, titanium carbide.

Сущность изобретения поясняется конкретным примером его осуществления и чертежами, на которых:The invention is illustrated by a specific example of its implementation and the drawings, in which:

фиг.1 - общий вид узла заявляемого упорного подшипника скольжения, установленного в корпусе погружного центробежного насоса, продольный разрез вдоль оси вала, согласно изобретению;figure 1 is a General view of the node of the inventive thrust bearing installed in the housing of a submersible centrifugal pump, a longitudinal section along the axis of the shaft, according to the invention;

фиг.2 - разрез Б-Б на фиг.1, на котором показана рабочая сторона пяты, содержащая опорную поверхность пяты;figure 2 is a section bB in figure 1, which shows the working side of the heel, containing the supporting surface of the heel;

фиг.3 - разрез А-А на фиг.1, на котором показана верхняя рабочая сторона промежуточного упорного кольца, содержащая верхнюю опорную поверхность этого кольца;figure 3 is a section aa in figure 1, which shows the upper working side of the intermediate thrust ring containing the upper abutment surface of this ring;

фиг.4 - разрез Г-Г на фиг.1, на котором показана нижняя рабочая сторона промежуточного упорного кольца, содержащая нижнюю опорную поверхность этого кольца;figure 4 is a section GG in figure 1, which shows the lower working side of the intermediate thrust ring containing the lower supporting surface of this ring;

фиг.5 - разрез В-В на фиг.1, на котором показана рабочая сторона подпятника, содержащая его опорную поверхность;figure 5 - section bb in figure 1, which shows the working side of the thrust bearing containing its bearing surface;

фиг.6 - общий вид скважинного погружного центробежного электронасоса с установленным в нем заявляемым упорным подшипником скольжения, продольный разрез вдоль оси вала.6 is a General view of a borehole submersible centrifugal pump with the inventive thrust sliding bearing installed in it, a longitudinal section along the axis of the shaft.

Упорный подшипник скольжения для валов погружных центробежных электронасосов, предлагаемый согласно изобретению, содержит пяту 1, подпятник 2 и промежуточное упорное кольцо 3, размещенные в корпусе 4 погружного многоступенчатого центробежного насоса 5, соединенного с погружным электродвигателем 6, как видно из фиг.1 и фиг.6. Пята 1 зафиксирована на валу 7 центробежного насоса 5 с помощью шпонки 8 и упора 9, выполненного в виде стопорного кольца. Промежуточное упорное кольцо 3 свободно установлено на валу 7 между пятой 1 и подпятником 2 с возможностью вращения относительно них, то есть с возможностью вращения как относительно пяты 1 и вала 7, так и относительно подпятника 2. Подпятник 2 закреплен к корпусу 4 известным образом, например, с помощью крепежных деталей 10.The thrust bearing for shafts of submersible centrifugal pumps according to the invention comprises a heel 1, a thrust bearing 2 and an intermediate thrust ring 3 located in the housing 4 of a submersible multistage centrifugal pump 5 connected to a submersible motor 6, as can be seen from FIG. 1 and FIG. 6. The heel 1 is fixed on the shaft 7 of the centrifugal pump 5 using the keys 8 and the stop 9, made in the form of a retaining ring. An intermediate thrust ring 3 is freely mounted on the shaft 7 between the fifth 1 and the thrust bearing 2 rotatably relative to them, that is, with the possibility of rotation both relative to the heel 1 and the shaft 7, and relative to the thrust bearing 2. The thrust bearing 2 is fixed to the housing 4 in a known manner, for example using fasteners 10.

Пята 1, подпятник 2 и промежуточное упорное кольцо 3 выполнены с плоскими кольцевыми опорными поверхностями на их рабочих сторонах, попарно обращенных друг к другу, как видно из фиг.1…5. При этом, как видно из фиг.2…5, опорная поверхность 11 пяты 1 и нижняя опорная поверхность 12 промежуточного упорного кольца 3 выполнены гладкими, а опорная поверхность 13 подпятника 2 и верхняя опорная поверхность 14 промежуточной упорной шайбы 3 выполнены с радиальными сквозными смазочными канавками 15, 16 соответственно и разделены этими канавками на сегменты. Как показано на фиг.1, прилегающие друг к другу опорные поверхности 11, 14 соответственно пяты 1 и промежуточного упорного кольца 3 имеют наружный диаметр D1, внутренний диаметр D2 и средний диаметр D3, определяемый как полуразность диаметров D1 и D2. Прилегающие друг к другу опорные поверхности 12, 13 соответственно промежуточного упорного кольца 3 и подпятника 2 имеют наружный диаметр D1, внутренний диаметр D4 и средний диаметр D5, определяемый как полуразность диаметров D1 и D4. Как видно из фиг.1, средний диаметр D5 больше среднего диаметра D3, что достигнуто, например, выполнением подпятника 2 с большим внутренним диаметром, чем внутренний диаметр промежуточного упорного кольца 3 на его рабочей стороне, обращенной к пяте 1, при равенстве их наружных диаметров. Опорные поверхности 11, 12, 13, 14 упорного подшипника выполнены из износостойкого материала с твердостью по Виккерсу (HV) не ниже 380.The heel 1, the thrust bearing 2 and the intermediate thrust ring 3 are made with flat annular supporting surfaces on their working sides, pairwise facing each other, as can be seen from figure 1 ... 5. Moreover, as can be seen from figure 2 ... 5, the supporting surface 11 of the heel 1 and the lower supporting surface 12 of the intermediate thrust ring 3 are made smooth, and the supporting surface 13 of the thrust bearing 2 and the upper supporting surface 14 of the intermediate thrust washer 3 are made with radial through lubricating grooves 15, 16, respectively, and are divided into segments by these grooves. As shown in FIG. 1, the abutment surfaces 11, 14 of the heel 1 and the intermediate stop ring 3, respectively, have an outer diameter D1, an inner diameter D2 and an average diameter D3, defined as the half-difference of the diameters D1 and D2. The abutting supporting surfaces 12, 13 of the intermediate thrust ring 3 and the thrust bearing 2, respectively, have an outer diameter D1, an inner diameter D4 and an average diameter D5, defined as the half-difference between the diameters D1 and D4. As can be seen from figure 1, the average diameter D5 is larger than the average diameter D3, which is achieved, for example, by making a thrust bearing 2 with a larger inner diameter than the inner diameter of the intermediate thrust ring 3 on its working side facing the heel 1, with equal outer diameters . The supporting surfaces 11, 12, 13, 14 of the thrust bearing are made of wear-resistant material with a Vickers hardness (HV) of at least 380.

В центробежном насосе 5 (фиг.6) на валу 7 установлена над пятой 1 защитное устройство 17, препятствующая попаданию механических примесей и продуктов износа на трущиеся опорные поверхности 11…14 упорного подшипника. Входные каналы 18 для впуска окружающей жидкости во внутреннюю полость 19 центробежного насоса 5 расположены в нижней части стенки корпуса 4 этого насоса выше места расположения пяты 1 и устройства 17. В корпусе 4 над пятой 1 и защитным устройством 17 выше места расположения входных каналов 18 вдоль вала 7 установлен пакет насосных ступеней, каждая из которых содержит рабочее колесо 20 и направляющий аппарат 21. В каждой насосной ступени рабочее колесо 20 установлено на валу 7 свободно и опирается на направляющий аппарат 21. Верхний выходной конец 22 центробежного насоса 5 присоединяется к насосно-компрессорной трубе (не показано).In the centrifugal pump 5 (Fig.6) on the shaft 7 is installed over the fifth 1 protective device 17, which prevents the ingress of mechanical impurities and wear products on the friction bearing surfaces 11 ... 14 of the thrust bearing. The input channels 18 for the inlet of the surrounding liquid into the inner cavity 19 of the centrifugal pump 5 are located in the lower part of the wall of the pump housing 4 above the location of the heel 1 and the device 17. In the housing 4 above the fifth 1 and the protective device 17 above the location of the input channels 18 along the shaft 7, a package of pump stages is installed, each of which contains an impeller 20 and a guide apparatus 21. In each pump stage, the impeller 20 is freely mounted on the shaft 7 and rests on the guide apparatus 21. The upper output end 22 The submersible pump 5 is connected to a tubing (not shown).

Очевидно, что заявляемый упорный подшипник может быть установлен в скважинных погружных центробежных насосах не только в нижней части центробежного насоса 5, но и между пакетами насосных ступеней, если в центробежном насосе установлено два или более пакетов насосных ступеней. Межступенчатые упорные подшипники не требуется оснащать защитным устройством 17. Для погружных центробежных насосов с забором окружающей жидкости снизу, ниже места расположения нижнего упорного подшипника насоса, устройство 17 тоже не нужно.It is obvious that the inventive thrust bearing can be installed in borehole submersible centrifugal pumps not only in the lower part of the centrifugal pump 5, but also between the packages of pump stages, if two or more packages of pump stages are installed in the centrifugal pump. Interstage thrust bearings do not need to be equipped with a protective device 17. For submersible centrifugal pumps with the intake of surrounding fluid from below, below the location of the lower pump thrust bearing, device 17 is also not necessary.

Упорный подшипник скольжения для валов погружных центробежных электронасосов, выполненный согласно изобретению, работает следующим образом.The thrust bearing for shafts of submersible centrifugal electric pumps, made according to the invention, operates as follows.

После погружения электронасоса в окружающую жидкость внутренняя полость 19 центробежного насоса 5 через входные каналы 18 заполняется этой жидкостью. При включении электродвигателя 6 приводится во вращение вал 7 центробежного насоса 5 и вместе с ним вращаются рабочие колеса 20 и пята 1. Под действием рабочих колес 20 между входом и выходом центробежного насоса 5 создается перепад давлений, создающий поток откачиваемой окружающей жидкости, направленный в корпусе 4 вертикально вверх от входных каналов 18 к верхнему концу 22 центробежного насоса 5. При этом защитное устройство 17 препятствует попаданию механических примесей и продуктов износа в область расположения упорного подшипника, что способствует повышению надежности работы узла упорного подшипника. Вращающиеся рабочие колеса 20 создают напор откачиваемой окружающей жидкости, то есть во внутренней полости 19 центробежного насоса 5 и над его верхним концом 22 над его верхним концом поднимается столб жидкости. Этот столб жидкости создает осевую нагрузку на вал 7 и на часть площади поперечного сечения рабочих колес 20. Осевая нагрузка, действующая на верхний торец вала 7, воспринимается корпусом 4 через упор 9, пяту 1, промежуточное упорное кольцо 3 и подпятник 2. Подпятник 2 остается неподвижным относительно корпуса 4, так как он жестко закреплен к нему крепежными деталями 10. Осевая нагрузка, действующая на рабочие колеса 20, передается на корпус 4 через направляющие аппараты 21. Очевидно, что в варианте исполнения центробежного насоса 5 с жестким креплением рабочих колес 20 к валу 7 (не показано) имеющиеся один или несколько упорных подшипников будут воспринимать через вал 7 давление столба откачиваемой окружающей жидкости как на верхний торец вала 7, так и на рабочие колеса 20, то есть в этом случае к грузоподъемности применяемых в центробежном насосе упорных подшипников предъявляются более высокие требования.After immersing the electric pump in the surrounding liquid, the inner cavity 19 of the centrifugal pump 5 is filled with this liquid through the inlet channels 18. When the electric motor 6 is turned on, the shaft 7 of the centrifugal pump 5 is rotated and the impellers 20 and the heel 1 rotate with it. Under the action of the impellers 20, a pressure differential is created between the inlet and outlet of the centrifugal pump 5, which creates a flow of the pumped out ambient fluid directed in the housing 4 vertically upward from the inlet channels 18 to the upper end 22 of the centrifugal pump 5. In this case, the protective device 17 prevents the ingress of mechanical impurities and wear products into the area of the thrust bearing, which Helps increase the reliability of the thrust bearing assembly. Rotating impellers 20 create the pressure of the pumped-out surrounding liquid, that is, in the inner cavity 19 of the centrifugal pump 5 and above its upper end 22 a column of liquid rises above its upper end. This column of fluid creates an axial load on the shaft 7 and part of the cross-sectional area of the impellers 20. The axial load acting on the upper end of the shaft 7 is perceived by the housing 4 through the stop 9, heel 1, the intermediate stop ring 3 and the thrust bearing 2. The thrust bearing 2 remains fixed relative to the housing 4, since it is rigidly fixed to it by fasteners 10. The axial load acting on the impellers 20 is transmitted to the housing 4 through the guide devices 21. Obviously, in the embodiment of the centrifugal pump 5 with a rigid mount we take the impellers 20 to the shaft 7 (not shown) the existing one or more thrust bearings will perceive through the shaft 7 the pressure of the column of pumped out ambient fluid both on the upper end of the shaft 7 and on the impellers 20, that is, in this case, to the load capacity used in centrifugal pump thrust bearings have higher demands.

При работе центробежного насоса 5 скорость вращения пяты 1 равна скорости вращения вала 7, а скорость вращения подпятника 2 равна нулю. При вращении вала 7 промежуточное упорное кольцо 3 проскальзывает относительно пяты 1 и подпятника 2. В упорном подшипнике образуются две пары трения скольжения: первая пара трения - «пята 1 - промежуточное упорное кольцо 3», вторая пара трения - «промежуточное упорное кольцо 3 - подпятник 2». Вследствие проскальзывания промежуточного упорного кольца 3 относительно как пяты 1, так и подпятника 2 достигается уменьшение относительной скорости вращения контактирующих друг с другом трущихся опорных поверхностей упорного подшипника приблизительно в два раза. Приблизительно одинаковое уменьшение в два раза относительной скорости вращения трущихся опорных поверхностей в первой паре трения «пята 1 - промежуточное упорное кольцо З» и во второй паре трения «промежуточное упорное кольцо 3 - подпятник 2» достигается за счет выполнения нижней опорной поверхности 12 промежуточного упорного кольца 3 с большим средним диаметром D5, чем средний диаметр D3 верхней опорной поверхности 14 промежуточного упорного кольца 3, что позволяет увеличить момент сопротивления в паре трения «промежуточное упорное кольцо 3 - подпятник 2» на величину, достаточную для компенсации увеличения скорости вращения промежуточного упорного кольца 3, вызываемого моментом сопротивления, действующим в паре трения «промежуточное упорное кольцо 3 - вал 7».During operation of the centrifugal pump 5, the speed of rotation of the heel 1 is equal to the speed of rotation of the shaft 7, and the speed of rotation of the thrust bearing 2 is zero. When the shaft 7 rotates, the intermediate thrust ring 3 slides relative to the heel 1 and the thrust bearing 2. Two thrust friction pairs are formed in the thrust bearing: the first friction pair is “heel 1 is the intermediate thrust ring 3”, the second friction pair is “the intermediate thrust ring 3 - thrust bearing 2 ". Due to the slipping of the intermediate thrust ring 3 relative to both the heel 1 and the thrust bearing 2, the relative speed of rotation of the friction bearing surfaces of the thrust bearing in contact with each other is reduced by about half. Approximately the same halving of the relative speed of rotation of the rubbing bearing surfaces in the first pair of friction "heel 1 - intermediate thrust ring Z" and in the second pair of friction "intermediate thrust ring 3 - thrust bearing 2" is achieved by performing the lower bearing surface 12 of the intermediate thrust ring 3 with a larger average diameter D5 than the average diameter D3 of the upper abutment surface 14 of the intermediate thrust ring 3, which allows to increase the moment of resistance in the friction pair “intermediate thrust ring 3 - saddle 2 "by an amount sufficient to compensate for the increase in the rotational speed of the intermediate stop ring 3 caused by the resistance torque acting in a pair of friction" intermediate stop ring 3 - shaft 7 '.

Обеспечивающая смазку и охлаждение упорного подшипника окружающая жидкость, находящаяся в относительно неподвижных радиальных смазочных канавках 15, 16, затягивается вращающимися быстрее гладкими опорными поверхностями 12, 11 соответственно промежуточного упорного кольца 3 и пяты 1 на поверхности сегментов сегментных опорных поверхностей 13, 14, что обеспечивает смазку и охлаждение трущихся опорных поверхностей упорного подшипника. Распределение смазочно-охлаждающей окружающей жидкости по опорным поверхностям упорного подшипника происходит под действием сил, имеющих тангенциальное направление, что обеспечивает более равномерное распределение жидкости в зоне трения и предотвращает удаление жидкости из смазочных канавок в радиальном направлении наружу, происходящее в наиболее близком аналоге заявляемого упорного подшипника, содержащем пару трения, в которой гладкая опорная поверхность вращается медленнее, чем сегментная опорная поверхность. Кроме того, жидкость циркулирует по замкнутым контурам через сквозные радиальные смазочные канавки 15, 16. В результате этого достигается увеличение толщины и более равномерное распределение пленки смазочно-охлаждающей окружающей жидкости между трущимися опорными поверхностями, что обеспечивает улучшение отвода тепла и, как следствие, повышение надежности работы упорного подшипника и увеличение его грузоподъемности. При этом благодаря эффективному удалению механических примесей и продуктов износа с сегментов опорных поверхностей упорного подшипника, заключенных между смазочными канавками, уменьшаются износ и нагрев трущихся опорных поверхностей, что также способствует повышению надежности и повышению грузоподъемности упорного подшипника. Высокая надежность и высокая грузоподъемность упорного подшипника достигаются также благодаря выполнению его опорных поверхностей из износостойких материалов с твердостью не ниже HV 380.The surrounding fluid, which provides lubrication and cooling of the thrust bearing, located in the relatively stationary radial lubrication grooves 15, 16, is tightened by the smooth supporting surfaces 12, 11, respectively, of the intermediate contact ring 3 and the heel 1, which rotate faster, on the surface of the segments of the segmented bearing surfaces 13, 14, which provides lubrication and cooling the friction bearing surfaces of the thrust bearing. The distribution of the lubricant-cooling surrounding fluid on the supporting surfaces of the thrust bearing occurs under the influence of forces having a tangential direction, which ensures a more uniform distribution of fluid in the friction zone and prevents the removal of fluid from the lubrication grooves in the radial direction outward, occurring in the closest analogue of the inventive thrust bearing, containing a friction pair in which a smooth supporting surface rotates more slowly than a segmented supporting surface. In addition, the fluid circulates in closed circuits through the through radial lubricating grooves 15, 16. As a result, an increase in the thickness and a more uniform distribution of the film of the lubricating-cooling surrounding fluid between the friction supporting surfaces is achieved, which provides improved heat dissipation and, as a result, increased reliability thrust bearing operation and increase of its carrying capacity. At the same time, due to the effective removal of mechanical impurities and wear products from the segments of the bearing surfaces of the thrust bearing enclosed between the lubricating grooves, the wear and heating of the friction bearing surfaces are reduced, which also contributes to increased reliability and increased load capacity of the thrust bearing. High reliability and high load capacity of a thrust bearing are also achieved thanks to its bearing surfaces made of wear-resistant materials with a hardness of at least HV 380.

Применение заявляемого упорного подшипника скольжения в скважинных погружных центробежных электронасосах позволит увеличить напор центробежного насоса, не увеличивая его поперечные и продольные габаритные размеры, то есть увеличить высоту подъема откачиваемой пластовой окружающей жидкости из скважины, не снижая надежность работы упорных подшипников скольжения, благодаря повышенной грузоподъемности заявляемого упорного подшипника. Существенное повышение напора погружного центробежного насоса может быть достигнуто в случае тандемного выполнения упорных подшипников. При одинаковых величинах напора и прочих равных условиях погружные центробежные электронасосы, содержащие заявляемые упорные подшипники скольжения, обладают более высокой надежностью, чем аналогичные электронасосы с известными упорными подшипниками скольжения. Применение заявляемого упорного подшипника наиболее эффективные результаты может дать в погружных центробежных насосах, в которых рабочие колеса жестко закреплены к валу.The use of the inventive thrust bearing in borehole submersible centrifugal pumps will increase the pressure of the centrifugal pump without increasing its transverse and longitudinal overall dimensions, that is, increase the height of the pumped reservoir fluid from the well, without reducing the reliability of the thrust bearings, due to the increased load capacity of the inventive thrust bearing. A significant increase in the pressure of a submersible centrifugal pump can be achieved in the case of tandem execution of thrust bearings. With the same pressure values and other things being equal, submersible centrifugal electric pumps containing the inventive thrust sliding bearings have higher reliability than similar electric pumps with the known thrust sliding bearings. The use of the inventive thrust bearing the most effective results can give in submersible centrifugal pumps in which the impellers are rigidly fixed to the shaft.

Claims

1. Thrust bearing for shafts of submersible centrifugal electric pumps, comprising a heel, a thrust bearing and an intermediate thrust ring, made with flat annular bearing surfaces on their working sides, the intermediate thrust ring freely mounted on the shaft between the fifth and thrust bearing with the possibility of rotation relative to them, bearing the heel surface is smooth and the supporting surface of the intermediate thrust ring facing the supporting surface of the heel is made with lubrication grooves, characterized in that the thrust bearing surface is formed with oil grooves and thrust bearing surface of the intermediate ring facing the thrust bearing surface is made smooth and with a larger average diameter than the average diameter of the intermediate bearing surface of the thrust ring facing the support surface of the heel.

2. The thrust bearing according to claim 1, characterized in that the bearing surfaces of the thrust bearing and the intermediate thrust ring, made with lubricating grooves, are divided into segments by these grooves.

3. Thrust sliding bearing according to claims 1 and 2, characterized in that the supporting surfaces of the heel, thrust bearing and intermediate thrust ring are made of wear-resistant material with a hardness of at least HV 380.