RU2576950C2

RU2576950C2 - Centrifugal pump for high-viscosity fluids

Info

Publication number: RU2576950C2
Application number: RU2014107446/06A
Authority: RU
Inventors: Валентин Михайлович Демиденко; Сергей Иванович Дубинский; Вячеслав Абельевич Терпунов
Original assignee: Валентин Михайлович Демиденко; Сергей Иванович Дубинский; Вячеслав Абельевич Терпунов
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2016-03-10
Also published as: RU2014107446A

Abstract

FIELD: pumps.

SUBSTANCE: invention relates to electric submersible centrifugal pumps for extraction of high viscous fluids used in oil industry. Pump includes stages, each of which consists of an impeller with drive disc and spiral blades and guide vanes. Forming blade profiles are made in form of Archimedean spirals with zero point on polar beam directed from wheel axis. Limiting surface of guide apparatus of a flow area of pump. Section of channels formed by spiral blades remains constant throughout entire length.

EFFECT: higher reliability due to improved performance pump during operation on high-viscosity fluids.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве центробежных насосов, предназначенных для перекачивания различных высоковязких жидкостей в нефтяной и химической промышленности.The invention relates to mechanical engineering and can be used as centrifugal pumps, designed for pumping various high-viscosity liquids in the oil and chemical industries.

Известны винтовые насосы для перекачивания вязких жидкостей (см. патенты RU №2347948 МПК F04C 2/107, 30.05.2007, RU №2388936 МПК F04C 2/107, 10.03.2009 и др.).Known screw pumps for pumping viscous liquids (see patents RU No. 2347948 IPC F04C 2/107, 05/30/2007, RU No. 2388936 IPC F04C 2/107, 03/10/2009, etc.).

Винтовые насосы, обладающие сравнительно высокими КПД, нашли достаточно широкое применение на нефтепромыслах страны, в том числе и для добычи вязких жидкостей. Однако наличие в рабочих органах винтовых насосов эластомеров ограничивает их эксплуатацию температурой до 90°C (максимальная температура деструкции эластомера 130°C), в то время как добыча жидких сред вязкостью от 1000 МПа·с и более может осуществляться только путем их нагрева до температур разжижения с применением тепловых методов.Relatively high efficiency screw pumps have found wide application in the country's oil fields, including for the production of viscous liquids. However, the presence in the working bodies of screw pumps of elastomers limits their operation to a temperature of up to 90 ° C (maximum temperature of elastomer destruction is 130 ° C), while the production of liquid media with a viscosity of 1000 MPa · s and more can only be carried out by heating them to dilution temperatures using thermal methods.

Известны конструкции погружных центробежных насосов для добычи нефти (Молчанов А.Г., Чичеров Л.Г. Нефтепромысловые машины и механизмы. - М.,1976, с. 158, рис. 34), содержащие цилиндрический корпус с размещенным на валу пакетом ступеней, каждая из которых состоит из центробежного рабочего колеса и направляющего аппарата с пространственно изогнутыми лопастями. Профили лопаток рабочих колес в этих насосах задаются образующими в виде одной или нескольких сопряженных дуг окружностей.Known designs of submersible centrifugal pumps for oil production (Molchanov A.G., Chicherov L.G. Oilfield machines and mechanisms. - M., 1976, p. 158, Fig. 34), containing a cylindrical body with a package of steps placed on the shaft, each of which consists of a centrifugal impeller and a guide vane with spatially curved blades. The profiles of the impeller blades in these pumps are defined by generators in the form of one or more conjugate arcs of circles.

Главный недостаток этих конструкций - существенное снижение напора и КПД насоса при добыче высоковязких жидкостей.The main drawback of these designs is a significant decrease in the pressure and efficiency of the pump during the production of highly viscous liquids.

Это связано с тем, что в центробежных насосах за счет разницы скоростей вязкой жидкости вблизи стенок лопатки и проточной области решетки профилей образуется возвратное движение. Образующийся при этом слой раздела приводит к появлению вихря, который оттесняет внешний поток от стенки лопатки, в результате чего происходит отрыв потока. Отрыв потока от стенок лопаток влечет за собой определенную потерю энергии. Наряду с характером режима течения (ламинарным или турбулентным) существенную роль в образований отрыва потока играет уменьшение или увеличение кривизны стенки в направлении течения.This is due to the fact that in centrifugal pumps, due to the difference in the velocities of a viscous fluid, a return movement is formed near the walls of the blade and the flow region of the profile lattice. The resulting layer of separation leads to the appearance of a vortex, which pushes the external flow from the wall of the scapula, resulting in a separation of the flow. The separation of the flow from the walls of the blades entails a certain loss of energy. Along with the nature of the flow regime (laminar or turbulent), a decrease or increase in the curvature of the wall in the direction of the flow plays a significant role in flow separation formations.

Короткая длина лопатки и сильно расширяющиеся площадь сечения проточной области канала между лопатками в центробежных колесах способствуют образованию отрыва потока, который и приводит к падению напора и КПД насоса.The short length of the blade and the greatly expanding cross-sectional area of the flow area of the channel between the blades in the centrifugal wheels contribute to the formation of flow separation, which leads to a drop in pressure and pump efficiency.

Близким аналогом заявленной конструкции является рабочее колесо центробежных насосов, профили лопаток которых выполнены в форме единой логарифмической спирали (Руднев С.С. Основы теории лопастных решеток. - М., МВТУ им. Баумана, 1961).A close analogue of the claimed design is the impeller of centrifugal pumps, the blade profiles of which are made in the form of a single logarithmic spiral (Rudnev S.S.

Логарифмическая спираль обладает свойством, благодаря которому радиус кривизны в любой точке спирали монотонно изменяется пропорционально длине дуги кривой, отсчитываемой от полюса, что обеспечивает минимизацию гидравлических потерь в пограничных слоях и препятствует образованию вихревых зон при турбулентном режиме течения.The logarithmic spiral has the property due to which the radius of curvature at any point in the spiral monotonically varies in proportion to the length of the arc of the curve counted from the pole, which minimizes hydraulic losses in the boundary layers and prevents the formation of vortex zones in the turbulent flow regime.

Однако при работе на вязкой жидкости начиная с определенного радиуса кривизны стенки в точке единой логарифмической спирали образуется отрыв потока, вызванный увеличением кривизны стенки в направлении течения.However, when working on a viscous fluid starting from a certain radius of curvature of the wall at the point of a single logarithmic spiral, a separation of the flow is formed due to an increase in the curvature of the wall in the direction of flow.

Прототипом заявленной конструкции является радиальный насос трения (патент на полезную модель RU №51130 или автореферат диссертации "Исследование и основы проектирования радиального насоса трения", Н. Новгород, 1996 г.), включающий установленное на валу рабочее колесо, расположенное внутри корпуса с крышкой, с лопатками колеса, очерченными по профилю спирали Архимеда. Применение в лопатке спирали Архимеда при перекачивании вязких жидкостей улучшает условия работы рабочего колеса, т.к. способствует сохранению ламинарного безотрывного режима течения на всем протяжении длины спиральной лопатки и в результате улучшаются напорные характеристики насоса.The prototype of the claimed design is a radial friction pump (patent for utility model RU No. 511130 or an abstract of the dissertation "Research and design fundamentals of a radial friction pump", N. Novgorod, 1996), including an impeller mounted on the shaft, located inside the housing with a cover, with wheel blades outlined along the profile of the Archimedes spiral. The use of the Archimedes spiral in the blade during pumping of viscous liquids improves the working conditions of the impeller, since contributes to the preservation of the continuous laminar flow regime throughout the length of the spiral blade and, as a result, the pressure characteristics of the pump are improved.

Основным недостатком конструкции аналога можно считать тот факт, что спиральная лопасть имеет ширину, уменьшающуюся от центра к периферии, что означает переменность (монотонное уменьшение) сечения канала. В то же время следует особо подчеркнуть, что указанный признак ухудшает рабочие характеристики насоса, т.к. уменьшение сечения канала при постоянстве подачи приводит к росту градиента скорости, а следовательно, к нарушению ламинарного режима потока и безотрывности его течения.The main disadvantage of the analogue design can be considered the fact that the spiral blade has a width that decreases from the center to the periphery, which means the variability (monotonic decrease) of the channel cross section. At the same time, it should be emphasized that this symptom worsens the performance of the pump, because a decrease in the channel cross section with a constant supply leads to an increase in the velocity gradient, and, consequently, to a violation of the laminar flow regime and the flow continuity.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании центробежного для работы на высоковязких жидкостях с улучшенными рабочими характеристиками.The problem to which the present invention is directed, is to create a centrifugal for operation on highly viscous fluids with improved performance.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении напорных и энергетических характеристик центробежного насоса для добычи высоковязких жидкостей при работе на больших глубинах спуска насосного агрегата, в том числе в скважинах с высоким содержанием нерастворенного газа и механических примесей.The technical result achieved by the implementation of the invention is to increase the pressure and energy characteristics of a centrifugal pump for the production of highly viscous liquids when working at great depths of descent of the pump unit, including in wells with a high content of undissolved gas and mechanical impurities.

Указанный технический результат достигается тем, что центробежный насос для высоковязких жидкостей содержит ступени, каждая из которых состоит из рабочего колеса с ведущим диском и спиральными лопатками, образующие профили которых выполнены в виде спиралей Архимеда с началом в точке на полярном луче, направленном из оси колеса, и направляющего аппарата, ограничивающие поверхности которого формируют проточную область, при этом сечения каналов, образуемых спиральными лопатками, остаются по всей длине постоянными.The specified technical result is achieved in that the centrifugal pump for highly viscous liquids contains steps, each of which consists of an impeller with a driving disk and spiral blades, the forming profiles of which are made in the form of Archimedes spirals with a beginning at a point on the polar beam directed from the wheel axis, and a guiding apparatus, the bounding surfaces of which form a flow region, while the cross-sections of the channels formed by the spiral blades remain constant over the entire length.

Возможность осуществления изобретения, охарактеризованная приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием центробежного насоса, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. Описание сопровождается графическими материалами, на которых изображено следующее.The possibility of carrying out the invention, characterized by the above set of features, is confirmed by the description of a centrifugal pump made in accordance with the present invention. The description is accompanied by graphic materials, which depict the following.

На фиг. 1 - рабочее колесо центробежного насоса для высоковязких жидкостей.In FIG. 1 - impeller of a centrifugal pump for highly viscous liquids.

На фиг. 2 - сечение А-А на фиг.1.In FIG. 2 - section aa in figure 1.

На фиг. 3 - узел В на фиг.1.In FIG. 3 - node In figure 1.

На фиг. 4 - поля скоростей в среднем сечении каналов рабочего колеса при работе на вязкой жидкости.In FIG. 4 - velocity field in the middle section of the channels of the impeller when working on a viscous fluid.

На фиг. 5 - зависимость КПД ступени центробежного насоса от подачи.In FIG. 5 - dependence of the efficiency of the centrifugal pump stage on the feed.

На фиг. 6 - зависимость напора ступени центробежного насоса от подачи.In FIG. 6 - dependence of the pressure of the centrifugal pump stage on the feed.

Центробежный насос для высоковязких жидкостей (фиг. 1-3) включает ступени, содержащие ведущий диск 1 с лопатками 2 и ограничивающие поверхности направляющего аппарата 3, образующие проточную область. Образующие профиля лопатки выполнены в виде спиралей Архимеда с началом в точке на полярном луче.A centrifugal pump for highly viscous liquids (Fig. 1-3) includes stages containing a drive disk 1 with blades 2 and bounding the surface of the guide apparatus 3, forming a flow region. The blade profile generators are made in the form of Archimedes spirals with a beginning at a point on the polar beam.

Известно, что спираль Архимеда образуется при наложении равномерного вращения и равномерного движения точки вдоль луча (в полярных координатах). Данная форма обтекаемых поверхностей с такими образующими лопаток рабочего колеса при работе на вязких жидкостях является наиболее оптимальной. Вязкая жидкость протекает в проточной области между лопатками в относительно длинном канале, сечение которого остается величиной постоянной и способствует сохранению ламинарного безотрывного режима течения на всем протяжении длины лопатки (фиг. 4).It is known that the Archimedes spiral is formed when superimposed uniform rotation and uniform movement of a point along the beam (in polar coordinates). This form of streamlined surfaces with such forming impeller blades when working on viscous fluids is the most optimal. A viscous fluid flows in the flowing region between the blades in a relatively long channel, the cross section of which remains constant and helps to maintain a continuous laminar flow regime throughout the length of the blade (Fig. 4).

Экспериментальные исследования, проведенные на ряде центробежных насосов при работе на вязких жидкостях, показали уменьшение напора и КПД. Например, на воде и вязкой жидкости (300 мПа·с) напор и КПД ступени центробежного насоса в рабочей области снижаются соответственно с 4 м и 52% до 2,5 м и 10%. При этом рабочие области напорных характеристик насосов смещались в область меньших расходов с 140 до 30 м³/сутки.Experimental studies conducted on a number of centrifugal pumps when working on viscous fluids showed a decrease in pressure and efficiency. For example, on water and a viscous fluid (300 mPa · s), the pressure and efficiency of the centrifugal pump stage in the working area are reduced from 4 m and 52%, respectively, to 2.5 m and 10%. At the same time, the working areas of the pressure characteristics of the pumps shifted to the lower flow area from 140 to 30 m ³ / day.

В то же время проведенные модельные расчеты показали, что КПД насоса с заявленными рабочими колесами при работе на жидкостях с коэффициентом динамической вязкости от 1820 до 7280 мПа·с приближается к 32% (см. фиг. 5), а напор в рабочей области - 20…30 м (фиг. 6).At the same time, model calculations showed that the efficiency of the pump with the declared impellers when working on liquids with a dynamic viscosity coefficient from 1820 to 7280 MPa · s is close to 32% (see Fig. 5), and the head in the working area is 20 ... 30 m (Fig. 6).

Рабочие колеса центробежного насоса могут изготавливаться из легированных чугунов типа «нирезист», вольфрамовых сплавов, керамики и работоспособно при температурах от 200°C и выше. Отсутствие в рабочем колесе эластомеров позволяет центробежному насосу работать в жидкостях с повышенным содержанием механических примесей и коррозионно-активных компонентов.The impellers of a centrifugal pump can be made of alloyed Niresist cast irons, tungsten alloys, ceramics and can operate at temperatures from 200 ° C and above. The absence of elastomers in the impeller allows the centrifugal pump to work in liquids with a high content of mechanical impurities and corrosive components.

Claims

A centrifugal pump for highly viscous liquids, containing steps, each of which consists of an impeller with a driving disk and spiral blades, the forming profiles of which are made in the form of Archimedes spirals with a beginning at a point on the polar beam directed from the wheel axis, and a guiding device bounding surfaces which form a flow region, characterized in that the cross-sections of the channels formed by spiral blades remain constant over the entire length.