RU2591754C2

RU2591754C2 - Профиль лопатки диффузора с местной выпуклостью

Info

Publication number: RU2591754C2
Application number: RU2013155221/06A
Authority: RU
Inventors: Баоцзунь СОН
Original assignee: Бейкер Хьюз Инкорпорейтед
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2016-07-20
Also published as: BR112013028590A2; CN103649458B; CA2834727C; BR112013028590B1; GB2509218A; US20120288385A1; SG194784A1; NO20131469A1; GB201318528D0; RU2013155221A; CN103649458A; CA2834727A1; GB2509218B; US9109602B2; WO2012158281A1

Abstract

Группа изобретений относится к электрическим скважинным насосным установкам. Установка содержит приводимый двигателем насос, имеющий ряд ступеней. Каждая ступень имеет рабочее колесо и диффузор. Диффузор и рабочее колесо содержат лопатки, некоторые из которых имеют расположенные одна напротив другой криволинейные поверхности высокого и низкого давления, простирающиеся между передней и задней кромками, и местную выпуклость. Поверхность низкого давления имеет длину, превышающую длину поверхности высокого давления. Местная выпуклость сформирована на поверхности низкого давления. Выпуклость имеет радиус кривизны меньше радиусов кривизны других участков поверхности низкого давления. Лопатка имеет ширину, измеренную от поверхности низкого до поверхности высокого давления, в пределах выпуклости больше, чем на других участках. Группа изобретений направлена на повышение коэффициента полезного действия и высоты напора насоса, что достигается конструкцией лопаток, обеспечивающих протекание вдоль поверхности низкого давления по существу ламинарного потока. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Ссылки на родственные заявки

Настоящая заявка притязает на приоритет одновременно рассматриваемой предварительной заявки US 61/485952, Сон (Song), зарегистрированной 13 мая 2011 г., озаглавленной "Местная выпуклость профиля лопатки диффузора" и включенной в настоящую заявку посредством ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к насосам, а в частности к диффузору насоса, обеспечивающему прохождение через него более ламинарного потока флюида (текучей среды) во время работы электрического погружного насоса.

Уровень техники

Для подъема скважинных флюидов на поверхность в скважинах может использоваться система механизированной добычи, такая как электрический погружной насос (ЭПН). При использовании ЭПН его подсоединяют к скважинному (нижнему) концу колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) и спускают в скважину на конце этой колонны. Соединение ЭПН с колонной НКТ может быть выполнено любым подходящим способом. В некоторых примерах ЭПН соединяется с колонной НКТ с помощью резьбового соединения таким образом, что нагнетательный (верхний) конец ЭПН навинчивается на нижний конец колонны НКТ.

Как правило, ЭПН включает насосный узел и двигательный узел. Двигательный узел обычно располагается ближе к забою скважины, чем насосный узел, а двигатель и насос соединяются вращающимся валом. Вращающийся вал обычно представляет собой один или более валов, функционально связанных друг с другом. Двигатель вращает вал, который, в свою очередь, вращает конструктивные элементы внутри насоса для подъема флюида по эксплуатационной (лифтовой) колонне НКТ на поверхность. Установка ЭПН может также включать узлы гидрозащиты, соединенные с валом между двигателем и насосом. В некоторых вариантах осуществления узел гидрозащиты соединяет вал двигателя с входным валом насоса. Некоторые установки ЭПН включают один или более газовых сепараторов. Газовые сепараторы соединяются с валом на впуске насоса и отделяют газ от скважинного флюида до поступления последнего в насос.

Насосный узел включает набор, состоящий из рабочих колес и диффузоров. Рабочие колеса и диффузоры расположены в этом наборе поочередно, так что флюид, покинувший рабочее колесо, попадает в соседний диффузор и т.д. Диффузоры обычно направляют флюид из радиально наружной области насоса в сторону вала, тогда как рабочие колеса придают флюиду ускорение, перемещая его из области, находящейся в непосредственной близости к валу, в радиально наружную область насоса. Каждая конструктивная единица, состоящая из одного рабочего колеса и одного диффузора, может именоваться насосной ступенью. Вал соединен с рабочим колесом и вращает его внутри невращающегося диффузора. Таким образом, насосная ступень повышает давление флюида для подъема последнего по колонне НКТ на поверхность.

Как правило, рабочие колеса обеспечивают подъем флюида, придавая ему ускорение для перемещения из области, находящейся в непосредственной близости к вращающемуся валу, в радиально наружную область насоса, находящуюся в непосредственной близости к кожуху последнего. Там флюид поступает в диффузор, который направляет его обратно в сторону вращающегося вала. Диффузоры выполняют это с помощью ряда лопаток, имеющих переднюю кромку, находящуюся в непосредственной близости к кожуху насоса, и заднюю кромку, находящуюся в непосредственной близости к вращающемуся валу. Затем рабочее колесо следующей насосной ступени придает, как описывалось выше, ускорение флюиду, еще больше повышая его давление и продолжая процесс подъема. Каждая лопатка диффузора имеет поверхность высокого давления и поверхность низкого давления, причем поток флюида обычно проходит, главным образом, вдоль поверхности низкого давления. Поскольку флюид движется вдоль стороны низкого давления, он может сорваться с соответствующей поверхности, в результате чего его поток станет турбулентным. Турбулентный поток уменьшает возможность ускорения флюида рабочим колесом в следующей насосной ступени, вследствие чего уменьшаются коэффициент полезного действия и общая высота напора насоса. Разработчики современных насосов пытаются уменьшить срыв флюида с лопаток диффузора путем увеличения осевой длины, что позволяет флюиду перемещаться из радиально наружного в радиально внутреннее положение. Увеличение осевой длины обеспечивает плавность перемещения флюида. Тем не менее, в современных электрических погружных насосах, используемых в нефтегазодобывающей промышленности, может быть предусмотрено недостаточно конструктивного пространства для размещения в них длинных диффузоров. Следовательно, существует потребность в диффузоре, имеющем лопатки, которым присущ меньший срыв флюида по сравнению с известными диффузорами.

Раскрытие изобретения

Эти и другие проблемы в целом решаются или обходятся с достижением, большей частью, технических преимуществ посредством предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, в котором предлагается диффузор электрического погружного насоса, имеющий сформированную на нем местную выпуклость (горб), и обеспечивается увеличение коэффициента полезного действия и высоты напора насоса.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, предлагается установка электрического погружного насоса (ЭПН), включающая насос, содержащий рабочее колесо для перемещения флюида, двигатель, соединенный с погружным насосом, так что двигатель может переменным образом вращать рабочее колесо в насосе, и диффузор в насосе, расположенный по потоку после рабочего колеса, так что диффузор направляет движущийся от рабочего колеса флюид в сторону вращающегося вала в насосе с минимальным срывом флюида с диффузора. Диффузор предпочтительно имеет корпус в форме усеченного конуса с центральным отверстием для прохода вращающегося вала и группу лопаток, сформированных на наружной поверхности этого корпуса. Каждая лопатка имеет переднюю кромку и заднюю кромку. Криволинейная поверхность высокого давления простирается между передней кромкой и задней кромкой. Криволинейная поверхность низкого давления простирается между передней кромкой и задней кромкой напротив поверхности высокого давления. Поверхность низкого давления имеет длину, превышающую длину поверхности высокого давления, так что обеспечивается протекание вдоль поверхности низкого давления по существу ламинарного потока. При этом на поверхности низкого давления сформирована местная выпуклость, имеющая первый и второй концы, расстояние между которыми меньше длины поверхности низкого давления. Эта местная выпуклость имеет радиус кривизны меньше радиусов кривизны других участков поверхности низкого давления, а лопатка имеет ширину, измеренную от поверхности низкого давления до поверхности высокого давления, в пределах местной выпуклости больше, чем на других участках лопатки.

В частных вариантах осуществления изобретения ширина каждой лопатки увеличивается от передней кромки к первому концу местной выпуклости и уменьшается от второго конца местной выпуклости к задней кромке. При этом лопатка имеет максимальную ширину в области, расположенной приблизительно посередине между передней кромкой и задней кромкой.

В других частных вариантах лопатка имеет максимальную ширину в области, расположенной ближе к передней кромке, чем к задней кромке, или в области, расположенной ближе к задней кромке, чем к передней кромке.

Ширина лопатки увеличивается с первой интенсивностью между передней кромкой и первым концом местной выпуклости и со второй интенсивностью между первым концом и областью максимальной ширины лопатки, расположенной между первым и вторым концами местной выпуклости, причем вторая интенсивность превышает первую. При этом ширина лопатки уменьшается от области максимальной ширины до второго конца местной выпуклости со второй интенсивностью, и ширина лопатки уменьшается от второго конца местной выпуклости к задней кромке с первой интенсивностью.

Радиус кривизны местной выпуклости имеет центральную точку, разнесенную от центральной точки радиуса кривизны остального участка поверхности низкого давления.

Максимальная ширина лопатки может находиться на половине расстояния между первым и вторым концами местной выпуклости.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается установка электрического погружного насоса, содержащая насос, имеющий группу рабочих колес для перемещения флюида; двигатель, соединенный с погружным насосом, для вращения рабочих колес в насосе; группу диффузоров в насосе, каждый из которых расположен по потоку после одного из рабочих колес. Каждый диффузор из упомянутой группы диффузоров включает корпус в форме усеченного конуса с центральным отверстием для прохода вращаемого вала и группу лопаток, сформированных на наружной поверхности корпуса. Каждая из упомянутой группы лопаток имеет переднюю кромку и заднюю кромку; криволинейную поверхность высокого давления, простирающуюся между передней кромкой и задней кромкой; и криволинейную поверхность низкого давления, простирающуюся между передней кромкой и задней кромкой напротив поверхности высокого давления и имеющую сформированную на ней местную выпуклость. При этом местная выпуклость имеет первый и второй концы, так что первый конец расположен ближе к передней кромке лопатки, чем к ее задней кромке. Ширина каждой лопатки, измеренная от поверхности высокого давления до поверхности низкого давления, увеличивается с первой интенсивностью от передней кромки до первого конца местной выпуклости и со второй интенсивностью от первого конца местной выпуклости до области максимальной ширины местной выпуклости, причем вторая интенсивность превышает первую.

В частных вариантах осуществления изобретения местная выпуклость имеет максимальную ширину в области, расположенной посередине между передней кромкой и задней кромкой.

Местная выпуклость может иметь максимальную ширину, превышающую в 2-4 раза ширину лопатки на первом конце.

Местная выпуклость может иметь максимальную ширину в области, расположенной ближе к задней кромке, чем к передней кромке.

Ширина лопатки уменьшается со второй интенсивностью от области максимальной ширины местной выпуклости до второго конца местной выпуклости. И ширина лопатки уменьшается с первой интенсивностью от второго конца местной выпуклости до задней кромки. При этом второй конец местной выпуклости расположен на задней кромке.

Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается установка электрического погружного насоса, содержащая: двигатель и насос, приводимый в действие двигателем и имеющий ряд ступеней, каждая из которых включает рабочее колесо для перемещения флюида и диффузор, расположенный по потоку после рабочего колеса. Каждый из диффузора и рабочего колеса содержит группу лопаток, сформированных на наружной поверхности. По меньшей мере некоторые из указанных лопаток имеют переднюю кромку и заднюю кромку; криволинейную поверхность высокого давления, простирающуюся между передней кромкой и задней кромкой; и криволинейную поверхность низкого давления, простирающуюся между передней кромкой и задней кромкой напротив поверхности высокого давления и имеющую первый радиус кривизны и второй радиус кривизны. При этом второй радиус кривизны меньше первого, так что образуется местная выпуклость, имеющая первый и второй концы, а лопатка имеет максимальную ширину, измеренную от поверхности низкого давления до поверхности высокого давления и расположенную между первым и вторым концами местной выпуклости, превышающую по меньшей мере в 2-4 раза ширину лопатки на первом конце местной выпуклости.

В частных вариантах осуществления изобретения ширина лопатки увеличивается с первой интенсивностью вдоль первого радиуса кривизны между передней кромкой и первым концом местной выпуклости и со второй интенсивностью вдоль второго радиуса кривизны между первым концом местной выпуклости и областью максимальной ширины лопатки, причем вторая интенсивность превышает первую. И ширина лопатки уменьшается от области максимальной ширины до второго конца местной выпуклости со второй интенсивностью.

Изобретение может использоваться в способе увеличения коэффициента полезного действия и высоты напора системы на основе ЭПН. Способ предусматривает наличие в ЭПН насосного узла и двигательного узла и размещение в насосном узле для перемещения флюида рабочего колеса, соединенного шпонкой с вращающимся валом в насосном узле. Способ также предусматривает размещение по потоку после рабочего колеса диффузора, направляющего движущийся от рабочего колеса флюид в сторону вращающегося вала в насосном узле. Способ предусматривает механическое соединение двигательного узла с насосным узлом, так что двигательный узел может переменным образом вращать рабочее колесо в насосе. Вращаясь, рабочее колесо придает флюиду ускорение для перемещения из области, находящейся в непосредственной близости к вращающемуся валу, в область, находящуюся в непосредственной близости к передней кромке лопатки диффузора. Способ предусматривает такое исполнение диффузора, что его лопатка имеет поверхность низкого давления, длина которой превышает длину поверхности высокого давления, расположенной напротив поверхности низкого давления.

В представленных вариантах осуществления описан ЭПН, характеризующийся уменьшенным срывом флюида с лопаток диффузора. Местная выпуклость, предусмотренная на лопатке диффузора, увеличивает длину лопатки без увеличения осевой длины диффузора. Это уменьшает турбулентность потока флюида по мере того как он проходит через диффузор к следующему рабочему колесу. В результате этого увеличиваются коэффициент полезного действия и высота напора насоса. Кроме того, в представленных вариантах осуществления описан ЭПН, характеризующийся меньшим срывом флюида с лопаток рабочего колеса. И в этом случае обеспечивается уменьшение турбулентности потока флюида по мере того как он проходит от рабочего колеса к следующему диффузору. В результате этого увеличиваются коэффициент полезного действия и высота напора насоса.

Краткое описание чертежей

Для получения более ясного представления об отличительных признаках, преимуществах, целях и других аспектах настоящего изобретения ниже приведено более подробное описание изобретения, вкратце охарактеризованного выше, со ссылками на варианты осуществления изобретения, иллюстрируемые приложенными чертежами, составляющими часть настоящей заявки. Следует, однако, отметить, что эти чертежи иллюстрируют только один из предпочтительных вариантов осуществления изобретения и потому не должны интерпретироваться как ограничивающие его объем, поскольку изобретение может включать и другие столь же полезные варианты осуществления. На чертежах показано:

фиг. 1 - схематическое изображение электрического погружного насоса, соединенного с эксплуатационной колонной и подвешенного внутри обсадной колонны,

фиг. 2 - перспективное изображение диффузора согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения,

фиг. 3 - перспективное изображение диффузора, показанного на фиг. 2, с противоположной стороны,

фиг. 4 - вид в разрезе лопатки для диффузора, показанного на фиг. 2, или для рабочего колеса,

фиг. 5 - вид в разрезе альтернативной лопатки для диффузора или рабочего колеса,

фиг. 6 - вид в разрезе альтернативной лопатки для диффузора или рабочего колеса.

Подробное описание осуществления изобретения

Ниже приводится более полное описание настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, иллюстрирующие различные варианты его осуществления. Тем не менее, данное изобретение может быть реализовано во многих других формах и не должно рассматриваться как ограниченное вариантами осуществления, представленными в настоящем описании. Эти варианты осуществления представлены, скорее, для того, чтобы сделать настоящее описание более подробным и законченным и полностью довести объем изобретения до сведения специалистов в данной области. Одинаковые элементы везде снабжены одинаковыми численными обозначениями, а обозначения со штрихом означают, в случае использования, схожие элементы в альтернативных вариантах осуществления.

В представленном ниже описании приведены многочисленные конкретные детали, что имеет целью обеспечить всестороннее понимание настоящего изобретения. Тем не менее, специалистам в данной области будет ясно, что настоящее изобретение может быть реализовано без этих конкретных деталей. Более того, в большинстве случаев деталями, относящимися к работе электрического погружного насоса, его конструкции, эксплуатации и т.п., можно пренебречь, поскольку предполагается, что эти детали не являются необходимыми для всестороннего понимания настоящего изобретения и известны специалистам в соответствующих областях.

Скважинные установки в различных вариантах осуществления, соответствующих настоящему изобретению, используются в нефтяных и газовых скважинах для добычи больших объемов скважинного флюида. Как показано на фиг. 1, скважинная установка 11 содержит электрический погружной насос (ЭПН) 13, включающий большое число ступеней, состоящих из рабочих колес 25 и диффузоров 27. ЭПН 13 приводится в действие забойным двигателем 15, который представляет собой большой трехфазный двигатель переменного тока. Энергия поступает к двигателю 15 от источника тока (не показан) по силовому кабелю 17. Двигатель 15 заполнен диэлектрическим смазочным материалом. Узел 19 гидрозащиты отделяет двигатель 15 от ЭПН 13, уравнивая внутреннее давление смазочного материала внутри двигателя с давлением в скважине. Могут быть добавлены дополнительные компоненты, такие как газовый сепаратор, пескоотделитель и модули для измерения давления и температуры. Длина больших установок ЭПН может превышать 100 футов. Верхний конец ЭПН 13 соединен с эксплуатационной колонной 21.

Вращающийся вал 23 проходит от двигателя 15 через узел 19 гидрозащиты и ЭПН 13. Двигатель 15 вращает вал 23, который, в свою очередь, вращает рабочие колеса 25 внутри ЭПН 13. Специалисту в данной области будет ясно, что вал 23 может содержать много валов, выполненных с возможностью вращения в качестве реакции на вращение подсоединенного предшествующего соседнего вала. Рабочие колеса 25 обычно осуществляют подъем флюида внутри ЭПН 13 и перемещение флюида вверх по эксплуатационной колонне 21. Выполнение этой функции рабочими колесами 25 осуществляется путем затягивания флюида в центр каждого рабочего колеса 25 рядом с валом 23 и придания флюиду ускорения радиально наружу. Флюид, получивший ускорение от каждого рабочего колеса 25, поступает, в целом, в диффузор 27, расположенный в осевом направлении над рабочим колесом 25. Там флюид направляется из радиально наружного положения в радиально внутреннее положение рядом с валом 23, где он увлекается в центр следующего рабочего колеса 25.

Как показано на фиг. 2 и 3, диффузор 27 имеет, в целом, корпус в форме усеченного конуса и содержит центральное отверстие 29, сквозь которое может пройти вал 23. В отверстии 29 может быть предусмотрен уплотнительный элемент, который не вращается вместе с вращающимся валом 23, чем предотвращается прохождение флюида между валом 23 и диффузором 27. Конец 31 диффузора 27, расположенный на стороне выхода потока, является более узким концом корпуса в форме усеченного конуса, а конец 33, расположенный на стороне входа потока, - более широким концом этого корпуса. В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения наружная поверхность диффузора 27 простирается в направлении потока от конца 33, расположенного на стороне входа потока. Затем имеет место изгиб наружной поверхности диффузора 27 внутрь до поворота в направлении потока к концу 31, так что наружная поверхность диффузора 27 является по существу воронкообразной.

Диффузор 27 включает группу лопаток 35, сформированных на его наружной поверхности. Каждая лопатка 35 имеет переднюю кромку 37, заднюю кромку 39, поверхность 41 высокого давления и поверхность 43 низкого давления. В иллюстрируемом варианте осуществления передняя кромка 37 и задняя кромка 39 имеют по существу одинаковую ширину (толщину) от поверхности 41 высокого давления до поверхности 43 низкого давления. Однако ширина лопатки 35 изменяется между поверхностью 41 высокого давления и поверхностью 43 низкого давления от передней кромки 37 до задней кромки 39, как показано на фиг. 4. Поверхность 43 низкого давления является выпуклой, а поверхность 41 высокого давления - вогнутой. Специалисту в данной области будет ясно, что лопатки снабжены оболочкой, или обоймой, предусмотренной для выделения каждого канала прохождения потока. Эта оболочка не показана на чертеже для упрощения последнего.

Как показано на фиг. 4, поверхность 41 высокого давления и поверхность 43 низкого давления имеют кривизну между передней кромкой 37 и задней кромкой 39. Путь 47 движения потока, примыкающий к поверхности 43 низкого давления, длиннее пути 49 движения потока, примыкающего к поверхности 41 высокого давления. Это достигается путем формирования на каждой лопатке 35 местной выпуклости 45. Местная выпуклость 45 представляет собой часть лопатки 35, имеющую ширину (толщину) 51, превышающую ширину лопатки 35 у передней кромки 37 и задней кромки 39. Ширина лопатки 35 постепенно увеличивается от передней кромки 37 до основания (исходной точки) 53 местной выпуклости 45. Затем ширина лопатки 35 возрастает от ширины 55 у основания 53 до ширины 51. Интенсивность увеличения ширины лопатки 35 от ширины 55 до ширины 51 превышает интенсивность увеличения ширины лопатки 35 на участке от передней кромки 37 до области с шириной 55. В одном варианте осуществления ширина 51 может в 2-4 раза превышать ширину 55. Основание 53 соответствует области поверхности 43 низкого давления, где может произойти отделение потока флюида, движущегося по пути 47, от поверхности 43. Благодаря увеличению ширины лопатки 35 в области местной выпуклости 45, поверхность 43 низкого давления более точно сопрягается с путем 47 движения потока. Таким образом, когда кинетический момент флюида, движущегося вдоль пути 47, стремится преодолеть силы трения, удерживающие флюид в соприкосновении с поверхностью 43 низкого давления, увеличение ширины лопатки 35 позволяет обеспечить движение потока флюида по рассчитанному пути 47 и сохранение его контакта с поверхностью 43 низкого давления. Ширина местной выпуклости 45 уменьшается на участке от области с шириной 51 до задней кромки 39 с интенсивностью, близкой к интенсивности ее увеличения от ширины 55 до ширины 51. В варианте осуществления, представленном на фиг. 4, поверхность 43 низкого давления имеет радиус 44 между передней кромкой 37 и основанием 53 и радиус 46 в области местной выпуклости 45. Специалисту в данной области будет ясно, что радиус 44 превышает радиус 46, так что местная выпуклость 45 имеет большую кривизну, чем поверхность 43 низкого давления между передней кромкой 37 и основанием 53. Поверхность 41 высокого давления имеет радиус 48 между передней кромкой 37 и задней кромкой 39. Специалисту в данной области будет ясно, что поверхность 41 высокого давления может иметь сложную кривизну, характеризующуюся наличием более чем одного радиуса 48.

Как описывалось выше, местная выпуклость 45 выдается наружу из поверхности 43 низкого давления. Изменение ширины поверхности 43 происходит плавным образом, что сводит к минимуму образование кромок, или резких выступаний, между передней кромкой 37, местной выпуклостью 45 и задней кромкой 39. В иллюстрируемом варианте осуществления местная выпуклость 45 располагается таким образом, что область с шириной 51 находится близко к задней кромке 39. Такое расположение соответствует расчетному распределению граничного слоя флюида вдоль поверхности 43 низкого давления, так что область с шириной 51 совпадает с расчетным положением области перехода от ламинарного потока к турбулентному вдоль поверхности 43. Таким образом, срыв с поверхности 43 низкого давления потока флюида, проходящего вдоль этой поверхности, будет происходить с меньшей интенсивностью, что приведет к уменьшению турбулентности потока, поступающего в следующее рабочее колесо 25. Благодаря этому увеличиваются коэффициент полезного действия и высота напора ЭПН 13. В одном варианте осуществления область с шириной 51 может располагаться от задней кромки 39 на расстоянии, составляющем 25-40% длины поверхности 43 низкого давления между передней кромкой 37 и задней кромкой 39.

Ширина 51 местной выпуклости 45, отсчитываемая от поверхности 41 высокого давления до поверхности 43 низкого давления, может варьироваться в зависимости от конкретного ЭПН, в котором располагается диффузор 27. Положение местной выпуклости 45 между передней кромкой 37 и задней кромкой 39 также может варьироваться. В предпочтительном варианте местная выпуклость 45 располагается таким образом, чтобы обеспечивалось увеличение длины поверхности 43 низкого давления при минимальном срыве потока флюида, движущегося по пути 47 вдоль поверхности 43. Как правило, это соответствует расположению местной выпуклости 45 вдоль поверхности 43 вблизи задней кромки 39.

Как показано на фиг. 5 и 6, местная выпуклость 45 может располагаться в других местах вдоль поверхности 43 низкого давления. В варианте осуществления, представленном на фиг. 5, лопатка 35′ содержит местную выпуклость 45′, расположенную приблизительно посередине между передней кромкой 37′ и задней кромкой 39′. Видно, что область с шириной 51′ расположена приблизительно посередине между передней кромкой 37′ и задней кромкой 39′. Лопатка 35′ включает те же компоненты и выполняет те же функции, что и лопатка 35, показанная на фиг. 4 и описанная выше. В варианте осуществления, представленном на фиг. 6, лопатка 35″ содержит местную выпуклость 45″, расположенную в непосредственной близости к передней кромке 37″. В одном варианте осуществления область с шириной 51″ может располагаться от передней кромки 37″ на расстоянии, составляющем 25-40% длины поверхности 43″ низкого давления между передней кромкой 37″ и задней кромкой 39″. Лопатка 35″ включает те же компоненты и выполняет те же функции, что и лопатка 35, показанная на фиг. 4 и описанная выше.

В других альтернативных вариантах осуществления местная выпуклость 45 может также располагаться на рабочем колесе 25. Местная выпуклость формируется на стороне низкого давления каждой из лопаток рабочего колеса 25. Как упоминалось выше применительно к диффузору 27, местная выпуклость на рабочем колесе 25 формируется для увеличения ширины области между поверхностями высокого и низкого давления каждой лопатки рабочего колеса 25. Аналогично диффузору 27, поверхности низкого давления каждой из лопаток рабочего колеса придается плавность для уменьшения срыва с этой поверхности движущегося флюида. Благодаря этому уменьшается турбулентность. Уменьшение турбулентности потока через рабочее колесо 25 приводит к увеличению коэффициента полезного действия и высоты напора ЭПН 13. Специалисту в данной области будет ясно, что лопатки 35, показанные на фиг. 4-6, можно рассматривать и как лопатки диффузора, и как лопатки рабочего колеса.

Таким образом, представленные варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают получение многочисленных преимуществ. Например, в этих вариантах осуществления предлагается ЭПН с уменьшенным срывом флюида с лопаток диффузора. Говоря в целом, диффузоры обеспечивают такое уменьшение срыва благодаря наличию у них большей осевой длины, что позволяет флюиду перемещаться из радиально наружного в радиально внутреннее положение. Большая осевая длина способствует плавному перемещению флюида. Тем не менее, в современных электрических погружных насосах, используемых в нефтегазодобывающей промышленности, предусмотрено недостаточно конструктивного пространства для размещения в них длинных диффузоров. Формирование местной выпуклости в диффузоре позволяет преодолеть эту застарелую проблему путем увеличения длины лопатки без увеличения осевой длины диффузора. Это приводит к уменьшению турбулентности флюида по мере того как его поток проходит через диффузор в следующее рабочее колесо. Как следствие, увеличиваются коэффициент полезного действия и высота напора насоса. Кроме того, в настоящем изобретении предлагается ЭПН с уменьшенным срывом флюида с лопаток рабочего колеса. И в этом случае обеспечивается уменьшение турбулентности флюида по мере того как его поток проходит от рабочего колеса в следующий диффузор. В результате увеличиваются коэффициент полезного действия и высота напора насоса.

Следует иметь в виду, что настоящее изобретение может быть реализовано во многих формах и вариантах осуществления. Поэтому в представленных выше вариантах осуществления могут быть выполнены различные изменения в пределах сущности или объема настоящего изобретения. Соответственно, конкретные предпочтительные варианты осуществления изобретения, представленные в настоящем описании, носят иллюстративный, а не ограничивающий характер, и в этом описании предполагается возможность выполнения, в широких пределах, преобразований, модификаций, изменений и замен. В ряде случаев некоторые отличительные признаки настоящего изобретения могут применяться без соответствующего использования других отличительных признаков. После ознакомления с настоящим описанием предпочтительных вариантов осуществления изобретения специалисты в данной области могут счесть некоторые из таких преобразований и модификаций очевидными и желательными. В этой связи уместно отметить, что приложенная формула изобретения подразумевает широкое толкование в пределах объема настоящего изобретения.

Claims

1. Установка электрического погружного насоса, содержащая двигатель;
насос, приводимый в действие двигателем и имеющий ряд ступеней, каждая из которых содержит:
рабочее колесо для перемещения флюида;
диффузор, расположенный по потоку после рабочего колеса;
причем диффузор и рабочее колесо содержат группу лопаток, сформированных на наружной поверхности, а по меньшей мере некоторые из этих лопаток имеют:
переднюю кромку;
заднюю кромку;
криволинейную поверхность высокого давления, простирающуюся между передней кромкой и задней кромкой; и
криволинейную поверхность низкого давления, простирающуюся между передней кромкой и задней кромкой напротив поверхности высокого давления и имеющую длину, превышающую длину поверхности высокого давления, так что обеспечивается протекание вдоль поверхности низкого давления по существу ламинарного потока;
местную выпуклость, сформированную на поверхности низкого давления и имеющую первый и второй концы, расстояние между которыми меньше длины поверхности низкого давления;
причем местная выпуклость имеет радиус кривизны меньше радиусов кривизны других участков поверхности низкого давления, и
лопатка имеет ширину, измеренную от поверхности низкого давления до поверхности высокого давления, в пределах местной выпуклости больше, чем на других участках лопатки.

2. Установка по п. 1, в которой ширина каждой лопатки увеличивается от передней кромки к первому концу местной выпуклости и уменьшается от второго конца местной выпуклости к задней кромке.

3. Установка по п. 2, в которой лопатка имеет максимальную ширину в области, расположенной приблизительно посередине между передней кромкой и задней кромкой.

4. Установка по п. 1, в которой лопатка имеет максимальную ширину в области, расположенной ближе к передней кромке, чем к задней кромке.

5. Установка по п. 1, в которой лопатка имеет максимальную ширину в области, расположенной ближе к задней кромке, чем к передней кромке.

6. Установка по п. 1, в которой ширина лопатки увеличивается с первой интенсивностью между передней кромкой и первым концом местной выпуклости и со второй интенсивностью между первым концом и областью максимальной ширины лопатки, расположенной между первым и вторым концами местной выпуклости, причем вторая интенсивность превышает первую.

7. Установка по п. 6, в которой ширина лопатки уменьшается от области максимальной ширины до второго конца местной выпуклости со второй интенсивностью.

8. Установка по п. 6, в которой ширина лопатки уменьшается от второго конца местной выпуклости к задней кромке с первой интенсивностью.

9. Установка по п. 1, в которой радиус кривизны местной выпуклости имеет центральную точку, разнесенную от центральной точки радиуса кривизны остального участка поверхности низкого давления.

10. Установка по п. 1, в которой максимальная ширина лопатки находится на половине расстояния между первым и вторым концами местной выпуклости.

11. Установка электрического погружного насоса, содержащая:
насос, имеющий группу рабочих колес для перемещения флюида;
двигатель, соединенный с погружным насосом, для вращения рабочих колес в насосе;
группу диффузоров в насосе, каждый из которых расположен по потоку после одного из рабочих колес;
причем каждый диффузор из упомянутой группы диффузоров включает корпус в форме усеченного конуса с центральным отверстием для прохода вращаемого вала и группу лопаток, сформированных на наружной поверхности корпуса;
и каждая из упомянутой группы лопаток имеет:
переднюю кромку;
заднюю кромку;
криволинейную поверхность высокого давления, простирающуюся между передней кромкой и задней кромкой;
криволинейную поверхность низкого давления, простирающуюся между передней кромкой и задней кромкой напротив поверхности высокого давления и имеющую сформированную на ней местную выпуклость,
причем местная выпуклость имеет первый и второй концы, так что первый конец расположен ближе к передней кромке лопатки, чем к ее задней кромке, и
ширина каждой лопатки, измеренная от поверхности высокого давления до поверхности низкого давления, увеличивается с первой интенсивностью от передней кромки до первого конца местной выпуклости и со второй интенсивностью от первого конца местной выпуклости до области максимальной ширины местной выпуклости, причем вторая интенсивность превышает первую.

12. Установка по п. 11, в которой местная выпуклость имеет максимальную ширину в области, расположенной посередине между передней кромкой и задней кромкой.

13. Установка по п. 11, в которой местная выпуклость имеет максимальную ширину, превышающую в 2-4 раза ширину лопатки на первом конце.

14. Установка по п. 11, в которой местная выпуклость имеет максимальную ширину в области, расположенной ближе к задней кромке, чем к передней кромке.

15. Установка по п. 11, в которой ширина лопатки уменьшается со второй интенсивностью от области максимальной ширины местной выпуклости до второго конца местной выпуклости.

16. Установка по п. 15, в которой ширина лопатки уменьшается с первой интенсивностью от второго конца местной выпуклости до задней кромки.

17. Установка по п. 15, в которой второй конец местной выпуклости расположен на задней кромке.

18. Установка электрического погружного насоса, содержащая:
двигатель;
насос, приводимый в действие двигателем и имеющий ряд ступеней, каждая из которых включает:
рабочее колесо для перемещения флюида;
диффузор, расположенный по потоку после рабочего колеса;
причем каждый из диффузора и рабочего колеса содержит группу лопаток, сформированных на наружной поверхности, и по меньшей мере некоторые из этих лопаток имеют:
переднюю кромку;
заднюю кромку;
криволинейную поверхность высокого давления, простирающуюся между передней кромкой и задней кромкой; и
криволинейную поверхность низкого давления, простирающуюся между передней кромкой и задней кромкой напротив поверхности высокого давления и имеющую первый радиус кривизны и второй радиус кривизны, причем второй радиус кривизны меньше первого, так что образуется местная выпуклость, имеющая первый и второй концы, а лопатка имеет максимальную ширину, измеренную от поверхности низкого давления до поверхности высокого давления и расположенную между первым и вторым концами местной выпуклости, превышающую по меньшей мере в 2-4 раза ширину лопатки на первом конце местной выпуклости.

19. Установка по п. 18, в которой ширина лопатки увеличивается с первой интенсивностью вдоль первого радиуса кривизны между передней кромкой и первым концом местной выпуклости и со второй интенсивностью вдоль второго радиуса кривизны между первым концом местной выпуклости и областью максимальной ширины лопатки, причем вторая интенсивность превышает первую.

20. Установка по п. 19, в которой ширина лопатки уменьшается от области максимальной ширины до второго конца местной выпуклости со второй интенсивностью.