Результат интеллектуальной деятельности: СТУПЕНЬ МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к многоступенчатым погружным лопастным насосам для добычи нефти.

Известна конструкция ступени погружного центробежного насоса с направляющим аппаратом (НА) и рабочим колесом (РК) плавающего типа, закрепленным на валу при помощи сквозной шпонки с возможностью свободного перемещения вдоль оси вращения. РК имеет собственные осевые опоры в обоих направлениях, представляющие собой антифрикционные шайбы, работающие по металлическим подпятникам НА [Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти (расчет и конструкция). М.: Изд-во «Недра», 1968, С. 47-48].

При работе РК без специальных устройств в рабочем диапазоне подач возникает осевая сила прямого направления (от выхода РК к его входу), которая прижимает шайбы РК к подпятникам. При этом образуется переднее торцовое уплотнение, разделяющее области перекачиваемой жидкости с высоким и низким давлением. Но если осевая сила достигает значительного уровня, то происходит интенсивный износ осевых опор.

Для уменьшения осевой силы применяют устройство разгрузки осевой силы, например, в виде камеры, образованной разгрузочным уплотнением РК и НА, которая соединена отверстиями с областью низкого давления на входе в РК [Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы, Изд-во «Машиностроение», 1966, Глава 8, §45]. Интенсивность разгрузки осевой силы зависит от соотношения диаметров переднего и разгрузочного уплотнений, зазоров в них, размеров отверстий и т.д. При определенных условиях возможно изменение направления действия осевой силы, тем более что она зависит от текущей подачи РК. При этом РК перемещается вдоль оси вала в направлении выхода потока из РК до упора шайбы в обратный подпятник. В результате раскрывается переднее уплотнение, снижается напор и КПД насоса, увеличивается износ, насос работает фактически в аварийном режиме.

Для предотвращения указанного дефекта используется устройство отсечения разгрузочных отверстий от разгрузочной камеры, в частности в ступенях типа FLEX компании Baker Hughes.

В качестве прототипа выбрана ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса этой компании Centrilift 400FLEX10 ESP Pump [см., например, Overview на сайте https://assets.www.bakerhughes.com/svstem/96599d804d94403e9215de5516d322ef/pdfs/pdf/31155.400FLEXPump10_Overview.pdf], содержащая НА, плавающее на валу РК, снабженное разгрузочными отверстиями и торцовым уплотнением с опорной шайбой, разгрузочную камеру и балансировочное торцевое уплотнение для регулирования осевой силы, отсекающее разгрузочные отверстия от разгрузочной камеры при осевом смещении РК в сторону нагнетания (выхода потока). Благодаря последнему интенсивность разгрузки осевой силы снижается, и РК должно вернуться в нормальное положение либо найти некое промежуточное положение между крайними возможными.

Однако на практике данное решение имеет серьезные недостатки. Для обеспечения надежного торца балансировочного уплотнения требуется увеличить диаметр уплотнения D_упл, чтобы выйти за пределы разгрузочных отверстий D_отв, так как по отверстиям торцовое уплотнение не работает нормально. В условиях крайней стесненности из-за малого размера рабочих органов погружных насосов полученного уровня уменьшения осевой разгрузки часто недостаточно для достижения нужного эффекта (D_бу приближается к D_упл). Кроме того, для достижения эффективности балансировочного торцового уплотнения необходимо уменьшение осевого зазора в нем практически до нуля, то есть РК в любом случае будет находиться в положении открытого переднего уплотнения, будет наблюдаться снижение напора и КПД, поскольку установить достаточно малый зазор в балансировочном торцовом уплотнении при сборке нет возможности. По техническим требованиям он должен быть более 1 мм, а при работе из-за износа он еще и увеличится.

Задачей настоящего изобретения является снижение износа осевых опор и увеличение ресурса насоса за счет уменьшения осевой силы и усилия прижатия, а также расширение рабочего диапазона подач и упрощение сборки ступени.

Указанный технический результат достигается тем, что в ступени многоступенчатого погружного центробежного насоса, содержащем направляющий аппарат, плавающее на валу рабочее колесо, снабженное разгрузочными отверстиями и торцовым уплотнением с опорной шайбой, разгрузочную камеру и балансировочное уплотнение для регулирования осевой силы, отсекающее разгрузочные отверстия от разгрузочной камеры при осевом смещении рабочего колеса в сторону нагнетания, согласно изобретению балансировочное уплотнение выполнено в виде осевого щелевого уплотнения, образованного кольцевым выступом на рабочем колесе, при этом диаметр балансировочного уплотнения не больше наружного диаметра окружности, охватывающей разгрузочные отверстия.

Балансировочное уплотнение при сборке может быть установлено с нулевым перекрытием и допуском в обе стороны не более половины толщины опорной шайбы.

Кроме того, диаметральный зазор в балансировочном уплотнении при сборке может быть установлен не более 0,25% от его диаметра.

При этом предпочтительно для изготовления балансировочного уплотнения применять материалы, отличающиеся от материалов рабочих органов (РК и НА).

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлен разрез заявляемой ступени.

Ступень многоступенчатого погружного центробежного насоса состоит из РК 1 и НА 2. Рабочее колесо 1 насажено на шпонку 3 и может свободно перемещаться вдоль вала 4 между двумя подпятниками 5, 6 соседних НА 2. Рабочее колесо имеет осевые опоры в виде опорных шайб 7, 8, изготовленных, например, из текстолита. Опорная шайба 7 и подпятник 5 выполняют также функцию торцового уплотнения, разделяющего зоны давления нагнетания и давления всасывания РК 1. В РК 1 выполнены разгрузочные отверстия 9, соединяющие его внутреннюю входную полость с разгрузочной камерой 10, образованную разгрузочным уплотнением 13 и прилегающими стенками НА 2 и РК 1.

Для достижения автоматической балансировки осевой силы ступень снабжена щелевым балансировочным уплотнением 11, образованным кольцевым выступом 12 на РК 1 и цилиндрической проточкой 14 в НА 2. При осевом смещении рабочего колеса 1 в сторону выхода потока балансировочное уплотнение 11 отсекает разгрузочные отверстия 9 от разгрузочной камеры 10. Балансировочное уплотнение 11 устанавливается с диаметральным зазором не более 0,25% от его диаметра, что обеспечивает эффективность щелевого уплотнения. Во избежание абразивного износа для изготовления балансировочного уплотнения используются материалы с более высокой износостойкостью, чем у материалов РК и НА. При малом зазоре в балансировочном уплотнении возможно повышенное трение, поэтому необходимо также, чтобы эти материалы имели пониженный коэффициент трения.

Диаметр балансировочного уплотнения 11 D_бу целесообразно выбрать меньше, чем диаметр расположения отверстий 9 D_отв, чтобы увеличить разницу с диаметром разгрузочного уплотнения 13 D_упл. При сборке следует выставлять в нем предварительное перекрытие Z, равное нулю, с отклонением в обе стороны, которое не должно превышать половины толщины опорной шайбы 7. Такая установка РК несколько увеличит осевую силу в начале работы, что приведет к ускоренной приработке опорной шайбы 7, со смещением РК 1 в сторону входа потока с раскрытием балансировочного уплотнения, и, соответственно, с уменьшением осевой силы и скорости износа осевых опор. При изменении условий работы РК будет иметь возможность перемещения вдоль оси вращения в обе стороны с отрицательной обратной связью по осевой силе. При этом возможна работа основных осевых опор с ограниченным усилием прижима, но исключено перемещение РК до упора в противоположную сторону.

Таким образом, предлагаемая конструкция снижает износ осевых опор и увеличивает ресурс насоса. Появляется также возможность работы в более широком диапазоне подач как в меньшую, так и в большую сторону.