Результат интеллектуальной деятельности: ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС ДЛЯ ВЫСОКОВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве центробежных насосов, предназначенных для перекачивания различных высоковязких жидкостей в нефтяной и химической промышленности.

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.).

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.

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.

Главный недостаток этих конструкций - существенное снижение напора и КПД насоса при добыче высоковязких жидкостей.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании центробежного для работы на высоковязких жидкостях с улучшенными рабочими характеристиками.

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.

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.

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.

На фиг. 1 - рабочее колесо центробежного насоса для высоковязких жидкостей.

На фиг. 2 - сечение А-А на фиг.1.

На фиг. 3 - узел В на фиг.1.

На фиг. 4 - поля скоростей в среднем сечении каналов рабочего колеса при работе на вязкой жидкости.

На фиг. 5 - зависимость КПД ступени центробежного насоса от подачи.

На фиг. 6 - зависимость напора ступени центробежного насоса от подачи.

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.

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).

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.

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).

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.