Результат интеллектуальной деятельности: СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Настоящее изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в многоступенчатых центробежных скважинных насосах, предназначенных для откачки пластовой жидкости.

Известен центробежный насос, в котором рабочее колесо выполнено содержащим ведущий диск с лопатками. На поверхности ведущего диска в известном устройстве выполнено утолщение, в котором сформированы несквозные выемки [1].

Выемки на рабочем колесе в центробежном насосе известной конструкции не участвуют в процессе перекачивания жидкости, не влияют на структуру потока перекачиваемой жидкости или газожидкостной смеси и соответственно не позволяют улучшить структуру потока газожидкостной смеси при наличии в перекачиваемой смеси значительных объемов газа.

Устройством, наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению, является ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса [2] , содержащая рабочее колесо с ведущим диском и расположенными на нем лопастями, а также направляющий аппарат с лопатками, диаметр расположения входных кромок которых больше диаметра наружного диска направляющего аппарата, причем на краю верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнено утолщение, в котором сформированы трехгранные несквозные выемки.

Известное устройство при его использовании в многоступенчатых центробежных насосах обеспечивает повышение напора при малых подачах и повышение стабильности характеристик при работе с содержащими газ жидкостными смесями.

Недостатком такого выполнения ступени погружного центробежного многоступенчатого насоса является то, что выступающий участок ведущего диска рабочего колеса увеличивает толщину рабочего колеса и усложняет технологию изготовления. Кроме того, утолщение диска рабочего колеса по наружному диаметру приводит к увеличению его момента инерции, появлению неуравновешенных масс и повышению связанных с этим вибрационных нагрузок, износу втулки и опорных шайб рабочего колеса. Кроме того, в известном устройстве при работе насоса в жидкости, находящейся в трехгранных выемках, формируются вихревые зоны, в результате чего снижается КПД и дестабилизируется тороидальный вихрь, формирующийся между выходами каналов рабочего колеса и входами каналов направляющего аппарата. Последний недостаток известного технического решения является весьма существенным, так как формируемый внутри ступени тороидальный вихрь способствует стабилизации работы центробежного насоса.

Настоящее изобретение обеспечивает возможность создания ступени погружного центробежного насоса, которая позволяет повысить стабильность рабочих характеристик насоса с одновременным уменьшением габаритов рабочей ступени, снижением массы и упрощением технологии изготовления. При этом в изобретении обеспечивается сохранение прочности рабочего колеса ступени и в связи с отсутствием значительных неуравновешенных масс уменьшается момент инерции и снижается вибрация рабочего колеса в процессе работы.

Указанный выше технический результат достигается за счет того, что в ступени погружного центробежного насоса, содержащей рабочее колесо и направляющий аппарат с лопатками, диаметр расположения входных кромок которых больше диаметра наружного диска направляющего аппарата, согласно изобретению на внешнем краю верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены двухгранные несквозные выемки, причем два ребра каждой из выемок расположены на верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса, а третье ребро каждой из выемок расположено на расстоянии от верхней поверхности ведущего диска уменьшающемся от внешнего края ведущего диска к центру ведущего диска.

В одном из вариантов выполнения ступени одна из граней каждой из выемок выполнена параллельной оси вращения рабочего колеса, кроме того, на внешнем краю обращенной к рабочему колесу поверхности наружного диска направляющего аппарата могут быть выполнены дополнительные несквозные выемки. Следует отметить, что при реализации изобретения грани выемок могут быть выполнены как плоской, так и изогнутой формы.

При таком выполнении заявленного устройства по сравнению с наиболее близким техническим решением уменьшаются габариты, масса и момент инерции рабочего колеса и соответственно ступени в целом. Кроме того, уменьшается вибрация рабочего колеса и снижается износ опорных шайб, а также упрощается технология изготовления рабочего колеса, в частности, при использовании методов порошковой металлургии.

Посредством изменения глубины выемок и угла наклона граней в изобретении возможно регулирование величины осевой силы, действующей на ступень, что позволяет снизить износ трущихся элементов ступени. При этом за счет уменьшения осевых нагрузок снижаются механические потери и соответственно повышается КПД.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - две установленные последовательно ступени, выполненные в соответствии с заявленным изобретением;
на фиг. 2 - вид сверху ведущего диска рабочего колеса, выполненного согласно изобретению;
на фиг. 3 - вид сбоку участка ведущего диска рабочего колеса, выполненного согласно изобретению;
на фиг. 4 - вид снизу наружного диска направляющего аппарата, выполненного с дополнительными выемками.

Ступень погружного центробежного насоса (фиг.1) содержит рабочее колесо 1 и направляющий аппарат 2. Рабочее колесо 1 выполнено с ведомым диском 3, ведущим диском 4, лопастями 5, верхней (в рабочем положении насоса) 6 и боковой 7 поверхностями, втулкой 8, предназначенной для сопряжения через шпонку с общим валом насоса (не изображен). В рабочем колесе образованы каналы, ограниченные жестко связанными между собой ведомым диском 3, лопастями 5 и ведущим диском 4. Направляющий аппарат 2 содержит внутренний диск 9, наружный диск 10 и лопатки 11, диаметр расположения входных кромок 12 которых больше диаметра наружного диска 10 направляющего аппарата 2. Выполненные в направляющем аппарате 2 каналы образованы дисками 9, 10 и лопатками 11. Внутренний диск 9 жестко связан с кольцом 13, наружным диском 10 (через лопатки 11) и цапфой 14, сопряженной с втулкой 8 рабочего колеса 1. На диске 3 и 4 закреплены антифрикционные опорные шайбы 15, выполненные, например, из текстолита.

На внешнем краю верхней поверхности 6 ведущего диска 4 выполнены несквозные выемки 16. Каждая выемка 16 ведущего диска 4 рабочего колеса 1 выполнена двухгранной с тремя ребрами, сходящимися в одной точке 17 на верхней поверхности 6 рабочего колеса 1. Два ребра 18 и 19 расположены на верхней поверхности 6 рабочего колеса 1. Третье ребро 20 выемки - наклонное, расположено с уменьшением расстояния от верхней поверхности ведущего диска от внешнего края к центру ведущего диска. Одно из ребер 18 и 19 может быть расположено вдоль радиуса ведущего колеса. Также оба ребра 18 и 19 могут быть расположены под углом к радиусу, проведенному из центра рабочего колеса через точку пересечения ребер. В отдельных случаях одно или оба ребра 18 и 19 могут иметь криволинейную форму. Одна из прямолинейных граней может быть выполнена параллельной продольной оси (оси вращения) рабочего колеса. В случае выполнения одной или двух граней криволинейными одна из граней может быть расположена таким образом, что плоскость, касательная к любой точке грани, будет параллельна продольной оси рабочего колеса.

В дополнение к выемкам, расположенным на ведущем диске рабочего колеса, могут быть выполнены выемки 21 на нижней поверхности 22 наружного диска 10 направляющего аппарата 2 (фиг.4).

При работе насоса пластовая жидкость поступает в каналы рабочего колеса 1, приводимого в движение валом насоса (направление его вращения на фиг.2-3 показано стрелкой), и при прохождении потока жидкости через каналы рабочих колес формируется напор жидкости как за счет центробежных сил, так и за счет действия лопастей рабочего колеса на поток жидкости. Далее жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 2, в которых осуществляется создание дополнительного напора и направление потока на рабочее колесо следующей ступени. После выхода из каналов рабочего колеса 1 пластовая жидкость движется потоком, формируемым кольцом 13 направляющего аппарата 2, к каналам направляющего аппарата. В процессе движения двухгранные выемки 16 вращающегося рабочего колеса 1 формируют тороидальный вихрь между выходом из каналов рабочего колеса 1 и входом в каналы направляющего аппарата 2. За счет формирования тороидального вихря повышается напор ступени на малых расходах перекачиваемой жидкости, а также осуществляется эффективное перемешивание жидкости с газовыми включениями и диспергация газовых пузырей в перекачиваемой жидкости. Кроме того, при работе устройства отсутствуют условия для дестабилизации тороидального вихря, так как предложенная форма выемок обеспечивает близкое к ламинарному течение жидкости вдоль верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса.

Несквозные выемки 21, сформированные на наружном диске 10 направляющего аппарата 2, способствуют повышению интенсивности перемещения жидкости в тороидальном вихре и соответственно диспергации газовых включений в газожидкостной смеси.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1617208, кл. F 04 D 29/08, 1990.

2. Патент РФ 2138691, кл. F 04 D 13/10, 1/06, 31/00, 1999.