Результат интеллектуальной деятельности: СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО НАСОСА

Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к многоступенчатым погружным насосам для откачки пластовой жидкости из скважин.

Известна конструкция центробежно-вихревой ступени к погружным многоступенчатым насосам, состоящая из центробежного рабочего колеса с вихревым венцом на внешней поверхности ведущего диска и направляющего аппарата (патент РФ №2138691 C1, F 04 D 13/10, 1/06, 31/00; 27.09.1999).

При этом рабочее колесо с указанными ступенями выполняется “плавающим” - имеет нижнюю и верхнюю упорные шайбы и может смещаться в осевом направлении до соприкосновения с соответствующим упором на направляющих аппаратах, смежных с этим рабочим колесом.

Недостатком такой конструкции ступени является всплытие рабочего колеса по достижении определенной подачи, при которой давление жидкости на ведомый (нижний) диск рабочего колеса оказывается больше, чем на ведущий (верхний). Осевой стык между нижней (передней) упорной шайбой рабочего колеса и упором направляющего аппарата при этом раскрывается и рабочее колесо смещается вверх до соприкосновения верхней шайбы рабочего колеса с упорным буртиком смежного направляющего аппарата. Через раскрывшийся стык возникают перетечки жидкости с выхода колеса на его вход, в результате чего снижается напор и падает КПД. На рабочей характеристике это явление отражается, прежде всего, в виде гистерезиса напорной или энергетический кривой.

Известна ступень погружного многоступенчатого насоса с рабочим колесом закрытого типа, на ведущем диске которого расположены импеллеры в виде прямых лопаток, а на внешней стороне ведомого диска - эвольвентные лопатки (патент РФ №21644626 C1, F 04 D 29/22; 27.03.2001).

Недостаток указанной конструкции заключается в следующем. Эвольвентные лопатки на ведомом диске рабочего колеса, как и сам диск, раскручивают жидкость в окружном направлении в полости (пазухе) между этим диском и стенкой направляющего аппарата до скорости, превышающей окружную составляющую абсолютной скорости на выходе из каналов колеса. Последняя, благодаря смещению этих потоков, увеличивается, а вместе с ней растет и напор рабочего колеса. Однако передача энергии от потока с большей окружной скоростью в упомянутой полости основному потоку из каналов рабочего колеса происходит с большими гидравлическими потерями. Большие потери на вихреобразование обусловлены коротким участком смещения, равным толщине ведомого диска, и, следовательно, резким торможением потока из полости между ведомым диском и стенкой направляющего аппарата. В результате снижается эффект от использования лопаток на ведомом диске и от насосного действия дисков.

Кроме того, жидкость, вращающаяся в полости между ведущим диском рабочего колеса и крышкой направляющего аппарата, также резко тормозится на коротком участке при входе на лопатки направляющего аппарата, в результате чего возрастают потери на вихреобразование.

Настоящее изобретение позволяет предотвратить всплытие рабочего колеса в ступенях нефтяных скважинных насосов при одновременном повышении напора и, по крайней мере, сохранении КПД на прежнем уровне.

Указанный технический результат достигается тем, что в ступени погружного многоступенчатого насоса, имеющей закрытое рабочее колесо с ведущим диском, лопастями и ведомым диском, на внешней поверхности которого размещены наклонные лопатки, и направляющий аппарат, согласно изобретению, на ведомом диске наклонные лопатки в своей периферийной части выполнены с закруглением по радиусу, обращенным в сторону вращения рабочего колеса, а на крышке направляющего аппарата размещены радиальные ребра, и периферийная часть этих ребер выполнена с закруглением по радиусу, обращенным в сторону, противоположную вращению рабочего колеса.

При этом высота наклонных лопаток на ведомом диске рабочего колеса и высота радиальных ребер на крышке направляющего аппарата составляют 0,3-0,4, а радиус закругления периферийной части наклонных лопаток и радиальных ребер 2,0-2,5 от ширины канала рабочего колеса на выходе.

На фиг.1 представлена ступень погружного многоступенчатого насоса в разрезе, на фиг.2 - ведомый диск с наклонными лопатками на внешней стороне, на фиг.3 - крышка направляющего аппарата с радиальными ребрами.

Рабочее колесо 1 ступени имеет ведущий диск 2, ведомый диск 3 и размещенные на нем наклонные лопатки 4, периферийная часть которых выполнена с закруглением по радиусу R, обращенным в сторону вращения колеса 1 (фиг.1, фиг.2). Направляющий аппарат 5 состоит из корпуса 6, крышки 7 и профилированных лопаток 8. На крышке 7 выполнены радиальные ребра 9, периферийная часть которых имеет закругление по радиусу R, обращенное в сторону, противоположную вращению колеса 1 (фиг.1, фиг.3).

Высота h_л наклонных лопаток 4 на ведомом диске 3 колеса 1 и высота h_p радиальных ребер 9 на крышке 7 направляющего аппарата 5 составляют 0,3-0,4 от ширины b₂ рабочего колеса 1 на выходе, а радиус закругления R лопаток 4 и ребер 9 - 2,0-2,5 от ширины b₂ (фиг.1). Наклонные лопатки 4 и радиальные ребра 9 по ширине “a” могут быть выполнены как соизмеримыми с радиусом R, так и более узкими, но с обязательным изгибом по радиусу R (пунктир на фиг.2 и фиг.3).

Ступень работает следующим образом. При вращении рабочего колеса 1, благодаря наличию наклонных лопаток 4 на ведомом диске 3, жидкость в нижней пазухе между этим диском и корпусом 6 направляющего аппарата 5 вращается с большей угловой скоростью, чем при отсутствии таких лопаток. Соответственно понижается давление со стороны жидкости в пазухе на ведомый диск 3. Давление жидкости в верхней пазухе между крышкой 7 направляющего аппарата 5 и ведущим диском 2 рабочего колеса 1 при этом будет выше, чем в нижней, и рабочее колесо 1 оказывается прижатым своей нижней упорной шайбой к упору направляющего аппарата 5. Таким образом предотвращается всплытие. Этому способствует и наличие радиальных ребер 9 на крышке 7 направляющего аппарата 5, которые уменьшают вращение жидкости в верхней пазухе, благодаря чему давление в ней повышается и обеспечивается дополнительное прижатие рабочего колеса к упору направляющего аппарата 5. Наклонные лопатки 4 на ведомом диске 3 рабочего колеса 1 одновременно способствуют дополнительному отбору мощности от колеса 1 и передаче этой мощности потоку, в результате чего повышается напор. Известно, что передача энергии от рабочего колеса 1 жидкости происходит не только через лопастной процесс, но и через насосное действие дисков. Энергия, отдаваемая через трение внешними поверхностями дисков колеса жидкости, частично, с той или иной эффективностью, может передаваться основному потоку, выходящему из рабочего колеса, увеличивая полезную мощность ступени.

Наличие округлений на периферийной части наклонных лопаток 4 снижает вихреобразование при смешивании потока из каналов рабочего колеса 1 и потока из нижней части со стороны ведомого диска 3, так как это смешение, благодаря радиусу, происходит более плавно.

Радиальные ребра 9 на крышке 7 направляющего аппарата 5, выполненные с закруглениями в периферийной части, обращенными в сторону, противоположную вращению рабочего колеса 1, не только уменьшают вращение жидкости в верхней пазухе между ведущим диском 2 колеса 1 и крышкой 7 направляющего аппарата 5, но и способствуют, благодаря радиусу R, введению с наименьшими гидравлическими потерями в основной поток, поступающий на вход лопаток 8 направляющего аппарата 5 из каналов рабочего колеса 1, дополнительной энергии от потока из верхней пазухи, инициированного дисковым трением ведущего диска 2 и сбегающего с его поверхности.

Снижение гидравлических потерь и, соответственно, увеличение напора при наличии закруглений на наклонных лопатках 4 и радиальных ребрах 9 подтверждено экспериментально. Установлено, что радиальные ребра 9 на крышке 7 направляющего аппарата 5 обеспечивают больший эффект, чем наклонные с таким же закруглением. Эффективность заявленных соотношений высоты h_л наклонных лопаток, высоты h_p ребер, радиусов закругления на них и ширины b₂ канала рабочего колеса 1 на выходе также подтверждено опытом.

В результате всего обеспечивается предотвращение всплытия рабочего колеса в широком диапазоне подач и повышение напора при сохранении уровня КПД.

На фиг.4 показаны зависимости напора и КПД от подачи для центробежно-вихревой ступени (кривая 1) и для такой же ступени погружного многоступенчатого насоса (кривая 2), но с наклонными лопатками на ведомом диске рабочего колеса и радиальными ребрами на крышке направляющего аппарата, выполненными в соответствии с изобретением. Видно, что в конструкции ступени по изобретению гистерезис напорной кривой отсутствует, обеспечивается повышение напора, особенно на больших подачах, при сохранении уровня КПД.