МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ НАСОС Российский патент 1997 года по МПК F04D3/00 F04D13/10 

Предлагаемое изобретение относится к насосам для добычи нефти, содержащей воду, свободный газ и механические примеси.

Из патентной литературы известен многоступенчатый насос, содержащий корпус с входным и выходным каналами и размещенными в нем направляющими аппаратами и рабочими колесами, последние из которых закреплены на валу, установленным в радиальных и осевых опорах и имеющем концевую часть со стороны выходного канала в виде конуса, образующего с корпусом диффузор (см. авт.св. СССР N 114577, кл. F 04 D 3/00, 1959).

На работу многоступенчатых насосов в скважинах отрицательно влияет ряд факторов.

1. Наличие больших динамических нагрузок, испытываемых валом насоса в процессе работы, приводит к его изгибу и дополнительным радиальным нагрузкам, что ускоряет износ радиальных опор вала, втулок рабочих колес и поверхностей направляющего аппарата (см. А.А.Богданов. Современные конструкции погружных ЭЦН фирмы Центрилифт, Н.Т.Ж. Нефтепромысловое дело, ВНИИОЭНГ, N 4, 1993, с. 2).

2. Наличие свободного газа в откачиваемой пластовой жидкости резко ухудшает характеристику насоса, снижает его подачу, напор и КПД (см. А.А.Богданов. Современные конструкции погружных ЭЦН фирмы Центрилифт, Н.Т.Ж. Нефтепромысловое дело, ВНИИОЭНГ, N 4, 1993, с. 4). Работа насоса становится неустойчивой за счет траты энергии на сжатие газа.

3. Имеет низкий КПД по сравнению с насосами общего назначения из-за предопределенности геометрических размеров диаметра скважины (см. В.М.Касьянов. Гидромашины и компрессоры, М. Недра, 1961, с. 52).

Предлагаемый многоступенчатый насос имеет следующие отличия.

1. Форма лопасти рабочего колеса выполнена в виде трапеции, боковая сторона которой, обращенная к выходу из рабочего колеса, расположена под острым углом к оси вращения и размещена с зазором в направляющем аппарате, в каждом из которых выполнено обращенное большим основанием к выходу рабочего колеса коническое углубление с размещенными по конической поверхности входными отверстиями винтообразных каналов. Данная конструкция рабочего колеса и направляющего аппарата позволяет снизить осевую нагрузку на вал, так как осевая нагрузка воспринимается лопастями направляющего аппарата и передается цилиндрической обойме, что дает возможность уменьшить габариты насоса, а также позволяет расширить рабочий диапазон подач.

2. Вал выполнен полым, и его полость посредством радиальных каналов сообщена с рабочими каналами ступеней насоса и входным и выходным каналами, осевая опора расположена на концевой части вала со стороны выходного канала и имеет наружную коническую поверхность, образующую вместе с конусом выходной части вала диффузор. Данная конструкция вала позволяет улучшить напорно-расходную характеристику насоса, а также уменьшить износ осевой опоры.

3. Обращенная к входу в рабочее колесо боковая сторона трапеции, образующая профиль лопасти каждого рабочего колеса в продольном сечении, расположена под острым углом к оси вращения и размещена с зазором в направляющем аппарате, в каждом из которых выполнено обращенное большим основанием к входу рабочего колеса коническое углубление, что позволяет обеспечить реверсивность насоса.

Предлагаемая конструкция многоступенчатого насоса показана на чертежах, где на фиг.1 изображен общий вид насоса; на фиг.2 разрез по А-А; на фиг.3 - изометрия формы рабочего колеса; на фиг.4 изометрия формы направляющего аппарата и части вырыва формы винтообразного профиля лопасти; на фиг.5 - изометрия формы рабочего колеса с профилем в виде трапеции с боковыми сторонами, расположенными под острым углом к оси вращения.

Предлагаемый насос (фиг. 1) состоит из корпуса 1, который включает три секции: I верхнюю, соединяющую корпус насоса с колонной 2, II среднюю (цилиндрическая часть) и III нижнюю для соединения корпуса 1 насоса с электродвигателем (на чертеже не показан).

В нижней III секции корпуса 1 расположен входной канал 3, а в верхней I секции соответственно выходной (диффузорный) 4 канал насоса.

В средней II секции корпуса 1 расположены рабочие колеса 5 и направляющие аппараты 6, собранные на валу 7. Вал 7 выполнен полым, и его внутренняя полость 7 сообщена через радиальные каналы 7 и радиальные каналы 8 осевой опоры 8 или через зазоры 15 (фиг.2) с полостью 9 насоса и его входным и выходным каналами. Рабочие колеса 5 посажены на вал 7 с помощью шпонки 10 (фиг. 2), а направляющие аппараты 6 закреплены от проворота в корпусе ниппелем 11.

Форма лопасти в изометрии рабочего колеса 5 и форма направляющего аппарата 6 показаны соответственно на фиг. 3, 4, 5, где 5'' и 6' передние кромки рабочего колеса и направляющего аппарата, 5' и 6'' задние кромки, 5''' радиальные отверстия рабочего колеса.

Необходимый вылет нижнего конца вала 7 регулируется шайбами 12 осевой опоры 8. Верхняя концевая часть вала 7 с осевой опорой 8 выполнена в виде конуса и вместе с корпусом (ниппелем 11) образует диффузорный выходной канал 4. А внутренняя 7' полость вала 7 заканчивается обратным клапаном 13 с пружиной 14. Между трущимися парами "рабочее колесо направляющий аппарат" имеется зазор 15 (фиг.2).

Насос работает следующим образом.

Многоступенчатый насос (фиг.1) с электродвигателем (на рис. не показан) на насосно-компрессорных трубах спускается в скважину на определенную глубину. Откачиваемая пластовая жидкость поступает в полость 9 насоса по входному 2 каналу, ударяясь о переднюю 5'' кромку рабочего колеса (фиг.3), расслаивается концентрично на плотности, отбрасывается от задней 5' кромки рабочего колеса к передней 6' кромке направляющего аппарата 6 (фиг.4), где в винтообразном канале направляющего аппарата 6 вращающийся поток жидкости преобразуется в осевой вращательный поток. Так цикл повторяется по количеству ступеней насоса. Затем поток проходит по выходному 4 каналу, в котором создается эффект вихревого эжекторного насоса и происходит всасывание из полости 9 газа и легких фракций нефти. Отсасывание происходит через зазоры 15 (фиг. 2) и далее, через радиальные каналы рабочего колеса 5 и радиальные каналы 7'' во внутреннюю полость 7' вала 7. Затем отсасываемая жидкость выбрасывается через радиальный канал 8 и обратный клапан 13. При недостаточности потока в накале 4 для создания сильного вихревого эжекторного эффекта срабатывает под давлением пружины 14 клапан 13, который перекрывает поток. В этом случае отсос и жидкости и смазка опор производится по каналу 8 по центробежной силе.

Для обеспечения реверсивности насоса используется рабочее колесо 5, выполненное по п.3 формулы и показанное на фиг.5. В этом случае передняя 5'' и задняя 5' кромки лопасти рабочего колеса 5 срезаны под углом и, соответственно, направляющий аппарат на входе и выходе выполнен с коническим углублением.

Предлагаемая конструкция рабочих колес и направляющих аппаратов проста и технологична в изготовлении, что позволит снизить себестоимость насоса.

Использование: в насосах для добычи нефти. Сущность изобретения: рабочее колесо в продольном сечении имеет форму трапеции, боковая сторона которой, обращенная к выходу, расположена под острым углом к оси вращения и входит с зазором в направляющий аппарат, имеющий коническое углубление с размещенными по его конической поверхности входными отверстиями винтообразных каналов. Вал выполнен полым, и его полость через радиальные каналы сообщена с рабочими каналами ступеней насоса и входными и выходным каналами. Концевая часть вала с осевой опорой выполнена с наружной конической поверхностью и вместе с корпусом на выходе из насоса образует диффузор. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Многоступенчатый насос, содержащий корпус с входным и выходным каналами и размещенными в нем направляющими аппаратами и рабочими колесами, последние из которых закреплены на валу, установленном в радиальных и осевых опорах и имеющем концевую часть со стороны выходного канала в виде конуса, образующего с корпусом диффузор, отличающийся тем, что в продольном сечении лопасть каждого рабочего колеса имеет форму трапеции, боковая сторона которой, обращенная к выходу из колеса, расположена под острым углом к оси вращения колеса и размещена с зазором в направляющем аппарате, в каждом из которых выполнено обращенное большим основанием к выходу рабочего колеса коническое углубление с размещенными по конической поверхности входными отверстиями винтообразных каналов, при этом вал выполнен полым, и его полость посредством радиальных каналов сообщена с рабочими каналами ступеней насоса и входным и выходным каналами, а осевая опора расположена на концевой части вала со стороны выходного канала и имеет наружную коническую поверхность, образующую с корпусом вместе с конусом выходной части вала диффузор. 2. Насос по п.1, отличающийся тем, что обращенная к входу в рабочее колесо боковая сторона трапеции, образующей профиль лопасти каждого рабочего колеса в продольном сечении, расположена перпендикулярно оси вращения. 3. Насос по п.1, отличающийся тем, что обращенная к входу в рабочее колесо боковая сторона трапеции, образующей профиль лопасти каждого рабочего колеса в продольном сечении, расположена под острым углом к оси вращения и размещена с зазором в направляющем аппарате, в каждом из которых выполнено обращенное большим основанием к входу рабочего колеса коническое углубление. 4. Насос по пп. 1 3, отличающийся тем, что в концевой части вала со стороны выходного канала выполнен осевой канал, сообщенный с полостью вала, в котором установлен обратный клапан.