ПОГРУЖНОЙ ЭЛЕКТРОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 1998 года по МПК F04D13/08 F04D1/06 

Изобретение относится к гидромашиностроению, а более точно к многоступенчатым модульного типа электронасосным агрегатам для нефтедобывающей промышленности, с помощью которых поднимают нефть или воду из скважин, колодцев, резервуаров и открытых водоемов.

В настоящее время широко используются известные многоступенчатые модульного типа электронасосные агрегаты в нефтедобывающей промышленности, рабочие колеса в модулях которых выполнены закрытыми или открытыми и имеют проточные каналы, расширяющиеся от центра к периферии, что обусловливает возникновение отрывных и вихревых течений, снижающих энергетический КПД насоса, его напор и производительность (Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти (расчет и конструкция). - М.: Недра, 1968, с.272).

Жидкость на выходе колеса каждого модуля ударно тормозится о стенку корпуса, а затем о лопасти направляющего аппарата, размещенного между соседними ступенями, что служит причиной дополнительного снижения скорости. Согласно физике гидродинамических процессов в многоступенчатых насосах жидкость в рабочем колесе приобретает кинетическую энергию пропорционально квадрату скорости жидкости на срезе выхода из колеса. Между двумя ступенями кинетическая энергия жидкости превращается в потенциальную энергию (давление) наиболее эффективно путем "затопления" скоростной струи в объем жидкости между ступенями, где не должно быть твердых тел, тормозящих скоростную струю.

Этот недостаток устранен в известном погружном электронасосном агрегате (патент Франции N 2509804, кл. F 04 D 13/08), в котором направляющие аппараты между ступенями насоса отсутствуют. Данный агрегат содержит погружной электродвигатель и погружной многоступенчатый модульного типа насос, рабочие колеса которого имеют форму усеченного конуса. На боковой поверхности каждого рабочего колеса выполнены открытые винтовые каналы, и рабочая жидкость на входе и выходе рабочего колеса имеет аксиальное направление. В данном агрегате по сравнению с вышеуказанными потеря кинетической энергии рабочей жидкости несколько снижена за счет отсутствия в нем направляющих аппаратов между ступенями насоса.

Однако в данном агрегате в связи с тем, что рабочее колесо имеет форму усеченного конуса, суммарное сечение проточных каналов на входе рабочего колеса меньше, чем на выходе, что служит причиной возникновения отрывных течений. Кроме того, в рабочем колеса жидкость приобретает радиальную составляющую скорости, а полезно используется только осевая составляющая, которая дополнительно снижается за счет винтовой формы каналов. Вследствие этого такое колесо имеет низкие энергетические показатели.

Задача изобретения - создание погружного электронасосного агрегата, обеспечивающего за счет выполнения проточных каналов рабочих колес насоса снижение гидравлических потерь и повышение напора рабочей жидкости.

Поставленная задача решается тем, что в погружном электронасосном агрегате, содержащем погружной электродвигатель и сопряженный с ним погружной многоступенчатый модульного типа насос, в корпусе которого на валу установлены рабочие колеса с проточными каналами для рабочей жидкости, согласно изобретению в каждом рабочем колесе каждого модуля проточные каналы выполнены закрытыми и радиальными и повернуты своими выходными отверстиями в направлении входа следующего модуля, поперечное сечение каждого проточного канала выполнено плавно уменьшающимся от центра рабочего колеса к его периферии.

Благодаря выполнению проточных каналов радиальными увеличивается радиальная составляющая скорости рабочей жидкости, обеспечивающая значительный разгон жидкости в рабочем колеса каждого модуля. Кроме того, предлагаемая конструкция рабочего колеса исключает наличие в нем изгибов, поворотов и других сопротивлений гидравлическому потоку рабочей жидкости. Все это приводит к повышению напора в каждом модуле, что позволяет сократить количество модулей насоса.

За счет того, что проточные каналы рабочего колеса каждого модуля повернуты своими выходными отверстиями в направлении входа следующего модуля, поток рабочей жидкости на выходе рабочего колеса имеет осевое направление, что позволяет обходиться без направляющего аппарата. Исключение направляющего аппарата, сокращение количества модулей существенно упрощают конструкцию агрегата и снижают металлоемкость при высоких энергетических показателях агрегата.

Согласно изобретению наиболее предпочтительным является выполнение проточных каналов в виде ускоряющих гидравлических насадок. Применение конических сходящихся насадок обеспечивает минимальные потери давления, а следовательно, и экономное расходование энергии.

Поперечное сечение каждого проточного канала может иметь круглую, эллиптическую, прямоугольную или многоугольную форму.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
на фиг. 1 изображен погружной электронасосный агрегат, смонтированный в скважине, общий вид; на фиг. 2 - модуль погружного насоса в сборе, который изображен (вид А на фиг.1); на фиг. 3 - рабочее колесо модуля, продольный разрез; на фиг. 4 - то же, поперечный разрез.

Погружной электронасосный агрегат содержит погружной электродвигатель 1 (фиг. 1), в качестве которого используется параметрический погружной электродвигатель, частота вращения вала которого регулируется по амплитуде напряжения при неизменной частоте питающего тока (см. патент США N 5559385, кл. Н 02 К 3/28, авторы: Яловега С.Н., Яловега Н.В., Беланов К.А.). Внутри сетки-фильтра 2 электродвигатель 1 сопряжен с погружным многоступенчатым модульным насосом 3. Электродвигатель 1 питается от трехфазного источника переменного тока (на фиг. не показан) посредством многожильного кабеля 4, который фиксируется с помощью крепежных поясов 5. Кроме того, агрегат содержит обратный и спускной клапаны в одном корпусе 6.

Насос 3 содержит корпус 7 (фиг.2), внутри которого размещены модули 8. Количество модулей в насосе 3 подбирается в зависимости от глубины погружения первого модуля (динамический напор в метрах жидкости). Каждый модуль 8 содержит корпус 9 с крышкой 10, внутри которого установлено рабочее колесо 11, насаженное на вал 12 насоса 3. На фиг.2 показаны шайбы 13 и 14 соответственно опорного и упорного подшипников модуля 8. Ступица 15 (фиг.3) рабочего колеса сопрягается с валом 12 известным способом, например с помощью шпонки и скользящей посадки.

В рабочем колесе 11 выполнены закрытые радиальные проточные каналы 16 для рабочей жидкости, например, в виде ускоряющих гидравлических насадок. Выходные отверстия 17 каналов 16 рабочего колеса 11 каждого модуля 8 повернуты в направлении входа следующего модуля 8, поэтому как на входе рабочего колеса 11, так и на его выходе поток рабочей жидкости имеет осевое направление. На фиг. 3 стрелкой Б показано направление движения рабочей жидкости.

Проточные каналы 16 (фиг.4) выполнены плавно уменьшающимися от центра рабочего колеса 11 к его периферии и могут иметь в поперечном сечении круглую, эллиптическую, прямоугольную или многоугольную форму. Количество каналов 16 выбирается в зависимости от параметров насоса 3.

Предлагаемый погружной электронасосный агрегат работает следующим образом.

Параметрический электродвигатель 1 плавно запускает насос 3, чтобы не взмучивать жидкость, которая поступает через сетку-фильтр 2 на первую ступень модуля насоса 3. В рабочем колесе 11 (фиг.3) жидкость приобретает максимально высокую скорость на выходе среза, повернутого в направлении входа следующего модуля 8 в его крышке 10, что достигается за счет выполнения проточных каналов 16 в виде ускоряющих гидравлических насадок, в которых поперечное сечение плавно уменьшается от центра периферии. Применение конических сходящихся насадок обеспечивает минимальные потери давления, а следовательно, и экономичное расходование энергии. (Башма Т.М. Машиностроительная гидравлика. - М. : Машиностроение, 1971, с.672). В пространстве между выходным отверстием 17 рабочего колеса 11 каждого модуля 8 и входом следующего за ним модуля 8 кинематическая энергия жидкости преобразуется в потенциальную путем затопления скоростной струи в объеме жидкости. Объем жидкости между модулями выбирают методом оптимизации допустимых потерь, массы и габаритов модуля.

Ускорение жидкости в гидравлических скоростных каналах 16 (фиг.3) позволяет получить максимум кинетической энергии для жидкости, а проточная часть колеса выполнена так, что гидравлическое сопротивление в ней минимально.

Модули 8 в предлагаемом электронасосном агрегате обладают высокой технологичностью процессов изготовления и сборки их элементов.

По сравнению с известными агрегатами предлагаемый погружной электронасосный агрегат обладает более высоким КПД (в 3,5 раза больше) и малой металлоемкостью (в 2,5 раза меньше), потому что напор в модулях насоса в 4 раза больше, чем в известных.

Производительность насоса 3 регулируется с помощью частоты вращения вала параметрического электродвигателя 1, напряжение на зажимах которого изменяется при неизменной частоте тока системой управления, располагаемой на поверхности Земли (на фиг. не показано), поэтому отпадает необходимость замены электродвигателя в тех случаях, когда требуется снизить или повысить дебит скважины.

Изобретение может быть использовано для подъема нефти или воды из скважин, колодцев, резервуаров и водоемов. Погружной электронасосный агрегат содержит параметрический погружной электродвигатель и многоступенчатый модульного типа погружной насос. На валу насоса установлены рабочие колеса, имеющие закрытые проточные каналы и расположенные радиально. Поперечное сечение этих каналов выполнено плавно уменьшающимся от центра к периферии. Каналы выходными отверстиями повернуты в направлении входа рабочего колеса следующего модуля насоса. Использование изобретения позволит снизить гидравлические потери и повысить напор в насосе, не имеющем направляющего аппарата. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Погружной электронасосный агрегат, содержащий погружной электродвигатель и сопряженный с ним погружной многоступенчатый модульного типа насос, в корпусе которого на валу установлены рабочие колеса с проточными каналами для рабочей жидкости, отличающийся тем, что в каждом рабочем колесе каждого модуля проточные каналы выполнены закрытыми и радиальными и повернуты своими выходными отверстиями в направлении входа следующего модуля, причем поперечное сечение каждого проточного канала выполнено плавно уменьшающимся от центра рабочего колеса к его периферии. 2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что каждый проточный канал выполнен в виде ускоряющего гидравлического насадка. 3. Агрегат по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что поперечное сечение каждого проточного канала имеет круглую или эллиптическую форму. 4. Агрегат по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что поперечное сечение имеет прямоугольную или многоугольную форму.