МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС Российский патент 2000 года по МПК F04D1/06 

Изобретение относится к области насосостроения, преимущественно к многоступенчатым центробежным скважинным насосам, предназначенным для добычи нефти, нефтегазовой смеси или воды.

Известны многоступенчатые центробежные скважинные насосы, состоящие из последовательно набранных по валу рабочих ступеней, направляющие аппараты которых выполнены в виде цилиндрической обоймы с кольцевыми обратными переводными каналами, рабочие колеса насажены на вал, при этом проточная полость рабочего колеса соединяется с проточной полостью обратных каналов направляющего аппарата кольцевыми соединительными каналами.

Внутренняя часть цилиндрических каналов образована выходными элементами рабочего колеса и лопаточным диском направляющего аппарата, а наружная поверхность образуется внутренней поверхностью обоймы (А.А. Богданов "Погружные центробежные насосы". Баку. Гостоптехиздат, 1957 г., рис. 5.7, стр. 73).

Реализованы данные конструкции, в частности, на Альметьевском насосном заводе по ТУ 26-06-1485-96 и по ТУ 3631-025-219454-97, каталог "АЛНАС", 1998 г.

Известна также конструкция погружного центробежного насоса со скошенными лопастями по наружному диаметру рабочего колеса под углом 5-15^o к оси вращения, (Свидетельство на полезную модель N 7154. ПМПО N 7, 98 г.)
У представленных конструкций насосов ограничена возможность повышения напора, КПД, долговечной работы, обеспечения стабильной, устойчивой характеристики во всем диапазоне подач, т.к. имеют место значительные гидравлические потери на вихреобразование в кольцевом цилиндрическом канале, образуемом выходными элементами рабочего колеса и направляющего аппарата и соединяющем выход потока из колеса со входом его в обратные каналы направляющего аппарата, при этом не обеспечивается оптимальное преобразование кинетической (скоростной) энергии потока в потенциальную энергию давления. Это особенно важно для малодебитных скважинных насосов добычи нефти типа "ЭЦНМ5-20", "ЭЦНМ5-30", "ЭЦНМ5-50", у которых заниженное значение КПД, напора и ухудшена форма напорной характеристики Q-Н, ее стабильность и устойчивость, например у ЭЦНМ5-50.

Соответственно отсутствие преобразователя энергии между колесом и направляющим аппаратом усугубляет тепловой режим работы всего агрегата (насос-двигатель), увеличивает составляющую гидродинамических вибраций и механический износ составляющих элементов соединительного кольцевого канала, что значительно снижает надежность и долговечность работы как насоса, так и установки в целом.

Кроме того, у названных насосов значительные потери мощности потока на механическое трение по дискам рабочих колес, особенно значительные потери на периферийных поверхностях дисков узкоканальных рабочих колес, например, В₂= 3-5 мм.

В рассматриваемых конструкциях также отсутствуют элементы, обеспечивающие раскрутку рабочего потока между колесом и направляющим аппаратом, например направляющие лопатки.

Предлагаемое техническое решение направлено на повышение КПД, увеличение напорности, улучшение формы напорной характеристики Q-H и в целом повышение надежности и долговечности работы насоса путем уменьшения гидравлических потерь.

Это достигается тем, что в многоступенчатом центробежном насосе, содержащем последовательно набранные по валу и установленные в цилиндрическом корпусе рабочие ступени, направляющие аппараты которых выполнены в виде цилиндрической обоймы с кольцевыми обратными переводными каналами, рабочие колеса насажены на вал, а выходная проточная полость рабочего колеса соединяется с проточной полостью обратных каналов направляющего аппарата кольцевыми соединительными каналами, внутренняя проточная часть которых образована выходными элементами рабочего колеса (проточным каналом с лопастями, покрывными дисками, задней пазухой) и лопаточным диском направляющего аппарата, а наружная поверхность образована внутренней поверхностью обоймы, согласно изобретению элементы, образующие соединительный проточный канал между колесом и аппаратом, выполнены в виде кольцевого осесимметричного диффузора, плоский угол сечения которого составляет 2 - 10^o.

Периферийная часть ведущего диска рабочего колеса замещена периферийной поверхностью лопаточного диска направляющего аппарата, образуя щелевое уплотнение по торцу лопастей колеса и с радиальной поверхностью ведущего диска, формирует при этом внутреннюю проточную поверхность осевого диффузора.

В кольцевом соединительном канале установлены направляющие лопатки, обеспечивающие прием и раскрутку рабочего потока, которые могут быть выполнены "заодно" с обратными лопатками или устанавливаются самостоятельно.

На чертеже показан общий вид многоступенчатого центробежного насоса, например, в виде двух ступеней, установленных в цилиндрическом корпусе насоса с "плавающими" по валу рабочими колесами.

Многоступенчатый насос состоит из последовательно набранных по валу 1 ступеней, установленных в корпусе 2 и состоящих из направляющих аппаратов 3, основные элементы которых: цилиндрическая обойма 4, обратные кольцевые каналы 5 с выполненными в них обратными лопатками 6 и покрывной лопаточный диск 7. Рабочие колеса 8, например, снабжены индивидуальными опорами 9 и 10, установленными в покрывных дисках (ведущем 11, ведомом 12), насажены на вал 1 и могут свободно перемещаться вдоль него, образуя индивидуальные пары упорных подшипников с ответными неподвижными опорами в направляющих аппаратах 3.

Периферийная часть ведущего диска 11 рабочего колеса 8 замещена ответной периферийной поверхностью лопаточного диска 7 направляющего аппарата 3, заполняя при этом периферийную часть задней пазухи 14 колеса 8, и образует щелевое уплотнение 15 с открытыми торцами лопастей колеса и тоже образует щелевое уплотнение 16 с ответной радиальной поверхностью уменьшенного ведущего диска 11.

Кольцевая проточная полость 17, соединяющая выход потока из колеса 8 со входом его в обратный кольцевой канал 5 аппарата 3, выполнена в виде кольцевого осесимметричного диффузора. Его внутренняя поверхность 18 образована выходными элементами рабочего колеса 8 (наружным диаметром проточного канала с лопастями, цилиндрической поверхностью ведомого диска 12), периферийной поверхностью лопаточного диска 7 направляющего аппарата 3 и щелевым уплотнением 15. Наружная поверхность 19 осевого диффузора 17 образована внутренней поверхностью обоймы 4 аппарата 3. При этом плоский угол сечения кольцевого осесимметричного диффузора 17 составляет j=2-10^o.

Направляющие лопатки 20, установленные в кольцевом осесиметричном диффузоре 17, могут быть выполнены "заодно" с обратными лопатками 6 направляющего аппарата, как показано на первой ступени, или установлены самостоятельно, как показано на второй ступени.

Во время работы насоса рабочий поток, создаваемый рабочим колесом 8 и нагнетаемый по проточному лопастному каналу, работает в периферийной его части как открытое рабочее колесо, а щелевые уплотнения 15 и 16, образованные с ответными поверхностями лопаточного диска 6 направляющего аппарата 3, обеспечивают минимальные утечки в уменьшенную заднюю пазуху 14 рабочего колеса. 8. При движении потока в периферийной части колеса в удаленной зоне части ведущего диска 11 значительно уменьшаются дисковые потери мощности рабочего колеса. Также уменьшаются потери мощности и на механическое трение в передней индивидуальной пяте 9 в связи с уменьшением осевой силы.

При движении потока в периферийной открытой части колеса и подходе его к осевому диффузору 17 он притормаживается относительно ответной торцовой поверхности лопаточного диска 6 аппарата, тем самым способствует безвихревому повороту потока и входу его в осевой диффузор 17.

В кольцевом осесимметричном диффузоре 17, образуемом выходными элементами рабочего колеса 8 и направляющего аппарата 3, происходит преобразование кинетической энергии, составляющей до 25%, в потенциальную энергию давления рабочего потока с минимальными потерями. Эффективность осевого диффузора, между колесом и аппаратом, плоский угол которого составляет 2 - 10^o, подтверждается стендовыми испытаниями, проведенными в АЛНАС с рядом экспериментальных ступеней насосов "ЭЦНМ" малых быстроходностей.

Направляющие лопатки 20, установленные в осевом диффузоре 17, обеспечивают раскрутку рабочего потока, нагнетаемого рабочим колесом 8, поддерживают его осесимметричность при преобразовании энергии.

Изобретение относится к области насосостроения, преимущественно к многоступенчатым центробежным скважинным насосам. Многоступенчатый центробежный насос содержит последовательно набранные по валу рабочие ступени. Направляющие аппараты последних выполнены в виде цилиндрической обоймы с кольцевыми обратными переводными каналами, а рабочие колеса насажены на вал. При этом проточная полость каждого рабочего колеса сообщена с проточной полостью обратных каналов направляющего аппарата соединительным кольцевым каналом. Внутренняя проточная часть канала образована выходными элементами рабочего колеса и лопаточным диском направляющего аппарата, а наружная поверхность - внутренней поверхностью обоймы. Соединительный канал между колесом и направляющим аппаратом выполнен в виде кольцевого осесимметричного диффузора, плоский угол сечения которого составляет 2-10°. Использование изобретения позволяет повысить КПД, увеличить напорность, улучшить напорную характеристику и в целом повысить надежность и долговечность работы насоса путем уменьшения гидравлических потерь. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Многоступенчатый центробежный насос, содержащий последовательно набранные по валу рабочие ступени, направляющие аппараты которых выполнены в виде цилиндрической обоймы с кольцевыми обратными переводными каналами, а рабочие колеса насажены на вал, при этом проточная полость каждого рабочего колеса сообщена с проточной полостью обратных каналов направляющего аппарата соединительным кольцевым каналом, внутренняя проточная часть которого образована выходными элементами рабочего колеса и лопаточным диском направляющего аппарата, а наружная поверхность - внутренней поверхностью обоймы, отличающийся тем, что соединительный канал между рабочим колесом и направляющим аппаратом выполнен в виде кольцевого осесимметричного диффузора. 2. Насос по п.1, отличающийся тем, что плоский угол сечения кольцевого осесимметричного диффузора составляет 2 - 10^o. 3. Насос по п.1, отличающийся тем, что периферийная часть ведущего диска рабочего колеса замещена периферийной поверхностью лопаточного диска направляющего аппарата, образуя щелевое уплотнение по торцу лопастей колеса и с радиальной поверхностью ведущего диска, формируя при этом внутреннюю проточную поверхность осесимметричного диффузора. 4. Насос по п.1, отличающийся тем, что в кольцевом осесимметричном диффузоре установлены направляющие лопатки, обеспечивающие прием и раскрутку рабочего потока, при этом лопатки могут быть выполнены заодно с обратными лопатками или установлены самостоятельно.