МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС Российский патент 2001 года по МПК F04D1/06 F04D13/10 

Изобретение относится к гидромашиностроению, преимущественно к конструкции ступени погружного центробежного насоса, и может быть использовано при добыче из скважин нефти, воды и других жидких сред.

Известен многоступенчатый центробежный насос, содержащий корпус, вал, на котором установлены центробежные колеса, на каждом из которых располагается радиальный направляющий аппарат, установленный в корпусе насоса (1).

В этом техническом решении в проточной части направляющих аппаратов установлены пластины такие, что в образующихся между ними каналах углы наклона стенок к соответствующим окружностям увеличиваются от входа к выходу, причем площадь, занимаемая пластинами на входном радиусе направляющего аппарата, по крайней мере, в несколько раз превышает площадь каналов между ними.

Конструкция предназначена для работы при большом напоре и малом расходе жидкости. В этом режиме удается повысить надежность работы многоступенчатого центробежного насоса и повысить его КПД, т.е. ограниченной зоне. Однако при функционировании в других режимах не удается улучшить технико-эксплуатационные характеристики, поскольку определяющими факторами для работы насоса в широкой области устойчивой характеристики во всем диапазоне подач являются, кроме параметров направляющего аппарата, особенности конструктивного выполнения рабочего колеса, а также параметры проточных каналов между рабочим колесом и направляющим аппаратом.

Известны также различные конструкции рабочих колес для центробежных насосов, содержащие ведущий диск, ведомый покрывной диск и лопасти, которые закреплены между ведущим диском и ведомым покрывным диском (2), (3), (4).

В этих конструкциях решается задача оптимизации формы лопастей и их углов входа и выхода для повышения напора и КПД. Однако для обеспечения стабильной, устойчивой напорной характеристики Q-H, кроме оптимизации формы лопастей, необходимо обеспечить оптимальное преобразование кинематической (скоростной) энергии потока в потенциальную энергию давления. Это особенно важно для малодебитных скважинных насосов добычи нефти, у которых заниженное значение КПД, напора и ухудшенная нестабильная форма напорной характеристики. Только заданием формы лопастей рабочего колеса эту проблему решить не удается, так как необходимо также обеспечить оптимальную раскрутку рабочего потока, что может быть достигнуто только вполне определенной для конкретного рабочего колеса конструкцией направляющего аппарата, с установленными в нем лопатками, а также вполне определенным выбором проходных сечений для жидкостных потоков. Проходные сечения определяются соотношением количества лопастей и лопаток, выбором характеристических размеров рабочего колеса и направляющего аппарата.

Наиболее близким является многоступенчатый центробежный насос, содержащий ступень, выполненную из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего диска, ведомого покрывного диска и лопастей, которые закреплены между передней поверхностью ведущего диска и ведомым покрывным диском, и из направляющего аппарата, выполненного в виде лопаточного покрывного диска, цилиндрической обоймы и лопаток, причем лопаточный покрывной диск направляющего аппарата установлен со стороны задней поверхности ведущего диска рабочего колеса, цилиндрическая обойма направляющего аппарата выполнена с кольцеобразной стенкой, расположенной поперечно, внутри цилиндрической обоймы установлены рабочее колесо и лопаточный покрывной диск, а лопатки закреплены в направляющем аппарате между кольцеобразной стенкой цилиндрической обоймы и лопаточным покрывным диском (5).

В этом устройстве ведомый покрывной диск выполнен удлиненным и расположен с минимальным зазором относительно внутренней стенки цилиндрической обоймы, а отношение ширины лопастей на выходе из рабочего колеса к расстоянию от их выходных кромок до внутренней стенки цилиндрической обоймы равно 0,8 - 1,2. Это позволяет повысить КПД ступени за счет снижения гидравлических потерь, однако незначительной, но не позволяет устранить отмеченные выше недостатки других насосов такие, как нестабильность напорной характеристики, расширение диапазона подач, повышение КПД и напора во всем рабочем диапазоне.

Решаемая изобретением задача - повышение технико-эксплуатационных качеств.

Технический результат, который получен при выполнении устройства, - увеличение КПД и напорности, расширение рабочей зоны и улучшение формы напорной характеристики Q - Н.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном многоступенчатом центробежном насосе, содержащем ступень, выполненную из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего диска, ведомого покрывного диска и лопастей, которые закреплены между передней поверхностью ведущего диска и ведомым покрывным диском, и из направляющего аппарата, выполненного в виде лопаточного покрывного диска, цилиндрической обоймы и лопаток, причем лопаточный покрывной диск направляющего аппарата установлен со стороны задней поверхности ведущего диска рабочего колеса, цилиндрическая обойма направляющего аппарата выполнена с кольцеобразной стенкой, расположенной поперечно, внутри цилиндрической обоймы установлены рабочее колесо и лопаточный покрывной диск, а лопатки закреплены в направляющем аппарате между кольцеобразной стенкой цилиндрической обоймы и лопаточным покрывным диском, согласно изобретению отношение количества лопастей к количеству лопаток выбрано равным 1,75, отношение ширины лопастей к ширине лопаток выбрано в диапазоне от 0,75 до 0,95, отношение диаметра рабочего колеса и/или диаметра лопаточного покрывного диска к внутреннему диаметру цилиндрической обоймы над ними выбрано в диапазоне от 0,92 до 0,97, каждая из лопастей рабочего колеса выполнена с углом охвата от 98^o до 104^o и с переменным радиусом, плавно увеличивающимся от входа рабочего колеса, расположенном ближе к центру ведущего диска, к выходу рабочего колеса, расположенного ближе к периферии ведущего диска, причем переменный радиус лопасти выбран в диапазоне, в котором отношение минимального среднего радиуса лопасти и максимального среднего радиуса лопасти к диаметру ведущего диска - в диапазоне от 0,27 до 0,81, а отношение толщины лопасти к диаметру ведущего диска - от 0,027 до 0,06, каждая из лопаток направляющего аппарата выполнена с углом охвата от 130^o до 134^o и с переменным радиусом, увеличивающимся от выхода направляющего аппарата, расположенного ближе к центру лопаточного покрывного диска, к входу направляющего аппарата, расположенного ближе к периферии лопаточного покрывного диска, причем переменный радиус лопатки выбран в диапазоне, в котором отношение минимального среднего радиуса лопатки и максимального среднего радиуса лопатки к диаметру лопаточного покрывного диска - в диапазоне от 0,08 до 0,43, а отношение толщины лопатки к диаметру лопаточного покрывного диска - от 0,01 до 0,29, при этом толщина лопатки выполнена плавно увеличивающейся от входа направляющего аппарата к его выходу.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- угол входа лопасти был выбран в интервале от 15^o до 30^o, а ее угол выхода - от 28^o до 35^o;
- угол входа лопатки был выбран в интервале от 6^o до 12^o, а ее угол выхода - от 85^o до 95^o;
- поверхность ведомого покрывного диска, обращенная к ведущему диску рабочего колеса, была скошена под углом от 2^o до 4^o от входа рабочего колеса к его выходу.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения с ссылками на прилагаемые фигуры.

Фиг. 1 изображает две последовательные ступени многоступенчатого центробежного насоса;
фиг. 2 - одну ступень, увеличено на фиг. 1;
фиг. 3 - рабочее колесо;
фиг. 4 - направляющий аппарат;
фиг. 5 - напорные характеристики Q-H для заявленного устройства и известных;
фиг. 6 - зависимость КПД % для заявленного устройства и известных.

Многоступенчатый "центробежный насос (фиг. 1, 2) содержит, по меньшей мере, две ступени 1. Ступени 1 расположены вдоль вала 2 последовательно (фиг. 1). Ступень 1 (фиг. 1, 2) выполнена из рабочего колеса 3 и направляющего аппарата 4. Рабочее колесо 3 установлено на валу 2 и выполнено в виде ведущего диска 5, ведомого покрывного диска 6 и лопастей 7. Лопасти 7 закреплены между ведущим диском 5 и ведомым покрывным диском 6 на передней поверхности 8 ведущего диска 5, обращенной к ведомому покрывному диску 6. Направляющий аппарат 4 выполнен в виде лопаточного покрывного диска 9, цилиндрической обоймы 10 и лопаток 11. Лопаточный покрывной диск 9 установлен со стороны задней поверхности 12 ведущего диска 5 рабочего колеса 3. Цилиндрическая обойма 10 выполнена с кольцеобразной стенкой 13, расположенной поперечно. Внутри цилиндрической обоймы 10 установлены рабочее колесо 3 и лопаточный покрывной диск 9. Лопатки 11 закреплены в направляющем аппарате 4 между кольцеобразной стенкой 13 цилиндрической обоймы 10 и лопаточным покрывным диском 9.

Отношение m количества k₁ лопастей 7 к количеству k₁ лопаток 11 выбрано m = k₁/k₂ = 1,75, например, k₁ = 7, а k₂ = 4. Отношение ширины b_лк лопасти 7 к ширине b_ла лопатки 11 выбрано в диапазоне от 0,75 до 0,95. Отношение диаметра D_к рабочего колеса 3 (ведущего диска 5) и/или диаметра D_a лопаточного покрывного диска к внутреннему диаметру D₀ цилиндрической обоймы над ними выбрано в диапазоне от 0,92 до 0,97.

Каждая из лопастей 7 рабочего колеса 3 (фиг.3) выполнена с углом Θ охвата от 98^o до 104^o и с переменным радиусом R₁. Средний переменный радиус R₁ выбран плавно увеличивающимся от входа рабочего колеса 2, расположенного ближе к центру ведущего диска 5, к выходу рабочего колеса 3, расположенного ближе к периферии ведущего диска 5. Переменный радиус R₁ лопасти 7 находится в диапазоне, в котором отношение минимального среднего радиуса r_min1 лопасти 7 и максимального среднего радиуса r_max1 лопасти 7 к диаметру D_к ведущего диска 5 выбрано в диапазоне от 0,27 до 0,81. Отношение толщины t₁ лопасти 7 к диаметру D_к ведущего диска выбрано от 0,027 до 0,06.

Каждая из лопаток 11 направляющего аппарата 4 (фиг. 4) выполнена с углом ϕ охвата от 130^o до 134^o и с переменным радиусом R₂, плавно увеличивающимся от выхода направляющего аппарата 4, расположенного ближе к центру лопаточного покрывного диска 9, к входу направляющего аппарата 4, расположенного ближе к периферии лопаточного покрывного диска 4. Переменный радиус R₂ лопатки 11 выбран в диапазоне, в котором отношение минимального среднего радиуса r_min2 лопатки 11 и максимального среднего радиуса r_max2 лопатки 11 к диаметру D_a лопаточного покрывного диска 9 находится в диапазоне от 0,08 до 0,43. Отношение толщины t₂ лопатки 11 к диаметру D_a лопаточного покрывного диска 9 выбрано в диапазоне от 0,01 до 0,29. При этом толщина t₂ лопатки 11 выполнена плавно увеличивающейся от входа направляющего аппарата 4 к его выходу.

Как показали исследования, если перечисленные параметры рабочего колеса 3 и направляющего аппарата 4 выполнены в указанных диапазонах, то удается решить поставленную задачу с достижением технического результата.

Для дополнительного улучшения технико-эксплуатационных характеристик многоступенчатого центробежного насоса целесообразно, чтобы в каждой из ступеней 1:
угол β₁ входа с рабочей стороны лопасти 7 рабочего колеса 3 был выбран в интервале от 15^o до 30^o, а ее угол γ₂ выхода - от 28^o до 35^o (фиг. 3);
угол α₁ входа лопатки 11 выбран в интервале от 6^o до 12^o, а ее угол α₂ выхода - от 85^o до 95^o (фиг. 4).

Для обеспечения безотрывного поворота потока в осевом направлении на выходе рабочего колеса 3 поверхность ведомого покрывного диска 6, обращенная к ведущему диску 5 рабочего колеса 3, скошена под углом от 2^oC до 4^o от входа рабочего колеса 3 к его выходу (фиг. 2).

Для уменьшения сил трения, возникающих при вращении рабочего колеса 3, в конструкцию введены втулки (фиг. 1), выполняющие функцию индивидуальных опор, одна из которых, например втулка 14, установлена между задней поверхностью 12 ведущего диска 5 и лопаточным покрывным диском 9. Другая втулка 15 установлена между ведомым покрывным диском 6 и задней поверхностью кольцеобразной стенки 13 цилиндрической обоймы 10. Рабочее колесо 3 выполнено плавающим, для этого ведущий диск 5 установлен на валу 2 с возможностью его продольного перемещения.

Работает многоступенчатый центробежный насос (фиг. 1-4) следующим образом.

Перекачиваемая жидкость поступает в тракты между лопастями 7 вращающегося рабочего колеса 3 и движется от его центра к периферии. За счет выбора количества лопастей 7 k₁ = 7, удовлетворяющего указанному отношению m с количеством лопаток 11 k₂ = 4, и выполнения лопастей 7 с описанной формой и размерами удается оптимизировать проходные сечения каналов между лопастями 7, обеспечить отсутствие вихревых зон, пульсацию потока между лопастями 7 и устранить струйные режимы неравномерного выброса потока из рабочего колеса 3, что обеспечивает первоначальное приращение напора и КПД.

Ширина b_лк лопасти 7 выбрана меньшей, чем ширина b_ла лопатки 11, в их отношении в диапазоне от 0,75 до 0,95, например, если ширина b_ла лопатки 11 выбрана 4 мм, то ширина b_лк лопасти 7 может быть от 3 мм до 3,8 мм. Количество лопаток 7 k₁ = 7 выбрано большим, чем количество лопастей 11 k₂ = 4, поэтому при указанном отношении наружного диаметра D_к рабочего колеса 3 и/или наружного диаметра D_a лопаточного покрывного диска 9 к внутреннему диаметру D₀ цилиндрической обоймы 10 в области между выходом из рабочего колеса 3 и входом в направляющий аппарат 4 поток притормаживается, что способствует безвихревому повороту потока и его безударному входу в направляющий аппарат 4, при этом происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию давления потока с минимальными потерями.

В целом, выбранные соотношения элементов рабочего колеса 3 и направляющего аппарата 4 как на выходе потока из рабочего колеса 3 - входе в направляющий аппарат 4 одной ступени 1, так и на выходе из направляющего аппарата 4 - входе в рабочее колесо 3 следующей ступени 1 обеспечивают минимальные гидравлические потери потока, приращение напора и, соответственно, КПД (особенно это важно для зоны малых подач) и расширение эффективной рабочей зоны заявленного устройства, со стабильной, устойчивой непрерывно падающей напорной характеристикой Q-H (фиг.5).

Испытания показали, что заявленный многоступенчатый центробежный насос имеет улучшенные технико- эксплуатационные характеристики (фиг. 5, 6). Это позволяет эксплуатировать один и тот же насос при работе в различных расходных режимах, что расширяет его функциональные возможности. На фиг. 5, 6 показаны характеристики: А - для заявленного устройства, В - для насоса ЭЦНМ5-30 "БОРЕЦ", С - для насоса ЭЦНМ5- 20 "АЛНАС", D - для насоса DN280 "REDA". Как видно из представленных характеристик, рабочая область эксплуатации насоса по сравнению с другими насосами может быть расширена, а при одинаковых значениях расхода Q заявленное устройство имеет улучшенные параметры напора и КПД.

Наиболее успешно заявленный многоступенчатый центробежный насос может быть промышленно применим для использования в качестве скважинного насоса для добычи нефти.

Источники информации:
1. Патент Российской Федерации N 2103555, F 04 D 1/06, опубл. 1998 г.

2. Заявка Франции N 2575235, F 04 D 29/22, опубл. 1986 г.

3. Авторское свидетельство СССР N 1435847, F 04 D 29/24, опубл. 1988 г.

4. Авторское свидетельство СССР N 1786295, F 04 D 29/24, опубл. 1993 г.

5. Авторское свидетельство СССР N 1008503, F 04 D 29/00, опубл. 1983 г.

Изобретение относится к гидромашиностроению, преимущественно к конструкции ступени погружного центробежного насоса, и может быть использовано при добыче из скважин нефти, воды и других жидких сред. Ступень насоса содержит рабочее колесо, установленное на валу и выполненное из ведущего диска, ведомого покрывного диска и лопастей. Направляющий аппарат выполнен из лопаточного покрывного диска, цилиндрической обоймы и лопаток. Отношение количества лопастей к количеству лопаток выбрано равным 1,75. Отношение ширины лопастей к ширине лопаток - в диапазоне 0,75 - 0,95. Отношение диаметра рабочего колеса и/или диаметра лопаточного покрывного диска к внутреннему диаметру цилиндрической обоймы над ними выбрано в диапазоне 0,92 - 0,97. Каждая из лопастей выполнена с углом охвата 98 - 104^o и с переменным радиусом, плавно увеличивающимся от входа рабочего колеса к его выходу. Отношение минимального среднего радиуса лопасти и максимального среднего радиуса лопасти к диаметру ведущего диска выбрано в диапазоне 0,27- 0,81. Отношение толщины лопасти к диаметру ведущего диска 0,027 - 0,06. Каждая из лопаток направляющего аппарата выполнена с углом охвата 130 - 134^o и с переменным радиусом, увеличивающимся от выхода направляющего аппарата к его входу. Отношение минимального среднего радиуса лопатки и максимального среднего радиуса лопатки к диаметру лопаточного покрывного диска выбрано в диапазоне 0,08 - 0,43. Отношение толщины лопатки к диаметру лопаточного покрывного диска - 0,01 - 0,29. Толщина лопатки выполнена плавно увеличивающейся от входа направляющего аппарата к его выходу. Использование изобретения позволяет повысить КПД и напор насоса, расширить рабочую зону и улучшить форму напорной характеристики Q-Н. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Многоступенчатый центробежный насос, содержащий ступень, выполненную из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего диска, ведомого покрывного диска и лопастей, которые закреплены между передней поверхностью ведущего диска и ведомым покрывным диском, и из направляющего аппарата, выполненного в виде лопаточного покрывного диска, цилиндрической обоймы и лопаток, причем лопаточный покрывной диск направляющего аппарата установлен со стороны задней поверхности ведущего диска рабочего колеса, цилиндрическая обойма направляющего аппарата выполнена с кольцеобразной стенкой, расположенной поперечно, внутри цилиндрической обоймы установлены рабочее колесо и лопаточный покрывной диск, а лопатки закреплены в направляющем аппарате между кольцеобразной стенкой цилиндрической обоймы и лопаточным покрывным диском, отличающийся тем, что отношение количества лопастей к количеству лопаток выбрано равным 1,75, отношение ширины лопастей к ширине лопаток - в диапазоне 0,75 - 0,95, отношение диаметра рабочего колеса и/или диаметра лопаточного покрывного диска к внутреннему диаметру цилиндрической обоймы над ними - в диапазоне 0,92 - 0,97, каждая из лопастей рабочего колеса выполнена с углом охвата 98 - 104^o и с переменным радиусом, плавно увеличивающимся от входа рабочего колеса, расположенного ближе к центру ведущего диска, к выходу рабочего колеса, расположенного ближе к периферии ведущего диска, причем переменный радиус лопасти выбран в диапазоне, в котором отношение минимального среднего радиуса лопасти и максимального среднего радиуса лопасти к диаметру ведущего диска - в диапазоне 0,27 - 0,81, а отношение толщины лопасти к диаметру ведущего диска - 0,027 - 0,06, каждая из лопаток направляющего аппарата выполнена с углом охвата 130 - 134^o и с переменным радиусом, увеличивающимся от выхода направляющего аппарата, расположенного ближе к центру лопаточного покрывного диска, к входу направляющего аппарата, расположенного ближе к периферии лопаточного покрывного диска, причем переменный радиус лопатки выбран в диапазоне, в котором отношение минимального среднего радиуса лопатки и максимального среднего радиуса лопатки к диаметру лопаточного покрывного диска - в диапазоне 0,08 - 0,43, а отношение толщины лопатки к диаметру лопаточного покрывного диска - 0,01 - 0,29, при этом толщина лопатки выполнена плавно увеличивающейся от входа направляющего аппарата к его выходу. 2. Многоступенчатый центробежный насос по п.1, отличающийся тем, что угол входа лопасти выбран в интервале 15 - 30^o, а ее угол выхода - 28 - 35^o. 3. Многоступенчатый центробежный насос по п.1, отличающийся тем, что угол входа лопатки выбран в интервале 6 - 12^o, а ее угол выхода - 85 - 95^o. 4. Многоступенчатый центробежный насос по п.1, отличающийся тем, что поверхность ведомого покрывного диска, обращенная к ведущему диску рабочего колеса, скошена под углом 2 - 4^o от входа рабочего колеса к его выходу.