СТУПЕНЬ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СКВАЖИННОГО НАСОСА Российский патент 2003 года по МПК F04D13/10 F04D1/06 F04D31/00 

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в многоступенчатых центробежных скважинных насосах для откачки пластовой жидкости.

Известен центробежный насос, в котором рабочее колесо выполнено содержащим ведущий диск с лопатками [1]. На поверхности ведущего диска выполнено утолщение, в котором сформированы выемки. Указанные выемки не влияют на структуру потока перекачиваемой жидкости или газожидкостной смеси и соответственно не позволяют улучшить структуру потока газожидкостной смеси при наличии в перекачиваемой смеси значительных объемов газа.

Известен центробежный насос-диспергатор, в котором рабочее колесо выполнено содержащим ведущий диск с лопастями, а в направляющем аппарате имеются верхний и нижний диски с лопатками [2]. Насос-диспергатор известной конструкции предназначен для формирования эмульсии из смеси жидкостей и не может быть эффективно использован для формирования газожидкостных смесей, так как активное воздействие на рабочую среду осуществляется на выходе насоса.

Известна ступень центробежного скважинного насоса, содержащая рабочее колесо с ведущим диском и расположенными на нем лопастями, а также направляющий аппарат с верхним и нижним дисками и с лопатками [3]. Причем на краю верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены трехгранные выемки.

Известное устройство, при его использовании в многоступенчатых центробежных насосах, обеспечивает повышение напора при малых подачах и повышение стабильности при работе с жидкими смесями, содержащими включения в виде свободного газа.

Недостатком известного технического решения является снижение надежности работы при наличии в перекачиваемой жидкости значительных по объему газовых включений, так как при этом формируются застойные зоны, препятствующие измельчению газовых пузырей, в результате чего насос блокируется газовыми пробками.

Также известное техническое решение имеет низкую надежность работы при наличии в перекачиваемой жидкости грязевых (твердых) включений, способных привести к закупориванию сужающихся каналов рабочего колеса.

Устройством, наиболее близким к заявленному изобретению, является ступень центробежного скважинного насоса, содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо [4]. Рабочее колесе данной ступени содержит ведомый диск, а также ведущий диск, с которым жестко связаны лопасти рабочего колеса, между местами крепления которых в ведущем диске выполнены отверстия.

Недостатком такой ступени является малая суммарная длина кромок поверхностей, воздействующих на пластовую жидкость при работе насоса, в связи с чем ступень известной конструкции не обеспечивает достаточно эффективное дробление находящихся в пластовой жидкости газовых пузырей и грязевых включений. Кроме того, при работе насоса с диспергирующей ступенью известной конструкции не исключается заклинивание насоса за счет накопления грязевых включений под рабочим колесом, которое в известной ступени выполнено закрытым.

Настоящее изобретение позволяет устранить указанные выше недостатки известных технических решений. Кроме того, при работе ступени заявленной конструкции в составе насоса, газовые включения, вынесенные из пространства над ведущим диском через отверстия в ведущем диске и проходящие между ведущим диском и боковым кольцом направляющего аппарата, подвергаются дополнительному измельчению, благодаря увеличению общей длины кромок элементов, эффективно воздействующих на пластовую жидкость. Указанная особенность заявленной ступени позволяет обеспечить более эффективное дробление газовых пузырей, в результате чего повышается степень однородности газожидкостной смеси на выходе ступени, одновременно с поверхностей ступени удаляются отложения твердых частиц, что исключает возможность заклинивания насоса. Кроме того, при работе ступени заявленной конструкции в составе погружного насоса повышается устойчивость газожидкостной смеси, в связи с чем повышается надежность работы насоса в целом.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в ступени центробежного скважинного насоса, содержащей направляющий аппарат и установленное в направляющем аппарате рабочее колесо, на нижней поверхности ведущего диска которого расположены лопасти рабочего колеса, между основаниями которых в ведущем диске выполнены отверстия, согласно изобретению нижние кромки лопастей рабочего колеса открыты со стороны верхнего диска направляющего аппарата, а на периферийной части верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнен уступ, на котором расположены дополнительные ребра рабочего колеса, причем отверстия выполнены между осью вращения рабочего колеса и дополнительными ребрами рабочего колеса, а ступень предназначена для установки в насосе таким образом, что верхняя поверхность ведущего диска рабочего колеса располагается напротив нижнего диска направляющего аппарата следующей ступени, в которой нижний диск направляющего аппарата выполнен со сформированным на периферийной части нижней поверхности нижнего диска направляющего аппарата уступом, на котором расположены нижние ребра нижнего диска направляющего аппарата следующей ступени.

Кроме того, диаметр расположения внешних кромок дополнительных ребер рабочего колеса может быть больше, меньше или равен диаметру ведущего диска. При этом верхние кромки дополнительных ребер рабочего колеса могут быть расположены в плоскости, в которой расположена, по крайней мере, часть верхней поверхности ведущего диска. Причем диаметр расположения внешних кромок нижних ребер направляющего аппарата может быть больше, меньше или равен диаметру нижнего диска направляющего аппарата, а нижние кромки нижних ребер направляющего аппарата могут быть расположены в плоскости, в которой расположена, по крайней мере, часть нижней поверхности нижнего диска направляющего аппарата.

Верхний диск направляющего аппарата может быть выполнен с гладкой верхней поверхностью. По крайней мере, часть каждой нижней кромки лопасти может быть отделена от верхнего диска равномерным зазором, величина которого может быть меньше, больше или равна 2 мм.

На верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата могут быть выполнены кольцевые канавки. Также на верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата могут быть выполнены верхние ребра, которые могут быть выполнены спиральными. Между верхними ребрами и боковым кольцом направляющего аппарата имеются промежутки.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1, 4, 6 - установленные последовательно ступени, выполненные в соответствии с заявленным изобретением;
на фиг.2 - вид сверху ведущего диска рабочего колеса;
на фиг.3 - вид снизу нижнего диска направляющего аппарата;
на фиг.5, 7 - вид сверху верхнего диска направляющего аппарата.

Ступень центробежного скважинного насоса (фиг.1, 4, 6) содержит направляющий аппарат 1 и установленное в направляющем аппарате 1 рабочее колесо 2, на нижней (в рабочем положении насоса) поверхности 4 ведущего диска 5 которого расположены лопасти 3. Ведущий диск 5 жестко соединен с втулкой 6, предназначенной для сопряжения через шпонку с общим валом насоса (на чертеже не изображен). Таким образом, в рабочем колесе сформированы пазы, ограниченные лопастями 3, жестко связанными с ведущим диском 5. Направляющий аппарат 1 содержит верхний диск 7, нижний диск 8 и лопатки 9, между входными кромками 10 которых и боковым кольцом 11 (боковой стенкой корпуса аппарата) имеются промежутки. Верхний диск 7 жестко связан с боковым кольцом 11, нижним диском 8 и цапфой 12, на которую опираются антифрикционные шайбы 13, установленные на нижней поверхности диска 5. Антифрикционные шайбы выполняются из текстолита или другого материала, имеющего высокую стойкость к абразивному износу.

Между основаниями лопастей 3 в ведущем диске 5 рабочего колеса 2 выполнены отверстия 14. Нижние кромки 15 лопастей 3 рабочего колеса 2 открыты со стороны гладкой верхней поверхности, канавок или верхних ребер верхнего диска 7 направляющего аппарата 1. Внешний участок поверхности 4 рабочего колеса 2 выполнен плоским (горизонтальным). Диаметр ведущего диска 5 меньше диаметра расположения внешних кромок лопастей 3.

На периферийной части верхней поверхности 17 ведущего диска 5 рабочего колеса 2 выполнен уступ, на котором расположены дополнительные ребра 18 рабочего колеса 2. Отверстия 14 выполнены между осью вращения рабочего колеса 2 и дополнительными ребрами 18 рабочего колеса 2. Диаметр расположения внешних кромок дополнительных ребер 18 рабочего колеса может быть меньше или равен (фиг. 1, 4 и 6) или больше (фиг.2) диаметра ведущего диска 5. Верхние кромки дополнительных ребер рабочего колеса могут быть расположены в плоскости, в которой расположена, по крайней мере, часть верхней поверхности 17 ведущего диска 5.

Ступень предназначена для установки в насосе таким образом, что верхняя поверхность 17 ведущего диска 5 рабочего колеса 2 располагается напротив нижнего диска 8 направляющего аппарата 1 следующей ступени, в которой нижний диск 8 направляющего аппарата 1 выполнен со сформированным на периферийной части нижней поверхности 20 нижнего диска 8 уступом, на котором расположены нижние ребра 21 нижнего диска 8 направляющего аппарата 1 следующей ступени. Диаметр расположения внешних кромок нижних ребер 21 направляющего аппарата может быть меньше или равен (фиг.1, 3, 4, 6) или больше диаметра нижнего диска 8. Нижние кромки нижних ребер 21 направляющего аппарата 1 расположены в плоскости, в которой расположена, по крайней мере, часть нижней поверхности 20 нижнего диска 8.

Верхний диск 7 направляющего аппарата 1, изображенного на фиг.1, выполнен с гладкой верхней поверхностью 16, которая до участка ее перехода в поверхность бокового кольца 11 выполняется или плоской, или вогнутой. По крайней мере, часть каждой нижней кромки 15 лопасти 3 может быть отделена от верхнего диска 7 равномерным зазором.

На верхней поверхности верхнего диска 7 направляющего аппарата 1, изображенного на фиг.4 и 5, выполнены кольцевые канавки 23. Канавки 23 могут иметь прямоугольную, треугольную, трапецеидальную или полукруглую форму поперечного сечения.

На верхней поверхности верхнего диска 7 направляющего аппарата 1, изображенного на фиг. 6, 7, выполнены верхние ребра 24, которые, в частном случае, имеют спиральную форму. Профиль поперечного сечения верхних ребер 24 может быть прямоугольным, треугольным, трапецеидальным или полукруглым. Верхний диск направляющего аппарата выполняется таким образом, что поверхность вращения, касательная к верхним граням ребер 24 является либо плоскостью, либо конусом с осью симметрии, совпадающей с осью симметрии направляющего аппарата. Между верхними ребрами 24 и боковым кольцом направляющего аппарата 1 имеются промежутки.

При работе насоса рабочее колесо приводится во вращение валом насоса. Пластовая жидкость протекает по пазам рабочего колеса 2, образованным лопастями 3. При этом рабочее колесо формирует напор пластовой жидкости как за счет центробежных сил, так и за счет действия лопастей 3 на поток жидкости. Далее жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 1 следующей ступени, в которых осуществляется создание дополнительного напора и направление потока на рабочее колесо следующей ступени. Вместе с пластовой жидкостью по пазам рабочего колеса 2 перемещаются газовые пузыри и грязевые включения, которые в процессе перемещения подвергаются воздействию кромок 15 лопастей. В результате происходит дробление газовых пузырей и измельчение твердых включений.

Наличие отверстий в ведущем диске рабочего колеса создает условия для перемещения пластовой жидкости, перекачиваемой насосом над верхней поверхностью ведущего диска рабочего колеса. В процессе указанного перемещения пластовая жидкость подвергается воздействию ребер 18 и 21. Таким образом, увеличивается общая длина кромок, эффективно воздействующих на пластовую жидкость, обеспечивается более эффективное дробление газовых пузырей, повышается степень однородности газожидкостной смеси на выходе ступени.

Величина зазора между нижними кромками 15 и поверхностью 16 выбирается исходя из требований к работе ступени. Например, при зазоре менее 2 мм повышается напор ступени и увеличивается степень измельчения твердых включений, а при увеличении зазора от 2 мм и более, напор ступени существенно не изменяется, но повышается эффективность дробления газовых пузырей.

При выполнении верхнего диска 7 с канавками 23 обеспечивается, по сравнению с выполнением поверхности диска гладкой, более эффективное дробление газовых пузырей и грязевых включений за счет повышения турбулентности потока жидкости, перекачиваемого ступенью.

Выполнение диска 7 с верхними ребрами 24 обеспечивает более эффективное удаление грязевых включений из канавок, сформированных на верхнем диске 7, так как на диске, в этом случае, отсутствуют замкнутые канавки.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1617208, кл. F 04 D 29/08, 1990.

2. Патент РФ 2116516, кл. F 04 D 7/04, 1998.

3. Патент РФ 2138691, кл. F 04 D 13/10, 1/06, 31/00, 1999.

4. Патент США 5628616, кл. 415-58.2, 1997.

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в многоступенчатых центробежных скважинных насосах для откачки пластовой жидкости. Ступень центробежного скважинного насоса содержит направляющий аппарат и установленное в направляющем аппарате рабочее колесо. На нижней поверхности ведущего диска расположены лопасти рабочего колеса, между основаниями которых в ведущем диске выполнены отверстия. Нижние кромки лопастей открыты со стороны верхнего диска направляющего аппарата. На периферийной части верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнен уступ, на котором расположены дополнительные ребра рабочего колеса. Отверстия выполнены между осью вращения рабочего колеса и дополнительными ребрами рабочего колеса. Верхняя поверхность ведущего диска рабочего колеса ступени расположена напротив нижнего диска направляющего аппарата следующей ступени. На периферийной части нижней поверхности нижнего диска направляющего аппарата указанной ступени сформирован уступ, на котором расположены нижние ребра нижнего диска направляющего аппарата следующей ступени. Изобретение направлено на повышение качества дробления газовых пузырей и грязевых включений и исключение заклинивания насоса последними. 15 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Ступень центробежного скважинного насоса, содержащая направляющий аппарат и установленное в направляющем аппарате рабочее колесо, на нижней поверхности ведущего диска которого расположены лопасти рабочего колеса, между основаниями которых в ведущем диске выполнены отверстия, отличающаяся тем, что нижние кромки лопастей рабочего колеса открыты со стороны верхнего диска направляющего аппарата, а на периферийной части верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнен уступ, на котором расположены дополнительные ребра рабочего колеса, причем отверстия выполнены между осью вращения рабочего колеса и дополнительными ребрами рабочего колеса, а ступень предназначена для установки в насосе таким образом, что верхняя поверхность ведущего диска рабочего колеса располагается напротив нижнего диска направляющего аппарата следующей ступени, в которой нижний диск направляющего аппарата выполнен со сформированным на периферийной части нижней поверхности нижнего диска направляющего аппарата уступом, на котором расположены нижние ребра нижнего диска направляющего аппарата следующей ступени. 2. Ступень по п. 1, отличающаяся тем, что диаметр расположения внешних кромок дополнительных ребер рабочего колеса меньше или равен диаметру ведущего диска. 3. Ступень по п. 1, отличающаяся тем, что диаметр расположения внешних кромок дополнительных ребер рабочего колеса больше диаметра ведущего диска. 4. Ступень по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что верхние кромки дополнительных ребер рабочего колеса расположены в плоскости, в которой расположена, по крайней мере, часть верхней поверхности ведущего диска. 5. Ступень по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что диаметр расположения внешних кромок нижних ребер направляющего аппарата меньше или равен диаметру нижнего диска направляющего аппарата. 6. Ступень по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что диаметр расположения внешних кромок нижних ребер направляющего аппарата больше диаметра нижнего диска направляющего аппарата. 7. Ступень по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что нижние кромки нижних ребер направляющего аппарата расположены в плоскости, в которой расположена, по крайней мере, часть нижней поверхности нижнего диска направляющего аппарата. 8. Ступень по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что верхний диск направляющего аппарата выполнен с гладкой верхней поверхностью. 9. Ступень по п. 8, отличающаяся тем, что, по крайней мере, часть каждой нижней кромки лопасти отделена от верхнего диска равномерным зазором. 10. Ступень по п. 9, отличающаяся тем, что минимальная величина зазора меньше 2 мм. 11. Ступень по п. 9, отличающаяся тем, что минимальная величина зазора составляет не менее 2 мм. 12. Ступень по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что на верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата выполнены канавки. 13. Ступень по п. 12, отличающаяся тем, что канавки выполнены кольцевыми. 14. Ступень по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что на верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата выполнены верхние ребра. 15. Ступень по п. 14, отличающаяся тем, что между верхними ребрами и боковым кольцом направляющего аппарата имеются промежутки. 16. Ступень по п. 14 или 15, отличающаяся тем, что верхние ребра выполнены спиральными.