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

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

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 [1]. 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 скважинного центробежного многоступенчатого насоса [2], содержащая рабочее колесо с ведущим диском и расположенными на нем лопастями, а также направляющий аппарат с верхним диском и с лопатками, диаметр расположения входных кромок которых больше диаметра наружного диска направляющего аппарата. 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, образованных лопастями рабочего колеса, а также ведущим и ведомым дисками.

Устройством, наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению, является ступень скважинного центробежного многоступенчатого насоса [3], содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо. Причем в закрытом рабочем колесе такой ступени имеется ведомый диск, а также ведущий диск, с которым жестко связаны лопасти рабочего колеса, в промежутках между которыми в ведущем диске закрытого рабочего колеса выполнены отверстия.

Недостатком такой ступени является то, что лопасти рабочего колеса не воздействуют на пластовую жидкость, протекающую под рабочим колесом, 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 возможно его заклинивание за счет накопления грязевых включений под рабочим колесом.

Настоящее изобретение позволяет устранить указанные выше недостатки известных технических решений. Кроме того, при работе ступени 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 нижними кромками лопастей открытого рабочего колеса, за счет чего обеспечивается более эффективное дробление газовых пузырей, одновременно с этим осуществляется эффективное дробление грязевых включений, за счет чего снижается износ пар трения в насосе, исключается возможность заклинивания насоса при работе. При повышении эффективности дробления газовых пузырей и грязевых включений в пластовой жидкости уменьшается количество диспергирующих ступеней, необходимых для бесперебойной работы насоса при сохранении габаритов, при этом повышается КПД и напор насоса в целом. Причем дробление крупных пузырей газа начинается внутренним участком нижней кромки. Это облегчает прохождение через указанные отверстия образующихся более мелких пузырьков газа, а также растворение газа, содержащегося в них, в жидкости при ее сжатии в периферийной зоне, в которой сближаются поверхности аппарата и рабочего колеса. Такому растворению газа может способствовать наклон нижней кромки в зоне между ее переходной и внешней точками.

Указанный технический результат достигается за счет того, что ступень скважинного центробежного многоступенчатого насоса, содержащая направляющий аппарат, дополнительно содержит установленное в направляющем аппарате открытое рабочее колесо, на нижней поверхности ведущего диска которого расположены лопасти, в промежутках между местами закрепления которых, в ведущем диске рабочего колеса выполнены отверстия, нижние кромки лопастей выполнены с горизонтальным участком, а расстояние от нижней кромки каждой из лопастей до верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата, образованной вогнутой конической поверхностью, уменьшается в направлении от внутреннего края к внешнему краю горизонтального участка.

Кроме того, расстояние от внешней точки нижней кромки лопасти рабочего колеса до верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата может быть меньше половины расстояния от указанной точки до нижней поверхности ведущего диска рабочего колеса. Расстояние от внешней точки нижней кромки лопасти рабочего колеса до верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата может быть больше 2 мм. При этом горизонтальный участок лопасти может быть расположен между внутренней точкой нижней кромки лопасти и внешней точкой указанной кромки. Горизонтальный участок лопасти может быть расположен между внутренней точкой нижней кромки лопасти и переходной точкой указанной кромки. Нижняя кромка лопасти в зоне между переходной точкой и внешней точкой указанной кромки может быть отделена от верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата равномерным зазором.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - две установленные последовательно ступени, выполненные в соответствии с заявленным изобретением, у которых часть нижней кромки лопасти рабочего колеса выполнена горизонтальной;
на фиг.2 - две установленные последовательно ступени, выполненные в соответствии с заявленным изобретением, у которых нижние кромки лопасти рабочего колеса выполнены горизонтальными по всей длине;
на фиг.3 - вид снизу ведущего диска рабочего колеса, выполненного согласно изобретению.

Ступень скважинного центробежного многоступенчатого насоса (фиг.1 и 2) содержит направляющий аппарат 1 и установленное в направляющем аппарате 1 открытое рабочее колесо 2, на нижней (в рабочем положении насоса) поверхности 3 ведущего диска 4 которого расположены лопасти 5. Рабочее колесо 2 выполнено с втулкой 6, предназначенной для сопряжения через шпонку с общим валом насоса (не изображен). Таким образом в рабочем колесе сформированы пазы, ограниченные лопастями 5, жестко связанными с ведущим диском 4. 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. Диски 7, 8 и лопатки 9 направляющего аппарата 1 образуют каналы. Верхний диск 7 жестко связан с боковым кольцом 11, нижним диском 8 (через лопатки 9) и цапфой 12, сопряженной с втулкой 6 рабочего колеса 2. На диске 4 закреплены антифрикционные шайбы 13, выполненные, например, из текстолита.

В промежутках (фиг. 3) между местами закрепления лопастей 5 в ведущем диске 4 рабочего колеса 2 выполнены отверстия 14. Нижние кромки 15 (фиг.1 и 2) лопастей 5 выполнены с горизонтальным участком 17. Расстояние от нижней кромки 15 каждой из лопастей 5 открытого рабочего колеса 2 до верхней поверхности 16 верхнего диска 7 направляющего аппарата 1, образованной вогнутой конической поверхностью, уменьшается в направлении от внутреннего края к внешнему краю горизонтального участка 17.

Горизонтальный участок 17 указанной лопасти 5 может быть расположен между внутренней точкой 18 нижней кромки 15 лопасти 5 и переходной точкой 19 указанной кромки 15. Причем нижняя кромка 15 лопасти 5 в зоне между переходной точкой 19 и внешней точкой 20 указанной кромки 15 может быть отделена от верхней поверхности 16 верхнего диска 7 направляющего аппарата 1 равномерным зазором. При этом внутренний край горизонтального участка 17 связан с точкой 18, а внешний край указанного участка 17 - с точкой 19 (фиг.1).

Горизонтальный участок 17 лопасти 5 может быть расположен между внутренней точкой 18 нижней кромки 15 лопасти 5 и внешней точкой 20 указанной кромки 15. При этом внутренний край горизонтального участка 17 связан с точкой 18, а внешний край указанного участка 17 - с точкой 20 (фиг.2).

Нижняя кромка 15 (фиг.1, 2) расположена между внутренним участком лопасти 5, связанным с кромкой 21, и внешним участком лопасти 5, связанным с кромкой 22, т.е. между точками 18 и 20.

Расстояние от внешней точки 20 нижней кромки 15 лопасти 5 рабочего колеса 2 до верхней поверхности 16 верхнего диска 7 направляющего аппарата 1, образованной вогнутой конической поверхностью, может быть меньше половины расстояния от указанной точки 20 до нижней поверхности 3 ведущего диска 4 рабочего колеса 2 (или до плоскости ее расположения). Расстояние от внешней точки 20 нижней кромки 15 рабочего колеса 2 до верхней поверхности 16 верхнего диска 7 направляющего аппарата 1, образованной вогнутой конической поверхностью, может быть больше 2 мм. При этом внешний участок поверхности 3 выполнен плоским (горизонтальным). Ось поверхности 16 совмещена с осью поверхности бокового кольца 11.

На внешнем краю верхней части ведущего диска 4 рабочего колеса 2 может быть выполнен уступ 23, а отверстия 14 выполнены на указанном уступе 23. Диаметр ведущего диска 4 рабочего колеса 2 может быть больше диаметра окружности, на которой расположены центры 24 указанных отверстий 14, на величину, равную или большую 1,5 диаметра указанных отверстий 14.

При работе насоса пластовая жидкость протекает по пазам рабочего колеса 2, приводимого в движение валом насоса, и, при прохождении потока жидкости по пазам рабочих колес, формируется напор пластовой жидкости как за счет центробежных сил, так и за счет действия лопастей рабочего колеса 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 открытого рабочего колеса 2 перемещаются газовые пузыри и грязевые включения.

Газовые включения, вынесенные из пространства над ведущим диском 4 через отверстия 14 в ведущем диске и проходящие между ведущим диском 4 и боковым кольцом 11 направляющего аппарата 1, подвергаются дополнительному измельчению нижними кромками 15 лопастей 5 открытого рабочего колеса 2, за счет чего обеспечивается более эффективное дробление газовых пузырей, одновременно с этим осуществляется эффективное дробление грязевых включений, за счет чего снижается износ пар трения, исключается возможность заклинивания насоса. Наличие уступа 23, при расположении на нем центров 24 отверстий 14, повышает эффективность выноса газовых включений через указанные отверстия 14. Кроме того, при повышении эффективности дробления газовых пузырей и грязевых включений в пластовой жидкости возможно уменьшить количество диспергирующих ступеней, необходимых для бесперебойной работы насоса при сохранении габаритов, при этом повышается КПД и напор насоса в целом. Причем дробление крупных пузырей газа начинается внутренним участком нижней кромки 15. Это облегчает прохождение через указанные отверстия 14 образующихся более мелких пузырьков газа, а также растворение газа, содержащегося в них, в жидкости при ее сжатии в периферийной зоне, в которой сближаются поверхности 16 и 3 аппарата 1 и рабочего колеса 2. Такому растворению газа может способствовать наклон нижней кромки 15 в зоне между ее переходной 19 и внешней 20 точками.

Таким образом обеспечивается достижение указанного выше технического результата.

Источники информации
1. Патент РФ 2116516, кл. F 04 D 7/04, 1998.

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

3. Патент США 5628616, кл. 415/58.2, 1997.

Изобретение относится к нефтяному машиностроению. Ступень скважинного центробежного многоступенчатого насоса содержит направляющий аппарат, установленное в направляющем аппарате открытое рабочее колесо, на нижней поверхности ведущего диска которого расположены лопасти. В промежутках между местами закрепления лопастей, в ведущем диске рабочего колеса выполнены отверстия. Нижние кромки лопастей выполнены с горизонтальным участком, а расстояние от нижней кромки каждой из лопастей до верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата, образованной вогнутой конической поверхностью, уменьшается в направлении от внутреннего края к внешнему краю горизонтального участка. Изобретение направлено на снижение износа пар трения за счет эффективного дробления газовых пузырей и грязевых включений, исключение возможности заклинивания колеса при работе, повышение КПД и напора ступени. 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Ступень скважинного центробежного многоступенчатого насоса, содержащая направляющий аппарат, отличающаяся тем, что она содержит установленное в направляющем аппарате открытое рабочее колесо, на нижней поверхности ведущего диска которого расположены лопасти, в промежутках между местами закрепления которых, в ведущем диске рабочего колеса выполнены отверстия, нижние кромки лопастей выполнены с горизонтальным участком, а расстояние от нижней кромки каждой из лопастей до верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата, образованной вогнутой конической поверхностью, уменьшается в направлении от внутреннего края к внешнему краю горизонтального участка. 2. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что расстояние от внешней точки нижней кромки лопасти рабочего колеса до верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата меньше половины расстояния от указанной точки до нижней поверхности ведущего диска рабочего колеса. 3. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что расстояние от внешней точки нижней кромки лопасти рабочего колеса до верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата больше 2 мм. 4. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что горизонтальный участок лопасти расположен между внутренней точкой нижней кромки лопасти и внешней точкой указанной кромки. 5. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что горизонтальный участок лопасти расположен между внутренней точкой нижней кромки лопасти и переходной точкой указанной кромки. 6. Ступень по п.5, отличающаяся тем, что нижняя кромка лопасти в зоне между переходной точкой и внешней точкой указанной кромки отделена от верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата равномерным зазором.