СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО НАСОСА Российский патент 2003 года по МПК F04D13/08 

Изобретение относится к насосостроению.

Известна ступень многоступенчатого центробежного скважинного насоса, рабочее колесо которого выполнено бездисковым.[I].

Так как конструкция жесткая и рабочие колеса не опираются на направляющие аппараты, то возникают большие нагрузки на опорный подшипник, что приводит к снижению долговечности его работы. В том случае, если в данной конструкции рабочие колеса выполнены опирающимися на направляющие аппараты, то падает коэффициент полезного действия (к.п.д.) из-за большого трения. За счет утолщения лопаток уменьшаются подача и к.п.д., то есть ухудшаются технические характеристики ступени. При износе ступени изменяются зазоры между лопатками рабочего колеса и стенками направляющего аппарата, что приводит также к снижению характеристик изделия. Эта конструкция очень чувствительна к изменению зазоров. Известна ступень многоступенчатого центробежного скважинного насоса, состоящая из направляющего аппарата и радиального рабочего колеса со ступицей [2].

Данная ступень некомпактна, металлоемкая, ступица выполнена короткой и рабочие колеса между собой не связаны, и в процессе вращения по мере износа втулки направляющего аппарата увеличиваются зазоры, что создает условия для увеличения вибрации, приводящей к быстрому износу конструкции, снижению ее надежности и долговечности.

Поверхности проточных полостей (каналов) рабочего колеса и направляющего аппарата относительно друг друга неподвижны, что приводит к частому засорению их твердыми частицами в процессе работы и, соответственно, к снижению характеристик насосов.

Наиболее близким является ступень погружного многоступенчатого насоса, состоящая из направленного аппарата и радиального рабочего колеса со ступицей. Рабочее колесо имеет ведущий и ведомый диски с размещенными между ними профилированными лопатками. На наружных поверхностях дисков закреплены прокладки. Направляющий аппарат имеет наружную крышку, втулку, боковую стенку, внутреннюю стенку и профилированные лопатки, размещенные между внутренней стенкой и наружной крышкой, входные кромки которых выступают за внешний диаметр наружной крышки аппарата. [3].

Недостатком такого насоса является ненадежность работы, так как данная конструкция недостаточно компактна и не позволяет увеличить количество ступеней на единицу длины насоса при сохранении напорности и подачи. Для такой конструкции характерно большое количество отказов по причине засорения полостей (каналов) рабочего колеса, быстрый износ ступени при работе в кривых скважинах, что приводит к снижению надежности и долговечности ступени, а также высокая вибрация при работе.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и долговечности работы (преимущественно в искривленных скважинах), снижение металлоемкости за счет уменьшения габаритов насоса по длине при увеличении напора без снижения характеристик насоса (подача, к.п.д.), снижение вероятности отказов из-за засорения межлопаточных полостей, уменьшение вибрации.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемой ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, имеющего рабочее колесо, содержащее ведущий диск с размещенными на нем лопатками, ступицу, направляющий аппарат, состоящий из боковой и внутренней стенок, лопаток, втулки, согласно изобретению лопатки рабочего колеса выполнены открытыми, снабжены опорным кольцом, ступица выполнена из двух втулок разных диаметров, причем внутренняя поверхность втулки меньшего диаметра сопряжена с валом, а ее наружная поверхность сопряжена с внутренней поверхностью втулки большего диаметра ступицы рабочего колеса следующей ступени и внутренней поверхностью втулки направляющего аппарата, на внутренней стенке направляющего аппарата выполнен кольцевой канал с размещенной в нем прокладкой, сопряженной с опорным кольцом рабочего колеса, а лопатки направляющего аппарата выполнены открытыми. Кроме того, между верхним торцом втулки направляющего аппарата и торцом втулки большего диаметра ступицы рабочего колеса установлена прокладка. Кроме того, между нижним торцом втулки направляющего аппарата и ведущим диском рабочего колеса установлена прокладка.

Предлагаемая ступень представлена на чертеже.

Рабочее колесо содержит ведущий диск 1 с расположенными на нем лопатками 2, опорное кольцо 3, ступицу 4, представляющую собой сочетание втулок 5 и 6.

Направляющий аппарат имеет боковую стенку 7, внутреннюю стенку 8, лопатки 9, кольцевой канал 10 и установленную в кольцевом канале прокладку 11, втулку 12. Внутренняя поверхность втулки 6 сопряжена с валом 13, а ее наружная поверхность сопряжена с внутренней поверхностью втулки 5 рабочего колеса следующей ступени и внутренней поверхностью втулки 12 направляющего аппарата. Кроме того, между верхним торцом втулки 12 направляющего аппарата и торцом втулки 6 большего диаметра ступицы 4 рабочего колеса установлена прокладка 14. Кроме того, между нижним торцом втулки 12 направляющего аппарата и ведущим диском 1 рабочего колеса установлена прокладка 15.

Каналы ступени образованы подвижными поверхностями рабочего колеса: наружной поверхностью 16 ведущего диска 1, внутренней поверхностью 17 ведущего диска 1 рабочего колеса, поверхностями лопаток 2 и неподвижными поверхностями направляющего аппарата: внутренней поверхностью 18 внутренней стенки 8 направляющего аппарата, внутренней поверхностью 19 боковой стенки 7 направляющего аппарата, наружной поверхностью 20 направляющего аппарата и поверхностями лопаток 9.

При работе ступени жидкость попадает в полости (каналы) рабочего колеса, образуемые наружной поверхностью кольца 3, ступицы 4, боковыми поверхностями лопаток 2 и внутренней поверхностью 17 ведущего диска 1, где увеличивает кинетическую энергию за счет центробежных сил, создаваемых вращающимися лопатками 2. Пройдя опорное кольцо 3, жидкость попадает в полости (каналы), образуемые движущейся радиально поверхностью 17, поверхностями лопаток 2 рабочего колеса и неподвижной поверхностью 18 внутренней стенки 8 направляющего аппарата, далее по каналам, образованными внутренней поверхностью 19 боковой стенки 7 и поверхностями лопаток 2, затем направляется к центру по каналам, образованным поверхностями: наружной поверхностью 16, неподвижной поверхностью 20 внутренней стенки 8 и неподвижными поверхностями лопаток 9 направляющего аппарата следующей ступени.

В прототипе горизонтальные каналы для движения жидкости образуются поверхностями элементов рабочего колеса, неподвижными относительно друг друга и поверхностями направляющего аппарата, которые относительно друг друга также неподвижны, например внутренние поверхности ведущего и ведомого диска и боковые поверхности лопаток рабочего колеса, наружная поверхность внутренней стенки направляющего аппарата внутренняя поверхность наружной крышки и боковые поверхности лопаток направляющего аппарата. В данной конструкции каналы образуются поверхностями 16, 17 и лопаток 2 рабочего колеса, подвижными относительно поверхностей 18, 19, 20 и лопаток 9 направляющего аппарата.

Выполнение каналов поверхностями 16, 17 и лопаток 2 рабочего колеса, подвижными относительно поверхностей 18, 19, 20 и лопаток 9 направляющего аппарата способствует перекатыванию и продвижению частиц, так как создаются две силы со стороны поверхностей: одна сила действует в радиальном направлении, а вторая сила в вертикальном направлении, которая и разрушает частицу, поскольку частицы значительно меньше по прочности элементов ступени.

В данной конструкции внутренняя поверхность внутренней стенки 8 направляющего аппарата выполняет дополнительную функцию образования каналов совместно с лопатками 2 и ведущим диском 1 рабочего колеса. Наружная поверхность 16 ведущего диска 1 рабочего колеса выполняет дополнительную функцию в образовании каналов совместно с неподвижными поверхностями 20 и лопаток 9 направляющего аппарата, что отсутствует в прототипе. Это позволяет уменьшить высоту ступени.

В прототипе же высота ступени была больше, чем в изобретении на величину, равную толщине нижней крышки, толщине ведомого диска рабочего колеса и высоте бурта внутренней стенки направляющего аппарата согласно конструкции прототипа. При соприкосновении твердых частиц с поверхностями рабочего колеса и направляющего аппарата, которые подвижны относительно друг друга, происходит их размалывание и измельчение.

В предлагаемом изобретении рабочее колесо приблизилось к открытым рабочим лопаткам за счет того, что убрали крышку, которая присутствовала в прототипе, оставив в предлагаемом изобретении только втулку.

В прототипе ведущий диск выполнял одну функцию: передачу движения от вала к лопаткам рабочего колеса.

В предлагаемом изобретении ведущий диск 1 рабочего колеса выполняет две функции:
во-первых: передача движения от вала 13 к лопаткам 2 рабочего колеса,
во-вторых: участие в образовании полостей (каналов), по которым направляется жидкость от периферии к центру.

Наружная поверхность 16 ведущего диска 1 рабочего колеса совместно с поверхностями лопаток 9 и наружной поверхностью 20 внутренней стенки 8 направляющего аппарата образует полости (каналы). Эти полости - каналы направляют жидкость от периферии к центру направляющего аппарата. Таким образом, наружная поверхность 16 ведущего диска 1 рабочего колеса стала выполнять роль крышки в прототипе, так как в прототипе крышка участвовала в создании направления движения жидкости. В прототипе крышка выполняла роль одной из стенок полости, по которой жидкость направляется от периферии к центру.

Лопатки 2 рабочего колеса выполнены открытыми за счет того, что рабочее колесо выполнено без ведомого диска в отличие от прототипа. Выполнение лопаток рабочего колеса открытыми позволяет приблизить внутреннюю стенку 8 направляющего аппарата к лопаткам 2 рабочего колеса.

Выполнение ступицы 4 из двух втулок 5 и 6 разных диаметров позволяет максимально удлинить ее, так как одна втулка входит во вторую втулку (в прототипе ступицы встык), а так как втулка - это часть ступицы 4, то одна часть ступицы 4 одного рабочего колеса входит в другую часть ступицы рабочего колеса следующей ступени. Это позволяет максимально удлинить ступицу. Ступицы 4 рабочих колес сопряженных ступеней за счет взаимного вхождения их втулок 5 и 6 одна в другую образуют трубу, которая ужесточает и упрочняет вал 13, что снижает вибрацию по сравнению с прототипом.

Выполнение на внутренней стенке 8 направляющего аппарата кольцевого канала 10 и размещенной в нем прокладки 11, сопрягаемой с опорным кольцом 3 рабочего колеса, позволяет убрать бурт, который расположен на внутренней стенке направляющего аппарата прототипа и уменьшить ступень по высоте, что обеспечивает компактность и снижение металлоемкости.

Уменьшение ступени по высоте позволяет разместить на единицу длины насоса большее количество рабочих колес и направляющих аппаратов, что позволяет увеличить напор пропорционально количеству ступеней.

В процессе вращения прокладка, установленная между верхним торцом втулки и торцом большей втулки ступицы рабочего колеса, и прокладка, установленная между нижним торцом втулки направляющего аппарата и ведущим диском рабочего колеса, играют роль подшипников скольжения, снижающих трение и повышающих к. п. д. (одну из технических характеристик) и удлиняют ресурс работы изделия (насоса), то есть дополнительно повышают долговечность работы.

Источники информации
1. А.с. N 106135, F 04 D 29/18, F 04 D 29/24.

2. А.с. N 435374, F 04 D 1/06, F 04 D 29/00.

3. A.c. N 2138691, F 04 D 13/10, 1/06, 31/00.

Ступень погружного многоступенчатого насоса состоит из рабочего колеса и направляющего аппарата. Колесо содержит ведущий диск 1 с расположенными на нем лопатками 2, опорное кольцо 3 и ступицу 4, представляющую собой сочетание втулок 5 и 6. Направляющий аппарат имеет боковую стенку 7, внутреннюю стенку 8, лопатки 9, кольцевой канал 10 и установленную в кольцевом канале прокладку 11, втулку 12. Внутренняя поверхность втулки 6 сопряжена с валом 13, а ее наружная поверхность сопряжена с внутренней поверхностью втулки 5 рабочего колеса следующей ступени и внутренней поверхностью втулки 12 направляющего аппарата. Между верхним торцом втулки 12 направляющего аппарата и торцом втулки 6 большего диаметра ступицы рабочего колеса установлена прокладка 14, а между нижним торцом втулки 12 направляющего аппарата и ведущим диском 1 рабочего колеса - прокладка 15. Изобретение направлено на повышение надежности и долговечности работы (преимущественно в искривленных скважинах), снижение металлоемкости за счет уменьшения габаритов наоса по длине при увеличении напора без ухудшения характеристик насоса, снижение вероятности отказов из-за засорения межлопаточных полостей и уменьшение вибрации. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, имеющая рабочее колесо, содержащее ведущий диск с размещенными на нем лопатками, ступицу, направляющий аппарат, состоящий из боковой и внутренней стенок, лопаток, втулки, отличающаяся тем, что лопатки рабочего колеса выполнены открытыми, снабжены опорным кольцом, ступица выполнена из двух втулок разных диаметров, причем внутренняя поверхность втулки меньшего диаметра сопряжена с валом, а ее наружная поверхность сопряжена с внутренней поверхностью втулки большего диаметра ступицы рабочего колеса следующей ступени и внутренней поверхностью втулки направляющего аппарата, на внутренней стенке направляющего аппарата выполнен кольцевой канал с размещенной в нем прокладкой, сопряженной с опорным кольцом рабочего колеса, а лопатки направляющего аппарата выполнены открытыми
2. Ступень по п. 1, отличающаяся тем, что между верхним торцом втулки направляющего аппарата и торцом втулки большего диаметра ступицы рабочего колеса установлена прокладка. 3. Ступень по п. 1, отличающаяся тем, что между нижним торцом втулки направляющего аппарата и ведущим диском рабочего колеса установлена прокладка.