ПОГРУЖНОЙ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС Российский патент 2008 года по МПК F04D13/10 F04D29/62 

Изобретение относится к технике по отбору жидкости из глубоких скважин, в частности к нефтепромысловому оборудованию, и может быть использовано в погружных центробежных электронасосах для добычи нефти.

Известен погружной многоступенчатый центробежный насос, содержащий цилиндрический корпус, размещенные в нем ступени, каждая из которых состоит из установленного на валу с возможностью осевого перемещения рабочего колеса с защитной втулкой вала и неподвижного направляющего аппарата, имеющего на торцевых поверхностях цилиндрические буртики и ступицу, внутри которой через защитную втулку вращается вал насоса, при этом наружная цилиндрическая поверхность направляющего аппарата имеет проточки с размещенными в них эластичными кольцами, а торцевая поверхность ступицы направляющего аппарата со стороны входа в рабочее колесо контактирует с кольцевой торцевой поверхностью цилиндрической головки защитной втулки вала [Патент США №4741668, кл. F04D 29/02, 03.05.1988, 5 с.].

Известен погружной многоступенчатый центробежный насос, содержащий цилиндрический корпус, размещенные в нем ступени, каждая из которых состоит из установленного на валу с возможностью осевого перемещения рабочего колеса с защитной втулкой вала и неподвижного направляющего аппарата, имеющего на торцевых поверхностях цилиндрические буртики и ступицу, внутри которой через защитную втулку вращается вал насоса, при этом торцевая поверхность ступицы направляющего аппарата со стороны входа в рабочее колесо обработана с высоким качеством поверхности [Полезная модель РФ №16528, кл. F04В 47/06, 10.01.2001, 8 с.].

Известен погружной многоступенчатый центробежный электронасос, содержащий набор ступеней, собранных на валу в цилиндрическом корпусе. Каждая из ступеней включает направляющий аппарат со ступицей, в которой через промежуточную защитную втулку проходит вал, и рабочее колесо, которое на переднем и заднем диске имеет запрессованные антифрикционные шайбы, контактирующие с кольцевыми опорными буртиками на торцевой поверхности направляющего аппарата. Рабочее колесо на валу от проворота удерживается призматической шпонкой, а в осевом направлении может свободно перемещаться в промежутке, ограниченном опорными поверхностями смежных направляющих аппаратов. Такая конструкция получила название плавающего рабочего колеса [Молчанов А.Г., Молчанов В.А. Нефтепромысловые машины и механизмы, - М.: Недра, 1983, с.155].

Ступица направляющего аппарата является радиальным подшипником скольжения для вала. Защита вала от износа в ступице направляющего аппарата осуществляется защитной цилиндрической втулкой [Молчанов А.Г., Молчанов В.А. Нефтепромысловые машины и механизмы. - М.: Недра, 1983, с.155].

Наружная поверхность защитной втулки вала и внутренняя поверхность ступицы направляющего аппарата образуют радиальный подшипник скольжения и одновременно являются щелевым уплотнением проточных каналов между смежными ступенями. Увеличение зазора в сопряжении увеличивает внутренний переток жидкости между смежными ступенями, чем обуславливается уменьшение подачи и снижение напора, а также ускоряет износ трущихся пар из-за увеличения размеров и массы абразивных частиц, протекающих через возросший зазор щелевого уплотнения.

Длинный тонкий вал, испытывая осевое усилие при вращении со скоростью до 3000 мин^-1, теряет свою прямолинейность и стремится принять волнообразную форму, создавая при этом дополнительные радиальные нагрузки на ступицу направляющего аппарата и ускоряя износ посадочного отверстия ступицы.

Увеличение зазора не только снижает параметры насоса, но вызывает возрастание радиальной вибрации насоса, которая провоцирует возрастание общего уровня вибрации насосного агрегата.

В свою очередь корпус направляющего аппарата по наружной цилиндрической поверхности имеет кольцевую цилиндрическую проточку со стороны торцевой поверхности лопаточного аппарата и внутреннюю кольцевую цилиндрическую проточку со стороны противоположного торца (юбки) направляющего аппарата. Посредством этих проточек смежные ступени центрируются и стыкуются при сборке насоса, обеспечивая замкнутость внутренних полостей ступеней друг от друга и внутренней полости корпуса модуль-секции.

Собранные на валу направляющие аппараты с рабочими колесами при сборке насоса свободно вставляются внутрь корпуса модуль-секции и стягиваются по торцам резьбовыми элементами.

Направляющие аппараты каждой ступени за счет сил трения от торцевого натяга неподвижно закрепляются от проворота внутри корпуса, а вал насоса с размещенными рабочими колесами получает возможность вращаться на радиальных подшипниках ступеней насоса.

Внутренние ступицы направляющих аппаратов являются радиальными подшипниками вала, размещенными по всей длине корпуса секции, а наружная цилиндрическая поверхность корпуса - опорами, воспринимающими нагрузку от вала и передающими ее на корпус секции насоса.

Наличие радиального зазора между наружной цилиндрической поверхностью направляющих аппаратов ступеней и корпусом секции насоса, с одной стороны, является дополнительным источником возникновения радиальной вибрации. Корпуса направляющих аппаратов по всей длине корпуса касаются односторонне, имея двойной диаметральный зазор с противоположной стороны, обладающей таким образом возможностью радиального смещения.

Динамическая неуравновешенность сборки "вал - рабочее колесо" создает радиальные биения в ступицах направляющих аппаратов, корпуса которых, не имея жесткого радиального крепления, способствуют увеличению радиальной вибрации насоса.

С другой стороны, наличие зазора является серьезной причиной, осложняющей разборку насоса при капитальном ремонте.

Проникновение перекачиваемой среды в зазор вызывает отложение солей, парафина, абразивных примесей, которые при извлечении вала с набором ступеней вызывают заклинивание сборки в корпусе, создавая запредельные усилия при выпрессовке.

Задача изобретения - повышение ресурса работы насоса.

Указанная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в уменьшении износа контактирующих поверхностей рабочего колеса и ступицы направляющего аппарата, снижении вибрации насоса и улучшении ремонтопригодности, повышении к.п.д. ступени.

Поставленный результат достигается тем, что в погружном многоступенчатом центробежном насосе, содержащем цилиндрический корпус, размещенные в нем ступени, каждая из которых состоит из установленного на валу с возможностью осевого перемещения рабочего колеса с защитной втулкой вала и неподвижного направляющего аппарата, имеющего на торцевых поверхностях цилиндрические буртики и ступицу, внутри которой, через защитную втулку, вращается вал насоса. Наружная цилиндрическая поверхность направляющего аппарата имеет равномерно расположенные выступы, центрирующие направляющий аппарат внутри корпуса. Полость между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью направляющего аппарата между выступами заполнена полимеризующимся эластичным однородным составом.

Торцевая поверхность ступицы направляющего аппарата со стороны входа в рабочее колесо обработана с высоким качеством поверхности и контактирует с внутренней кольцевой торцевой поверхностью цилиндрической головки защитной втулки вала, при этом внешний торец головки имеет сферическую проточку, у которой минимальный диаметр соответствует диаметру ступицы рабочего колеса со стороны входа в него жидкости, а максимальный - диаметру ступицы направляющего аппарата.

Для сокращения внутренних перетоков жидкости между смежными ступенями, уменьшения гидравлических сопротивлений, абразивного износа и вибрации в конструкции ступени защитная втулка вала выполняется со стороны переднего диска рабочего колеса с торцевой цилиндрической головкой.

Кольцевая внутренняя торцевая поверхность цилиндрической головки защитной втулки и торец ступицы направляющего аппарата со стороны входа жидкости в рабочее колесо обработаны с высоким качеством поверхности, образуя торцевое уплотнение ступени, снижающее перетоки жидкости между смежными ступенями, и одновременно создают дополнительную осевую опору рабочего колеса со стороны его переднего диска.

Внешний торец цилиндрической головки защитной втулки выполнен перпендикулярно оси, а внешняя цилиндрическая поверхность головки со стороны торца имеет проточку сферической формы, при этом минимальный диаметр торца головки соответствует диаметру ступицы рабочего колеса со стороны входа жидкости, а максимальный диаметр головки - диаметру ступицы направляющего аппарата на выходе из него жидкости, этим обеспечивается снижение гидравлических сопротивлений при входе жидкости в рабочее колесо.

Таким образом, образуется своеобразная двухопорная конструкция ступени, в которой цилиндрическая головка защитной втулки вала и торцевая поверхность ступицы направляющего аппарата совместно с антифрикционной шайбой на переднем диске рабочего колеса и буртиком направляющего аппарата воспринимают осевую нагрузку, возникающую на рабочем колесе.

Появление дополнительной осевой опоры уменьшает осевую нагрузку от рабочего колеса на опоры направляющего аппарата, обеспечивая уменьшение износа в сопрягаемых узлах трения.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен погружной многоступенчатый центробежный насос, разрез, на фиг.2 - показано расположение выступов.

Погружной многоступенчатый центробежный насос содержит набор последовательно собранных ступеней, каждая из которых состоит из направляющего аппарата 1 с равномерно расположенными выступами 2 на его наружной цилиндрической поверхности, рабочего колеса 3, в котором на переднем и заднем дисках соответственно запрессованы антифрикционные шайбы 4 и 5. Выступы 2 центрируют направляющий аппарат 1 внутри цилиндрического корпуса 6.

Направляющие аппараты 1 стянуты жестко встык друг к другу в цилиндрическом корпусе 6 и неподвижны. Ведущим звеном в насосе является вал 7, на котором свободно установлены рабочие колеса 3 и защитные втулки 8 с цилиндрической головкой со стороны входа в рабочее колесо 3, вращающиеся в ступице 9 направляющего аппарата 1.

Защитная втулка 8 вала выполнена со стороны переднего диска рабочего колеса 3 с торцевой цилиндрической головкой, внутренняя кольцевая поверхность которой с торцом ступицы 9 направляющего аппарата 1 создает торцевое уплотнение и дополнительную осевую опору переднего диска рабочего колеса 3 ступицы 9 насоса.

Кольцевая внутренняя торцевая поверхность цилиндрической головки защитной втулки 8 и торец ступицы 9 направляющего аппарата 1 со стороны входа жидкости в рабочее колесо 3 обработаны с высоким качеством поверхности, образуя торцевое уплотнение ступени, снижающее перетоки жидкости между смежными ступенями, и одновременно создают дополнительную осевую опору рабочего колеса 3 со стороны его переднего диска.

Внешний торец цилиндрической головки защитной втулки 8 выполнен перпендикулярно оси, а внешняя цилиндрическая поверхность головки со стороны торца имеет проточку сферической формы, при этом минимальный диаметр торца головки соответствует диаметру ступицы 8 рабочего колеса 3 со стороны входа жидкости, а максимальный диаметр головки - диаметру ступицы 9 направляющего аппарата 1 на выходе из него жидкости.

Защитная втулка 8 на валу 7 фиксируется шпонкой 10, как и в серийной конструкции ступени. Осевая ширина торцевой головки 3,5 мм, что соответствует осевому зазору между ступицей рабочего колеса и ступицей рабочего аппарата серийно выпускаемой ступени.

Рабочие колеса 3 установлены на валу 7 встык с небольшим осевым зазором по шпонке 10 и своими торцевыми поверхностями антифрикционной шайбы 4 переднего диска и антифрикционной шайбы 5 заднего диска рабочего колеса 3 имеют возможность контактировать с цилиндрическими буртиками 11 направляющего аппарата 1 и буртиком 12 смежного направляющего аппарата. Ступица рабочего колеса 3 со стороны переднего диска плотно соприкасается с кольцевой торцовой поверхностью цилиндрической головки защитной втулки 8, которая кольцевым выступом головки контактирует с торцом ступицы 9 направляющего аппарата 1.

При работе насоса рабочее колесо 3 прижимается осевой силой (создаваемой на нем потоком перекачиваемой жидкости), одновременно антифрикционной шайбой 4 переднего диска к буртику 11 и кольцевым выступом головки защитной втулки 8 к торцу ступицы 9 направляющего аппарата 1.

После установки всех ступеней в корпус полость между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью направляющего аппарата между выступами 2 заполняется полимеризующимся эластичным однородным составом, который, полимеризуясь, образует эластичное однородное тело 13, препятствующее перетоку жидкости в зазорах между направляющими аппаратами и корпусом, одновременно играя роль демпфера, что позволяет значительно снизить вибрацию при работе насоса.

Погружной многоступенчатый центробежный электронасос работает следующим образом.

При вращении вала 7 жидкость, добываемая из скважины, поступает из одной ступени в другую, последовательно установленные в общем наборе, увеличивая напор насоса пропорционально числу рабочих колес 3.

Жидкость, поступающая из лопастей вращающегося рабочего колеса 3, приобретает скоростной напор. Для преобразования кинетической энергии в энергию напора жидкость из рабочего колеса 3 направляется в неподвижные каналы смежного направляющего аппарата, установленного встык с направляющим аппаратом 1.

Жидкость, поступающая на рабочее колесо 3, будет выходить из него с повышенным напором. На рабочем колесе 3 возникает осевая сила, как результат разности напоров на входе и выходе и разности площадей переднего и заднего диска рабочего колеса, которая направлена в сторону, противоположную входу в колесо жидкости.

Осевая сила обуславливает прижатие антифрикционной шайбы 4 переднего диска колеса 3 к буртику 11 направляющего аппарата 1 и торца ступицы колеса 3 к торцу головки защитной втулки 8. Поскольку рабочее колесо 3 имеет свободу осевого перемещения вдоль вала, осевая сила, возникающая на рабочем колесе 3, воспринимается направляющим аппаратом 1 посредством буртика 11 и ступицей направляющего аппарата 1 посредством передачи осевого усилия от ступицы рабочего колеса 3 торцу головки защитной втулки 8 и далее кольцевой плоскостью головки на торец ступицы направляющего аппарата 1. Этим обеспечивается уменьшение удельной нагрузки на антифрикционную шайбу и снижение ее износа.

Кольцевой торец головки защитной втулки 8 с торцевой поверхностью ступицы направляющего аппарата 1 образует не только дополнительную осевую опору, но и создает высокоэффективное торцевое уплотнение, препятствующее перетоку жидкости между ступенями, предотвращает попадание абразива в зазор между наружной цилиндрической поверхностью защитной втулки и внутренней поверхностью ступицы. А сферическая проточка на внешнем торце головки защитной втулки обеспечивает снижение гидравлических сопротивлений при входе жидкости в рабочее колесо, чем обеспечивается повышение к.п.д. ступени.

Выступы 2 снаружи цилиндрической поверхности направляющего аппарата 1 при сборке обеспечивают размещение направляющего аппарата 1 равномерно по внутреннему диаметру корпуса 6 насоса. После сборки насоса полость между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью направляющих аппаратов между выступами заполняется полимеризующимся составом, который после полимеризации образует эластичное однородное тело 13. Этим предотвращается осевое и радиальное перемещение направляющих аппаратов и гасится радиальная вибрация, возникающая от динамической неуравновешенности сборки "рабочие колеса - вал", обеспечивается герметизация зазора между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 6 и внешней цилиндрической поверхностью направляющего аппарата 1. Направляющие аппараты с выступами могут чередоваться с направляющими аппаратами без выступов.

Изобретение относится к погружным центробежным многоступенчатым насосам для добычи нефти. Насос содержит цилиндрический корпус 6, размещенные в нем направляющие аппараты (НА) 1, которые по наружной цилиндрической поверхности имеют равномерно расположенные выступы 2. Полость между внутренней поверхностью корпуса 6 и наружной поверхностью НА 1 между выступами 2 заполнена полимеризующимся составом, образующим эластичное однородное тело 13. Это обеспечивает фиксацию НА 1, снижение радиальной вибрации насоса и герметизацию зазора между корпусом 6 и НА 1 ступени. Защитная втулка вала 8 выполнена с торцевой цилиндрической головкой, внутренняя кольцевая поверхность которой с торцом ступицы 9 НА 1 создает торцевое уплотнение и дополнительную осевую опору переднего диска рабочего колеса 3 ступицы 9 насоса. Изобретение направлено на повышение ресурса работы насоса. 2 ил.

Погружной многоступенчатый центробежный насос, содержащий цилиндрический корпус, размещенные в нем ступени, каждая из которых состоит из установленного на валу с возможностью осевого перемещения рабочего колеса с защитной втулкой вала и неподвижного направляющего аппарата, имеющего на торцевых поверхностях цилиндрические буртики и ступицу, внутри которой через защитную втулку вращается вал насоса, отличающийся тем, что наружная цилиндрическая поверхность направляющего аппарата имеет равномерно расположенные выступы, полость между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью направляющего аппарата между выступами заполнена полимеризующимся эластичным однородным составом, при этом защитная втулка вала выполена со стороны переднего диска рабочего колеса с торцевой цилиндрической головкой, кольцевая внутренняя торцевая поверхность цилиндрической головки защитной втулки и торец ступицы направляющего аппарата со стороны входа жидкости в рабочее колесо обработаны с высоким качеством поверхности, образуя торцевое уплотнение ступени, снижающее перетоки жидкости между смежными ступенями и одновременно создают дополнительную осевую опору рабочего колеса со стороны его переднего диска, а внешний торец цилиндрической головки защитной втулки выполнен перпендикулярно оси, причем внешняя цилиндрическая поверхность головки со стороны торца имеет проточку сферической формы, при этом минимальный диаметр торца головки соответствует диаметру ступицы рабочего колеса со стороны входа жидкости, а максимальный диаметр головки - диаметру ступицы направляющего аппарата на выходе из него жидкости.