РАДИАЛЬНЫЙ НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ПОГРУЖНОГО НАСОСА Российский патент 2009 года по МПК F04D29/44 F04D13/10 

Изобретение относится к области насосостроения и, прежде всего, к многоступенчатым насосам, используемым для добычи нефти из скважин и для подачи воды в продуктивный нефтеносный пласт для поддержания и повышения в нем пластового давления.

Известно применение в ступенях погружного многоступенчатого центробежного насоса направляющего аппарата с лопастями, размещенными между верхним и нижним дисками, формирующими проточную часть направляющего аппарата (см., например, В.Н.Ивановский и др. «Оборудование для добычи нефти и газа», М.: ГУП, изд-во «Нефть и газ» РГУ Нефти и газа им. И.М.Губкина, 2002. 4.1. с.356-360, рис.5.5).

Такой направляющий аппарат относительно прост в изготовлении, но ступени с таким НА недостаточно хорошо перекачивают газожидкостные смеси.

Известен целый ряд радиальных направляющих аппаратов, у которых конструкция устроена так, что перекачиваемая среда, выходя с рабочего колеса, попадает под воздействие направляющих элементов, выполненных в виде направляющих лопаток или ребер, образующих совместно с плоскими поверхностями дисков и цилиндрической поверхностью корпуса НА направляющие каналы, по которым перекачиваемая среда переходит ко входу в рабочее колесо следующей ступени (патент РФ №35392 U1 на полезную модель, опубл. 10.01.2004, авт. свид-во СССР №479399, опубл. 05.08.76, патент РФ №2142069, опубл. 27.11.99).

В рассматриваемых конструкциях имеются спиральные выходы, диффузорные каналы, переходные наклонные каналы и обратные каналы. Подобная последовательность характерна для ступеней большого габарита. В ступенях меньшего габарита в некоторых случаях отдельные из перечисленных элементов отсутствуют.

В одном из таких направляющих аппаратов диффузорный канал укорочен, а вместо наклонных переходных каналов имеются вырезы с боковой поверхности нижнего диска, через которые среда может переходить из диффузорного канала в обратные (авт. свид-во СССР №479399, МКИ F04D 29/44, опубл. 05.08.76). В другой конструкции направляющего аппарата переходный боковой канал образуют боковые ребра более сложной формы (патент РФ №35392 U1 на полезную модель, МКИ F04D 29/44, опубл. 10.01.2004), что позволяет лучше организовать переход, однако форма таких наклонных переходных каналов несовершенна. Существуют конструкции направляющих аппаратов, в которых полностью отсутствуют диффузорные каналы, но есть хорошо оформленные наклонные переходные каналы (патент РФ №2142069, МКИ F04D 29/44, опубл. 27.11.99).

Общим недостатком для всех перечисленных направляющих аппаратов является сложность изготовления.

Наиболее близким техническим решением является радиальный направляющий аппарат, имеющий цилиндрический корпус, выполненный заодно с верхним диском, и нижний диск в виде отдельной детали. На нижней, боковой и верхней поверхностях нижнего диска расположены направляющие лопатки, образующие с плоскими поверхностями верхних дисков данной и соседней ступеней, а также с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса последовательность направляющих каналов: спирального выхода, диффузорного канала, переходного канала, обратного канала. При этом на боковой поверхности нижнего диска образованы выемки (см., например, Богданов А.А. Центробежные погружные электронасосы для добычи нефти. - М.: Недра, 1968, фиг.36. С.48-49).

Недостатком данного направляющего аппарата является достаточно высокая сложность изготовления нижнего диска, особенно для малых габаритов.

Описываемая конструкция направляющего аппарата изготавливается из более простых по форме деталей, обеспечивает высокие напорные и энергетические характеристики ступени и эффективную работу при перекачке газожидкостных смесей.

Это достигается тем, что в радиальном направляющем аппарате центробежного многоступенчатого насоса, содержащем цилиндрический корпус, верхний и нижний диски, спиральные выходы, соединенные с обратными каналами посредством переходных каналов, согласно изобретению на периферийных участках верхнего и нижнего дисков закреплены вкладыши с внутренними и внешними цилиндрическими поверхностями, внешняя цилиндрическая поверхность вкладыша, имеющая наклонную профилированную выемку с расширением на выходе, совмещена с ответной цилиндрической поверхностью вертикальных выступов, выполненных на внутренней поверхности цилиндрического корпуса, переходные каналы сформированы между стенками наклонной профилированной выемки и цилиндрической поверхностью выступов, а в периферийной области обратных каналов на стыке с переходными каналами расположена переходная камера, имеющая плавное уменьшение высоты обратных каналов при переходе от периферии к центру за счет углубления на верхней стороне нижнего диска и/или на нижней стороне верхнего диска.

Сечение наклонной профилированной выемки на входе в обратные каналы может быть либо трапециевидной, либо прямоугольной формы. Дно выемки образовано цилиндрической поверхностью, ось которой параллельна оси направляющего аппарата, а стенки выемки полностью или частично выполнены в виде сложной цилиндрической поверхности с вогнутыми и выпуклыми участками переменной кривизны, образующие которой перпендикулярны оси направляющего аппарата. Для обеспечения непрерывного тока жидкости входные и выходные участки выемки параллельны или направлены под малым углом к горизонтальным граням вкладыша и плавно сопряжены с промежуточной частью, выполненной наклонной. Часть поверхности стенок может быть выполнена со скосами, сужающими нижнюю часть выемки на выходе и придающими сечению переходного канала в вертикальной плоскости трапециевидную форму с меньшим основанием, примыкающим ко дну выемки.

Периферийные части нижнего и верхнего диска, где сформированы углубления для создания переходной камеры, выполнены утолщенными. Целесообразно, чтобы внешние стороны углублений были совмещены с внешними сторонами обратных каналов. Для закрепления вкладышей на периферии нижнего диска выполнены выемки, а на верхнем диске - гнезда.

Спиральные выходы ограничены направляющими выступами, расположенными на периферии нижней стороны нижнего диска, верхний диск выполнен в виде отдельной детали, а обратные каналы сформированы на нижней поверхности верхнего диска.

Вкладыш целесообразно изготавливать методом прессования вдоль оси, параллельной его горизонтальным граням. Под нижним диском размещают кольцевую крышку, которая снабжена гнездами для фиксации вкладышей и установлена вплотную к внутренним стенкам цилиндрического корпуса с упором на его вертикальные выступы.

Предпочтительно соединять отдельные детали направляющего аппарата путем склейки, пайки, сварки или фиксирующих элементов.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 показана ступень с направляющим аппаратом заявляемой конструкции, продольный разрез ступени по плоскости, проходящей через ось вала и пересекающей вкладыш вблизи выхода из переходного канала; на фиг.2 - направляющий аппарат без крышки, вид снизу; на фиг.3 - вкладыш направляющего аппарата, вид со стороны выемки; на фиг.4 - верхний диск направляющего аппарата, вид снизу; на фиг.5 - верхний диск направляющего аппарата, вид сверху; на фиг.6 - нижний диск направляющего аппарата, вид сверху; на фиг.7 - крышка направляющего аппарата, вид сверху.

Ступени многоступенчатого насоса набираются на валу 1. Каждая ступень содержит направляющий аппарат 2 и рабочее колесо 3 (фиг.1).

Направляющий аппарат 2 состоит из цилиндрического корпуса 4, верхнего диска 5, нижнего диска 6, вкладышей 7 и крышки 8, выполненных в виде отдельных деталей. На внутренней поверхности цилиндрического корпуса 4 выполнены вертикальные выступы 9 (фиг.1, 2).

Для формирования спиральных выходов на периферии нижней стороны нижнего диска 6 вокруг рабочего колеса 3 размещены направляющие 10, имеющие соответствующую конфигурацию внутренней боковой поверхности. В боковой части нижнего диска 6 выполнены трехгранные выемки 11 для вкладышей 7 (фиг.2, 6), при этом широкий торец направляющей 10 служит сплошной стенкой трехгранной выемки 11. Вкладыши 7 опираются внешней цилиндрической поверхностью 12 на вертикальные выступы 9, имеющие ответную цилиндрическую поверхность. Внутренняя поверхность 13 вкладышей 7 участвует в формировании спиральных выходов за счет плавной стыковки с боковыми поверхностями направляющих 10 и язычков 14, последний выполняет роль стенки в диффузорном канале 15. На внешней цилиндрической поверхности 12 вкладыша 7 сформирована наклонная профилированная выемка 16 с цилиндрическим дном 17 и стенками 18 (фиг.3). Выемка 16 может иметь выпуклые 19 и вогнутые 20 участки. Входные 21 и выходные 22 участки выемки 16 плавно сопряжены с наклонной промежуточной частью.

Стенки 18 могут быть полностью цилиндрическими, с образующими, расположенными вертикально по всей длине, или с переходом на скос на выходном участке 22. В первом случае сечение 23 имеет прямоугольную форму, а во втором - трапециевидную (фиг.1).

На нижней поверхности верхнего диска 5 между ребрами 24 сформированы обратные каналы 25 (фиг.4), к началу которых примыкают фигурные гнезда 26, имеющие форму, соответствующую торцу вкладыша 7.

Для формирования переходной камеры в обратных каналах 25 выполнены плавно сужающиеся углубления 27, расширенная и наиболее глубокая часть которых расположена со стороны гнезд 26. Внешняя сторона 28 углубления 27 совпадает с внешней стороной обратного канала 25. Для безопасного выполнения углублений и надежности фиксации вкладышей 7 на периферии верхней стороны верхнего диска 5 выполнен кольцевой буртик 29 (фиг.5).

Одновременно на верхней стороне нижнего диска 6 может быть выполнено углубление 30 с ответной конфигурацией. Возможен вариант исполнения с углублением только на нижнем диске 6.

Кольцевая крышка 9 с верхней стороны снабжена гнездами 31 для фиксации вкладышей 7 (фиг.7).

Сборка направляющего аппарата 2 может быть осуществлена следующим образом.

Верхний диск 5 вставляют в цилиндрический корпус 4 с упором на выступы 9, ориентируя напротив них гнезда 26. Затем вкладыши 7 размещают в гнездах 26, достигая полного совмещения поверхностей 12 с цилиндрическими поверхностями выступов 9. При этом стенки обратного канала 25 (или углубления 28 при его наличии) образуют с верхними стенками выходного участка 22 выемки 16 единую поверхность, а между поверхностями выступа 9, дном 17 и стенками 18 выемки формируется переходный канал.

Далее на верхнем диске 5 устанавливают нижний диск 6, размещая вкладыши 7 в трехгранных выемках 11, в результате верхние стенки входного участка 21 выемки 16 совмещаются с нижней поверхностью нижнего диска 6, а нижние стенки выходного участка 22 - с верхней поверхностью нижнего диска 6 или со стенками углубления 30. Формирование переходной камеры с помощью одного или двух углублений расширяет проходное сечение между переходными и обратными каналами.

После сборки торцевые грани вкладышей 7 выступают над нижней поверхностью нижнего диска 6 на высоту, равную глубине гнезд 31 в кольцевой крышке 9. Далее устанавливают крышку 8, которая опирается на торцевые поверхности направляющих 10 и жестко фиксируется за счет размещения выступающих частей вкладыша 7 внутри гнезд 31.

Во время сборки направляющего аппарата 2 места стыков отдельных деталей промазываются шликером на основе порошковой смеси, из которой изготовлены эти детали. Благодаря этому после сборки и спекания зазоры между деталями направляющего аппарата 2 герметизируются и получаются проточные части, представляющие собой каналы (переходные и обратные) и переходные камеры, ограниченные с четырех сторон, что, по сравнению с прототипом, позволяет устранить возможные протечки.

Направляющий аппарат работает следующим образом. Поток перекачиваемой жидкости с рабочего колеса 3 направляется в спиральные отводы 15 на нижней поверхности нижнего диска 6 (фиг.2), затем проходит через переходные каналы во вкладышах 7 и поступает в переходную камеру, образованную с помощью углублений 29 и/или 30, откуда попадает непосредственно в обратные каналы 25, сформированные в верхнем диске 5 и закрытые снизу верхней стороной нижнего диска 6. Далее жидкость перемещается в радиальном направлении к центральной части дисков и через кольцевой зазор вокруг втулки поднимается на вход рабочего колеса следующей ступени.

Предлагаемая конструкция позволяет увеличить напор за счет стабилизации потока в четырехгранных каналах и предотвращения перетоков рабочей жидкости между ступенями.

Оптимальная конфигурация переходных каналов и формирование переходной камеры снижает гидравлические потери и обеспечивает эффективную перекачку жидкости с высоким содержанием газа.

Выполнение направляющего аппарата разъемным позволяет использовать для его изготовления технологию порошкового материаловедения с привлечением широкого ассортимента материалов. Кроме того, в случае изнашивания каждый из элементов может быть заменен отдельно.

Радиальный направляющий аппарат предназначен для насосов, добывающих нефть из скважин и подающих воду в продуктивный нефтеносный пласт для поддержания и повышения в нем пластового давления. Направляющий аппарат состоит из цилиндрического корпуса 4, верхнего диска, нижнего диска 6, вкладышей 7 с внешней и внутренней поверхностями 12, 13 и крышки, выполненных в виде отдельных деталей. Вкладыши 7 опираются внешней цилиндрической поверхностью 12 на ответную поверхность вертикальных выступов 9 внутренней поверхности цилиндрического корпуса 4. Переходные каналы сформированы с помощью наклонной профилированной выемки 11, выполненной на внешней цилиндрической поверхности 12 вкладыша 7. Наклонная профилированная выемка 11 имеет расширение на выходе. В периферийной области обратных каналов на стыке с переходными каналами расположена переходная камера. Камера имеет плавное уменьшение высоты обратных каналов при переходе от периферии к центру за счет углубления на верхней стороне нижнего диска 6 и/или на нижней стороне верхнего диска. Изобретение позволяет увеличить напор за счет стабилизации потока в четырехгранных каналах и предотвращения перетоков рабочей жидкости между ступенями. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Радиальный направляющий аппарат центробежного многоступенчатого насоса, содержащий цилиндрический корпус, верхний и нижний диски, спиральные выходы, соединенные с обратными каналами посредством переходных каналов, отличающийся тем, что на периферийных участках верхнего и нижнего дисков закреплены вкладыши, ограниченные внутренними и внешними цилиндрическими поверхностями, при этом внешняя цилиндрическая поверхность вкладыша, имеющая наклонную профилированную выемку с расширением на выходе, совмещена с ответной цилиндрической поверхностью вертикальных выступов, выполненных на внутренней поверхности цилиндрического корпуса, переходные каналы сформированы между стенками наклонной профилированной выемки и цилиндрической поверхностью выступов, а в периферийной области обратных каналов на стыке с переходными каналами расположена переходная камера, имеющая плавное уменьшение высоты обратных каналов при переходе от периферии к центру за счет углубления на верхней стороне нижнего диска и/или на нижней стороне верхнего диска.

2. Радиальный направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что в наклонной профилированной выемке вкладыша дно образовано цилиндрической поверхностью, ось которой параллельна оси направляющего аппарата, а стенки выемки частично выполнены в виде сложной цилиндрической поверхности с вогнутыми и выпуклыми участками переменной кривизны, образующие которой перпендикулярны оси направляющего аппарата, при этом для обеспечения непрерывного тока жидкости входные и выходные участки выемки параллельны или направлены под малым углом к горизонтальным граням вкладыша и плавно сопряжены с промежуточной частью, выполненной наклонной, причем часть поверхности стенок выполнена со скосами, сужающими нижнюю часть выемки на выходе и придающими сечению переходного канала в вертикальной плоскости трапециевидную форму с меньшим основанием, примыкающим ко дну выемки.

3. Радиальный направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что наклонная профилированная выемка на выходе выполнена с сечением прямоугольной формы.

4. Радиальный направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что углубления на верхней стороне нижнего диска и/или на нижней стороне верхнего диска выполнены на утолщенных участках.

5. Радиальный направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что внешние стороны углублений, обеспечивающие наибольшую высоту переходной камеры, совмещены с внешними сторонами обратных каналов.

6. Радиальный направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что вкладыши на нижнем диске закреплены в сквозных выемках, а на верхнем диске - в гнездах.

7. Радиальный направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что спиральные выходы ограничены направляющими, расположенными на периферии нижней стороны нижнего диска, верхний диск выполнен в виде отдельной детали, а обратные каналы сформированы на нижней поверхности верхнего диска.

8. Радиальный направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что вкладыш изготовлен методом прессования вдоль оси, параллельной его горизонтальным граням.

9. Радиальный направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что под нижним диском размещена кольцевая крышка, снабженная гнездами для фиксации вкладышей и установленная вплотную к внутренним стенкам цилиндрического корпуса с упором на его вертикальные выступы.

10. Радиальный направляющий аппарат по п.1, отличающийся тем, что отдельные детали соединены путем склейки, пайки, сварки или фиксирующих элементов.