СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА И НАСОСНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2010 года по МПК F04D29/68 F04D29/44 F04D29/24 

Предшествующий уровень техники

Центробежные насосы используются во многих применениях для перекачки разнообразных текучих сред. Например, центробежные насосы используются в качестве электрических погружных насосов, устанавливаемых в скважинах или в других условиях погруженности. Электрические погружные насосы часто используются при добыче нефти или для перекачки текучей среды в скважинных условиях.

Электрические погружные насосы состоят из нескольких насосных ступеней, каждая из которых имеет рабочее колесо и диффузор. Каждая насосная ступень может иметь гидравлические потери, вызванные режимами вторичного течения, происходящими в данной ступени. Общими причинами вторичного течения являются силы Кориолиса в рабочих колесах и также кривизна лопастей и каналов в рабочих колесах и в диффузорах. Вторичный поток обычно имеет меньшую скорость, чем ядро потока, и он нередко образуется в углу всасывания/ступицы в диффузорах и в углу всасывания/кожуха в рабочих колесах.

Наиболее близким к изобретению в части способа является способ повышения эффективности работы центробежного насоса, при котором диффузор насоса обеспечивают множеством лопастей и создают канал вдоль основания по меньшей мере одной лопасти для обеспечения протекания через нее потока текучей среды (DE 19548852 А1, 03.07.1997).

Наиболее близким к изобретению в части другого способа является способ повышения эффективности работы центробежного насоса, при котором рабочее колесо насоса обеспечивают множеством лопастей и создают канал в по меньшей мере одной лопасти (US 2004213661A1, 28.10.2004).

Наиболее близким к изобретению в части насосной установки является насосная система, содержащая погружной электродвигатель и погружной центробежный насос, запитываемый погружным электродвигателем и имеющий множество ступеней, каждая из которых имеет рабочее колесо и диффузор (СА 2382739 А1, 19.10.2002).

Наиболее близким к изобретению в части устройства является устройство для повышения эффективности работы центробежного насоса, содержащее насосный компонент, имеющий множество лопастей, выполненных с возможностью создания путей потока течения текучей среды, при этом по меньшей мере одна лопасть имеет канал, проходящий между путями потока текучей среды, отделенными друг от друга лопастью (SU 1257296 А1, 15.09.1986).

Недостатком известных технических решений является недостаточная эффективность снижения неблагоприятных последствий вторичного течения.

Задачей группы изобретений является повышение эффективности снижения неблагоприятных последствий вторичного течения и как следствие повышение эффективности перекачки.

Сущность изобретения

Технический результат достигается тем, что в способе повышения эффективности работы центробежного насоса, при котором диффузор насоса обеспечивают множеством лопастей и создают канал через по меньшей мере одну лопасть для обеспечения протекания через нее потока текучей среды, согласно изобретению канал создают вдоль основания лопасти с ориентированием каждого канала для обеспечения возможности литья в песчаные формы, при котором удаление вставки канала лопасти из песчаного литейного стержня не нарушает песчаный литейный стержень.

Способ может включать в себя формирование меридианного размера канала, составляющего по меньшей мере двадцать пять процентов меридианной длины лопасти.

Способ может включать в себя создание канала в каждой лопасти.

Способ может включать в себя ориентирование каждого канала между областью медленного течения на одной стороне лопасти и областью быстрого течения на противоположной стороне лопасти.

Технический результат достигается и тем, что в способе повышения эффективности работы центробежного насоса, при котором рабочее колесо насоса обеспечивают множеством лопастей и создают канал в по меньшей мере одной лопасти, согласно изобретению создают канал вдоль основания лопасти таким образом, что меридианный размер канала проходит по меньшей мере по двадцати пяти процентам меридианной длины лопасти.

Способ может включать в себя создание канала в каждой лопасти.

Способ может включать в себя ориентирование каждого канала между областью медленного течения на одной стороне лопасти и областью быстрого течения на противоположной стороне лопасти.

Способ может включать в себя ориентирование каждого канала для обеспечения возможности литья в песчаные формы, при котором удаление вставки канала лопасти из песчаного линейного стержня не нарушает песчаный литейный стержень.

Технический результат достигается и тем, что в насосной системе, содержащей погружной электродвигатель и погружной центробежный насос, запитываемый погружным электродвигателем и имеющий множество ступеней, каждая из которых имеет рабочее колесо и диффузор, согласно изобретению по меньшей мере одно рабочее колесо или диффузор сформированы с лопастью, имеющей проходящий через нее канал, при этом по меньшей мере одно рабочее колесо имеет канал, расположенный в основании лопасти и ориентированный для обеспечения возможности литья в песчаные формы, при котором удаление вставки канала лопасти из песчаного линейного стержня не нарушает песчаный литейный стержень.

Рабочее колесо и диффузор могут иметь множество лопастей, и канал проходит через каждую лопасть рабочего колеса и каждую лопасть диффузора.

Канал может быть ориентирован между областью медленного течения и областью быстрого течения на противоположной стороне лопасти.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для повышения эффективности работы центробежного насоса, содержащем насосный компонент, имеющий множество лопастей, выполненных с возможностью создания путей потока течения текучей среды, при этом по меньшей мере одна лопасть имеет канал, проходящий между путями потока текучей среды, отделенными друг от друга лопастью, согласно изобретению канал выполнен проходящим через основание ступицы лопасти.

Все лопасти могут иметь проходящий через них канал.

Насосный компонент может быть выполнен литьем в песчаные формы.

Канал может проходить по меньшей мере по двадцати пяти процентам меридианной протяженности лопасти.

Краткое описание чертежей

Некоторые осуществления изобретения далее излагаются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 показывает переднюю вертикальную проекцию электрической погружной насосной системы, установленной в стволе скважины и имеющей центробежный насос, согласно осуществлению настоящего изобретения;

фиг.2 схематически показывает переднюю вертикальную проекцию центробежного насоса с несколькими ступенями, каждая из которых имеет рабочее колесо и диффузор, согласно осуществлению настоящего изобретения;

фиг.3 показывает ортогональную проекцию лопасти насосного компонента, имеющей канал, проходящий через лопасть, в область течения с низкой энергией, согласно осуществлению настоящего изобретения;

фиг.4 показывает ортогональную проекцию части насосного компонента с лопастью, имеющей канал, согласно осуществлению настоящего изобретения;

фиг.5 показывает ортогональную проекцию еще одного насосного компонента с лопастями, имеющими канал, согласно осуществлению настоящего изобретения;

фиг.6 показывает вид спереди насосного компонента, показывающий ориентацию канала, позволяющую осуществить литье насосного компонента в песчаные формы, согласно осуществлению настоящего изобретения.

Подробное описание

В приводимом ниже описании приведены подробности, поясняющие изобретение. Специалистам в данной области техники будет ясно, что настоящее изобретение можно реализовать без этих подробностей, и что возможны многочисленные варианты или модификации описываемых осуществлений.

Настоящее изобретение в общем относится к способу перекачки текучей среды. Центробежный насос использует такие насосные компоненты, как рабочие колеса и/или диффузоры, имеющие каналы, ориентированные для уменьшения гидравлических потерь, обусловленных режимами вторичного течения. Режимы вторичного течения создают области медленного течения текучей среды (с низкой энергией) в ступенях центробежного насоса. Области медленного течения могут образоваться на создающих течение или направляющих лопастях в отдельных ступенях центробежного насоса. Области быстрого течения текучей среды (с более высокой энергией) нередко находятся непосредственно на лопасти в прилегающем пути течения. Один или несколько каналов могут быть сформированы через лопасть и сообщаться с областью медленного течения. Эти каналы позволяют небольшому количеству текучей среды проходить от области медленного течения на одной стороне лопасти к противоположной стороне лопасти, тем самым уменьшая гидравлические потери, связанные с областью медленного течения.

На фиг.1 показан один вариант осуществления центробежного насоса, установленного в устройстве перекачки. В этом осуществлении центробежный насос 20 используется в скважине. Центробежный насос 20 является электрическим погружным насосом 22, связанным с электрической погружной перекачивающей системой 24. Электрическая погружная перекачивающая система 24 может содержать различные компоненты в зависимости от конкретного применения или от условий работы. Например, электрическая погружная перекачивающая система 24 содержит погружной электродвигатель 26, зачитывающий погружной насос 22. Между погружным электродвигателем 26 и погружным насосом 22 можно установить устройство 28 защиты электродвигателя, чтобы защищать расположенный внутри него погружной электродвигатель 26 и уравновешивать разности внутреннего и внешнего давлений.

В поясняемом осуществлении электрическая погружная перекачивающая система 24 предназначена для ее развертывания в скважине 30 в геологической формации 32 с необходимой добываемой текучей средой, такой как углеводороды. Электрическая погружная перекачивающая система 24 развернута в стволе 34 скважины, пробуренной в геологической формации 32. В некоторых применениях обсадная колонна 36 используется для закрепления ствола 34 скважины. В обсадной колонне 36 выполнены сквозные отверстия, или перфорации 38 для прохождения текучей среды между окружающей геологической формацией 32 и стволом 34 скважины.

Электрическая погружная перекачивающая система 24 развернута в стволе 34 скважины соответствующей системой 40 развертывания. В зависимости от конкретного применения система 40 развертывания может содержать тросы, насосно-компрессорную колонну, гибкую трубу или другие соответствующие системы развертывания. Система 40 развертывания соединена с электрическим погружным насосом 22 или с другим соответствующим компонентом насосной системы 24 соединителем 42. Погружной электродвигатель 26 запитывается по силовому кабелю 44. Погружной электродвигатель 26, в свою очередь, запитывает погружной насос 22, который забирает текучую среду всасывающим патрубком 46 насоса. Текучую среду можно перекачивать в нужное местоположение по системе 40 развертывания насосно-компрессорной колонны, например.

Центробежный насос 20 и электрическая погружная перекачивающая система 24 являются примерами многих возможных центробежных насосов, перекачивающих систем и перекачивающих устройств. Например, центробежный насос 20 можно использовать во многих типах перекачивающих устройств, включая устройства для добычи, нагнетания, перекачки текучей среды и другие. Помимо этого электрическая погружная перекачивающая система 24 может содержать дополнительные или альтернативные компоненты в зависимости от определенного устройства и условий перекачки.

Согласно фиг.2 центробежный насос 20 имеет по меньшей мере одну ступень и обычно несколько ступеней 48, расположенных внутри внешнего кожуха 50 насоса. Каждая ступень 48 содержит насосные компоненты для создания и направления потока текучей среды. Насосные компоненты в каждой ступени содержат рабочее колесо 52 и диффузор 54. Рабочие колеса 52 действуют от соответствующего источника энергии, такого как погружной электродвигатель 26, для перекачки текучей среды по центробежному насосу 20 в направлении стрелки 55. Каждое вращающееся рабочее колесо 52 перемещает текучую среду от предшествующего диффузора 54 в и через последующий диффузор 54 и в следующее рабочее колесо, пока текучая среда не выйдет из центробежного насоса 20. Рабочие колеса 52 используют лопасти 56, способные захватывать и перемещать текучие среды в нужном направлении при вращении рабочих колес. Диффузоры 54 также содержат лопасти 58, способные обеспечить направление каждым диффузором течения текучей среды от предшествующего рабочего колеса к следующему по последовательности рабочему колесу, пока текучая среда не будет выпущена из центробежного насоса.

Лопасти 56 рабочего колеса и лопасти 58 диффузора могут иметь режимы вторичного течения, образующиеся в ступенях 48. Режимы вторичного течения образуются в областях медленного течения и, следовательно, более низкой энергии по отношению к ядру течения через центробежный насос 20. Обычно область быстрого течения текучей среды (с более высокой энергией) находится непосредственно на данной лопасти после области медленного течения. Режимы вторичного течения обусловливают гидравлические потери и поэтому снижение эффективности перекачки.

Согласно фиг.3 один или несколько каналов 60 расположены в лопастях 56 и/или 58. Лопасть на фиг.3 обозначена как лопасть 58 диффузора, но данное описание также относится и к лопастям 56 рабочего колеса. Лопасть 58 отделяет прилегающие следующие пути 62 течения, и каналы 60 проходят через или по лопасти 58 между путями 62 течения. Каждый канал 60 посредством текучей среды сообщается с областью 66 вторичного течения текучей среды или медленного течения. В данном примере каналы 60 проходят через лопасть от области 66 медленного течения текучей среды в пути 62 течения в область 68 более быстрого течения текучей среды в следующем пути 62 течения на противоположной стороне лопасти. Канал 60 позволяют небольшому количеству текучей среды проходить из области 66 с низкой энергией к противоположной стороне лопасти, в результате чего сокращаются гидравлические потери.

Для снижения гидравлических потерь можно использовать различные технические решения. Например, один из каналов 60 согласно фиг.3 расположен вдоль основания 70 лопасти и по существу расположен низко по отношению к основанию. Другой показанный канал 60 проходит на большее расстояние по отношению к основанию 70. Например, размер второго канала составляет более двадцати пяти процентов меридианной протяженности 72 лопасти. Основанием 70 может быть основание ступицы или основание кожуха в зависимости от насосного компонента, в котором сформированы каналы 60.

Число используемых в данной лопасти каналов 60 может также быть разным. Например, согласно фиг.4 через лопасть 56 одного из рабочих колес 52 расположен одиночный канал 60. Каналы 60 могут быть выполнены через одиночные лопасти, выборочные лопасти или все лопасти данного рабочего колеса 52 и/или диффузора 54. Помимо этого каналы 60 можно использовать только в рабочих колесах, только в диффузорах, либо и в рабочих колесах, и в диффузорах в центробежном насосе 20.

Согласно фиг.5, например, отдельные каналы 60 проходят через каждую лопасть 58 диффузора 54. В этом осуществлении каналы 60 расположены вдоль оснований 70 лопастей 58 вблизи ступицы 74 диффузора 54. Каналы на стороне ступицы сформированы для корректировки разделения в углу стороны всасывания/ступицы, т.е. корректировки вторичного потока, который может быть причиной гидравлических потерь в данной насосной ступени. Но дополнительные каналы или другие конфигурации канала можно использовать в зависимости от конструкции рабочего колеса, формы лопастей и параметров эффективности перекачки.

В поясняемых осуществлениях рабочего колеса и диффузора каналы 60 имеют геометрии и ориентации, подобранные для обеспечения возможности литья насосных компонентов в песчаные формы без необходимости последующей станочной обработки их. Возможность формирования полного насосного компонента, например рабочего колеса или диффузора насоса литьем в песчаные фермы, обеспечивает возможность изготовления экономически выгодных насосных рабочих колес и насосных диффузоров за счет устранения необходимости в последующих формирующих процедурах, станочных, для выполнения каналов 60. Каналы 60 сконструированы с геометрией и ориентацией, позволяющими выполнение литья в песчаные формы, согласно которому удаление вставки канала лопасти из песчаного литейного стержня не нарушает этот стержень. Этим обеспечивается возможность формирования целого насосного рабочего колеса 52 или насосного диффузора 54, включая каналы 60, в течение одной процедуры литья в песчаные формы. Как показано на фиг.б, каждый канал 60 ориентирован вдоль угла 76 снятия вставки лопасти. Угол 76 снятия вставки лопасти подбирают в соответствии с конструкцией рабочего колеса 52 или диффузора 54, чтобы обеспечивать аккуратное удаление вставки канала лопасти при выполнении литья в песчаные формы. Необходимо отметить, что в некоторых вариантах формирования насосных компонентов можно использовать другие методы литья помимо литья в песчаные формы.

Использование насосных компонентов с каналами, обеспечивающими снижение неблагоприятных последствий вторичного течения, обеспечивает экономически выгодный подход к повышению эффективности перекачки центробежных насосов. Помимо этого себестоимость изготовления этих насосных компонентов можно также понизить за счет ориентирования каналов в соответствии с целесообразным углом 76 снятия вставки лопасти. Размер и форму насосных компонентов, и также число и форму лопастей 56, 58 насосных компонентов можно подбирать в зависимости от таких факторов, как нужная конструкция центробежного насоса и условия, в которых используется данный центробежный насос. Помимо этого число, местоположение и конфигурацию каналов 60 можно подобрать в соответствии с конфигурацией и контуром лопасти и также в соответствии с другими параметрами перекачки.

Выше подробно изложены только несколько осуществлений изобретения, но специалистам в данной области техники будет ясно, что в данном изобретении можно реализовать многие модификации в рамках его идеи. Соответственно подразумевается, что эти модификации входят в объем изобретения, определяемый в его формуле.

Изобретение относится к области насосостроения, в частности к многоступенчатым центробежным насосам. Устройство для повышения эффективности центробежного насоса содержит насосный компонент, такой как рабочее колесо или диффузор 54, имеющий множество лопастей 58, выполненных с возможностью создания путей потока текучей среды. По меньшей мере одна лопасть 58 имеет канал 60, проходящий через основание 70 ступицы 74 лопасти 58 между путями потока текучей среды, отделенными друг от друга лопастью 58. Изобретение направлено на снижение неблагоприятных последствий вторичного потока, который может быть причиной гидравлических потерь, и повышение экономичности насоса. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ повышения эффективности работы центробежного насоса, при котором диффузор насоса обеспечивают множеством лопастей и создают канал вдоль основания по меньшей мере одной лопасти для обеспечения протекания через нее потока текучей среды с ориентированием каждого канала для обеспечения возможности литья в песчаные формы, при котором удаление вставки канала лопасти из песчаного литейного стержня не нарушает песчаный литейный стержень.

2. Способ по п.1, в котором при создании канала формируют меридианный размер канала, составляющий по меньшей мере 25% меридианной длины лопасти.

3. Способ по п.1, в котором создают канал в каждой лопасти.

4. Способ по п.1, в котором при создании канала ориентируют каждый канал между областью медленного течения на одной стороне лопасти и областью быстрого течения на противоположной стороне лопасти.

5. Способ повышения эффективности работы центробежного насоса, при котором рабочее колесо насоса обеспечивают множеством лопастей и создают канал вдоль основания по меньшей мере одной лопасти таким образом, что меридианный размер канала проходит по меньшей мере по 25% меридианной длины лопасти.

6. Способ по п.5, в котором создают канал в каждой лопасти.

7. Способ по п.5, в котором при создании канала ориентируют каждый канал между областью медленного течения на одной стороне лопасти и областью быстрого течения на противоположной стороне лопасти.

8. Способ по п.5, в котором при создании канала ориентируют каждый канал для обеспечения возможности литья в песчаные формы, при котором удаление вставки канала лопасти из песчаного литейного стержня не нарушает песчаный литейный стержень.

9. Насосная система, содержащая погружной электродвигатель и погружной центробежный насос, запитываемый погружным электродвигателем и имеющий множество ступеней, каждая из которых имеет рабочее колесо и диффузор, причем по меньшей мере одно рабочее колесо или диффузор сформированы с лопастью, имеющей проходящий через нее канал, при этом по меньшей мере одно рабочее колесо имеет канал, расположенный в основании лопасти и ориентированный для обеспечения возможности литья в песчаные формы, при котором удаление вставки канала лопасти из песчаного литейного стержня не нарушает песчаный литейный стержень.

10. Насосная система по п.9, в которой рабочее колесо и диффузор имеют множество лопастей, и канал проходит через каждую лопасть рабочего колеса и каждую лопасть диффузора.

11. Насосная система по п.9, в которой канал ориентирован между областью медленного течения и областью быстрого течения на противоположной стороне лопасти.

12. Устройство для повышения эффективности работы центробежного насоса, содержащее насосный компонент, имеющий множество лопастей, выполненных с возможностью создания путей потока текучей среды, при этом по меньшей мере одна лопасть имеет канал, проходящий через основание ступицы лопасти между путями потока текучей среды, отделенными друг от друга лопастью.

13. Устройство по п.12, в котором все лопасти имеют проходящий через них канал.

14. Устройство по п.12, в котором насосный компонент выполнен литьем в песчаные формы.

15. Устройство по п.12, в котором канал проходит по меньшей мере по 25% меридианной протяженности лопасти.