СТУПЕНЬ МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА Российский патент 2014 года по МПК F04D13/10 F04D29/47 

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в погружных многоступенчатых центробежных насосах для добычи нефти и пластовой жидкости из скважин с высоким содержанием солей, свободного газа и механических примесей.

Погружные центробежные насосы, как правило, содержат несколько насосных секций. Насосная секция такого насоса состоит из корпуса, в котором установлены направляющие аппараты и вал с рабочими колесами (Чичеров Л.Г. и др. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования. - М.: Недра, 1987). При этом в процессе эксплуатации проходные каналы рабочих колес и направляющих аппаратов забиваются механическими примесями, особенно первых ступеней, что является причиной срыва потока насоса, износа щелевых уплотнений, повышенной вибрации и - как следствие - выхода насоса из строя. Кроме того, элементы насоса подвергаются воздействию агрессивной среды, в результате чего металлические детали подвержены коррозии. Взаимодействие пар трения в агрессивной среде скважины, в которой присутствуют взвешенные механические частицы, приводит к их интенсивному изнашиванию.

Известен многоступенчатый центробежный насос для откачки пластовой жидкости из нефтяных скважин. Каждая ступень такого насоса содержит рабочее колесо закрытого типа и направляющий аппарат с лопатками, выступающими за диаметральный размер наружной крышки аппарата. Рабочее колесо ступени имеет спрофилированные лопатки между ведущим и ведомым дисками (Богданов Н.А. Погружные центробежные насосы для добычи нефти. - М.: Недра, 1968, 38-50 с.).

Известна ступень многоступенчатого центробежного насоса (патент РФ №2220327, МПК F04D 29/02, 27.12.2003), содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо, выполненное в виде единого целого со втулкой, внешняя цилиндрическая поверхность которой образует пару трения с соответствующей внутренней цилиндрической поверхностью направляющего аппарата. Одна из деталей, поверхности которых образуют упомянутую пару трения, выполнена из спеченного пористого металлического материала, а вторая деталь выполнена из литейного чугуна нирезиста, при этом, по меньшей мере, часть детали из спеченного пористого металлического материала пропитана сплавом с высоким содержанием меди.

Недостатками известного насоса (патент РФ №2220327, МПК F04D 29/02, 27.12.2003) являются значительная трудоемкость и высокая стоимость его изготовления при низкой коррозионной и износостойкости, а также значительный вес деталей, выполненных методами спекания и литья.

Недостатком известных технических решений является отсутствие средств для удаления взвешенных механических частиц из узлов трения. Взаимодействие деталей насоса между собой в агрессивной среде скважины, в которой присутствуют взвешенные механические частицы, приводит к их изнашиванию.

Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения, выбранным в качестве прототипа, является ступень погружного центробежного насоса (патент РФ №2274769, МПК F04D 13/10, F04D 29/02, СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА. 20.04.2006). Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса содержит рабочее колесо с втулкой и направляющий аппарат, состоящий из стакана, верхнего диска, втулки, нижнего диска (крышки) и лопастей, где рабочее колесо с втулкой выполнены из пластмассы, например из полиамида с наполнителем. Лопасти и втулка расположены на отдельной планшайбе, закрепленной на верхнем диске, а нижний диск выполнен в виде крышки, при этом планшайба лопасти и нижний диск выполнены из пластмассы.

Выполнение стакана направляющего аппарата из металла делает конструкцию металлоемкой. Конструкция обладает повышенной себестоимостью. Однако металлические элементы в агрессивной среде скважины подвержены коррозии. Между нижним диском рабочего колеса и верхним диском предыдущего направляющего аппарата скапливаются механические примеси, песок. Вращающееся кольцо жидкости с повышенной концентрацией механических примесей за счет абразивного износа может перерезать крепление планшайбы к стакану, что приведет к выходу из строя направляющего аппарата и насоса в целом. Сопрягаемые пары трения гладкие, не предусмотрено удаление механических примесей и отвод тепла непосредственно из зоны трения.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание такой ступени погружного насоса, которая позволила бы с наименьшими затратами производить и эксплуатировать погружные центробежные насосы, за счет создания поверхностей трения осевых опор колес, позволяющих минимизировать влияние механических и абразивных примесей, агрессивной среды, при уменьшении массы насоса.

Таким образом, техническим результатом изобретения является повышение износостойкости поверхностей трения осевых опор колес насоса и повышение надежности его работы.

Технический результат достигается за счет того, что в ступени многоступенчатого центробежного насоса, содержащая рабочее колесо со ступицей и направляющий аппарат, состоящий из стакана, верхнего диска с осевой опорой, нижнего диска и лопаток, в отличие от прототипа, по крайней мере, одна из поверхностей трения осевых опор колес выполнены с регулярным микрорельефом, в виде островков с закругленной и/или плоской поверхностью, пространство между которыми образует систему каналов, обеспечивающих удаление с поверхности трения чужеродных механических частиц, причем часть поверхности трения осевой опоры выполнена сплошной, в виде концентрично расположенного относительно оси колеса кольца, обеспечивающего при контакте с ответной поверхностью трения герметизацию стыка осевой опоры.

Технический результат достигается также за счет того, что в ступени многоступенчатого центробежного насоса островки регулярного микрорельефа с закругленной поверхностью выполнены либо в виде выпуклых шаровых сегментов одинаковой формы и размеров расположенных рядами, образующими концентрично расположенные относительно оси рабочего колеса кольца, причем диаметр шаровых сегментов составляет от 800 мкм до 3500 мкм, высота шаровых сегментов составляет от 300 мкм до 1500 мкм, шаг расположения шаровых сегментов в кольцевом ряду - от 1,0 до 1,2 диаметра основания шарового сегмента, а шаг расположения колец от 1,0 до 2,0 диаметра основания шарового сегмента, либо в виде выпуклых шаровых сегментов, расположенных рядами, образующими концентрично расположенные относительно оси рабочего колеса кольца, причем в каждом ряде шаровые сегменты имеют одинаковую форму и размеры, а диаметр шаровых сегментов составляет от 800 мкм до 3500 мкм, высота шаровых сегментов составляет от 300 мкм до 1500 мкм, шаг расположения шаровых сегментов в кольцевом ряду - от 1,0 до 1,2 диаметра основания шарового сегмента, причем диаметр шарового сегмента последующего кольцевого ряда в направлении от центра к периферии берется от 1,2 до 1,5 диаметра предыдущего кольцевого ряда, а шаг расположения колец - от 1,0 до 2,0 диаметра основания шарового сегмента предыдущего кольцевого ряда, либо в виде выпуклых шаровых сегментов, расположенных рядами, образующими концентрично расположенные относительно оси рабочего колеса кольца, причем в каждом ряде шаровые сегменты имеют одинаковую форму и размеры, а диаметр шаровых сегментов составляет от 800 мкм до 3500 мкм, высота шаровых сегментов составляет от 300 мкм до 1500 мкм, шаг расположения шаровых сегментов в кольцевом ряду - от 1,0 до 1,2 диаметра основания шарового сегмента, причем высота шаровых сегментов последующего кольцевого ряда в направлении от периферии к центру берется от 1,1 до 1,5 высоты шарового сегмента предыдущего кольцевого ряда, а шаг расположения колец - от 1,0 до 2,0 диаметра основания шарового сегмента предыдущего кольцевого ряда, причем кольца рядов шаровых сегментов двух взаимно сопрягаемых поверхностей трения при их контакте располагаются в шахматном порядке.

Технический результат достигается также за счет того, что в ступени многоступенчатого центробежного насоса верхний диск направляющего аппарата с осевой опорой выполнены монолитно со стаканом, причем стакан выполнен из полимерного материала, с расположенным внутри него металлическим каркасом, обеспечивающим жесткость стакана, а металлический каркас выполнен цилиндрическим, с внешним диаметром меньшим внешнего диаметра стакана и внутренним диаметром большим внутреннего диаметра стакана, причем высота каркаса равна высоте стакана, при этом металлический каркас выполнен перфорированным и/или гофрированным, причем перфорация выполнена в виде равномерно распределенных круглых отверстий диаметром от 2 мм до 6 мм, общей площадью от 20 до 60%, а гофры металлического каркаса выполнены в продольном направлении, а верхний диск с осевой опорой, нижний диск и лопатки направляющего аппарата, а также рабочее колесо изготовлены из полимерного материала, а в качестве металла каркаса используется нержавеющая или легированная сталь, а в качестве полимерного материала используются композиции на основе полифениленсульфида.

Технический результат достигается также за счет того, что в ступени многоступенчатого центробежного насоса на верхнем и/или нижнем диске направляющего аппарата со стороны рабочего колеса выполнены, по крайней мере, три равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, ориентированные под углом от 20 до 80 градусов в направлении, противоположном вращению рабочего колеса.

Для обеспечения смазки и удаления механических примесей, например песка, из зоны трения, по крайней мере, одна из поверхностей трения опор колес выполнена в виде поверхности с регулярным микрорельефом.

Регулярный микрорельеф может быть выполнен в виде островков с закругленной и/или плоской поверхностью, пространство между которыми образует систему каналов, обеспечивающих удаление с поверхности трения чужеродных механических частиц, причем часть поверхности трения осевой опоры выполнены сплошными, в виде концентрично расположенного, относительно оси колеса, кольца, обеспечивающего при контакте с ответной поверхностью трения герметизацию стыка осевой опоры.

Регулярный микрорельеф также может быть выполнен в виде выпуклых шаровых сегментов одинаковой формы и размеров, расположенных рядами, образующими концентрично расположенные относительно оси рабочего колеса кольца, причем диаметр шаровых сегментов составляет от 800 мкм до 3500 мкм, высота шаровых сегментов составляет от 300 мкм до 1500 мкм, шаг расположения шаровых сегментов в кольцевом ряду - от 1,0 до 1,2 диаметра основания шарового сегмента, а шаг расположения колец - от 1,0 до 2,0 диаметра основания шарового сегмента, кольца рядов шаровых сегментов сопрягаемых поверхностей трения расположены в шахматном порядке.

Регулярный микрорельеф также может быть выполнен в виде выпуклых шаровых сегментов, расположенных рядами, образующими концентрично расположенные относительно оси рабочего колеса кольца, причем в каждом ряде шаровые сегменты имеют одинаковую форму и размеры, а диаметр шаровых сегментов составляет от 800 мкм до 3500 мкм, высота шаровых сегментов составляет от 300 мкм до 1500 мкм, шаг расположения шаровых сегментов в кольцевом ряду - от 1,0 до 1,2 диаметра основания шарового сегмента, причем диаметр шарового сегмента последующего кольцевого ряда в направлении от центра к периферии берется от 1,2 до 1,5 диаметра предыдущего кольцевого ряда, а шаг расположения колец - от 1,0 до 2,0 диаметра основания шарового сегмента предыдущего кольцевого ряда.

Регулярный микрорельеф также может быть выполнен в виде выпуклых шаровых сегментов, расположенных рядами, образующими концентрично расположенные относительно оси рабочего колеса кольца, причем в каждом ряде шаровые сегменты имеют одинаковую форму и размеры, а диаметр шаровых сегментов составляет от 800 мкм до 3500 мкм, высота шаровых сегментов составляет от 300 мкм до 1500 мкм, шаг расположения шаровых сегментов в кольцевом ряду - от 1,0 до 1,2 диаметра основания шарового сегмента, причем высота шаровых сегментов последующего кольцевого ряда в направлении от центра к периферии берется от 1,1 до 1,5 высоты шарового сегмента предыдущего кольцевого ряда, а шаг расположения колец - от 1,0 до 2,0 диаметра основания шарового сегмента предыдущего кольцевого ряда.

При выполнении диаметров шаровых сегментов менее 800 мкм, а их высоты менее 300 мкм ухудшается процесс удаления механических примесей, При превышении диаметров шаровых сегментов более 3500 мкм, а их высоты более 1500 мкм ухудшаются технические характеристики насоса.

Эффект удаления механических примесей, повышения износостойкости и снижения коэффициента трения наиболее хорошо проявляется в вариантах, когда используется выпуклая поверхность, состоящая из расположенных рядами, образующими концентрично расположенные относительно оси рабочего колеса кольца. Ориентация колец в направлении вращения рабочего колеса со ступицей позволяет реализовать расположение колец рядов шаровых сегментов сопрягаемых поверхностей трения в шахматном порядке, что приводит к дополнительному повышению уплотняющего гидродинамического эффекта в узле трения. При этом положительный эффект от использования микрорельефа обеспечивается также при следующих значениях его параметров: при шаге расположения шаровых сегментов в кольцевом ряду от 1,0 до 1,2 диаметра основания шарового сегмента и шаге расположения колец от 1,0 до 2,0 диаметра основания шарового сегмента; при шаге расположения шаровых сегментов в кольцевом ряду от 1,0 до 1,2 диаметра основания шарового сегмента, при диаметре шарового сегмента последующего кольцевого ряда в направлении от центра к периферии от 1,2 до 1,5 диаметра предыдущего кольцевого ряда и шаге расположения колец от 1,0 до 2,0 диаметра основания шарового сегмента предыдущего кольцевого ряда; при шаге расположения шаровых сегментов в кольцевом ряду от 1,0 до 1,2 диаметра основания шарового сегмента, при высоте шаровых сегментов последующего кольцевого ряда в направлении от периферии к центру от 1,1 до 1,5 высоты шарового сегмента предыдущего кольцевого ряда и шаге расположения колец от 1,0 до 2,0 диаметра основания шарового сегмента предыдущего кольцевого ряда.

В процессе эксплуатации насоса, стаканы его направляющего аппарата подвергаются воздействию осевых нагрузок, возникающих вследствие перепада давления. Поэтому, в традиционных насосах, для обеспечения необходимой прочности, стаканы изготавливаются металлическими. Это приводит к их преждевременному разрушению из-за интенсивной коррозии. Это противоречие решается в предлагаемом техническом решении за счет выполнения стакана из полимерного материала, с расположенным внутри нее металлическим каркасом, обеспечивающим жесткость и прочность стакана. При этом полимерная оболочка надежно защищает металлический каркас от коррозионного износа, а металлический каркас обеспечивает необходимую прочность стакана. Кроме того, в известных технических решениях (например, патент №РФ 2274769) верхний диск направляющего аппарата присоединяется к металлическому стакану, что приводит к возникновению дополнительного стыка на границе «стакан - верхний диск» или «металл-полимер», герметичность которого должна быть обеспечена. В предлагаемом же техническом решении стакан направляющего аппарата и верхний диск выполняются в виде одной детали из полимерного материала с армированием части детали, выполняющей функцию стакана. Это позволяет, в частности, избежать дополнительного стыка в конструкции ступени насоса. Еще одним преимуществом выполнения композиционной детали, совмещающей достоинства металла и полимера в одной детали, является уменьшение веса конструкции и снижение стоимости наноса за счет экономии более дорогого материала (металла). При этом из полимерного материала могут быть изготовлены другие элементы и детали насоса, такие как рабочее колесо, элементы направляющего аппарата. Преимущество увеличения доли полимерного материала в конструкции насоса связано с меньшей плотностью этого материала по сравнению с металлом, низкой подверженностью коррозии, небольшой стоимостью и меньшей склонностью к отложению солей. В качестве полимерного материала могут быть использованы композиции на основе полифениленсульфида с армирующей фазой, например фортрон.

Использование гофров в металлическом каркасе стакана позволяет уменьшить долю металла в композиционной детали при обеспечении той же жесткости конструкции. Перфорации в металлическом каркасе стакана позволяют сделать соединение металлического каркаса с полимерной оболочкой более надежным, поскольку полимерный материал пронизывает насквозь металлический каркас, через выполненные в нем перфорации.

Использование дополнительных лопаток на верхнем диске направляющего аппарата, выполненных высотой от 1 до 6 мм и загнутых на периферийной части верхнего диска под углом от 20 до 80 градусов в направлении вращения рабочего колеса, обеспечивают отвод механических примесей. Углы, меньшие 20 градусов и большие 80 градусов снижает указанный эффект.

Использование дополнительных лопаток на нижнем диске направляющего аппарата, выполненных высотой от 1 до 4 мм и загнутых на периферийной части верхнего диска под углом от 20 до 80 градусов либо в направлении вращения рабочего колеса, либо в противоположном направлении, обеспечивает регулирование осевой силой и повышает напор насоса. Углы, меньшие 20 градусов и большие 80 градусов, снижают указанный эффект.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен разрез ступени насоса, выполненный в соответствии с изобретением. На фиг.2 - разрез двух соединенных ступеней насоса. На фиг.3 показаны расположенные на колесе дополнительные лопатки и в зоне поверхностей трения - регулярный микрорельеф выполненный в виде выпуклых шаровых сегментов, расположенных рядами, образующими концентрично расположенные относительно оси рабочего колеса кольца. На фиг.4 представлен регулярный микрорельеф, выполненный в виде островков, расположенных на различных уровнях. На фиг.5 показан регулярный микрорельеф, выполненный в виде выпуклых шаровых сегментов, и островков, расположенных на периферии. На фиг.6 показан вариант сопряжения в паре трения колец рядов шаровых сегментов сопрягаемых поверхностей трения, расположенных в шахматном порядке.

Фигуры с 1 по 6 содержат: 1 - стакан; 2 - рабочее колесо; 3 - ступица; 4 - ось насоса; 5 - металлический каркас; 6 - полимерный материал; 7 - направляющий аппарат; 8 - перфорации в металлическом каркасе; 9 - верхний диск направляющего аппарата; 10 - лопатки направляющего аппарата; 11 - нижний диск направляющего аппарата; 12 - ступица; 13 - осевая опора; 14 - лопатки рабочего колеса; 15 - ступень насоса; 16 -дополнительные лопатки; 17 - кольца, образованные рядами выпуклых шаровых сегментов; 18 - выпуклые шаровые сегменты; 19 - каналы, образованные в промежутках между островками, 20 - сплошной участок поверхности трения, обеспечивающий герметизацию стыка осевой опоры, 21 - уровни поверхности трения различной высоты (или для выпуклых шаровых сегментов, расположенных рядами, образующими концентрично расположенные относительно оси рабочего колеса кольца, высота (уровни расположения) шаровых сегментов последующего кольцевого ряда в направлении от центра к периферии), 22 - два взаимно сопрягаемых поверхностей трения.

Ступень многоступенчатого центробежного насоса содержит рабочее колесо 2 со ступицей 3 и лопастями 14, направляющий аппарат 7, состоящий из верхнего диска 9 с осевой опорой 13, стакана 1, нижнего диска 11 со ступицей 12, лопаток 10. Верхний диск 9 направляющего аппарата 7 с осевой опорой 13 изготовлен монолитно со стаканом 1 из полимерного материала 6. Верхний диск 9 направляющего аппарата 7 с осевой опорой 13 выполнены монолитно со стаканом 1. Стакан 1 выполнен из полимерного материала 6, с расположенным внутри него металлическим каркасом 5, обеспечивающим жесткость стакана 1. Металлический каркас 5 выполнен цилиндрическим, с внешним диаметром, меньшим внешнего диаметра стакана 1, и внутренним диаметром, большим внутреннего диаметра стакана 1. Высота каркаса 5 равна высоте стакана 1. Металлический каркас 5 может быть выполнен с перфорациями 8, а также быть гофрированным. Гофры металлического каркаса 5 выполняются в продольном направлении. Верхний диск 9 с осевой опорой 13, нижний диск 11 и лопатки 10 направляющего аппарата 7, а также рабочее колесо 2 изготовлены из полимерного материала, а в качестве металла каркаса 5 используется нержавеющая или легированная сталь. В качестве полимерного материала 6 используются композиции на основе полифениленсульфида.

По крайней мере, в одной осевой опоре колеса 2 выполнены равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки 16 (фиг.3). По крайней мере, одна из поверхностей трения опор колес насоса выполнены в виде поверхности с регулярным микрорельефом (фиг.3) в виде островков с закругленной 18 и/или плоской поверхностью, пространство между которыми образует систему каналов 19, обеспечивающих удаление с поверхности трения чужеродных механических частиц. Часть поверхности трения осевой опоры выполнена сплошной, в виде концентрично расположенного, относительно оси колеса, кольца 20, обеспечивающего при контакте с ответной поверхностью трения герметизацию стыка осевой опоры.

При этом возможны следующие варианты выполнения регулярного микрорельефа: регулярный микрорельеф выполнен в виде (фиг.3) выпуклых шаровых сегментов 18 одинаковой формы и размеров, расположенных рядами, образующими концентрично расположенные относительно оси рабочего колеса кольца 17. Диаметр шаровых сегментов 18 составляет от 800 мкм до 3500 мкм, высота шаровых сегментов 18 составляет от 300 мкм до 1500 мкм, шаг расположения шаровых сегментов 18 в кольцевом ряду - от 1,0 до 1,2 диаметра основания шарового сегмента, а шаг расположения колец 17 - от 1,0 до 2,0 диаметра основания шарового сегмента 18. Кольца 17 рядов (фиг.6) шаровых сегментов 18 сопрягаемых поверхностей трения 22 расположены в шахматном порядке (фиг.6). Регулярный микрорельеф выполнен в виде островков (фиг.4), пространство между которыми образует систему каналов 19, обеспечивающих удаление с поверхности трения чужеродных механических частиц. При этом островки могут располагаться на различных уровнях 21. Диаметр шарового сегмента 18 последующего кольцевого ряда 17 в направлении от центра к периферии может составлять от 1,2 до 1,5 диаметра предыдущего кольцевого ряда, а шаг расположения колец 17 - от 1,0 до 2,0 диаметра основания шарового сегмента 18 предыдущего кольцевого ряда 17.

Работа ступени осуществляется следующим образом. Перекачиваемая жидкость подводится через направляющий аппарат 7 предыдущей ступени. Она проходит через каналы рабочего колеса 2, образованные между его лопастями. Колесо приводится во вращение валом насоса через ступицу 3. Выбрасываясь из рабочего колеса 2, перекачиваемая жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 7, образованные между лопатками 10. Пройдя через направляющий аппарат 7 со ступицей 12, жидкость направляется на вход рабочего колеса следующей ступени.

Пример. Были проведены сравнительные испытания двух партий насосов - по пять штук в каждой. Одна партия насосов была изготовлена согласно прототипу (патент РФ №2274769), другая - согласно предлагаемому техническому решению. Износостойкость пар трения насоса, выполненного по предложенному техническому решению, повысилась на 35% по сравнению с прототипом. Надежность работы, оцениваемая по длительности безотказной работы, у насосов по предлагаемому техническому решению была на 26-32% выше, чем у прототипа.

Таким образом, ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, включающая следующие признаки: ступень многоступенчатого центробежного насоса, содержащая рабочее колесо со ступицей и направляющий аппарат, состоящий из стакана, верхнего диска с осевой опорой, нижнего диска и лопаток; по крайней мере, одна из поверхностей трения осевых опор колес выполнена с регулярным микрорельефом, в виде островков с закругленной и/или плоской поверхностью, пространство между которыми образует систему каналов, обеспечивающих удаление с поверхности трения чужеродных механических частиц; часть поверхности трения осевой опоры выполнена сплошной, в виде концентрично расположенного, относительно оси колеса, кольца, обеспечивающего при контакте с ответной поверхностью трения герметизацию стыка осевой опоры; островки регулярного микрорельефа с закругленной поверхностью выполнены либо в виде выпуклых шаровых сегментов одинаковой формы и размеров, расположенных рядами, образующими концентрично расположенные относительно оси рабочего колеса кольца, причем диаметр шаровых сегментов составляет от 800 мкм до 3500 мкм, высота шаровых сегментов составляет от 300 мкм до 1500 мкм, шаг расположения шаровых сегментов в кольцевом ряду от 1,0 до 1,2 диаметра основания шарового сегмента, а шаг расположения колец от 1,0 до 2,0 диаметра основания шарового сегмента, либо в виде выпуклых шаровых сегментов, расположенных рядами, образующими концентрично расположенные относительно оси рабочего колеса кольца; в каждом ряду шаровые сегменты имеют одинаковую форму и размеры; диаметр шаровых сегментов составляет от 800 мкм до 3500 мкм, высота шаровых сегментов составляет от 300 мкм до 1500 мкм, шаг расположения шаровых сегментов в кольцевом ряду - от 1,0 до 1,2 диаметра основания шарового сегмента; диаметр шарового сегмента последующего кольцевого ряда в направлении от центра к периферии берется от 1,2 до 1,5 диаметра предыдущего кольцевого ряда; шаг расположения колец - от 1,0 до 2,0 диаметра основания шарового сегмента предыдущего кольцевого ряда, либо в виде выпуклых шаровых сегментов расположенных рядами, образующими концентрично расположенные относительно оси рабочего колеса кольца; в каждом ряде шаровые сегменты имеют одинаковую форму и размеры; диаметр шаровых сегментов составляет от 800 мкм до 3500 мкм; высота шаровых сегментов составляет от 300 мкм до 1500 мкм; шаг расположения шаровых сегментов в кольцевом ряду - от 1,0 до 1,2 диаметра основания шарового сегмента; высота шаровых сегментов последующего кольцевого ряда в направлении от периферии к центру берется от 1,1 до 1,5 высоты шарового сегмента предыдущего кольцевого ряда; шаг расположения колец - от 1,0 до 2,0 диаметра основания шарового сегмента предыдущего кольцевого ряда; кольца рядов шаровых сегментов двух взаимно сопрягаемых поверхностей трения при их контакте располагаются в шахматном порядке; верхний диск направляющего аппарата с осевой опорой выполнены монолитно со стаканом; стакан выполнен из полимерного материала, с расположенным внутри него металлическим каркасом, обеспечивающим жесткость стакана; металлический каркас выполнен цилиндрическим, с внешним диаметром, меньшим внешнего диаметра стакана, и внутренним диаметром, большим внутреннего диаметра стакана; высота каркаса равна высоте стакана; металлический каркас выполнен перфорированным и/или гофрированным; перфорация выполнена в виде равномерно распределенных круглых отверстий диаметром от 2 мм до 6 мм, общей площадью от 20 до 60%; гофры металлического каркаса выполнены в продольном направлении; верхний диск с осевой опорой, нижний диск и лопатки направляющего аппарата, а также рабочее колесо изготовлены из полимерного материала; в качестве металла каркаса используется нержавеющая или легированная сталь; в качестве полимерного материала используются композиции на основе полифениленсульфида; на верхнем и/или нижнем диске направляющего аппарата со стороны рабочего колеса выполнены, по крайней мере, три равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, ориентированные под углом от 20 до 80 градусов в направлении противоположном вращению рабочего колеса, позволяют достичь технического результата изобретения - обеспечить повышение износостойкости поверхностей трения осевых опор колес насоса и повысить надежность его работы.

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в погружных многоступенчатых центробежных насосах для добычи нефти и пластовой жидкости из скважин с высоким содержанием солей, свободного газа и механических примесей. Ступень насоса содержит рабочее колесо со ступицей и направляющий аппарат, состоящий из стакана, верхнего диска с осевой опорой, нижнего диска и лопаток. По меньшей мере, одна из поверхностей трения осевых опор колес выполнена с регулярным микрорельефом в виде островков с закругленной и/или плоской поверхностью. Пространство между островками образует систему каналов, обеспечивающих удаление с поверхности трения чужеродных механических частиц. Островки регулярного микрорельефа с закругленной поверхностью могут быть выполнены в виде выпуклых шаровых сегментов одинаковой формы и размеров, расположенных рядами, образующими концентрично расположенные относительно оси рабочего колеса кольца. Изобретение направлено на снижение эксплуатационных затрат при уменьшении массы насоса за счет минимизации влияния механических и абразивных примесей на поверхности трения осевых опор рабочих колес. 18 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Ступень многоступенчатого центробежного насоса, содержащая рабочее колесо со ступицей и направляющий аппарат, состоящий из стакана, верхнего диска с осевой опорой, нижнего диска и лопаток, отличающаяся тем, что, по крайней мере, одна из поверхностей трения осевых опор колес выполнены с регулярным микрорельефом в виде островков с закругленной и/или плоской поверхностью, пространство между которыми образует систему каналов, обеспечивающих удаление с поверхности трения чужеродных механических частиц.

2. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что часть поверхности трения осевой опоры выполнена сплошной в виде концентрично расположенного относительно оси колеса кольца, обеспечивающего при контакте с ответной поверхностью трения герметизацию стыка осевой опоры.

3. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что островки регулярного микрорельефа с закругленной поверхностью выполнены в виде выпуклых шаровых сегментов одинаковой формы и размеров, расположенных рядами, образующими концентрично расположенные относительно оси рабочего колеса кольца, причем диаметр шаровых сегментов составляет от 800 мкм до 3500 мкм, высота шаровых сегментов составляет от 300 мкм до 1500 мкм, шаг расположения шаровых сегментов в кольцевом ряду - от 1,0 до 1,2 диаметра основания шарового сегмента, а шаг расположения колец - от 1,0 до 2,0 диаметра основания шарового сегмента.

4. Ступень по п.3, отличающаяся тем, что кольца рядов шаровых сегментов двух взаимно сопрягаемых поверхностей трения при их контакте располагаются в шахматном порядке.

5. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что островки регулярного микрорельефа с закругленной поверхностью выполнены в виде выпуклых шаровых сегментов, расположенных рядами, образующими концентрично расположенные относительно оси рабочего колеса кольца, причем в каждом ряде шаровые сегменты имеют одинаковую форму и размеры, а диаметр шаровых сегментов составляет от 800 мкм до 3500 мкм, высота шаровых сегментов составляет от 300 мкм до 1500 мкм, шаг расположения шаровых сегментов в кольцевом ряду - от 1,0 до 1,2 диаметра основания шарового сегмента, причем диаметр шарового сегмента последующего кольцевого ряда в направлении от центра к периферии берется от 1,2 до 1,5 диаметра предыдущего кольцевого ряда, а шаг расположения колец - от 1,0 до 2,0 диаметра основания шарового сегмента предыдущего кольцевого ряда.

6. Ступень по п.5, отличающаяся тем, что кольца рядов шаровых сегментов двух взаимно сопрягаемых поверхностей трения при их контакте располагаются в шахматном порядке

7. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что островки регулярного микрорельефа с закругленной поверхностью выполнены в виде выпуклых шаровых сегментов, расположенных рядами, образующими концентрично расположенные относительно оси рабочего колеса кольца, причем в каждом ряду шаровые сегменты имеют одинаковую форму и размеры, а диаметр шаровых сегментов составляет от 800 мкм до 3500 мкм, высота шаровых сегментов составляет от 300 мкм до 1500 мкм, шаг расположения шаровых сегментов в кольцевом ряду - от 1,0 до 1,2 диаметра основания шарового сегмента, причем высота шаровых сегментов последующего кольцевого ряда в направлении от центра к периферии берется от 1,1 до 1,5 высоты шарового сегмента предыдущего кольцевого ряда, а шаг расположения колец - от 1,0 до 2,0 диаметра основания шарового сегмента предыдущего кольцевого ряда.

8. Ступень по п.7, отличающаяся тем, что кольца рядов шаровых сегментов двух взаимно сопрягаемых поверхностей трения при их контакте располагаются в шахматном порядке.

9. Ступень по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что верхний диск направляющего аппарата с осевой опорой выполнены монолитно со стаканом, причем стакан выполнен из полимерного материала с расположенным внутри него металлическим каркасом, обеспечивающим жесткость стакана, а металлический каркас выполнен цилиндрическим с внешним диаметром, меньшим внешнего диаметра стакана, и внутренним диаметром, большим внутреннего диаметра стакана, причем высота каркаса равна высоте стакана.

10. Ступень по п.9, отличающаяся тем, что металлический каркас выполнен перфорированным и/или гофрированным, причем перфорация выполнена в виде равномерно распределенных круглых отверстий диаметром от 2 мм до 6 мм, общей площадью от 20 до 60%, а гофры металлического каркаса выполнены в продольном направлении.

11. Ступень по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что верхний диск с осевой опорой, нижний диск и лопатки направляющего аппарата, а также рабочее колесо изготовлены из полимерного материала.

12. Ступень по п.9, отличающаяся тем, что верхний диск с осевой опорой, нижний диск и лопатки направляющего аппарата, а также рабочее колесо изготовлены из полимерного материала, а в качестве металла каркаса используется нержавеющая или легированная сталь.

13. Ступень по п.10, отличающаяся тем, что верхний диск с осевой опорой, нижний диск и лопатки направляющего аппарата, а также рабочее колесо изготовлены из полимерного материала, а в качестве металла каркаса используется нержавеющая или легированная сталь.

14. Ступень по п.11, отличающаяся тем, что в качестве полимерного материала используются композиции на основе полифениленсульфида.

15. Ступень по любому из пп.12, 13, отличающаяся тем, что в качестве полимерного материала используются композиции на основе полифениленсульфида.

16. Ступень по любому из пп.1-8, 10, 12-14, отличающаяся тем, что на верхнем и/или нижнем диске направляющего аппарата со стороны рабочего колеса выполнены, по крайней мере, три равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, ориентированные под углом от 20 до 80 градусов в направлении, противоположном вращению рабочего колеса.

17. Ступень по п.9, отличающаяся тем, что на верхнем и/или нижнем диске направляющего аппарата со стороны рабочего колеса выполнены, по крайней мере, три равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, ориентированные под углом от 20 до 80 градусов в направлении, противоположном вращению рабочего колеса.

18. Ступень по п.11, отличающаяся тем, что на верхнем и/или нижнем диске направляющего аппарата со стороны рабочего колеса выполнены, по крайней мере, три равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, ориентированные под углом от 20 до 80 градусов в направлении, противоположном вращению рабочего колеса.

19. Ступень по п.15, отличающаяся тем, что на верхнем и/или нижнем диске направляющего аппарата со стороны рабочего колеса выполнены, по крайней мере, три равномерно расположенные по поверхности дополнительные лопатки, ориентированные под углом от 20 до 80 градусов в направлении, противоположном вращению рабочего колеса.