УСТАНОВКА ПОГРУЖНОГО ЛОПАСТНОГО НАСОСА КОМПРЕССИОННОГО ТИПА Российский патент 2017 года по МПК F04D13/10 F04D29/22 F04D29/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к многоступенчатым погружным насосам для откачки пластовой жидкости из скважин.

Уровень техники

Известна установка насоса по патенту US 5,885,058 (дата приоритета 28.12.1995, дата публикации 23.03.1999), включающая насосные секции, которые содержат множество функциональных компонентов и втулок, установленных на валу с образованием по существу непрерывной трубы вокруг вала; при этом предусмотрены фитинги наверху и внизу вала для удерживания в сжатом состоянии компонентов и втулок, образующих трубу. Недостатком данной установки является то, что установленные ступени не могут надежно работать в скважинах с малым и средним дебитом, из-за высокой осевой силы, действующей на каждое рабочее колесо.

Также известна установка с секцией предвключенного устройства для обработки газожидкостной смеси, RU 136503 U1 от 25.05.2012. Секция включает корпус, вал, рабочие колеса, направляющие аппараты, подшипники и т.д. Установленные на валу рабочие колеса, подшипники и втулки образуют вокруг вала по существу непрерывную трубу. Недостатком является то, что установленные ступени не могут надежно работать в скважинах с малым и средним дебитом из-за высокой осевой силы, действующей на каждое рабочее колесо.

Наиболее близким аналогом является электрический погружной насос RU 2476726 С2 от 16.05.2008 для использования в скважине, содержащий: моторную секцию; насосную секцию; защитную секцию, расположенную между моторной секцией и насосной секцией, и вращающийся вал, проходящий через моторную, защитную и насосную секции; при этом моторная, защитная и насосная секции содержат каждая множество функциональных компонентов и втулок, установленных на валу с образованием по существу непрерывной трубы вокруг вала; при этом предусмотрены фитинги наверху и внизу вала для удерживания в сжатом состоянии компонентов и втулок, образующих трубу. Недостатком является то, что множество функциональных компонентов и втулок, установленных на валу с образованием по существу непрерывной трубы вокруг вала защитной и моторной секции, снижает надежность работы установки, так как это существенно увеличивает размерную цепочку от осевой опоры верхней ступени насоса до осевой опоры, которая при такой конструкции должна быть установлена в нижней части двигателя. Кроме этого недостатком является то, что установленные ступени не могут надежно работать в скважинах с малым и средним дебитом из-за высокой осевой силы, действующей на каждое рабочее колесо.

Для целей ясности описания по данной заявке оговоримся, что существуют насосы пакетного типа или насосы с пакетным типом сборки, то есть насосы, в которых несколько рабочих колес и направляющих аппаратов (от 3-х и более пар) собираются в пакеты (подсборки). Обычно в реальном изделии применяется в среднем около десяти пар рабочих колес и направляющих аппаратов.

Под насосами компрессионного типа понимаются насосы с компрессионным типом сборки, то есть те насосы, в которых за счет точной подгонки высоты ступиц рабочих колес обеспечивается их соприкосновение друг с другом (такая «гребенка» колес фиксируется на валу).

Под насосами пакетно-компрессионного типа понимаются насосы, объединяющие черты обоих типов сборок: компрессионной и пакетной.

В пакетном насосе вся сила колес воспринимается отдельным осевым подшипником каждой секции (для каждого пакета). В пакетно-компрессионном насосе сила колес передается на опору гидрозащиты, что позволяет избежать использования дополнительных подшипников и снижает или устраняет износ деталей.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание конструкции электрического погружного насоса, которая снижает до оптимального значения осевую силу, действующую на рабочие колеса и, следовательно, на осевую опору ротора насоса.

Техническими результатами являются повышение надежности работы в скважинах с малым и средним дебитом, обеспечение оптимального ресурса установки по коррозионной стойкости и износостойкости, оптимизация механических и физико-химических свойств ступеней.

Сущность изобретения

Техническая задача решается, а технические результаты обеспечиваются тем, что установка погружного лопастного насоса компрессионного типа включает в себя двигатель, протектор с осевой опорой вала, по меньшей мере одну насосную секцию, которая включает: вал, корпус, основание, головку, сборку пакета ступеней, каждая ступень содержит направляющий аппарат и рабочее колесо, рабочие колеса содержат ведущий и покрывной диски, между которыми размещены лопасти, и ступицу, рабочие колеса на валу сжаты специальной гайкой по ступицам, направляющие аппараты зафиксированы относительно корпуса, валы насосных секций в рабочем состоянии опираются друг на друга, при этом в насосе установлены центробежные ступени, рабочие колеса выполнены в виде цельнолитых конструкций из чугуна, направляющие аппараты выполнены в виде цельнолитых конструкций из чугуна, на ведущем диске рабочих колес выполнен лопаточный венец, между боковыми гранями каждой лопатки лопаточного венца и ведущим диском выполнены скругления; высота лопаточного венца не превышает минимальное расстояние между ведущим и покрывным дисками рабочего колеса, а радиус скруглений составляет от 0,2 до 0,8 от этой величины, вал нижней секции опирается на вал в протекторе, у которого осевая опора изготовлена в виде гидродинамического подшипника.

При таком выполнении установки осевая сила, действующая на вал и колеса через ступицы, втулки и опорные кольца, воспринимается опорой в гидрозащите, которая работает в масле и имеет существенно меньший коэффициент трения. За счет этого устраняется износ в осевых опорах ступени и увеличивается ресурс установки.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения чугун, помимо железа и примесей, содержит, в частности, углерод, кремний, марганец, хром, церий, фосфор, бор и серу, при следующем содержании указанных элементов, мас. %:

углерод 3,5-3,9 кремний 2,1-2,7 марганец 0,4-0,6 хром <0,12 сера 0,05-0,07 фосфор <0,3 церий <0,03 бор <0,01

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, чугун, помимо железа и примесей, содержит, в частности, углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, фосфор, серу, алюминий и магний при следующем содержании указанных элементов, мас.%:

углерод 2,7-3,1 кремний 1,2-1,9 марганец 0,85-1,5 хром 0,7-3,0 никель 15-17 медь 6,1-8 сера <0,03 фосфор <0,25 алюминий 0,01-0,3 магний 0,01-0,07

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, чугун, помимо железа и примесей, содержит, в частности, углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, фосфор и серу при следующем содержании указанных элементов, мас.%:

углерод 2,7-3,1 кремний 1,2-2,2 марганец 1,3-1,9 хром 2,0-2,9 никель 15,0-17,0 медь 5,0-8,0 сера <0,05 фосфор <0,25

Кроме того, в частном случае реализации изобретения валы насосных секций снабжены шлицами, осевым резьбовым отверстием на конце, регулировочным болтом, шлицевой муфтой, на болте выполнены фиксаторы в виде радиальных выступов, сопрягаемых со шлицами муфты, установленной на вал.

Для эффективной эксплуатации пластов с малым и средним дебитом используются центробежные ступени. Рабочие колеса и направляющие аппараты выполнены в виде цельнолитых конструкций из чугуна: это позволяет обеспечить оптимальный ресурс по совокупности коррозионной стойкости и износостойкости и это условие для создания компрессионных насосов, так как чугун обладает необходимыми механическими свойствами (упругостью) для сжатия ступеней. На ведущем диске рабочих колес выполнен лопаточный венец, это позволяет существенно снизить осевую силу, действующую на каждое рабочее колесо. Между боковыми гранями каждой лопатки лопаточного венца и ведущим диском выполнены скругления; высота лопаточного венца не превышает минимальное расстояние между ведущим и покрывным дисками рабочего колеса, а радиус скруглений составляет от 0,2 до 0,8 от этой величины, особенности конструкции позволяют оптимизировать величину осевой силы. Вал нижней секции опирается на осевую опору в протекторе, которая изготовлена в виде гидродинамического подшипника. Гидродинамический подшипник обладает более высоким ресурсом по сравнению с традиционными подшипниками скольжения.

Вышеуказанный состав чугуна позволяет оптимизировать механические и физико-химические свойства ступеней.

Если валы насосных секций снабжены шлицами, осевым резьбовым отверстием на конце, регулировочным болтом, шлицевой муфтой, на болте выполнены фиксаторы в виде радиальных выступов, сопрягаемых со шлицами муфты, установленной на вал, то это позволяет точнее стыковывать валы при сборке, что необходимо для надежной работы компрессионного насоса.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения двигатель установки погружного лопастного насоса компрессионного типа является вентильным электродвигателем.

Кроме того, возможно такое выполнение установки погружного лопастного насоса компрессионного типа, при котором эта установка включает в себя двигатель, протектор с осевой опорой вала, по меньшей мере одну насосную секцию, которая включает в себя: вал, корпус, основание, головку, сборку пакета ступеней, каждая ступень содержит направляющий аппарат и рабочее колесо, рабочие колеса содержат ведущий и покрывной диски, между которыми размещены лопасти, и ступицу, направляющие аппараты зафиксированы относительно корпуса, валы насосных секций в рабочем состоянии опираются друг на друга, установка укомплектована вентильным электродвигателем, и отличается тем, что содержит центробежные ступени, а рабочие колеса и направляющие аппараты выполнены в виде цельнолитых конструкций из чугуна, при этом вал нижней секции опирается на вал в протекторе, у которого осевая опора изготовлена в виде гидродинамического подшипника, поперечный размер установки не превышает 86 мм.

При таком выполнении наилучшим диапазоном размера поперечного размера установки является размер от 84,60 мм до 85,00 мм.

Краткое описание графических материалов, поясняющих сущность изобретения.

фиг. 1 - секция погружного насоса в разрезе;

фиг. 2 - ступени погружного насоса в разрезе;

фиг. 3.1, 3.2, 3.3 - варианты выполнения лопаточного венца;

фиг. 4 - вид «А» лопаток лопаточного венца;

фиг. 5 - вариант выполнения регулировочного болта; соединение валов с шлицевой муфтой (в разрезе).

Пути реализации изобретения

Установка погружного лопастного насоса компрессионного типа, включающая: двигатель (не показан), протектор с осевой опорой вала (не показан), по крайней мере, одну насосную секцию 1, которая включает: вал 2, корпус 3, основание 4, головку 5, сборку пакета ступеней, каждая ступень содержит направляющий аппарат 6 и рабочее колесо 7. Рабочие колеса на валу сжаты специальной гайкой 8, направляющие аппараты зафиксированы относительно корпуса. Каждое рабочее колесо содержит ведущий 9 и покрывной диски 10, между которыми размещены лопасти 11, и ступицу 12. Валы насосных секций 2 в рабочем состоянии опираются друг на друга. На ведущем диске рабочих колес выполнен лопаточный венец 13, между боковыми гранями каждой лопатки лопаточного венца и ведущим диском выполнены скругления R; вал нижней секции опирается на вал в протекторе, у которого осевая опора изготовлена в виде гидродинамического подшипника (не показана).

Валы насосных секций 2 снабжены шлицами 14, осевым резьбовым отверстием на конце 15, регулировочным болтом 16, шлицевой муфтой 17, на болте выполнены фиксаторы 18 в виде радиальных выступов, сопрягаемых со шлицами муфты, установленной на вал.

Установка работает следующим образом. При вращении вала 2 погружного многоступенчатого центробежного насоса 1 крутящий момент через ступицы 12 передается на рабочие колеса 7. Пластовая жидкость входит в секцию через основание 4, закручивается в области, которая образована между основным 9, покрывным 10 дисками и лопастями 11. Последовательно жидкость проходит через рабочие колеса 7, направляющие аппараты 6, выходит через головку 5. При этом происходит повышение давления пластовой жидкости.

При вращении рабочего колеса 7 благодаря наличию лопаточного венца 13 на ведущем диске 9 жидкость в пазухе между этим диском и направляющим аппаратом 8 вращается с большей угловой скоростью, чем при отсутствии лопаточного венца. Возникает торообразный вихрь, благодаря которому происходит переход жидкости от рабочего колеса 7 к направляющему аппарату 6. При этом благодаря лопаточному венцу 13 давление в этой пазухе снижается и уменьшается осевая сила, действующая на рабочие колеса 7. Осевая сила, действующая на вал 2 и колеса 7 через ступицы 12, втулки и опорные кольца, воспринимается опорой в гидрозащите, которая работает в масле и имеет существенно меньший коэффициент трения. За счет этого устраняется износ в осевых опорах ступени и увеличивается ресурс установки. Для точной стыковки валов 2 с шлицами 14 в каждом вале изготовлены осевые резьбовые отверстия 15, установлен регулировочный болт 16. На каждом болте выполнены фиксаторы 18 в виде радиальных выступов, сопрягаемых со шлицами муфты 17, установленной на вал.

Группа изобретений относится к многоступенчатым погружным насосам для откачки пластовой жидкости из скважин. Установка погружного лопастного насоса компрессионного типа включает в себя двигатель, протектор с осевой опорой вала, насосную секцию. Насосная секция включает в себя: вал, корпус, основание, головку, сборку пакета центробежных ступеней. Каждая ступень содержит направляющий аппарат и рабочее колесо с лопастями между ведущим и покрывным дисками и ступицей. Рабочие колеса и направляющие аппараты выполнены в виде цельнолитых конструкций из чугуна. На ведущем диске каждого колеса выполнен лопаточный венец. Между боковыми гранями каждой лопатки лопаточного венца и ведущим диском выполнены скругления; высота лопаточного венца не превышает минимальное расстояние между ведущим и покрывным дисками рабочего колеса, а радиус скруглений составляет от 0,2 до 0,8 от этой величины. Рабочие колеса сжаты гайкой по ступицам, направляющие аппараты зафиксированы относительно корпуса, валы насосных секций опираются друг на друга. Вал нижней секции опирается на вал в протекторе, чья осевая опора изготовлена в виде гидродинамического подшипника. Изобретения направлены на повышение надежности работы, износо- и коррозионной стойкости, оптимизацию свойств ступеней. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Установка погружного лопастного насоса компрессионного типа, включающая в себя двигатель, протектор с осевой опорой вала, по меньшей мере одну насосную секцию, которая включает в себя: вал, корпус, основание, головку, сборку пакета ступеней, каждая ступень содержит направляющий аппарат и рабочее колесо, рабочие колеса содержат ведущий и покрывной диски, между которыми размещены лопасти, и ступицу, рабочие колеса на валу сжаты гайкой по ступицам, направляющие аппараты зафиксированы относительно корпуса, валы насосных секций в рабочем состоянии опираются друг на друга, отличающаяся тем, что содержит центробежные ступени, рабочие колеса и направляющие аппараты выполнены в виде цельнолитых конструкций из чугуна, на ведущем диске рабочих колес выполнен лопаточный венец, между боковыми гранями каждой лопатки лопаточного венца и ведущим диском выполнены скругления; высота лопаточного венца не превышает минимальное расстояние между ведущим и покрывным дисками рабочего колеса, а радиус скруглений составляет от 0,2 до 0,8 от этой величины, вал нижней насосной секции опирается на вал в протекторе, у которого осевая опора изготовлена в виде гидродинамического подшипника.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что чугун, помимо железа и примесей, содержит, в частности, углерод, кремний, марганец, хром, церий, фосфор, бор и серу, при следующем содержании указанных элементов, мас. %:

углерод 3,5-3,9 кремний 2,1-2,7 марганец 0,4-0,6 хром <0,12 сера 0,05-0,07 фосфор <0,3 церий <0,03 бор <0,01

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что чугун, помимо железа и примесей, содержит, в частности, углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, фосфор, алюминий, магний и серу, при следующем содержании указанных элементов, мас. %:

углерод 2,7-3,1 кремний 1,2-1,9 марганец 0,85-1,5 хром 0,7-3,0 никель 15-17 медь 6,1-8 сера <0,03 фосфор <0,25 алюминий 0,01-0,3 магний 0,01-0,07

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что чугун, помимо железа и примесей, содержит, в частности, углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, фосфор и серу, при следующем содержании указанных элементов, мас. %:

углерод 2,7-3,1 кремний 1,2-2,2 марганец 1,3-1,9 хром 2,0-2,9 никель 15,0-17,0 медь 5,0-8,0 сера <0,05 фосфор <0,25

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что валы насосных секций снабжены шлицами, осевым резьбовым отверстием на конце, регулировочным болтом, шлицевой муфтой, причем на болте выполнены фиксаторы в виде радиальных выступов, сопрягаемых со шлицами муфты, установленной на вал.

6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что ее двигатель является вентильным электродвигателем.

7. Установка погружного лопастного насоса компрессионного типа, включающая в себя вентильный электродвигатель, протектор с осевой опорой вала, по меньшей мере одну насосную секцию, которая включает в себя: вал, корпус, сборку пакета ступеней, каждая ступень содержит направляющий аппарат и рабочее колесо, рабочие колеса содержат ведущий и покрывной диски, между которыми размещены лопасти, и ступицу, рабочие колеса на валу сжаты специальной гайкой по ступицам, направляющие аппараты зафиксированы относительно корпуса, валы насосных секций в рабочем состоянии опираются друг на друга, отличающаяся тем, что в насосе установлены центробежные ступени, рабочие колеса и направляющие аппараты выполнены в виде цельнолитых конструкций из чугуна, вал нижней секции опирается на вал в протекторе, у которого осевая опора изготовлена в виде гидродинамического подшипника, а поперечный размер установки не превышает 86 мм.