УСТАНОВКА ПОГРУЖНОГО ЛОПАСТНОГО НАСОСА КОМПРЕССИОННОГО ТИПА Российский патент 2017 года по МПК F04D13/10 F04D29/62 F04D29/41 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. Недостатками 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 являются 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 электродвигатель, 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, 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, при этом количество лопастей рабочего колеса равно пяти, а количество лопаток направляющего аппарата - трем, каждая лопасть рабочего колеса и каждая лопатка направляющего аппарата имеют угол входа в интервале от 3° до 20°, высота лопастей рабочего колеса лежит в диапазоне 4,5-5,5 мм, а высота лопаток направляющего аппарата - в диапазоне 4,0-5,0 мм, каждая лопатка направляющего аппарата имеет угол охвата в интервале от 120° до 180°, 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.

В частном случае выполнения электродвигатель может быть выполнен как вентильный электродвигатель.

В частном случае выполнения рабочие колеса на валу сжаты специальной гайкой по ступицам.

В частном случае выполнения двигатель установки находится (установлен) внутри кожуха.

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

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

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.

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.

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);

фиг. 6 - рабочее колесо;

фиг. 7 - направляющий аппарат.

Пути реализации изобретения

Установка погружного лопастного насоса компрессионного типа, включающая: вентильный электродвигатель (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 аппарат6 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 131 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).

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 в осевом направлении с меньшими гидравлическими потерями. При этом благодаря указанному выполнению лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата снижаются гидравлические потери и достигаются высокие показатели напора изделия.

Для точной стыковки валов 2 с шлицами 14 в каждом валу 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.

Изобретение относится к многоступенчатым погружным насосам для откачки пластовой жидкости из скважин. Установка погружного лопастного насоса компрессионного типа включает электродвигатель, протектор с осевой опорой вала и по меньшей мере одну насосную секцию. Секция включает в себя: вал, корпус, сборку пакета центробежных ступеней. Каждая ступень содержит выполненные в виде цельнолитых конструкций из чугуна направляющий аппарат и рабочее колесо с ведущим и покрывным дисками, между которыми размещены лопасти, и ступицей. Аппараты зафиксированы относительно корпуса. Валы секций в рабочем состоянии опираются друг на друга. Вал нижней секции опирается на вал в протекторе, у которого осевая опора изготовлена в виде гидродинамического подшипника. Количество лопастей колеса равно пяти, а количество лопаток направляющего аппарата – трем. Каждая лопасть и каждая лопатка имеют угол входа в интервале от 3° до 20°. Высота лопастей лежит в диапазоне 4,5-5,5 мм, а высота лопаток - в диапазоне 4,0-5,0 мм., Каждая лопатка имеет угол охвата в интервале от 120° до 180°. Высота лопаточного венца не превышает минимальное расстояние между ведущим и покрывным дисками колеса, а радиус скруглений составляет от 0,2 до 0,8 от этой величины. Изобретение направлено на повышение надежности работы в скважинах с малым и средним дебитом, обеспечение оптимального ресурса установки по коррозионной стойкости и износостойкости, оптимизацию механических и физико-химических свойств ступеней. 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Установка погружного лопастного насоса компрессионного типа, включающая в себя электродвигатель, 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, 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, при этом количество лопастей рабочего колеса равно пяти, а количество лопаток направляющего аппарата - трем, каждая лопасть рабочего колеса и каждая лопатка направляющего аппарата имеют угол входа в интервале от 3° до 20°, высота лопастей рабочего колеса лежит в диапазоне 4,5-5,5 мм, а высота лопаток направляющего аппарата - в диапазоне 4,0-5,0 мм, каждая лопатка направляющего аппарата имеет угол охвата в интервале от 120° до 180°, 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.

2. Установка по п. 1 формулы, отличающаяся тем, что рабочие колеса на валу сжаты специальной гайкой по ступицам.

3. Установка по п. 1 формулы, отличающаяся тем, что электродвигатель установлен внутри кожуха.

4. Установка по п. 1 формулы, отличающаяся тем, что электродвигатель является вентильным электродвигателем.

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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.