МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ФЛАНЦЕВЫЙ НАСОСНЫЙ УЗЕЛ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК F04D29/42 F04D29/62 F04D1/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[001] Предложенное изобретение относится, в целом, к промышленным насосным установкам и, в частности, к насосным установкам, используемым в системах высокого давления.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[002] Насосные установки высокого давления в типичном случае содержат насосный узел, приводимый в действие электродвигателем. Во многих конструктивных решениях насосный узел выполнен в виде многоступенчатого центробежного насоса, содержащего некоторое количество рабочих колес и диффузоров, расположенных друг за другом внутри трубчатого корпуса. При подаче питания двигатель приводит во вращение вал, который непосредственно или опосредованно соединен с рабочими колесами или с другими подвижными частями внутри насосного узла. Вращение рабочих колес сообщает перекачиваемой текучей среде кинетическую энергию, часть которой преобразуется в гидравлический напор по мере прохождения текучей среды через диффузоры.

[003] Как показано на фиг. 1, изображающей известный насосный узел, типичный насосный узел 10 выполнен путем расположения друг за другом нескольких ступеней 12 турбомашины внутри трубчатого корпуса 14, оканчивающегося на одном конце «передней частью» 16, а на противоположном конце «основанием» 18. Основание 18 обычно используется для прикрепления насосного узла 10 к входному отверстию, протектору двигателя или к двигателю. Передняя часть 16 выполнена с возможностью присоединения насосного узла к другому насосу, к эксплуатационной насосно-компрессорной колонне или какому-либо другому промежуточному компоненту.

[004] Подобно другим известным конструкциям, корпус 14 соединен с передней частью 16 и основанием 18 резьбовым соединением. Важно, что данное соединение создают посредством использования резьбы на внутреннем диаметре («ВД») корпуса 14 с резьбой на наружном диаметре («НД») передней части 16 и основания 18. При таком конструктивном выполнении передняя часть 16 и основание 18 могут быть выполнены заподлицо с наружным диаметром корпуса 14. Для удержания перекачиваемой текучей среды используются кольцевые уплотнения 20, установленные в требуемых положениях снаружи резьбовых соединений между корпусом 14 и передней частью 16, а также корпусом 14 и основанием 18.

[005] В целом, несмотря на эффективность для прикладных систем низкого давления, подход предшествующего уровня техники к решению проблемы, касающейся соединения корпуса насоса с передней частью и с основанием, может быть неудовлетворительным в установках высокого давления. Корпус 14 по мере повышения внутри него давления текучей среды может расширяться, уменьшая тем самым степень взаимодействия между корпусом 14 и передней частью 16, а также между корпусом 14 и основанием 18. Если происходит ухудшение резьбовых соединений между корпусом 14 и передней частью 16, а также корпусом 14 и основанием 18, то насосный узел 10 может работать со сниженной эффективностью или может полностью выйти из строя, допуская отделение передней части 16 и основания 18 от корпуса 14. Соответственно, существует потребность в усовершенствованной конструкции насоса, предусматривающей большую устойчивость против отказов при повышенных рабочих давлениях.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[006] В предпочтительных вариантах выполнения предложенное изобретение содержит насосный узел для использования в насосной установке высокого давления. В первом предпочтительном варианте выполнения насосный узел содержит корпус, переднюю часть и основание. Корпус содержит по меньшей мере одну ступень центробежного насоса. Передняя часть и основание прикреплены к корпусу соответствующими внутренними резьбовыми соединениями. Передняя часть и основание дополнительно присоединены к корпусу соответствующими наружными фланцевыми соединениями, которые обеспечивают дублирующие соединения, снижающие опасность возникновения повреждения между корпусом и передней частью, корпусом и основанием.

[007] Во втором предпочтительном варианте выполнения предложенное изобретение содержит модульный насосный узел, содержащий первый насосный модуль, соединенный со вторым насосным модулем. Первый насосный модуль содержит первый корпус, имеющий первую пару наружных фланцев, расположенных на противоположных концах первого корпуса. Первый насосный модуль дополнительно включает переднюю часть, расположенную внутри первого корпуса, и основание, расположенное внутри первого корпуса. Аналогично, второй насосный модуль включает второй корпус, имеющий вторую пару наружных фланцев, расположенных на противоположных концах второго корпуса. Второй насосный модуль включает переднюю часть, расположенную внутри второго корпуса, и основание, расположенное внутри второго корпуса. Второй насосный модуль соединен с первым насосным модулем путем присоединения одного из второй пары наружных фланцев к одному из первой пары наружных фланцев.

[008] Таким образом, предпочтительные варианты выполнения включают насосные узлы, в которых используются наружные фланцевые соединения для дублирования внутренних резьбовых соединений между передней частью и корпусом насоса, а также основанием и корпусом насоса.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[009] Фиг. 1 изображает разрез известного насосного узла.

[010] Фиг. 2 изображает насосную установку для наземного применения, в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения.

[011] Фиг. 3 изображает перспективный вид спереди насосной установки для подземного применения, выполненной в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения предложенного изобретения.

[012] Фиг. 4 изображает разрез первого предпочтительного варианта выполнения насосного узла из насосных установок, показанных на фиг. 2 или 3.

[013] Фиг. 5 изображает разрез второго предпочтительного варианта выполнения насосного узла из насосных установок, показанных на фиг. 2 или 3.

[014] Фиг. 6 изображает разрез двух соединенных вместе насосных узлов второго предпочтительного варианта выполнения, показанного на фиг. 5.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[015] В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения на фиг. 2 показан вид сбоку насосной установки 100. Как показано на фиг. 2, установка 100 выполнена в виде наземной насосной установки, закрепленной на поверхности 102 посредством опорной рамы 104. Наземная установка 100, предпочтительно, содержит двигатель 106, насосный узел 108 и входное отверстие 110. Насосная установка 100 также содержит входной коллектор 112 и выпускной коллектор 114, переносящие текучую среду, соответственно, к наземной насосной установке 100 и от нее.

[016] На фиг. 3 показан перспективный вид насосной установки 100 при подземном применении. Как показано на фиг. 3, установка 100 расположена внутри обсадной трубы 116 подземного ствола скважины, пробуренной для добычи текучей среды, такой как вода или нефтепродукты. Применительно к настоящему документу термин «нефтепродукты» относится в широком смысле ко всем минеральным углеводородам, таким как сырая нефть, газ и сочетания нефти и газа.

[017] Установка 100, показанная на фиг. 3, предпочтительно, содержит уплотнительную секцию 118 и входное отверстие 120 с сетчатым фильтром, расположенное между двигателем 106 и насосным узлом 108. Уплотнительная секция 118 обеспечивает защиту двигателя 106 от нагрузки, создаваемой насосным узлом 108, и нежелательного проникновения загрязненных текучих сред из окружающей среды ствола скважины, а также обеспечивает пространство для расширения смазочных материалов внутри двигателя 106. Впускное отверстие 120 с сетчатым фильтром обеспечивает впускное отверстие, через которое текучие среды могут проходить из ствола скважины в насосный узел 108. При таких окружающих условиях установка 100, предпочтительно, также содержит эксплуатационную насосно-компрессорную колонну 122, образующую трубопровод, через который текучие среды откачиваются из насосного узла 108 к земной поверхности 102.

[018] В предпочтительном варианте выполнения двигатель 106 является электродвигателем, получающим электроэнергию с расположенного на поверхности источника питания. В общем, двигатель 106 преобразует электрическую энергию в механическую энергию, передаваемую через один или более валов (не показано на фиг. 2 или 3) к насосному узлу 108. В одном предпочтительном варианте выполнения насосный узел 108 является многоступенчатым центробежным насосом, использующим два или более рабочих колес и диффузоры для преобразования механической энергии в гидравлический напор. В другом варианте выполнения насосный узел 108 является винтовым насосом (ВН), перемещающим скважинные текучие среды с использованием одного или более винтов или поршней.

[019] На фиг. 4 показан вид в разрезе насосного узла 108, выполненного в соответствии с первым предпочтительным вариантом выполнения. Насосный узел 108, предпочтительно, содержит корпус 124, основание 126 и переднюю часть 128. Основание 126, предпочтительно, выполнено с возможностью крепления к входному отверстию 110 или к входному отверстию 120 с сетчатым фильтром, в зависимости от окружающей среды, в которой используют насосный узел 108. Передняя часть 128, предпочтительно, выполнена с возможностью крепления к выпускному коллектору 114 или к эксплуатационной насосно-компрессорной колонне 122, в зависимости от окружающей среды, в которой используют насосную установку 100. Передняя часть 128 может быть использована, как вариант или дополнительно, в качестве несущей опоры, выполненной с возможностью резьбового соединения с корпусом 124. Корпус 124, предпочтительно, выполнен в виде трубчатого, по существу цилиндрического, элемента, содержащего по меньшей мере одну ступень 130 турбомашины. Каждая ступень 130 турбомашины, предпочтительно, содержит рабочее колесо 132 и диффузор 134. Каждое рабочее колесо 132 присоединено к валу 136 и выполнено с возможностью приведения во вращение вала 136, проходящего через насосный узел 108.

[020] Передняя часть 128 имеет наружную резьбу 138, выполненную с возможностью взаимодействия с внутренней резьбой 140 под переднюю часть, выполненной на внутренней стороне корпуса 124. Подобным образом, основание 126 имеет наружную резьбу 142, выполненную с возможностью взаимодействия с внутренней резьбой 144 под основание, выполненной на внутренней стороне корпуса 124. Таким образом, передняя часть 128 и основание 126 могут быть ввинчены в корпус 124 для приложения нагрузки сжатия на диффузор 134 ступеней 130. Нагрузка сжатия препятствует вращению диффузора 134 внутри корпуса 124. И передняя часть 128 и основание 126 также содержат одно или более кольцевых уплотнений 146 для предотвращения прохождения текучей среды через резьбовое соединение.

[021] Насосный узел 108 также содержит фланец 148, выполненный на основании 126, верхний по потоку фланец 150, выполненный на корпусе 124, нижний по потоку фланец 152, выполненный на корпусе 124, и фланец 154, выполненный на передней части 128 (в собирательном значении «наружные фланцы 148, 150, 152 и 156»). Фланец 148 основания, предпочтительно, установлен посредством скользящей посадки вплоть до опорного плеча на наружной поверхности основания 126. Верхний по потоку фланец 150 и нижний по потоку фланец 152, предпочтительно, установлены посредством горячей посадки с последующим привариванием к наружной поверхности верхнего и нижнего по потоку противоположных концов корпуса 124. Как вариант, фланцы 150 и 152 могут быть выполнены в виде единой конструкции с корпусом 124 из цельной заготовки. Фланец 154 передней части, предпочтительно, приварен к наружной стороне передней части 128. Каждый из фланцев 148, 150, 152 и 154, предпочтительно, выполнен в виде кругового фланца, содержащего группу выровненных под болты отверстий 156. Болты 158 или другие крепежные средства могут быть проведены через отверстия 156 для обеспечения дублирующей удерживающей силы между основанием 126 и корпусом 124, а также между корпусом 124 и передней частью 128.

[022] Таким образом, насосный узел 108 включает как наружные фланцевые, так и внутренние резьбовые соединения между корпусом 124 и каждым из основания 126 и передней части 128. Использование внутренних резьбовых соединений и наружных фланцевых соединений обеспечивает надежный насосный узел 108, выполненный с возможностью работы под давлениями вплоть до приблизительно 10000 фунтов /дюйм² (68,95 МПа).

[023] На фиг. 5 и 6 показан вид сбоку в разрезе второго предпочтительного варианта выполнения насосного узла 108. Во втором предпочтительном варианте выполнения передняя часть 128 и основание 126 закреплены внутри корпуса 124 посредством внутренней и наружной резьбы 138, 140 и внутренней и наружной резьбы 142, 144. Корпус 124 также содержит одну или более ступеней 130 центробежного насоса. Поскольку передняя часть 128 и основание 126 являются внутренними относительно корпуса 124, то насосный узел 108 по второму варианту выполнения не содержит фланца 148 основания, и фланца 154 передней части. Вместо этого насосный узел 108 содержит только верхний по потоку фланец 150 и нижний по потоку фланец 152, присоединенные к наружной части корпуса 124 у противоположных верхнего и нижнего по потоку концов. В некоторых предпочтительных вариантах выполнения верхний по потоку фланец 150 и нижний по потоку фланец 152 приварены к наружной части корпуса 124.

[024] Как проиллюстрировано на фиг. 6, второй вариант выполнения насосного узла особенно хорошо подходит для использования в модульной насосной установке, в которой несколько насосов соединены вместе. При использовании наружные фланцы 150, 152 принимают на себя осевые нагрузки, создаваемые смежными насосными узлами 108 и возникающими между ними. При этом передняя часть 128 и основание 126 принимают на себя внутренние силы, действующие в насосном узле 108, посредством внутренней и наружной резьбы 138, 140 и внутренней и наружной резьбы 142, 144. Использование наружных фланцев 150, 152 увеличивает контактную площадь соединений насоса и обеспечивает дублирование внутренних резьбовых соединений между корпусом 124 и передней частью 128, а также корпусом 124 и основанием 126. Наружные фланцы 150, 152, расположенные на противоположных концах насосных узлов 108, соединенных последовательно, могут быть использованы для присоединения к впускному коллектору 112, выпускному коллектору 114, впускному отверстию 120 и/или к эксплуатационной насосно-компрессорной колонне 122. Второй предпочтительный вариант выполнения насосного узла 108 выполнен с возможностью выдерживать рабочие давления приблизительно вплоть до 10000 пси (68,95 МПа).

[025] Следует понимать, что даже несмотря на то, что в приведенном описании были изложены многочисленные характеристики и преимущества различных вариантов выполнения предложенного изобретения совместно с деталями конструкции и функциями различных вариантов выполнения предложенного изобретения, тем не менее, это описание является лишь иллюстративным, при этом возможно внесение изменений в деталях, особенно в вопросах, касающихся конструкции и расположения ее частей, в пределах основополагающих идей предложенного изобретения, в полной мере отображенных общепринятым значением терминов, в которых изложена прилагаемая формула изобретения. Специалистам в данной области техники должно быть очевидным, что основные идеи предложенного изобретения могут быть применены к другим установками без отклонения от объема правовой охраны и сущности предложенного изобретения.

Насосный узел (108) для использования в насосной установке высокого давления содержит корпус (124), переднюю часть (128) и основание (126). Корпус содержит по меньшей мере одну ступень (130) центробежного насоса. Передняя часть (128) и основание (126) прикреплены к корпусу (124) соответствующими внутренними резьбовыми соединениями (140, 144). Передняя часть (128) и основание (126) дополнительно прикреплены к корпусу (124) соответствующими наружными фланцевыми соединениями (138, 142). Наружные фланцевые соединения (138, 142) обеспечивают дублирующие соединения, уменьшающие опасность возникновения отделения между корпусом (124) и передней частью (128), а также корпусом (124) и основанием (126). 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Насосный узел для использования в насосной установке, содержащий:

корпус, содержащий одну или более ступеней центробежного насоса,

переднюю часть, присоединенную к корпусу посредством внутреннего резьбового соединения и наружного фланцевого соединения, и

основание, присоединенное к корпусу посредством внутреннего резьбового соединения и наружного фланцевого соединения.

2. Насосный узел по п. 1, в котором корпус содержит трубчатый элемент, имеющий наружную часть, внутреннюю часть, верхний по потоку конец и нижний по потоку конец, при этом корпус у верхнего по потоку конца имеет внутреннюю резьбу под основание, а у нижнего по потоку конца имеет внутреннюю резьбу под переднюю часть.

3. Насосный узел по п. 2, в котором корпус имеет верхний по потоку фланец, присоединенный к наружной части верхнего по потоку конца, и нижний по потоку фланец, присоединенный к наружной части нижнего по потоку конца.

4. Насосный узел по п. 3, в котором основание присоединено к верхнему по потоку концу корпуса, причем основание содержит фланец, присоединенный к верхнему по потоку фланцу.

5. Насосный узел по п. 4, в котором основание имеет наружную резьбу, взаимодействующую с указанной внутренней резьбой под основание.

6. Насосный узел по п. 3, в котором передняя часть присоединена к нижнему по потоку концу корпуса и имеет фланец, присоединенный к указанному нижнему по потоку фланцу.

7. Насосный узел по п. 6, в котором передняя часть имеет наружную резьбу, взаимодействующую с внутренней резьбой под переднюю часть.

8. Насосный узел для использования в насосной установке, содержащий:

первый насосный модуль, содержащий:

первый корпус, имеющий первую пару наружных фланцев, расположенных на противоположных концах первого корпуса,

переднюю часть, расположенную внутри первого корпуса и присоединенную к первому корпусу посредством внутреннего резьбового соединения и наружного фланцевого соединения, и

основание, расположенное внутри первого корпуса и присоединенное к первому корпусу посредством внутреннего резьбового соединения и наружного фланцевого соединения, и

второй насосный модуль, присоединенный к первому насосному модулю и содержащий:

второй корпус, содержащий вторую пару наружных фланцев, расположенных на противоположных концах второго корпуса, при этом один из второй пары наружных фланцев присоединен к одному из первой пары наружных фланцев,

переднюю часть, расположенную внутри второго корпуса и присоединенную ко второму корпусу посредством внутреннего резьбового соединения и наружного фланцевого соединения, и

основание, расположенное внутри второго корпуса и присоединенное ко второму корпусу посредством внутреннего резьбового соединения и наружного фланцевого соединения.

9. Насосный узел по п. 8, в котором передняя часть содержит несущую опору.

10. Насосный узел по п. 8, в котором первая пара наружных фланцев приварена к первому корпусу, а вторая пара наружных фланцев приварена ко второму корпусу.

11. Насосный узел по п. 8, в котором первый корпус содержит:

трубчатый элемент, имеющий наружную часть, внутреннюю часть, верхний по потоку конец и нижний по потоку конец,

внутреннюю резьбу под основание у верхнего по потоку конца и

внутреннюю резьбу под переднюю часть у нижнего по потоку конца.

12. Насосный узел по п. 11, в котором передняя часть первого насосного модуля содержит наружную резьбу, взаимодействующую с внутренней резьбой первого корпуса.

13. Наземная насосная установка, содержащая:

электродвигатель,

опорную раму,

насосный узел, соединенный с электродвигателем и поддерживаемый опорной рамой, причем насосный узел содержит:

корпус, включающий трубчатый элемент, имеющий наружную часть, внутреннюю часть, верхний по потоку конец и нижний по потоку конец, при этом корпус содержит:

внутреннюю резьбу под основание у верхнего по потоку конца,

внутреннюю резьбу под переднюю часть у нижнего по потоку конца,

верхний по потоку фланец, присоединенный к наружной части верхнего по потоку конца, и

нижний по потоку фланец, присоединенный к наружной части нижнего по потоку конца,

основание, присоединенное к верхнему по потоку концу корпуса и содержащее фланец, присоединенный к верхнему по потоку фланцу, и наружную резьбу, взаимодействующую с указанной внутренней резьбой под основание, и

переднюю часть, присоединенную к нижнему по потоку концу корпуса и содержащую фланец, присоединенный к нижнему по потоку фланцу, и наружную резьбу, взаимодействующую с указанной внутренней резьбой под переднюю часть.

14. Наземная насосная установка по п. 13, в которой насосный узел содержит вал и ступени турбомашины, каждая из которых включает вращающееся рабочее колесо, присоединенное к валу, и стационарный диффузор, присоединенный к корпусу.

15. Наземная насосная установка по п. 13, в которой насосный узел содержит одно или более кольцевых уплотнений между передней частью и корпусом.

16. Наземная насосная установка по п. 13, в которой насосный узел содержит одно или более кольцевых уплотнений между основанием и корпусом.

17. Наземная насосная установка по п. 13, в которой фланец основания присоединен к верхнему по потоку фланцу стяжными болтами.

18. Наземная насосная установка по п. 13, в которой фланец передней части присоединен к нижнему по потоку фланцу стяжными болтами.

19. Наземная насосная установка по п. 13, содержащая впускной коллектор, присоединенный к основанию, и выпускной коллектор, присоединенный к передней части.