СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА Российский патент 2020 года по МПК F04D29/44 F04D13/10 F04D1/06 F04D29/02 

Изобретение относится к области насосостроения и, прежде всего, к многоступенчатым насосам, используемым для добычи нефти из скважин и для подачи воды в продуктивный нефтеносный пласт для поддержания и повышения в нём пластового давления.

Известна из авторского свидетельства SU 479399 конструкция направляющего аппарата для центробежного питательного насоса, в которой диффузорный канал укорочен, а вместо наклонных переходных каналов имеются вырезы с боковой поверхности нижнего диска, через которые среда может переходить из диффузорного канала в обратные.

Известна также из патента RU 35392 конструкция направляющего аппарата для ступени центробежного скважинного многоступенчатого насоса, в которой переходный боковой канал образует боковые ребра более сложной формы.

Известная также из патента RU 2142069 конструкция направляющего аппарата центробежного насоса, в которой отсутствуют диффузорные каналы, но есть хорошо оформленные наклонные переходные каналы.

Однако все перечисленные конструкции направляющих аппаратов имеют сложный процесс производства и высокую стоимость изготовления, так как ступень состоит из нескольких деталей. Наличие нескольких деталей в направляющем аппарате ступени снижает точность линейного габарита каждой секции насоса, что делает затруднительным сделать насос в компрессионном исполнении, наиболее надежном, где вся секция является по сути одним большим пакетом. Длины ступиц рабочих колёс и направляющих аппаратов равны. Это позволяет осевую силу, действующую на каждое рабочее колесо, воспринимать не осевой опорой в ступени, а гидродинамической опорой в гидрозащите, которая работает не в пластовой жидкости с механическими примесями, а в масле, и имеет на порядок меньше коэффициент трения.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является ступень центробежного многоступенчатого насоса, известная из патента RU 2364756, с радиальными направляющими аппаратами, содержащими цилиндрический корпус, выполненный заодно с верхним диском, нижний диск в виде отдельной детали, спиральные выходы, соединенные с обратными каналами посредством переходных каналов. При этом каждый аппарат снабжён вкладышами, установленными напротив спиральных выходов и контактирующими с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса, при этом в теле вкладышей выполнены наклонные профилированные выемки, формирующие переходные каналы.

Однако в таком направляющем аппарате проточная часть образована несколькими деталями, между которыми существуют зазоры из-за допусков на форму. Зазоры в проточной части снижают КПД в связи с перетеканием через зазоры. Наличие нескольких деталей в направляющем аппарате также снижает точность линейного габарита каждой секции насоса, что делает затруднительным изготовление насоса в наиболее надёжном компрессионном исполнении, где вся секция является по сути одним большим пакетом. Длины ступиц рабочих колес и направляющих аппаратов в этом исполнении должны быть равны. Это позволяет установить ступицу каждого рабочего колеса на ступицу предыдущего в секции насоса. За счет этого осевая сила, действующая на каждое рабочее колесо, будет восприниматься не осевой опорой в ступени, а гидродинамической опорой в гидрозащите, которая работает не в пластовой жидкости с механическими примесями, а в масле и имеет на порядок меньше коэффициент трения. Компрессионное исполнение насоса приводит к увеличению срока службы установки при работе с высоким содержанием механических примесей. Кроме этого, осевая сила, действующая на рабочее колесо, не уравновешена, это снижает ресурс работы. В пазухах между дисками рабочего колеса и направляющего аппарата будут собираться пузырьки газа, укрупняться в крупный пузырь, который периодически может выходить в проточную часть рабочего колеса, снижая напорную и энергетические характеристики. Также не оптимизированы диаметральные габариты ступени, которые влияют на энергетические параметры: напор и КПД.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является недостаточная надёжность ступени при работе в пластовой жидкости с высоким содержанием свободного газа и механических примесей.

Техническим результатом является повышение надёжности при работе в пластовой жидкости с высоким содержанием свободного газа и механических примесей.

Дополнительным техническим результатом является повышение КПД и коэффициента напора ступени.

Ещё одним техническим результатом является создания технического решения, альтернативного известному решению.

Заявляемые технические результаты достигаются за счёт того, что в ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, содержащей рабочее колесо со ступицей и ведущим и ведомым дисками, между которыми расположены лопасти, и направляющий аппарат, который содержит цилиндрическую часть в виде стакана, ступицу, верхний и нижний диски, между которыми расположены лопатки, направляющий аппарат выполнен в виде цельнолитой конструкции из чугуна, на выходе из рабочего колеса выполнена кольцевая проточка, в которой установлены дополнительные лопатки на дополнительном диске, установленном в нижнем диске направляющего аппарата, при этом внешний диаметр рабочего колеса относится к внешнему диаметру стакана направляющего аппарата в соответствии с соотношением:

dк ≤ 0,85dст,

где d_к - внешний диаметр рабочего колеса;

d_ст - внешний диаметр стакана направляющего аппарата;

диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат относится к внешнему диаметру рабочего колеса в соответствии с соотношением:

d_л ≥ 1,005d_к,

где d_л - диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат;

внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата составляет не более тридцати семи процентов от внешнего диаметра стакана направляющего аппарата:

d_оп ≤ 0,37 d_ст,

где d_оп – внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата;

внутренний диаметр ступицы направляющего аппарата составляет не более двадцати двух процентов от внешнего диаметра стакана направляющего аппарата:

d_b ≤ 0,22 d_ст,

где d_b – внутренний диаметр ступицы рабочего колеса.

Кроме того чугун может содержать, в частности, кремний, марганец, хром, церий, фосфор 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.

Кроме того чугун может содержать, в частности, кремний, марганец, хром, никель, медь, фосфор и серу, при следующем содержании указанных элементов, мас.%:

углерод 2,7-3,1

кремний 1,2-1,9

марганец 0,85-1,5

хром 0,7-1,5

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 чугун может содержать, в частности, кремний, марганец, хром, никель, медь, фосфор и серу, при следующем содержании указанных элементов, мас.%:

углерод 3,25-3,6

кремний 1,8-2,4

марганец 0,5-0,85

хром 0,1-0,2

никель 0,1-0,3

медь 0,2-0,5

сера 0,09-0,15

фосфор <0,1

олово 0,06-0,1.

Благодаря тому, что направляющий аппарат выполнен в виде цельнолитой конструкции из чугуна, проточная часть не содержит зазоров, отсутствуют перетечки, вследствие этого повышается объёмный и общий КПД ступени, повышается надежность при работе в пластовой жидкости с высоким содержанием свободного газа и механических примесей.

За счёт того, что на выходе из рабочего колеса выполнена кольцевая проточка, в которой установлены дополнительные лопатки, которые установлены на дополнительном диске, установленном в нижнем диске направляющего аппарата, внешний диаметр рабочего колеса относится к внешнему диаметру стакана направляющего аппарата в соответствии с соотношением:

d_к ≤ 0,85d_ст,

где d_к - внешний диаметр рабочего колеса;

d_ст - внешний диаметр стакана направляющего аппарата,

а диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат относится к внешнему диаметру рабочего колеса в соответствии с соотношением:

d_л ≥ 1,005d_к,

где d_л - диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат;

d_к - внешний диаметр рабочего колеса,

обеспечивается плавный выход потока из рабочего колеса, выравнивание скоростей, снижение скорости потока с увеличением давления в кольцевом канале, плавный входу потока перекачиваемой жидкости в установленный за рабочим колесом направляющий аппарат. Как результат это приводит к увеличению гидравлического и общего КПД, напора и коэффициента напора, повышению надежности при работе в пластовой жидкости с высоким содержанием свободного газа и механических примесей.

Если внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата составляет не более тридцати семи процентов от внешнего диаметра стакана направляющего аппарата:

d_оп ≤ 0,37 d_ст, где d_оп – внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата (основной осевой опоры);

внутренний диаметр ступицы рабочего колеса составляет не более двадцати двух процентов от внешнего диаметра направляющего аппарата:

d_b ≤ 0,22 d_ст, где d_b – внутренний диаметр ступицы рабочего колеса, определяющий положение пары трения, ступицы рабочего колеса и направляющего аппарата, которые образуют радиальную опору ступени.

В этом случае относительно малые радиусы, на которых изготовлены осевая и радиальная опоры ступени, позволяют минимизировать затраты мощности на трение в опорах.

Если направляющий аппарат выполнен с наружным диаметром 100±2 мм, внешний диаметр рабочего колеса и другие размеры ступени соответствуют, указанным рекомендациям, это позволяет использовать уже готовые серийные рабочие колеса. Диаметр рабочих колес и соответственно развиваемый ими напор достаточно высокие, поэтому можно использовать серийный двигатель без частотного преобразователя для увеличения числа оборотов. Как результат это может привести к снижению себестоимости.

Дополнительные лопатки, выполненные на дополнительном диске, который установлен в нижнем диске направляющего аппарата, позволяют упростить литье, но потребуют последующую технологическую операцию по запрессовке диска к направляющему аппарату.

Если чугун содержит, в частности, кремний, марганец, хром, церий, фосфор 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, то установки со ступенями, изготовленными из этого материала, могут использоваться в обычных скважинах, где не требуется высокая коррозионная стойкость и износостойкость. Небольшое количество агрессивных компонентов, концентрация сероводорода до 0,01 г/л.

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

углерод 2,7-3,1

кремний 1,2-1,9

марганец 0,85-1,5

хром 0,7-1,5

никель 15-17

медь 6,1-8

сера <0,03

фосфор <0,25

алюминий 0,01-0,3

магний 0,01-0,07, то установки со ступенями, изготовленными из этого материала, могут использоваться в скважинах, с высоким содержанием механических примесей, где требуется высокая коррозионная стойкость. Максимальное количество агрессивных компонентов: Н₂S 1.25 г/л, CO₂ -0.15 г/л.

При использовании чугуна, который содержит кремний, марганец, хром, никель, медь, фосфор и серу, при следующем содержании указанных элементов, мас.%:

углерод 3,25-3,6

кремний 1,8-2,4

марганец 0,5-0,85

хром 0,1-0,2

никель 0,1-0,3

медь 0,2-0,5

сера 0,09-0,15

фосфор <0,1

олово 0,06-0,1, то установки со ступенями, изготовленными из этого материала, могут использоваться в скважинах, с высоким содержанием механических примесей, где не требуется высокая коррозионная стойкость.

Изобретение поясняется фигурой, на которой изображен продольный разрез ступени с кольцевой проточкой, в которой установлены дополнительные лопатки на дополнительном диске, установленные в нижнем диске направляющего аппарата.

На фиг. позициями 1-14 обозначены:

1 – рабочее колесо;

2 – направляющий аппарат;

3 – ведущий диск рабочего колеса;

4 – ступица рабочего колеса;

5 – ведомый диск рабочего колеса;

6 – лопасти рабочего колеса;

7 – цилиндрический стакан направляющего аппарата;

8 – верхний диск направляющего аппарата;

9 – нижний диск направляющего аппарата;

10 – ступица направляющего аппарата;

11 – лопатки направляющего аппарата;

12 – кольцевая проточка;

13 – дополнительные лопатки направляющего аппарата;

14 – дополнительный диск.

Насос состоит из сборки ступеней, каждая ступень состоит из рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2. Рабочие колеса 1 установлены на валу (не показан), направляющие аппараты 2 – внутри корпуса (не показан). Рабочее колесо 1 состоит из ведущего диска 3, выполненного заодно со ступицей 4, ведомого диска 5. Между ведущим 3 и ведомым 5 дисками выполнены лопасти 6. Направляющий аппарат 2 состоит из цилиндрического стакана 7, выполненного заодно с верхним диском 8, нижнего диска 9, выполненного заодно со ступицей 10. Между дисками выполнены лопатки 11.

На выходе из рабочего колеса 1 выполнена кольцевая проточка 12, в которой установлены дополнительные лопатки 13, причем дополнительные лопатки 13 выполнены на дополнительном диске 14, который установлен в нижнем диске 9 направляющего аппарата 2.

Внешний диаметр рабочего колеса выполнен размером по отношению к внешнему диаметру стакана направляющего аппарата в соответствии с соотношением: d_к ≤ 0,85d_ст,

где d_к - внешний диаметр рабочего колеса;

d_ст - внешний диаметр стакана направляющего аппарата.

Диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат выполнен с размером по отношению к внешнему диаметру рабочего колеса в соответствии с соотношением:

d_л ≥ 1,005d_к,

где d_л - диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат;

Внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата составляет не более тридцати семи процентов от внешнего диаметра направляющего аппарата:

d_оп ≤ 0,37 d_ст,

где d_оп – внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата, здесь изготовлена основная осевая опора направляющего аппарата.

Внутренний диаметр ступицы направляющего аппарата составляет не более двадцати двух процентов от внешнего диаметра направляющего аппарата:

d_b ≤ 0,22 d_ст,

где d_b – внутренний диаметр ступицы рабочего колеса.

Пример конкретных размеров разработанной ступени. Внешний диаметр стакана d_ст = 100 мм, внешний диаметр рабочего колеса d_к = 80 мм, диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат d_л = 80,5 мм, внутренний диаметр основной осевой опоры рабочего колеса d_оп =35 мм, внутренний диаметр ступицы рабочего колеса d_b = 20 мм.

Расчетные энергетические параметры ступени на подачу 125 м³/сутки составляют: напор – 8 метров, КПД – 70%, превосходят известные аналоги для данного типоразмера.

Направляющий аппарат 2 выполнен в виде цельнолитой конструкции из чугуна. Используемый чугун может содержать кремний, марганец, хром, серу, фосфор, церий и бор 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

Может быть использован другой состав чугуна, содержащий кремний, марганец, хром, никель, медь, серу, фосфор магний и алюминий, при следующем содержании указанных элементов, мас.%:

углерод 2,7-3,1

кремний 1,2-1,9

марганец 0,85-1,5

хром 0,7-1,5

никель 15-17

медь 6,1-8

сера <0,03

фосфор <0,25

алюминий 0,01-0,3

магний 0,01-0,07

Может быть также использован другой состав чугуна, содержащий кремний, марганец, хром, никель, медь, серу, фосфор и олово, при следующем содержании указанных элементов, мас.%:

углерод 3,25-3,6

кремний 1,8-2,4

марганец 0,5-0,85

хром 0,1-0,2

никель 0,1-0,3

медь 0,2-0,5

сера 0,09-0,15

фосфор <0,1

олово 0,06-0,1

Погружной многоступенчатый центробежный насос работает следующим образом.

При вращении ротора поток перекачиваемой жидкости, выходя из рабочего колеса 1, попадает в дополнительный радиальный аппарат в виде кольцевой проточки 12, в которой установлены дополнительные лопатки 13 на нижнем диске 9 направляющего аппарата 2. Пройдя через кольцевую проточку 12, поток заходит в проточную часть направляющего аппарата 2, образованную лопатками 11. В направляющем аппарате 2 динамический напор, полученный в рабочем колесе 1, преобразуется в давление.

Оптимальная конфигурация переходных каналов снижает гидравлические потери и обеспечивает эффективную перекачку жидкости с высоким содержанием газа.

Предлагаемое изобретение приводит к техническим результатам: расширение линейки существующих насосов, повышение надежности при работе в пластовой жидкости с высоким содержанием свободного газа и механических примесей, КПД и напора.

Изобретение относится к области насосостроения и, прежде всего, к многоступенчатым насосам, используемым при добыче нефти. Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса содержит рабочее колесо (РК) со ступицей и ведущим и ведомым дисками. Между дисками расположены лопасти. Направляющий аппарат (НА) содержит цилиндрическую часть в виде стакана, верхний и нижний диски, между которыми расположены лопатки. НА выполнен в виде цельнолитой конструкции из чугуна. На выходе из РК выполнена кольцевая проточка, в которой установлены дополнительные лопатки на дополнительном диске, установленном в нижнем диске НА. Внешние диаметры РК и стакана НА, диаметр лопаток на входе в НА и внешний диаметр РК связаны соотношением. Внутренний диаметр верхнего диска НА составляет не более тридцати семи процентов от внешнего диаметра стакана НА. Внутренний диаметр ступицы РК составляет не более двадцати двух процентов от внешнего диаметра стакана НА. Изобретение направлено на повышение надежности при работе в пластовой жидкости с высоким содержанием свободного газа и механических примесей при повышении КПД и коэффициента напора ступени. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, содержащая рабочее колесо со ступицей и ведущим и ведомым дисками, между которыми расположены лопасти, и направляющий аппарат, который содержит цилиндрическую часть в виде стакана, верхний и нижний диски, между которыми расположены лопатки, отличающаяся тем, что направляющий аппарат выполнен в виде цельнолитой конструкции из чугуна, на выходе из рабочего колеса выполнена кольцевая проточка, в которой установлены дополнительные лопатки на дополнительном диске, установленном в нижнем диске направляющего аппарата, при этом внешний диаметр рабочего колеса относится к внешнему диаметру стакана направляющего аппарата в соответствии с соотношением

d_к ≤ 0,85d_ст,

где d_к - внешний диаметр рабочего колеса;

d_ст - внешний диаметр стакана направляющего аппарата;

диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат относится к внешнему диаметру рабочего колеса в соответствии с соотношением

d_л ≥ 1,005d_к,

где d_л - диаметр лопаток на входе в направляющий аппарат;

внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата составляет не более тридцати семи процентов от внешнего диаметра стакана направляющего аппарата

d_оп ≤ 0,37 d_ст,

где d_оп - внутренний диаметр верхнего диска направляющего аппарата;

внутренний диаметр ступицы рабочего колеса составляет не более двадцати двух процентов от внешнего диаметра стакана направляющего аппарата

d_b ≤ 0,22 d_ст,

где d_b - внутренний диаметр ступицы рабочего колеса.

2. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что чугун содержит, в частности, кремний, марганец, хром, церий, фосфор 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. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что чугун содержит, в частности, кремний, марганец, хром, никель, медь, фосфор и серу при следующем содержании указанных элементов, мас.%:

углерод 2,7-3,1

кремний 1,2-1,9

марганец 0,85-1,5

хром 0,7-1,5

никель 15-17

медь 6,1-8

сера <0,03

фосфор <0,25

алюминий 0,01-0,3

магний 0,01-0,07.

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

углерод 3,25-3,6

кремний 1,8-2,4

марганец 0,5-0,85

хром 0,1-0,2

никель 0,1-0,3

медь 0,2-0,5

сера 0,09-0,15

фосфор <0,1

олово 0,06-0,1.