Ступень лопастного многоступенчатого насоса Российский патент 2021 года по МПК F04D1/06 F04D13/10 

Область техники.

Заявляемое техническое решение относится к насосной технике, а именно к ступеням лопастных многоступенчатых насосов для перекачки различных жидких сред. Наиболее эффективно оно будет использоваться при применении в многоступенчатых электропогружных насосах для добычи нефти.

Уровень техники.

Многоступенчатые лопастные насосы широко применяются в нефтедобыче. Их принято подразделять на центробежные, диагональные (или полуосевые) и осевые. Рабочими органами центробежных и диагональных многоступенчатых насосов являются насосные ступени каждая из которых состоит как минимум из рабочего колеса и направляющего аппарата. Дополнительными элементами ступени являются опорные шайбы из текстолита или карбида кремния (1 или 2 штуки), отделяющие жестко закрепленное на вращающемся валу рабочее колесо от неподвижного направляющего аппарата. Вращающееся рабочее колесо, служит для передачи механической энергии потоку жидкости. Оно представляет собой основной диск со ступицей и покрывной диск, между которыми расположены лопасти, образующие межлопастные каналы, по которым, под действием лопастей, движется перекачиваемая жидкость. Такая конструкция называется рабочим колесом закрытого типа. Неподвижно закрепленный в корпусе насоса направляющий аппарат служит для передачи жидкости в рабочее колесо следующей ступени насоса. В его проточных каналах жидкость тормозится, преодолевая внешнее давление. Направляющий аппарат центробежных и диагональных насосов в общем случае содержит цилиндрический (или комбинированный цилиндрически-конический) корпус, верхний и нижний диски с лопатками (лопастями) между ними, образующие обратные каналы, сходящиеся к горловине, у которой имеется опорный буртик. Через горловину направляющего аппарата перекачиваемая жидкость поступает в канал ступицы рабочего колеса следующей насосной ступени [см. В.Н. Ивановский, А.А. Сабиров, А.В. Деговцев и др. «Проектирование и исследование ступеней динамических насосов.» - М: РГУ Нефти и газа им. И.М. Губкина, 124с.].

Двигаясь в ступени лопастного насоса, перекачиваемая жидкость подвергается действую центробежной силы, увеличивающей кинетическую энергию потока, и тормозящей силы гидродинамического сопротивления. Величина сил гидродинамического сопротивления прямо пропорциональна гидравлическому сопротивлению ступени (), в которой протекает перекачиваемый поток. Т.е. энергетическая эффективность ступени обратно пропорциональна ее гидравлическому сопротивлению.

Основной особенностью конструкции и работы известных аналогов - ступеней многоступенчатых насосов центробежного типа является то, что вся жидкость однократно проходит через ступень, двигаясь, в основном в межлопастных каналах, перпендикулярно оси вращения насоса (точнее оси вращения рабочего колеса) [см., например, Патент US 4511307, кл. F04D 29/02, 29/04, опубл. 16.04.1985г.; Патент RU 2403450, кл. F04D 1/06, 13/10, 29/44 ,опубл. 19.06.2009г.; Патент СА 2803993 кл. F04D 29/22, 29/12, 29/40, опубл. 26.04.2016г.]. В рабочем колесе такой ступени движение жидкости направлено от центра к периферии, а в направляющем аппарате - от периферии к центру. Исключения составляют участки кольцевых проточных каналов в ступице рабочего колеса, на периферии направляющего аппарата (точнее в кольцевом канале перед входом в его межлопаточные каналы) и в его горловине (на выходе межлопаточных каналов направляющего аппарата). По этим сравнительно коротким участкам жидкость движется преимущественно параллельно оси вращения рабочего колеса. Угол между направлениями потока жидкости в межлопастных каналах рабочего колеса и межлопаточных каналах направляющего аппарата в осевой проекции равен 180° или очень близкое к нему значения. Направляющий аппарат ступеней центробежного типа имеет корпус цилиндрический формы.

Поток жидкости, проходящий через проточные каналы ступени диагонального насоса направлен не радиально, как у центробежных насосов, и не параллельно оси, как у осевых, а наклонно, как бы по диагонали прямоугольника, составленного радиальным и осевым направлениями. Наклонное направление потока создает основную конструктивную особенность диагональных насосов - перпендикулярное к меридиональному потоку и наклонное к оси насоса расположение лопастей рабочего колеса. Это обстоятельство позволяет использовать при создании напора совместное действие подъемной и центробежной сил [см. Карелин В. Я., Минаев А. В. «Насосы и насосные станции: Учеб. для вузов» 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Стройиздат, 1986. - 320 с.]. В высокоэффективных диагональных ступенях погружных насосов «REDA, 675 Series» (США), с которыми приходилось работать авторам заявляемого технического решения, угол между направлениями движения потока жидкости в межлопастных каналах рабочего колеса и межлопаточных каналах направляющего аппарата в осевой проекции составляет 80°÷120°, а углы между направлениями движения жидкости в ступице рабочего колеса или горловине направляющего аппарата и направлениями движения жидкости в межлопастных (межлопаточных) каналах составляют 30°÷50°. Классическим примером насосной ступени диагонального типа, состоящей как минимум из рабочего колеса и направляющего аппарата в которых межлопастные каналы рабочего колеса и направляющего аппарата выполнены с наклоном к оси вращения навстречу друг другу [см. например, Патент US 2013/ 0058777A1 кл. F04D 29/54, опубл. 07.03.2013г., Патент RU 188224U1 кл. F04D 10/13, 29/22, 29/041, опубл. 27.08.2018г.].

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является ступень многоступенчатого лопастного насоса, авторами которого являются заявители настоящего технического решения [см. Патент RU № 2735978 кл. F 04D 1/06, 13/10, 29/22, 29/44, опубл. 11.11.2020г.]. Мы назвали ее ступенью «овального» типа, т.к. она не подходит по своей сущности ни под одну из вышеописанных ступеней лопастных насосов. Эта ступень отличается тем, что межлопастные каналы на выходе потока жидкости из рабочего колеса и обратные проточные каналы направляющего аппарата на входе потока в направляющий аппарат в их осевом сечении образуют периферийные закругленные переходящие друг в другу участки овальной формы, которые плавно сопрягаются с внутренними участками каналов перпендикулярными оси вращения рабочего колеса, находящимися на входе потока жидкости в межлопастные каналы рабочего колеса и на выходе из проточных каналов направляющего аппарата, при этом отношение радиуса периферийного закругления каналов (r_k-a) к их осевой ширине на выходе из рабочего колеса и на входе направляющего аппарата (b_k-a) подчиняются соотношению:

Причем радиус этого периферийного закругления каналов (r_k-a) может быть, как постоянной величиной по всей длине каждого закругленного участка, так и переменной, но подчиняющейся соотношению (1).

Недостатки технических решений, выбранных в качестве аналогов и прототипа следующие:

При проектировании ступеней многоступенчатых лопастных насосов необходимо улучшать их энергетическую эффективность, а значит уменьшать гидравлическое сопротивлению (), и повышать их удельный напор (H_уд). Последний параметр равен отношение напора ступени (H_cm) к ее осевому размеру или высоте ступени (h_cm).

Для многоступенчатых лопастных насосов со ступенями центробежного типа характерно высокий удельный напор (H_уд) и гидравлическое сопротивление (), т.е. низкая энергетическая эффективность. А для насосов со ступенями диагонального типа наоборот. Сравнительно низкий удельный напор (H_уд) и гидравлическое сопротивление (), т.е. высокая энергетическая эффективность. То есть диагональные насосы при одинаковом напоре существенно длиннее центробежных.

Применение ступеней «овального» типа, описанных в прототипе, позволяет достигнуть компромиссный результат: обеспечить низкие значения гидравлического сопротивления ступени при её сравнительно малом осевом размере. Значит «овальная» ступень имеет повышенную энергетическую эффективность при высоком удельном напоре.

Однако осевой размер «овальной» ступени (прототипа) больше, чем у ступени центробежного типа. Поэтому удельный напор у ступени прототипа все-таки меньше, чем у центробежной ступени. Повышение удельного напора «овальной» ступени без увеличения ее гидравлического сопротивления, позволит снизить длину насосной установки без потери ее напора. А это особенно важно для электропогружных насосных систем.

Раскрытие предлагаемого технического решения.

Целью изобретения является увеличение удельного напора ступени лопастного многоступенчатого насоса за счет уменьшения ее осевого размера (высоты), без существенного роста ее гидравлического сопротивления, а значит существенного снижения ее энергетической эффективности.

Поставленная цель достигается благодаря следующему:

В известной ступени лопастного многоступенчатого насоса, состоящая ,как минимум, из рабочего колеса (1), направляющего аппарата (2) и опорных элементов-шайб (3); причем рабочее колесо содержит в себе основной диск (4) со ступицей (5) и покрывной диск (6), между которыми расположены криволинейные лопасти (7), образующие межлопастные каналы рабочего колеса (8), по которым, под действием лопастей, движется перекачиваемая жидкость; а направляющий аппарат содержит в себе и нижний (9) и верхний (10) диски с размещенными между ними лопатками (11), образующие обратные каналы (12) сходящиеся к имеющий опорный буртик горловине (13), по которым происходит движения жидкости к входу в рабочее колесо следующей ступени; в которой реализован основной признак ступени «овального» типа, а именно межлопастные каналы (8) на выходе потока жидкости из рабочего колеса и обратные проточные каналы (12) направляющего аппарата на входе потока в направляющий аппарат в их осевом сечении образуют периферийные закругленные переходящие друг в другу участки овальной формы, имеются следующие отличительные признаки:

1. Внутренние участки межлопастных каналов (8, 12) как минимум одного из элементов ступени (рабочего колеса и/или направляющего аппарата) выполнены в осевой проекции меридиональном сечении с наклоном к оси вращения рабочего колеса под тупыми углами (δ_к и/или δ_а ) не более 110° по направлению движения жидкости в ступени (см. Фиг.1 и Фиг.2 )

2. В отличие от прототипа поворот потока жидкости не менее чем на 180° в осевой проекции меридиональном сечении описывается следующим отношением радиуса периферийного закругления проточных каналов (r_k-a) к их ширине на выходе из рабочего колеса и входе направляющего аппарата (b_k-a) (см. Фиг.1 и Фиг.2):

Отметим, что наиболее оптимальным с точки зрения достижения наибольшего удельного напора H_уд, вычисляемого по формуле (2), достигается при условии r_k-a = CONST. То есть, когда форма траектории движения потока жидкости близка к окружности.

3. Углы δ_к и/или δ_а между направления потока жидкости в каналах на внутренних участках могут быть как неизменными по величине - тогда в осевой проекции внутренние участки каналов будут выглядеть прямолинейными (см. Фиг.3 б ), так и с переменными ростом величины углов δ_к и/или δ_а по мере отдаления от центра ступени (оси насоса) - тогда в осевой проекции эти участки каналов будут выглядеть криволинейными (см. Фиг.3 в). Последнее более оптимально при проектировании многоступенчатых насосов со ступенями «плавающего» типа (не закрепляемых жестко на валу в осевом направлении) с опорными шайбами. Для насосов с «компрессионным» (жестким) креплением ступеней на валу варианты ступеней с переменными значениями углов δ_к и δ_а или постоянным их значением практически равнозначны.

4. Возможны следующие частные случаи заявляемого технического решения по форме внутренних участков проточных каналов:

4.1. Внутренний участки как межлопастных каналов рабочего колеса (8), так и обратных межлопастных каналов направляющего аппарата (12) выполнены с наклоном к оси вращения рабочего колеса под тупыми углами по направлению движения жидкости, величина которых не более 110° (см. Фиг. 3 поз. б и поз. в, и Фиг.1).

4.2. Внутренние участки межлопастных каналов рабочего колеса (8) выполнены перпендикулярными к оси вращения насоса, а с наклоном к оси вращения рабочего колеса под тупым углом не более 110° по направлению движения жидкости выполнены только внутренние участки межлопаточных каналов направляющего аппарата (12) (см. Фиг. 3 поз. г).

4.3. Внутренние участки межлопастных каналов направляющего аппарата (12) выполнены перпендикулярными к оси вращения насоса, а с наклоном к оси вращения рабочего колеса под тупым углом не более 110° по направлению движения жидкости выполнены только внутренние участки межлопастных каналов рабочего колеса (8) (см. Фиг. 3 поз. д, и Фиг.2).

Описание чертежей.

Суть изобретения поясняется графическими материалами (Фигурами).

На Фиг. 1 представлен чертеж Ступени лопастного многоступенчатого насоса с разрезом в осевой проекции меридиональном сечении. В этой ступени внутренние участки межлопастных каналов рабочего колеса и направляющего аппарата выполнены в осевой проекции с наклоном к оси вращения рабочего колеса под тупыми углами (δ_к > 90°, δ_а. > 90° );

На Фиг. 2 представлен чертеж Ступени лопастного многоступенчатого насоса с разрезом в осевой проекции меридиональном сечении. В этой ступени внутренние участки межлопастных каналов рабочего колеса в осевой проекции с наклоном к оси вращения рабочего колеса под тупым углом, а в направляющем аппарате под прямым углом (δ_к = 90°, δ_а. > 90° ); .

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - рабочее колесо;

2 - направляющий аппарат;

3 - опорные элементы (шайбы);

4 - основной диск рабочего колеса;

5 - ступица рабочего колеса;

6 - покровный диск рабочего колеса;

7 - криволинейные лопасти рабочего колеса;

8 - межлопастной канал рабочего колеса, образованный лопастями, основным и покровным дисками;

9 - нижний диск направляющего аппарата;

10 -верхний диск направляющего аппарата;

11 - лопатки (лопасти) направляющего аппарата;

12 - обратный межлопаточный канал, образованный лопатками, верхним нижним дисками направляющего аппарата;

13 - горловина направляющего аппарата;

_bк-а - осевая ширина проточных каналов на выходе из рабочего колеса и на входе направляющего аппарата;

r_к-а - периферийный радиус закругления проточных каналов на выходе из рабочего колеса и на входе направляющего аппарата;

δ_к - угол изменения направления потока жидкости в его осевой проекции для внутренней области каналов рабочего колеса;

δ_а - угол изменения направления потока жидкости в его осевой проекции для внутренней области каналов направляющего аппарата;

x₁ - расстояние в осевой проекции между центрами проточных каналов рабочего колеса и направляющего аппарата во внутренней области ступени (переходы: ступица рабочего колеса - межлопастной канал рабочего колеса, межлопаточный канал направляющего аппарата- горловина направляющего аппарата);

x₂ - расстояние в осевой проекции между центрами проточных каналов рабочего колеса и направляющего аппарата в периферийной области ступени начала закругления каналов;

h_cm - осевой размер (высота) ступени;

Д_cт - внешний диаметр ступени;

Стрелками показано направление движения перекачиваемой жидкости в ступени насоса.

На Фиг. 3 представлена Схема движения перекачиваемой жидкости в осевой проекции при разных конструкциях ступени. Непрерывными стрелками показано направление движения перекачиваемой жидкости в рабочим колесе, прерывистыми стрелками - в направляющем аппарате.

а. Схема движение жидкости в лопастном многоступенчатом насосе со ступенями «овального» типа при δ_к= 90° и δ_а = 90° (Прототип);

б. Схема движение жидкости в многоступенчатом насосе со ступенями «овального» типа при δ_к >90° и δ_а >90° , δ_к = Const и δ_а = Const (Заявляемое техническое решение);

в. Схема движение жидкости в многоступенчатом насосе со ступенями «овального» типа при δ_к >90° и δ_а >90° , δ_к ≠ Const и δ_а≠ Const (Заявляемое техническое решение);

г. Схема движение жидкости в многоступенчатом насосе со ступенями «овального» типа при δ_к=90° и δ_а >90° , δ_к = Const и δ_а ≠ Const (Заявляемое техническое решение);

д. Схема движение жидкости в многоступенчатом насосе со ступенями «овального» типа при δ_к >90° и δ_а = 90° , δ_к ≠ Const CONST и δ_а = Const (Заявляемое техническое решение).

где r_k-a - радиус закругления потока жидкости на периферии рабочего колеса и направляющего аппарата;

δ_к - угол изменения направления потока жидкости в его осевой проекции для внутренней области каналов рабочего колеса (выход из канала ступицы - вход в межлопастной лопастной канал рабочего колеса);

δ_а - угол изменения направления потока жидкости в его осевой проекции для внутренней области каналов направляющего аппарата (выход из обратного межлопастного канала направляющего аппарата - вход в канал горловины аппарата);

8 - межлопастные каналы рабочего колеса;

12- обратные межлопастные каналы направляющего аппарата;

На Фиг. 4 представлен График зависимости гидравлического сопротивления заявляемой ступени () лопастного многоступенчатого насоса в зависимости от величины ее осевого размера (h_cm) , при 0 ≤ r_k-a /b_k-a ≤ 2,5) и малом (не более 5°) отклонении потока жидкости в межлопастных каналах от перпендикулярного оси вращения насоса. Значения () получены расчетным путем на основе математической модели, разработанной авторами настоящего предполагаемого изобретения на базе формул и диаграмм, представленных в литературном источнике [см. Идельчик И.Е. «Справочник по гидравлическим сопротивлениям /под ред. М.О. Штейнберга.» -3-е издание перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992- 672с]. В качестве базовой модели, для проектирования и расчетов была использована ступень центробежного насоса ЭЦНА5-80 (АО «АЛНАС»).

Точечная кривая 14 - Показывает зависимость от h_cm для ступени с δ_к = 90° и δ_а= 90°, т.е. спроектированной согласно Прототипу;

Пунктирная кривая 15 - Показывает зависимость от h_cm для ступени с δ_к = 95° и δ_а= 90°, т.е. спроектированной согласно Заявляемому техническому решению, по варианту когда один и углов (δ_к или δ_а) тупой, а второй прямой.

Кривая 16 - Показывает зависимость от h_cm для ступени с δ_к = 95° и δ_а= 95°, т.е. спроектированной согласно Заявляемому техническому решению, по варианту когда оба угла (δ_к и δ_а) тупые.

На Фиг. 5 представлен График зависимости гидравлического сопротивления заявляемой ступени () лопастного многоступенчатого насоса в зависимости от величины ее осевого размера (h_cm), при 0,65 ≤ r_k-a /b_k-a ≤ 2,5 и повышенном (до 20°) отклонении потока жидкости в межлопастных каналах от направления перпендикулярного оси вращения насоса. Значения () получены расчетным путем на основе математической модели, разработанной авторами настоящего предполагаемого изобретения на базе формул и диаграмм, представленных в литературном источнике [см. Идельчик И.Е. «Справочник по гидравлическим сопротивлениям /под ред. М.О. Штейнберга.» -3-е издание перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992- 672с]. В качестве базовой модели, для проектирования и расчетов была использована ступень центробежного насоса ЭЦНА5-80 (АО «АЛНАС»).

Точечная кривая 14 - Показывает зависимость от h_cm для ступени с δ_к = 90° и δ_а= 90°, т.е. спроектированной согласно Прототипу;

Пунктирная кривая 17 - Показывает зависимость от h_cm для ступени с δ_к = 110° и δ_а=90°, т.е. спроектированной согласно Заявляемому техническому решению, по варианту когда один и углов (δ_к или δ_а) тупой, а второй прямой.

Кривая 18 - Показывает зависимость от h_cm для ступени с δ_к = 110° и δ_а= 110°, т.е. спроектированной согласно Заявляемому техническому решению, по варианту когда оба угла (δ_к и δ_а) тупые.

Принципиальное отличие новой ступени от Прототипа наглядно демонстрирует схема движения перекачиваемой жидкости в осевой проекции при разных конструкциях этих ступеней (См. Фиг.3). В ступени Прототипе движение жидкости происходит радиально во внутренних областях проточных каналов (находящихся ближе к центру ступени), и по овальной траектории (окружность - это частный случай овала) на периферии как рабочего колеса, так и направляющего аппарата (см. Фиг. 3.а). Суммарно поворот потока в овальной области каналов происходит на 180°, а два поворота во внутренних областях ступени каждый на 90° (то есть δ_к = 90°, δ_а. = 90°). В ступени, имеющей конструкцию, согласно заявляемому техническому решению, периферийный поворот направления потока жидкости такой же, как и в ступени прототипе, но движение жидкости в межлопастных каналах хотя бы одного из элементов ступени (рабочего колеса и/или направляющего) аппарата происходит в осевой проекции наклонно, под тупым углом, к оси вращения насоса (см. Фиг.3 б-д). Указанные углы поворотов направления потока могут достигать 110°. Вследствие этого осевое расстояние между центрами проточных каналов рабочего колеса и направляющего аппарата в центральной области элементов ступени (x1) меньше, чем осевое расстояние между центрами этих каналов при переходе к периферийной области закругления каналов рабочего колеса и направляющего аппарата (x2) (см.Фиг.1). Уменьшение размера x1 обеспечивает и уменьшение осевого размера ступени (h_cm), а значит и рост ее удельного напора (H_уд).

Для справки: Тупой угол - это угол величина которого больше 90°, но меньше 180°.

Во внутренних областях проточных каналов направление движения жидкости в осевой проекции обратное по отношению к основному направлению потока жидкости внутри ступени в целом. Такого признака нет ни у ступеней аналогов (центробежных или диагональных), ни у прототипа - запатентованной нами «овальной» ступени. Наличие этого нового признака оказалось принципиально возможно только в совокупности с основным признаком ступени «овального» типа - закругленности в осевой проекции проточных каналов рабочего колеса и направляющего аппарата на периферийных областях элементов насосной ступени.

Если величина соотношения (r_k-a/b_k-a) меньше, чем 0,65, то нет практического смысла в использовании нового технического решения т.к. снижение осевого размера овальной ступени практически не заметно. Если же величина соотношения (r_k-a/b_k-a) больше 1,95, то при одинаковых осевых размерах ступени, изготовленные по конструкции Прототипа, обладают меньшим гидравлическим сопротивлением чем ступени, изготовленные согласно заявляемому техническому решению. В диапазоне удовлетворяющему условию неравенства (3) гидравлическое сопротивление ступеней, имеющих конструкцию согласно заявляемому техническому решению ниже, чем у ступеней Прототипа (см. Фиг. 4 и Фиг.5).

Небольшая (не более 20°) величина отклонения тупых углов δ_к и δ_а от прямого угла (90°), свойственная заявляемому техническому решению не позволяет существенно увеличится местным гидравлическим сопротивлениям поворотов потока жидкости во внутренних областях элементов ступени, но в тоже время существенно уменьшает осевой размер ступени.

При небольшом периферийном осевом закруглении каналов, когда выполняется условие (4):

предпочтительнее для повышения удельного напора использовать конструкцию ступени с двумя тупыми углами δ_к и δ_а (90° < δ_к < 110° , 90° < δ_а ≤ 110°);

при больших закруглениях, когда выполняется условие (5):

предпочтительнее конструкция с одним прямым и одним тупым углом (90° < δ_к < 110°, δ_а = 90° или δ_к = 90°, 90° < δ_а ≤ 110° , с точки зрения гидродинамики это эквивалентно).

При средних закруглениях, когда выполняется условие (6):

использование любой из заявляемых конструкций дает практически равнозначный результат.

Во всех описанных выше вариантах заявленного технического решения для снижения осевого размера ступени применен один и тот же конструкторский прием. А именно, исполнение внутренней части межлопастных каналов ступени с обратным наклоном под тупым углом к оси вращения насоса. С точки зрения гидродинамики три варианта конструкции овальной ступени с обратно наклонными межлопастными каналами обеспечивают один и тот же результат. Поэтому эти три варианта ступени могут считаться единым техническим решением.

Ступени лопастных насосов бывают одноопорной конструкции (с одной опорной шайбой в ступени), двух опорной конструкции (с двумя опорными шайбами в ступени) и безопорной конструкции (опорных шайб в ступени нет). Для достижения поставленной цели это не имеет значения, поэтому их не обязательно упоминать в ограничительной части формулы изобретения.

Устройство работает следующим образом.

Во время работы лопастного многоступенчатого насоса перекачиваемая жидкость поступает в рабочее колесо (1) ступени, которое вращается на валу лопастного насоса. Это происходит через кольцевой канал ступицы (5) рабочего колеса. Далее, после прохождения кольцевого канала, жидкость совершает поворот (как правило плавный) и поступает в межлопастные каналы (8), которые образованны криволинейными лопастями (7) основным диском (4) и покровным диском (6). В межлопастных каналах, под воздействием центробежной силы, передаваемой лопастями, скорость потока жидкости увеличивается. Поток движется в межлопастном канале вначале по внутреннему участку под тупым углом 90°÷110° по отношению к оси вращения насоса, а затем по периферийным участкам каналов по траектории овальной формы (окружность - это тоже частный случай овала). Далее поток жидкости, выходя из проточных каналов рабочего колеса, попадает в неподвижный направляющий аппарат (2) ступени лопастного насоса. На периферийных участках обратных проточных каналов направляющего аппарата (12), образованных верхним и нижним дисками (9,10) и лопатками (11), траектория движения потока имеет овальную форму. Т.е. она продолжает закругленную траекторию движения жидкости на периферии рабочего колеса. В результате, плавно закругляясь в осевой проекции на периферии рабочего колеса и направляющего аппарата, поток жидкости совершает поворот на суммарный угол не менее 180°. Затем этот поток протекает под тупым углом 90°÷110° по отношению к оси вращения насоса по внутренним участкам обратных межлопастных каналов направляющего аппарата. Выходя из межлопаточных каналов поток жидкости совершает поворот (как правило плавный) и попадает в кольцевой канал горловины (13) направляющего аппарата. Далее через горловину направляющего аппарата перекачиваемая жидкость поступает в канал ступицы рабочего колеса следующей ступени многоступенчатого лопастного насоса.

Примеры реализации технического решения.

Возможный вариант исполнения ступени «овальной» конструкции с обратно наклонными межлопастными каналами представлены на Фиг.1. и Фиг.2.

Теоретические расчеты по созданной нами математической модели, проведенные для насоса ЭЦНА5-80, показали, что конструкции ступеней серийных многоступенчатых электропогружных насосов могут быть адаптированы под «овальную» конструкцию с обратно наклонными межлопастными каналами. Расчеты показали, что, используя такие ступени удастся уменьшить длину насоса на 4 ÷ 18% по сравнению с овальным насосом прототипом при практически таком же гидравлическом сопротивлении, а значит неизменной энергетической эффективности.

Наиболее оптимальная технология изготовления овальных ступеней с обратно наклонными межлопастными каналами - это литье по выплавляемым моделям, с последующей механической обработкой (шлифовкой) на высокопроизводительных автоматах. Материалы рабочих колес и направляющих аппаратов таких ступеней, изготавливаемых с помощью литья - это модифицированный серый чугун или коррозионно-износостойкий чугун марки «Нирезист». Овальные ступени с обратно наклонными межлопастными каналами также можно изготовить из полимерных или композитных материалов.

Изобретение относится к области насосостроения, преимущественно к многоступенчатым электропогружным лопастным насосам, используемым в нефтедобывающей промышленности. Ступень лопастного многоступенчатого насоса содержит как минимум рабочее колесо и направляющий аппарат. Проточные каналы на периферии элементов ступени, на выходе потока жидкости из колеса и на входе в аппарат, выполнены с закруглением овальной формы в осевой проекции, периферийные участки которых обеспечивают поворот потока не менее чем на 180^о. Отношение радиуса периферийного закругления проточных каналов в осевой проекции к их ширине на выходе из колеса и входе аппарата больше или равно 0,65, но меньше или равно 1,95. Внутренние участки межлопастных проточных каналов минимум одного из элементов ступени в их осевом сечении выполнены с наклоном к оси вращения колеса под тупым углом по направлению движения жидкости. Величины этих углов (δ_к и /или δ_а) не превышают 110°. В результате осевое расстояние (х₁) между центрами проточных каналов колеса и аппарата в центральной области элементов ступени меньше, чем аналогичное осевое расстояние (x₂) при переходе к периферийной области закругления каналов. Изобретение направлено на повышение удельного напора ступени и уменьшение ее осевого размера без повышения гидравлического сопротивления. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ступень лопастного многоступенчатого насоса, состоящая как минимум из рабочего колеса, содержащего основной диск со ступицей и покрывной диск, между которыми расположены криволинейные лопасти, образующие межлопастные каналы рабочего колеса, по которым под действием лопастей движется перекачиваемая жидкость, и направляющего аппарата, содержащего верхний и нижний диски с размещенными между ними лопатками, образующие обратные межлопастные каналы, сходящиеся к горловине, по которым происходит движения жидкости к входу в рабочее колесо следующей ступени, при этом межлопастные каналы на выходе потока жидкости из рабочего колеса и обратные проточные каналы направляющего аппарата на входе потока в направляющий аппарат в их осевом сечении образуют периферийные закругленные переходящие друг в другу участки овальной формы, отличающаяся тем, что периферийные участки проточных каналов, обеспечивающие поворот потока жидкости не менее чем на 180°, выполнены подчиняющимися следующему отношению радиуса периферийного закругления каналов (rk-a) к их осевой ширине на выходе из рабочего колеса и на входе направляющего аппарата (bk-a):

0,65≤(rk-a/bk-a)≤1,95,

а внутренние участки межлопастных каналов минимум одного из элементов ступени в их осевом сечении выполнены с наклоном к оси вращения рабочего колеса под тупым углом, но не более 110°, по направлению движения жидкости так, что осевое расстояние между центрами проточных каналов рабочего колеса и направляющего аппарата в центральной области элементов ступени меньше, чем осевое расстояние между центрами этих каналов при переходе к периферийной области закругления каналов рабочего колеса и направляющего аппарата.

2. Ступень лопастного многоступенчатого насоса по п.1, отличающаяся тем, что тупой угол наклона внутренних участков проточных каналов плавно увеличивается по мере отдаления от центра ступени в ее осевом сечении.

3. Ступень лопастного многоступенчатого насоса по п.1, отличающаяся тем, что внутренние участки как межлопастных каналов рабочего колеса, так и обратных каналов направляющего аппарата выполнены с наклоном к оси вращения рабочего колеса под тупым углом, но не более 110°, по направлению движения жидкости.

4. Ступень лопастного многоступенчатого насоса по п.1, отличающаяся тем, что внутренние участки межлопастных каналов рабочего колеса выполнены перпендикулярными к оси вращения насоса, а с наклоном к оси вращения рабочего колеса под тупым углом, но не более 110°, выполнены только внутренние участки обратных каналов направляющего аппарата.

5. Ступень лопастного многоступенчатого насоса по п.1, отличающаяся тем, что внутренние участки обратных каналов направляющего аппарата выполнены перпендикулярными к оси вращения насоса, а с наклоном к оси вращения рабочего колеса под тупым углом, но не более 110°, по направлению движения жидкости выполнены только внутренние участки межлопастных каналов рабочего колеса.