Рабочее колесо погружного центробежного насоса

 

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в погружных центробежных насосах для добычи нефти. Рабочее колесо погружного центробежного насоса состоит из ведущего и покрывного дисков с расположенными между ними лопатками, образующими с дисками проточные каналы переменного сечения. Проточные каналы выполнены сужающимися от центра к периферии колеса и уменьшающимися по высоте, при этом профиль лопаток выполнен по эвольвенте, концы которых распрямлены под углом 35-42° к касательной к окружности наружного диаметра колеса, сопряжение с плоскостями ведущего и покрывного дисков выполнено по радиусу с возрастающей величиной от центра к периферии лопаток от 1/20 до 1/2 высоты канала на участке, равном 0,3-0,4 длины лопаток, и равной 1/2 высоты канала на периферийном участке, причем угол наклона внутреннего конца лопаток к плоскости ведущего диска равен 107-115°, а ведущий и покрывной диски снабжены импеллерами, установленными на наружных плоскостях ведущего и покрывного дисков. Импеллеры на наружной поверхности ведущего диска выполнены в виде прямых лопаток, а импеллеры на наружной поверхности покрывного диска выполнены в виде эвольвентных лопаток. Диаметр ведущего диска меньше диаметра покрывного на величину, равную 1,2-1,6 ширины проточных каналов на периферии дисков. КПД насоса возрастает до 21%, а напор колеса - на 35-38%. Использование изобретения позволяет повысить КПД и напор насоса. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в погружных центробежных насосах для добычи нефти.

Известно рабочее колесо центробежного насоса, которое с целью повышения надежности работы и снижения утечек, имеет импеллерные лопатки ведущего и покрывного дисков, расположенные соответственно перед и после каналов по направлению вращения и изогнутые в поперечном сечении в направлении вращения. В рабочих лопатках и дисках выполнены сквозные каналы.

Недостатком такой конструкции является то, что при прохождении жидкости через каналы возникают потери напора и КПД. Конструкция сложна и нетехнологична (авт. свид. N 1236185, М. кл. F 04 D 29/22, 1984 г.).

Известно также рабочее колесо центробежного насоса, содержащее расположенные между покрывными дисками лопатки, поверхность которых образована прямолинейными образующими, наклонными к плоскостям дисков. С целью повышения КПД путем уменьшения отрыва потока на выходе из рабочего колеса, угол наклона образующих на выходе равен выходному углу установки лопаток.

Недостатком аналога является то, что прямолинейные образующие лопаток, наклонные к плоскостям дисков, образуют последовательность острых и тупых углов, в которых возникают микровихри жидкости, приводящие к потерям КПД. Диаметр ведущего диска уменьшен относительно покрывного, что благоприятно влияет на выход жидкости из проточных каналов, однако выступающие прямоугольные концы лопаток создают дополнительные гидропотери и снижение КПД (авт. свид. N 1132067, М. кл. F 04 D 29/24, 1984 г.).

Наиболее близким по конструкции и поставленной задаче является рабочее колесо центробежного насоса, содержащее ведущий и покрывной диски и расположенные между ним лопатки, образующие с дисками проточные каналы переменного сечения. С целью повышения КПД насоса путем улучшения условий течения жидкости в каналах, каждый канал выполнен с двумя сопряженными участками, первый из которых по ходу жидкости, составляющий 0,7-0,9 длины канала, выполнен сужающимся, а второй - периферийный - расширяющимся. Кроме того, на сужающемся участке каналов лопатки выполнены с возрастающей толщиной, а на периферийном участке - с убывающей толщиной (авт. свид. N 945500, М. кл. F 04 D 29/24, 1982 г. - прототип).

Недостатком такой конструкции является то, что радиально расположенные лопатки способствуют резкому изменению вектора скорости жидкости на 90^o при входе жидкости в проточные каналы. Возникает явление кавитации, потеря напора и КПД. Прямые углы в местах соединения лопаток с дисками способствуют образованию микровихрей в пристенной области и потере КПД.

Задачей, на которую направлено заявляемое изобретение, является повышение КПД насоса и напора рабочего колеса путем увеличения окружной скорости жидкости, выходящей из проточных каналов, и передаче жидкости дополнительной кинетической энергии после выхода из проточных каналов рабочего колеса.

Поставленная задача достигается тем, что в рабочем колесе центробежного насоса, содержащем ведущий и покрывной диски и расположенные между ними лопатки, образующие с дисками проточные каналы переменного сечения, проточные каналы выполнены сужающимися от центра к периферии колеса и уменьшающимися по высоте, при этом профиль лопаток выполнен по эвольвенте с распрямленными концами под углом 35-42^o к касательной к окружности наружного диаметра колеса, сопряжение с плоскостями ведущего и покрывного дисков выполнено по радиусу с возрастающей величиной от центра к периферии лопаток от 1/20 до 1/2 высоты канала на участке, равном 0,3-0,4 длины лопаток, и равной 1/2 высоты канала на периферийном участке, причем угол наклона внутреннего конца лопаток к плоскости ведущего диска выполнен 107-115^o, а ведущий и покрывной диски снабжены импеллерами, установленными на наружных плоскостях дисков, причем импеллеры на ведущем диске выполнены в виде прямолинейных лопаток, а покрывного диска - в виде лопаток с эвольвентным профилем.

Кроме того, диаметр ведущего диска меньше относительного диаметра покрывного диска на 1,2-1,6 ширины проточного канала на периферии дисков.

Конструктивные особенности обеспечивают повышение КПД насоса за счет устранения гидродинамического сопротивления движению жидкости внутри рабочего колеса и одновременно принудительного движения жидкости вне рабочего колеса. Форма лопаток с эвольвентным профилем с распрямленными концами под углом 35-42^o к касательной к окружности наружного диаметра колеса создает равноускоренное движение жидкости в проточных каналах. За счет сопряжения лопаток с плоскостями ведущего и покрывного дисков по радиусу, величина которого от центра к периферии увеличивается от 1/20 до 1/2 высоты канала на определенном участке и остается равной 1/2 высоты проточного канала на периферийной части лопатки, исчезают микровихри. Оптимальные размеры сопряжения и профиля лопатки подтверждены стендовыми испытаниями.

Уменьшение диаметра ведущего диска относительно диаметра покрывного диска на величину, равную 1,2-1,6 ширины проточного канала на периферии диска, т. е. в месте выхода жидкости из проточного канала, позволяет дополнительно уменьшить сопротивление жидкости на ее выходе из проточных каналов. При уменьшении диаметра ведущего диска на величину менее 1,2 ширины проточного канала, возрастает гидравлическое сопротивление, за счет уменьшения проходного сечения, напор снижается до 12%, КПД - до 7%, а при уменьшении диаметра ведущего диска на величину свыше 1,6 ширины канала, напор падает на 15%, КПД - на 8% за счет уменьшения скорости движения жидкости в канале. Диаметр ведущего диска составляет 0,94-0,96 диаметра покрывного диска.

На входе жидкости в проточные каналы рабочего колеса угол встречи потока внутренними концами лопаток 107-115^o (оптимальный 110^o), позволяет максимально снизить сопротивление жидкости, что подтверждено стендовыми испытаниями. При уменьшении угла менее 107^o, образованного внутренним концом лопатки с плоскостью ведущего диска, напор снижается на 4%, КПД - на 2,5%, а при увеличении угла более 115^o напор снижется на 3,5%, КПД - на 2,2%.

Для увеличения окружной скорости жидкости на входе в проточные каналы направляющего аппарата, рабочее колесо снабжено импеллерами, расположенными на внешней поверхности ведущего диска, и выполнено в виде прямых лопаток. Для увеличения скорости движения жидкости в нижней полости направляющего аппарата и для выравнивания давления в верхней и нижней полостях рабочее колесо снабжено импеллерами на внешней стороне покрывного диска, выполненными в виде лопаток с эвольвентным профилем.

Сущность изобретения подтверждается чертежами, где: на фиг. 1 изображен разрез рабочего колеса; на фиг. 2 - вид слева; на фиг. 3 - вид справа; на фиг. 4 - разрез фиг.1 по плоскости разъема между дисками; на фиг. 5 - разрез В-В фиг.1; на фиг. 6 - разрез фиг.4 по несущему диску.

Рабочее колесо погружного центробежного насоса состоит из ведущего диска 1, диаметр которого меньше относительного диаметра покрывного диска 2 на 1,2-1,6 ширины проточных каналов на периферии дисков расположенных между ними лопаток 3, имеющих эвольвентный профиль с распрямленными концами (угол α = 35-42^o) и углом, образованным внутренним концом лопатки с плоскостью ведущего диска (угол β = 107-115^o). Лопятки 3 образуют с дисками каналы 4 переменного сечения, сужающиеся от центра к периферии колеса и уменьшающиеся по высоте, причем сопряжение лопаток с плоскостями ведущего и покрывного дисков выполнено по радиусу, с возрастающей величиной от центра к периферии лопаток от 1/20 до 1/2 высоты канала на участке, равном 0,3-0,4 длины лопаток, и равной 1/2 высоты канала на периферийном участке. На внешней стороне ведущего диска выполнены импеллеры 5 в виде прямолинейных лопаток, а на внешней плоскости покрывного диска - импеллеры 6 в виде лопаток с эвольвентным профилем. Торцевые поверхности лопаток по линии разъема между ведущим и покрывным дисками снабжены гидроуплотнением 7 углового типа. Покрывной диск снабжен кольцевым выступом 8, расположенным вокруг всасывающего раструба 9.

Предлагаемая конструкция работает следующим образом.

Перекачиваемая жидкость поступает в рабочие проточные каналы 4, сужающиеся от центра и уменьшающиеся по высоте, и, не встречая сопротивления от внутренних концов лопаток (угол β равен 110^o), постепенно разгоняется, обтекая лопатки 3 с эвольвентным профилем и распрямленными концами (угол α равен 35-42^o), и приобретает равноускоренное движение. При движении жидкости по проточным каналам в местах сопряжения лопаток 3 и плоскостей ведущего 1 и покрывного 2 дисков не возникает микровихрей.

При выходе жидкости из каналов 4 происходит изменение направления движения от радиального на вертикальное вверх, при этом сокращению гидравлического сопротивления движению жидкости способствует уменьшенный диаметр ведущего диска 2 по сравнению с покрывным диском 1. После выхода жидкости из каналов 4 рабочего колеса направление жидкости меняется от вертикального на спиральное от периферии к центру направляющего аппарата насоса. Импеллер 5 разгоняет жидкость и обеспечивает ей центробежно-вихревое движение и увеличение скорости движения жидкости на выходе из проточных каналов и на входе жидкости в полости направляющего аппарата (на чертеже не показан). Импеллер 6 в виде эвольвентных лопаток сообщает жидкости движение по окружности в нижней зоне направляющего аппарата, в результате чего уменьшается разность давления до и после рабочего колеса, а также уменьшается обратный переток жидкости в соседнюю снизу ступень насоса через зазоры вокруг кольцевого буртика 8 и всасывающего раструба 9.

Колесо может быть изготовлено из композиционного полимерного материала, например, угленаполненного полиамида, методом литьевого прессования. Плоскость разъема между ведущим и покрывным диском выполнена по лопаткам, что обеспечивает возможность изготовления колеса.

Рабочее колесо предлагаемой конструкции успешно прошло испытания в составе погружных центробежных насосов УЭЦН5-50 для добычи нефти и обеспечило значительное повышение характеристик насоса: 1. Напор возрастает на 35-38%.

2. Электрическая мощность уменьшается на величину до 11%, а вследствие этого КПД возрастает до 21%.

3. За счет увеличения напорности рабочих колес и, как следствие, сокращения числа ступеней насоса возникает возможность использовать односекционные установки напором до 1300 м, что исключает значительную часть аварий, вызываемых обрывом по месту соединения насоса в двухсекционном исполнении.

Формула изобретения

1. Рабочее колесо погружного центробежного насоса, включающее ведущий и покрывной диски и расположенные между ними лопатки, образующие с дисками проточные каналы переменного сечения, отличающееся тем, что проточные каналы выполнены сужающимися от центра к периферии колеса и уменьшающимися по высоте, при этом профиль лопаток выполнен по эвольвенте, концы которых распрямлены под углом 35 - 42^o к касательной к окружности наружного диаметра колеса, сопряжение с плоскостями ведущего и покрывного дисков выполнено по радиусу с возрастающей величиной от центра к периферии лопаток от 1/20 до 1/2 высоты канала на участке, равном 0,3 - 0,4 длины лопаток, и равной 1/2 высоты канала на периферийном участке, причем угол наклона внутреннего конца лопаток к плоскости ведущего диска равен 107 - 115^o, а ведущий и покрывной диски снабжены импеллерами, установленными на наружных плоскостях ведущего и покрывного дисков.

2. Рабочее колесо погружного центробежного насоса по п.1, отличающееся тем, что импеллеры на наружной поверхности ведущего диска выполнены в виде прямых лопаток.

3. Рабочее колесо погружного центробежного насоса по п.1, отличающееся тем, что импеллеры на наружной поверхности покрывного диска выполнены в виде эвольвентных лопаток.

4. Рабочее колесо погружного центробежного насоса по п.1, отличающееся тем, что диаметр ведущего диска меньше диаметра покрывного на величину, равную 1,2 - 1,6 ширины проточных каналов на периферии дисков.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6