Погружной многоступенчатый центробежный насос

 

Изобретение относится к насосам для добычи жидкости из глубоких скважин, в частности к нефтепромысловому оборудованию. Насос содержит цилиндрический корпус и размещенные в нем ступени, каждая из которых состоит из установленного на валу с возможностью осевого перемещения рабочего колеса с защитной втулкой вала и неподвижного направляющего аппарата. Аппарат имеет на торцевых поверхностях цилиндрические буртики и ступицу, внутри которой через защитную втулку вращается вал насоса. Наружная цилиндрическая поверхность направляющего аппарата имеет цилиндрические проточки с размещенными в них эластичными кольцами. Ступица рабочего колеса со стороны входа в него жидкости плотно соприкасается с внешним торцом цилиндрической головки защитной втулки, которая внутренней кольцевой торцевой поверхностью цилиндрической головки, обработанной с высоким качеством поверхности, соприкасается с торцевой поверхностью ступицы направляющего аппарата. Внешний торец цилиндрической головки имеет проточку сферической формы, у которой минимальный диаметр соответствует диаметру ступицы рабочего колеса со стороны входа в него жидкости, а максимальный - диаметру ступицы направляющего аппарата. Изобретение направлено на уменьшение износа контактирующих поверхностей, снижение вибрации, улучшение ремонтопригодности и повышение КПД насоса. 1 ил.

Изобретение относится к технике по отбору жидкости из глубоких скважин, в частности к нефтепромысловому оборудованию, и может быть использовано в погружных центробежных электронасосах для добычи нефти.

Известен погружной многоступенчатый центробежный электронасос, содержащий набор ступеней, собранных на валу в цилиндрическом корпусе. Каждая из ступеней включает направляющий аппарат со ступицей, в которой через промежуточную защитную втулку проходит вал, и рабочее колесо, которое на переднем и заднем дисках имеет запрессованные антифрикционные шайбы, контактирующие с кольцевыми опорными буртиками на торцевой поверхности направляющего аппарата. Рабочее колесо на валу от проворота удерживается призматической шпонкой, а в осевом направлении может свободно перемещаться в промежутке, ограниченном опорными поверхностями смежных направляющих аппаратов. Такая конструкция получила название плавающего рабочего колеса [1].

Ступица направляющего аппарата является радиальным подшипником скольжения для вала. Защита вала от износа в ступице направляющего аппарата осуществляется защитной цилиндрической втулкой [1].

Известен также погружной многоступенчатый центробежный насос, включающий корпус с размещенными в нем валом и ступенями, состоящими из закрытых рабочих колес с удлиненной ступицей с верхней стороны и встроенными большой и малой антифрикционными шайбами с нижней стороны и направляющих аппаратов с кольцевым выступом и ступицей в виде опор рабочего колеса, причем рабочие колеса соединены с валом продольной шпонкой с возможностью осевого перемещения и опираются большой и малой антифрикционными шайбами соответственно на кольцевой выступ и ступицу направляющих аппаратов и взаимодействуют удлиненной частью ступицы с внутренней поверхностью ступицы направляющих аппаратов, образующих единый пакет, неподвижно закрепленный в корпусе и воспринимающий осевые нагрузки от рабочих колес и радиальные от вала, отличающийся тем, что удлиненная часть ступицы рабочего колеса выполнена и виде отдельной втулки с кольцевым буртиком [2].

Кольцевой буртик, выполненный на удлиненной защитной втулке ступицы направляющего аппарата гидравлически несовершенен, вызывая появление дополнительных гидравлических сопротивлений на входе рабочей среды в рабочее колесо, снижая КПД ступени, и является очагом отложения солей и парафина при остановках насоса, что особенно проявляется в насосных скважинах с периодическим циклом эксплуатации.

Наиболее близким по существенным признакам является погружной многоступенчатый центробежный насос, содержащий цилиндрический корпус, размещенные в нем ступени, каждая из которых состоит из установленного на валу с возможностью осевого перемещения рабочего колеса с защитной втулкой вала и неподвижного направляющего аппарата, имеющего на торцевых поверхностях цилиндрические буртики и ступицу, внутри которой через защитную втулку вращается вал насоса, при этом наружная цилиндрическая поверхность направляющего аппарата имеет проточки с размещенными в них эластичными кольцами, а торцевая поверхность ступицы направляющего аппарата со стороны входа в рабочее колесо контактирует с кольцевой торцевой поверхностью цилиндрической головки защитной втулки вала [3].

В данной конструкции эластичные кольца установлены на одном направляющем аппарате с чередованием через 6-12 аппаратов без эластичных колец. Такое решение частично защищает от попадания примесей в кольцевой зазор до потери упругости (старения резины) и не обеспечивает уменьшения радиальной вибрации сборки рабочее колесо - направляющий аппарат ввиду малой площади контакта эластичного кольца.

Наружная поверхность защитной втулки вала и внутренняя поверхность ступицы направляющего аппарата образуют радиальный подшипник скольжения и одновременно являются щелевым уплотнением проточных каналов между смежными ступенями. Увеличение зазора в сопряжении увеличивает внутренний переток жидкости между смежными ступенями, чем обуславливается уменьшение подачи и снижение напора, а также ускоряет износ трущихся пар из-за увеличения размеров и массы абразивных частиц, протекающих через возросший зазор щелевого уплотнения.

Длинный тонкий вал, испытывая осевое усилие при вращении со скоростью до 3000 мин^-1, теряет свою прямолинейность и стремится принять волнообразную форму, создавая при этом дополнительные радиальные нагрузки на ступицу направляющего аппарата и ускоряя износ посадочного отверстия ступицы.

Увеличение зазора не только снижает параметры насоса, но вызывает возрастание радиальной вибрации насоса, которая провоцирует возрастание общего уровня вибрации насосного агрегата.

В свою очередь корпус направляющего аппарата по наружной цилиндрической поверхности имеет кольцевую цилиндрическую проточку со стороны торцевой поверхности лопаточного аппарата и внутреннюю кольцевую цилиндрическую проточку со стороны противоположного торца (юбки) направляющего аппарата. Посредством этих проточек смежные ступени центрируются и стыкуются при сборке насоса, обеспечивая замкнутость внутренних полостей ступеней друг от друга и внутренней полости корпуса модуль-секции.

Собранные на валу направляющие аппараты с рабочими колесами при сборке насоса свободно вставляются внутрь корпуса модуль-секции и стягиваются по торцам резьбовыми элементами.

Направляющие аппараты каждой ступени за счет сил трения от торцевого натяга неподвижно закрепляются от проворота внутри корпуса, а вал насоса с размещенными рабочими колесами получает возможность вращаться на радиальных подшипниках ступеней насоса.

Внутренние ступицы направляющих аппаратов являются радиальными подшипниками вала, размещенными по всей длине корпуса секции, а наружная цилиндрическая поверхность корпуса - опорами, воспринимающими нагрузку от вала и передающими ее на корпус секции насоса.

Наличие радиального зазора между наружной цилиндрической поверхностью направляющих аппаратов ступеней и корпусом секции насоса с одной стороны является дополнительным источником возникновения радиальной вибрации. Корпусы направляющих аппаратов по всей длине корпуса касаются односторонне, имея двойной диаметральный зазор с противоположной стороны, обладающей таким образом возможностью радиального смещения.

Динамическая неуравновешенность сборки вал - рабочее колесо создает радиальные биения в ступицах направляющих аппаратов, корпусы которых, не имея жесткого радиального крепления, способствуют увеличению радиальной вибрации насоса.

С другой стороны, наличие зазора является серьезной причиной, осложняющей разборку насоса при капитальном ремонте.

Проникновение перекачиваемой среды в зазор вызывает отложение солей, парафина, абразивных примесей, которое при извлечении вала с набором ступеней вызывает заклинивание сборки в корпусе, создавая запредельные усилия при выпрессовке.

Задача изобретения - повышение ресурса работы насоса.

Указанная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в уменьшении износа контактирующих поверхностей рабочего колеса и ступицы направляющего аппарата, снижение вибрации насоса и улучшение ремонтопригодности, повышение КПД ступени.

Поставленный результат достигается тем, что в погружном многоступенчатом центробежном насосе, содержащем цилиндрический корпус, размещенные в нем ступени, каждая из которых состоит из установленного на валу с возможностью осевого перемещения рабочего колеса с защитной втулкой вала и неподвижного направляющего аппарата, имеющего на торцевых поверхностях цилиндрические буртики и ступицу, внутри которой через защитную втулку вращается вал насоса, особенностью является то, что наружная цилиндрическая поверхность направляющего аппарата имеет цилиндрические проточки с размещенными в них эластичными кольцами, а ступица рабочего колеса со стороны входа в него жидкости плотно соприкасается с внешним торцом цилиндрической головки защитной втулки, которая внутренней кольцевой торцевой поверхностью цилиндрической головки, обработанной с высоким качеством поверхности, соприкасается с торцевой поверхностью ступицы направляющего аппарата, при этом внешний торец цилиндрической головки имеет проточку сферической формы, у которой минимальный диаметр соответствует диаметру ступицы рабочего колеса со стороны входа в него жидкости, а максимальный - диаметру ступицы направляющего аппарата.

Для сокращения внутренних перетоков жидкости между смежными ступенями, уменьшения гидравлических сопротивлений, абразивного износа и вибрации в конструкции ступени защитная втулка вала выполняется со стороны входа жидкости (со стороны переднего диска) рабочего колеса с торцевой цилиндрической головкой.

Защитная втулка на валу фиксируется шпонкой, как и в серийной конструкции ступени. Осевая ширина торцевой головки 3,5 мм, что соответствует осевому зазору между ступицей рабочего колеса и ступицей рабочего аппарата серийно выпускаемой ступени.

Внутренняя кольцевая торцевая поверхность цилиндрической головки защитной втулки и торцевая поверхность ступицы направляющего аппарата со стороны входа жидкости в рабочее колесо обработаны с высоким качеством поверхности, образуя торцевое уплотнение ступени, снижающее перетоки жидкости между смежными ступенями, и одновременно создают дополнительную осевую опору рабочего колеса со стороны его переднего диска.

Внешний торец цилиндрической головки защитной втулки выполнен перпендикулярно оси и имеет проточку сферической формы, при этом минимальный диаметр соответствует диаметру ступицы рабочего колеса со стороны входа в него жидкости, а максимальный диаметр - диаметру ступицы направляющего аппарата на выходе из него жидкости, этим обеспечивается снижение гидравлических сопротивлений при входе жидкости в рабочее колесо.

Таким образом, образуется своеобразная двухопорная конструкция ступени, в которой цилиндрическая головка защитной втулки вала и торцевая поверхность ступицы направляющего аппарата совместно с антифрикционной шайбой на переднем диске рабочего колеса и буртиком направляющего аппарата воспринимают осевую нагрузку, возникающую на рабочем колесе.

Появление дополнительной осевой опоры уменьшает осевую нагрузку от рабочего колеса на опоры направляющего аппарата, обеспечивая уменьшение износа в сопрягаемых узлах трения.

Предлагаемая конструкция представлена на чертеже.

Погружной многоступенчатый центробежный насос содержит набор последовательно собранных ступеней, каждая из которых состоит из направляющего аппарата 1 с закрепленными в цилиндрических проточках на его наружной цилиндрической поверхности двумя эластичными кольцами 2, рабочего колеса 3, в котором на переднем и заднем дисках соответственно запрессованы антифрикционные шайбы 4 и 5. Направляющие аппараты 1 стянуты жестко встык друг к другу в цилиндрическом корпусе 6 и неподвижны. Ведущим звеном в насосе является вал 7, на котором с возможностью осевого перемещения установлены рабочие колеса 3 и защитные втулки 8 с цилиндрической головкой со стороны входа в рабочее колесо 3, вращающиеся в ступице 9 направляющего аппарата 1.

Рабочие колеса 3 установлены на валу 7 встык с небольшим осевым зазором по шпонке 10 и своими торцевыми поверхностями антифрикционной шайбы 4 переднего диска и антифрикционной шайбы 5 заднего диска рабочего колеса 3 имеют возможность контактировать с цилиндрическими буртиками 11, расположенными на торцевых поверхностях направляющего аппарата 1, и буртиком 12 смежного направляющего аппарата. Ступица рабочего колеса 3 со стороны входа в него жидкости плотно соприкасается с внешним торцом цилиндрической головки защитной втулки 8, которая внутренней кольцевой поверхностью цилиндрической головки, обработанной с высоким качеством поверхности, контактирует с торцевой поверхностью ступицы 9 направляющего аппарата 1. Внешний торец цилиндрической головки защитной втулки 8 выполнен перпендикулярно оси и имеет проточку сферической формы, у которой минимальный диаметр соответствует диаметру ступицы рабочего колеса 3 со стороны входа в него жидкости, а максимальный диаметр - диаметру ступицы 9 направляющего аппарата 1 на выходе из него жидкости.

При работе насоса рабочее колесо 3 прижимается осевой силой (создаваемой на нем потоком перекачиваемой жидкости) одновременно антифрикционной шайбой 4 колеса к цилиндрическому буртику 11 и внутренней кольцевой поверхностью головки защитной втулки 8 к торцевой поверхности ступицы 9 направляющего аппарата 1.

Погружной многоступенчатый центробежный электронасос работает следующим образом.

При вращении вала 7 жидкость, добываемая из скважины, поступает из одной ступени в другую, последовательно установленные в общем наборе, увеличивая напор насоса пропорционально числу рабочих колес 3.

Жидкость, поступающая из лопастей вращающегося рабочего колеса 3, приобретает скоростной напор. Для преобразования кинетической энергии в энергию напора жидкость из рабочего колеса 3 направляется в неподвижные каналы смежного направляющего аппарата, установленного встык с направляющим аппаратом 1.

Жидкость, поступающая на рабочее колесо 3, будет выходить из него с повышенным напором. На рабочем колесе 3 возникает осевая сила, как результат разности напоров на входе и выходе и разности площадей переднего и заднего диска рабочего колеса, которая направлена в сторону, противоположную входу в колесо жидкости.

Осевая сила обуславливает прижатие антифрикционной шайбы 4 со стороны входа колеса 3 к цилиндрическому буртику 11 направляющего аппарата 1 и торца ступицы колеса 3 к внутренней торцевой поверхности цилиндрической головки защитной втулки 8. Поскольку рабочее колесо 3 имеет свободу осевого перемещения вдоль вала, осевая сила, возникающая на рабочем колесе 3, воспринимается направляющим аппаратом 1 посредством цилиндрического буртика 11 и ступицей направляющего аппарата 1 посредством передачи осевого усилия от ступицы рабочего колеса 3 торцу цилиндрической головки защитной втулки 8 и далее кольцевой плоскостью головки на торец ступицы направляющего аппарата 1, чем обеспечивается уменьшение удельной нагрузки на антифрикционную шайбу 11 и снижение ее износа.

Внутренняя кольцевая поверхность головки защитной втулки 8 с торцевой поверхностью ступицы 9 направляющего аппарата 1 образует не только дополнительную осевую опору, но и создает высокоэффективное торцовое уплотнение, препятствующее перетоку жидкости между ступенями, и предотвращает попадание абразива в зазор между наружной цилиндрической поверхностью защитной втулки и внутренней поверхностью ступицы, а сферическая проточка на внешнем торце цилиндрической головки защитной втулки обеспечивает снижение гидравлических сопротивлений при входе жидкости в рабочее колесо, чем обеспечивается повышение КПД ступени и снижается возможность отложения солей и парафина при остановках насоса в скважинах с периодическим циклом эксплуатации.

Эластичные кольца 2, закрепленные снаружи цилиндрической поверхности направляющего аппарата 1, при сборке упруго деформируются и обеспечивают размещение направляющего аппарата 1 равномерно по внутреннему диаметру цилиндрического корпуса 6 насоса. Этим предотвращается его радиальное перемещение и гасится радиальная вибрация, возникающая от динамической неуравновешенности сборки рабочие колеса - вал, обеспечивается герметизация зазора между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 6 и наружной цилиндрической поверхностью направляющего аппарата 1.

Источники информации 1. Молчанов А.Г., Молчанов В.А. Нефтепромысловые машины и механизмы.- М. : Недра, 1983, с. 155, рис. II. 34.

2. Полезная модель РФ 16528, МПК F 04 В 47/06, 10.01.2001, 8 с.

3. Патент США 4741668, МПК F 04 D 29/02, 03.05.1988 (прототип).

Формула изобретения

Погружной многоступенчатый центробежный насос, содержащий цилиндрический корпус, размещенные в нем ступени, каждая из которых состоит из установленного на валу с возможностью осевого перемещения рабочего колеса с защитной втулкой вала и неподвижного направляющего аппарата, имеющего на торцевых поверхностях цилиндрические буртики и ступицу, внутри которой, через защитную втулку, вращается вал насоса, отличающийся тем, что наружная цилиндрическая поверхность направляющего аппарата имеет цилиндрические проточки с размещенными в них эластичными кольцами, а ступица рабочего колеса со стороны входа в него жидкости плотно соприкасается с внешним торцем цилиндрической головки защитной втулки, которая внутренней кольцевой торцевой поверхностью цилиндрической головки, обработанной с высоким качеством поверхности, соприкасается с торцевой поверхностью ступицы направляющего аппарата, при этом внешний торец цилиндрической головки имеет проточку сферической формы, у которой минимальный диаметр соответствует диаметру ступицы рабочего колеса со стороны входа в него жидкости, а максимальный - диаметру ступицы направляющего аппарата.

РИСУНКИ

Рисунок 1