Двухвальный многоступенчатый центробежный насос

Изобретение относится к области насосостроения, а именно к многоступенчатым центробежным насосам для добычи нефти из скважин и для поддержания пластового давления в продуктивном нефтепласте путем подачи воды в последний. Насос содержит двигатель, два расположенных параллельно друг другу вала (В), на которых размещены рабочие колеса (РК), образующие с отводами ступени (С). РК соседних С насажены на разных В и разделены направляющими дисками, через которые пропущены В. Отводы сформированы в объеме дисков в виде каналов, имеющих форму изогнутых диффузоров, расширяющихся в направлении от периферии каждого РК в сторону другого В. В расширенной части диффузора выполнены сквозные отверстия для перевода жидкости к РК следующей С. Соседние С повернуты относительно друг друга вокруг оси насоса на 180°, а В вращаются в одну сторону или В установлены с возможностью вращения в противоположные стороны, а соседние С выполнены зеркально симметричными друг другу. Конструкция насоса позволяет практически в 1,5-2,0 раза уменьшить монтажную высоту насоса при достаточно компактном радиальном размере. 4 з. п. ф-лы, 4 ил.

 

Предлагаемое 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 нем пластового давления.

Известен многоступенчатый секционный насос центробежного типа, каждая ступень (секция) которого состоит из рабочего колеса и отвода с направляющими диффузорными и обратными каналами. Диффузорные каналы служат для преобразования скоростной энергии жидкости в энергию давления, а обратные после снижения скорости в диффузорных каналах подводят жидкость к колесу следующей ступени (см., например, насос типа ЦНС, Малюшенко В.В. Атлас "Динамические насосы", 1984, рис.59, с.40). Такой насос обеспечивает высокий кпд и большой напор на единицу длины ступени.

Основной недостаток насоса - большие радиальные габариты, так как для получения необходимой длины и степени расширения диффузорных каналов необходимо, чтобы внутренний диаметр проточной части отвода превышал наружный диаметр колеса в 1,4-1,6 раза.

Известен погружной центробежный насос, в корпусе которого, имеющем спиральный отвод с криволинейным диффузором, размещено установленное на вертикальном валу рабочее колесо с лопастями, ось диффузора изогнута к оси рабочего колеса и плавно переходит в среднюю линию поворотного колена (см., например, патент RU 2175732, 2001). Такая конструкция позволяет уменьшить в некоторой степени радиальные габариты и массу насоса, но усложняется за счет наличия поворотного патрубка, что делает ее технологически не приемлемой для многоступенчатого исполнения.

Известен также многоступенчатый насос типа ЭЦН модульного исполнения, ступени (секции) которого состоят из рабочих колес и отводов, в которых диффузорные каналы отсутствуют (Богданов А.А. Центробежные погружные электронасосы для добычи нефти. М.: Недра, 1968. С.47-49).

Насос обеспечивает достаточно большой напор на единицу длины ступени. Однако перевод жидкости из рабочего колеса в следующую ступень производится без снижения скорости потока, за счет торможения жидкости в обратных каналах, т.е. с большими гидравлическими потерями, что снижает кпд.

Известны насосы с отводом в виде спирали, охватывающей рабочее колесо (Малюшенко В.В. Атлас "Динамические насосы", 1984, рис.55, с.39 и др.), в которых преобразование скоростной энергии жидкости в энергию давления осуществляется частично в спиральной части и по большей части в диффузорном патрубке. Диаметральные размеры самой спирали при этом относительно невелики. Ступень имеет малые осевые габариты и достаточно большой напор, приходящийся на единицу длины ступени Н_ст/h_ст.

Недостатком указанных насосов является то обстоятельство, что при выполнении в многоступенчатом варианте сильно возрастают осевые габариты из-за необходимости перевода жидкости из одной ступени к другой с помощью переводных каналов или специальных переводных труб. По этой причине теряется отмеченное их преимущество в части отношения напора к длине ступени, т.е. напора на единицу длины Н_ст/h_ст. Кроме того, сильно усложняется конструкция.

Наиболее близким к заявляемому является двухвальный многоступенчатый центробежный насос, представляющий собой объединение бустерного и питательного насосов, валы которых расположены параллельно друг другу и имеют общий привод. Для обеспечения разного числа оборотов между валами насосов устанавливают зубчатую передачу. Напорный патрубок корпуса бустерного насоса соединен со всасывающим патрубком питательного с помощью трубопровода. На валах насосов установлены рабочие колеса, а в корпусах выполнены спирали для отвода жидкости. Такое объединение насосов в один агрегат создает значительные удобства при эксплуатации (Певзнер Б.М. Судовые центробежные насосы. 2-е изд. Л.: Судостроение, 1964. с.186, с.204).

Однако недостатком данного насоса является сложность и большие габариты, которые не дают возможности увеличивать число ступеней, особенно при ограниченных радиальных размерах, как в скважинных насосах.

Предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию и повысить напор, приходящийся на единицу длины ступени.

Указанный результат достигается тем, что двухвальный многоступенчатый центробежный насос, содержащий двигатель, два расположенных параллельно друг другу вала, на которых размещены рабочие колеса, образующие с отводами ступени, отличается тем, что рабочие колеса соседних ступеней насажены на разных валах и разделены направляющими дисками, через которые пропущены валы, при этом отводы сформированы в объеме дисков в виде каналов, имеющих форму изогнутых диффузоров, расширяющихся в направлении от периферии каждого рабочего колеса в сторону другого вала, а в расширенной части диффузора выполнены сквозные отверстия для перевода жидкости к рабочему колесу следующей ступени. При этом соседние ступени повернуты относительно друг друга вокруг оси насоса на 180°. При подобном конструктивном исполнении валы многоступенчатого насоса выполнены вращающимися в одну сторону.

Согласно другому варианту исполнения в двухвальном многоступенчатом центробежном насосе валы установлены с возможностью вращения в противоположные стороны, а соседние ступени выполнены зеркально симметричными друг другу. Такой насос может быть снабжен как минимум одним сквозным вертикальным технологическим каналом, проходящим через все ступени.

Предпочтительно, чтобы сквозные отверстия в расширенной части диффузора были расположены по окружности вала и их сторона, обращенная к валу, имела дугообразную форму, а расстояние между валами превышало радиус рабочего колеса.

Предлагаемая конструкция обеспечивает переход от одной ступени к другой и преобразование кинетической энергии жидкости, выходящей из рабочего колеса, в энергию давления в спиральном отводе и диффузоре, находящемся в той же плоскости, что и рабочее колесо.

Количество диффузоров в виде изогнутых расширяющихся каналов, расположенных в плоскости РК, может варьироваться от 1 до 5 в зависимости от величины подачи и напора ступени.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 приведена конструкция насоса, в котором валы вращаются в одну сторону (как в прототипе), а направляющие диски имеют три изогнутых диффузорных канала;

на фиг.2 - конструкция насоса с валами, вращающимися в разные стороны, и с направляющими дисками, имеющими по три изогнутых диффузорных канала и дополнительные отверстия, расположенные друг под другом и образующие вертикальный технологический канал, проходящий через все ступени;

на фиг.3 - продольное сечение собранных ступеней насоса с открытыми колесами, выполненных согласно предлагаемому техническому решению;

на фиг.4. - вид направляющего диска с тремя диффузорными каналами, фигурными переходными отверстиями и прямоугольным отверстием для технологического канала.

Пример 1. Предлагаемый насос состоит из рабочих колес 1, 2, установленных на направляющих дисках 3, 4 и насаженных на валы 5 и 6. Направляющие диски 3 и 4 (фиг.1) одинаковы и отличаются друг от друга только поворотом на 180° вокруг вертикальной оси.

Рабочие колеса могут быть открытыми (фиг.1, 3), полузакрытыми либо закрытыми. Применение открытых колес обеспечивает наибольшее повышение величины напора на единицу длины Н_ст/h_ст. Для увеличения износостойкости не исключено применение в некоторых случаях полуоткрытых или закрытых колес, но при этом эффект повышения величины напора на единицу длины Н_ст/h_ст будет несколько ниже.

Направляющие диски 3, 4 имеют два отверстия для параллельных валов 5, 6, которые установлены с возможностью вращения в одну сторону. Рабочее колесо 1 на валу 5 заглублено в цилиндрическое углубление 7 направляющего диска 3, выполненное соосно валу 5. Окружность этого углубления плавно сопряжена со спиральным отводом 8 (фиг.4) от точки А и до точки В таким образом, что зазор между вертикальной стенкой углубления и краем лопаток рабочего колеса 1 постепенно увеличивается. В области от точки В до точки С расположены входы в изогнутые диффузоры, образованные канавками 9, 10 и 11, разделенные буртиками 12, 13. В области от точки С до точки А зазор между вертикальной стенкой углубления и краем лопаток рабочего колеса 1 минимален (мертвая зона), что обусловлено необходимостью монтажа ступени в жестких радиальных габаритах. В случае, когда ограничения по радиальным габаритам нет, точка А может быть смещена вплотную до точки С.

При сборке насоса нижняя поверхность диска 3 закрывает сверху канавки 9, 10, 11 нижерасположенного диска 4, образуя тем самым верхние стенки диффузорных каналов, ограниченных со всех сторон, например средний канал с боков ограничивается стенками буртиков 12 и 13, снизу - дном канавки 10, а сверху - нижней поверхностью диска 3 (фиг.3). Нижняя поверхность диска 4, в свою очередь, служит верхней стенкой каналов диска 3 следующей нижерасположенной ступени. Высота диффузорных каналов должна быть как минимум на уровне ширины лопаток рабочего колеса на выходе и может достигать величины, близкой к толщине диска. При этом дно канавок 9, 10 и 11, в зависимости от требуемого расхода насоса и конструкции колеса, может находиться на одном уровне, немного выше или ниже поверхности цилиндрического углубления 7, в которое устанавливается рабочее колесо 1 или 2.

Диффузорные каналы на направляющих дисках 3 расширяются в направлении от периферии каждого рабочего колеса 1 в сторону вала 6 и охватывают его, а на дисках 4 - от периферии рабочего колеса 2 в сторону вала 5 соответственно. В расширенной части канавок 9, 10, 11 выполнены сквозные отверстия 14 для перевода жидкости на следующую ступень, которые расположены около валов 5 и 6 предпочтительно по окружности, концентричной их оси. Такое размещение снижает неравномерность поступления жидкости на лопасти колеса следующей ступени. Отверстия 14 могут быть как круглой формы, так и более сложной конфигурации. Обычно форма диктуется технологией изготовления, например сверлением. В любом случае форма и место расположения отверстий 14 выбираются исходя из условия, чтобы жидкость из этих отверстий попадала как можно ближе к основанию лопаток нижерасположенных рабочих колес 1 или 2, поэтому следует стремиться к уменьшению в рамках технологических возможностей расстояния между отверстиями 14 и поверхностью валов 5 или 6.

Расстояние между торцевыми частями 15 и 16 буртиков 12, 13 и рабочим колесом, размещенным на той же ступени, может варьироваться с целью оптимизации работы насоса. При минимальном расстоянии, соответствующем технологическому зазору, торцевые части 15 и 16 практически достигают края цилиндрического углубления 7, как показано на фиг.4. Уменьшение длины буртиков 12, 13 и 17 (с точкой С в торцевой части) и, как следствие, снижение длины диффузоров приводит к увеличению расходных характеристик, но уменьшает напор.

Насос работает следующим образом. При вращении вала 5 рабочее колесо 1, установленное в углублении направляющего диска 3, приводится в движение. Валы 5, 6 в конструкциях предлагаемого погружного насоса могут приводиться во вращение от одного электродвигателя через шестерни.

Для наземных насосов для поддержания и повышения пластового давления могут быть использованы два электродвигателя, вращающие каждый отдельный вал.

Жидкость, поступающая в насос, через спиральный отвод 8 попадает в изогнутые диффузорные каналы по канавкам 9, 10 и 11, где из-за расширения сечения происходит снижение скорости потока и энергия скорости переходит в энергию напора. Далее через отверстия 14 около вала 6 жидкость под давлением перетекает на вход рабочего колеса 2 следующей ступени, установленного на направляющем диске 4.

Заявляемая конструкция промышленно применима, она так же, как и обычные УЭЦН, состоит из двух видов унифицированных деталей (направляющего диска и рабочего колеса), но по сравнению с УЭЦН эти детали более просты в изготовлении.

Пример 2. Конструкция насоса с валами, которые вращаются в разные стороны (фиг.2), также состоит из рабочих колес 1, 2 и направляющих дисков 3, 4. Причем последние имеют зеркальную симметрию относительно друг друга, поэтому направление лопаток рабочих колес 1 и 2, расположенных на валах 5 и 6 соответственно, в отличие от примера 1, одинаково.

В остальном конструкция и работа насоса в примере 2 аналогична примеру 1. Преимуществом использования данного насоса является возможность формирования от одного до нескольких дополнительных вертикальных осевых каналов 18, которые могут быть использованы для различных целей, например для проведения через них кабеля или пропускания газа от сепаратора к струйному насосу в так называемых тандемах. Кроме того, при отделении механических примесей от нефти на входе насоса можно пропускать эти примеси через канал 18 мимо ступеней наверх и выпускать в напорно-компрессорную трубу, где они уже не будут засорять насос.

На фиг.4 показан вид направляющего диска, в котором отверстия 14 для перехода из одной ступени в следующую выполнены фигурными и максимально приближены к валу, что обеспечивает выход жидкости непосредственно на вход лопаток рабочего колеса. Направляющий диск 3 в данном случае снабжен прямоугольным отверстием 18 со скругленными краями, которое по форме и размерам наиболее оптимально для силового электрического кабеля, обычно применяемого для питания погружных электродвигателей.

В сложившейся практике при эксплуатации насоса кабель и труба для газа пропускаются, как правило, снаружи насоса, что приводит к уменьшению радиальных габаритов насоса по сравнению с внутренним диаметром обсадной трубы, в которой он установлен. К тому же, для закрепления кабеля требуется установка дополнительных колец и защитных ребер, что значительно усложняет конструкцию [см., например, Богданов А.А. Центробежные погружные электронасосы для добычи нефти. М.: Недра, 1968. фиг.32. С.41]. Наличие осевого канала в заявляемой конструкции дает возможность изготавливать насосы диаметром, близким к внутреннему диаметру обсадной трубы.

Использование двухвальной конструкции центробежного насоса позволит практически в 1,5-2,0 раза уменьшить монтажную высоту насоса при достаточно компактном радиальном размере.

1. Двухвальный многоступенчатый центробежный насос, содержащий двигатель, два расположенных параллельно друг другу вала, на которых размещены рабочие колеса, образующие с отводами ступени, отличающийся тем, что рабочие колеса соседних ступеней насажены на разных валах и разделены направляющими дисками, через которые пропущены валы, при этом отводы сформированы на внешней поверхности дисков в виде каналов, имеющих форму изогнутых диффузоров, расширяющихся в направлении от периферии каждого рабочего колеса в сторону другого вала, а в расширенной части диффузора выполнены сквозные отверстия для перевода жидкости к ниже расположенному рабочему колесу.

2. Двухвальный многоступенчатый центробежный насос по п.1, отличающийся тем, что соседние ступени повернуты относительно друг друга вокруг оси насоса на 180°.

3. Двухвальный многоступенчатый центробежный насос по п.1, отличающийся тем, что валы установлены с возможностью вращения в противоположные стороны, а направляющие диски с рабочими колесами, расположенными на одном валу, зеркально симметричны направляющим дискам с рабочими колесами, расположенными на другом валу.

4. Двухвальный многоступенчатый центробежный насос по п.3, отличающийся тем, он снабжен сквозным вертикальным технологическим каналом, проходящим через все ступени.

5. Двухвальный многоступенчатый центробежный насос по п.1 или 3, отличающийся тем, что валы установлены на осевом расстоянии, превышающем радиус рабочего колеса, а сквозные отверстия расположены по окружности вала, причем сторона, обращенная к валу, выполнена дугообразной.