Погружной центробежный многоступенчатый насос
Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к насосам для добычи нефти из скважин. Насос содержит ступени, состоящие из направляющих аппаратов (НА) с торцевыми опорными поверхностями (ОН) на буртах и на втулках и рабочих колес (РК). Ведущий и ведомый диски РК имеют ответные торцевые ОП, контактирующие с торцевыми ОП в НА. Контактирующие ОП, по крайней мере, на буртах НА и на ведомых дисках РК выполнены с образованием между ними угла, расширяющегося в сторону оси НА. При этом угол между контактирующими ОП находится в пределах 5-8°. Изобретение обеспечивает увеличенный срок службы погружного насоса за счет повышения работоспособности ОП шайб РК и соответствующих им ОП в НА без усложнения технологии производства ступеней и увеличения трудоемкости их изготовления. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к погружным центробежным многоступенчатым насосам для добычи нефти из скважин.
Известны конструкции погружных многоступенчатых насосов со ступенями, содержащими направляющий аппарат с торцевыми опорными поверхностями на буртах и «плавающие» рабочие колеса с ведущим и ведомым дисками, на последнем из которых выполнен ответный опорный элемент в виде текстолитовой шайбы, запрессованной в кольцевую расточку ведомого диска колеса (Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти. М.: Недра, 1968. С.48, рис.35а).
Известны также двухопорные конструкции ступеней насосов, в которых дополнительной осевой опорой служит торцевая поверхность удлиненной втулки направляющего аппарата, контактирующая с опорной торцевой поверхностью на ведущем диске, выполненной, например, в виде малой текстолитовой шайбы (патент РФ №2201533, F04D 13/00, 2003).
Недостаток указанных конструкций заключается в достаточно быстром износе контактирующих поверхностей при перекачке жидкости, содержащей абразивные частицы, особенно в первом случае, и когда в качестве опорных поверхностей используются текстолитовые или из других подобных материалов шайбы. При прочих равных условиях износ в значительной мере обусловлен перекосом, т.е. неодинаковым по окружности прилеганием контактирующих поверхностей. При этом на части окружности имеет место контакт поверхностей без зазора, а на части - с зазором. Через последний свободно проникают частицы абразива, которые переносятся за счет вращения опорной поверхности вместе с колесом в зону плотного контакта поверхностей и вызывают износ. Наиболее интенсивно износ происходит в начальный период эксплуатации, когда еще не произошла приработка всех пар трения и перекосы наиболее значительны. Та или иная степень перекоса контактирующих поверхностей в рассматриваемых конструкциях практически неизбежна из-за погрешностей изготовления деталей, наличия необходимых зазоров между ступицей колеса и валом, ступицей колеса и втулкой направляющего аппарата. Перекосы обусловлены также условиями сборки, изгибными колебаниями вала при работе и другими факторами.
Наиболее близок к заявляемому по технической сущности погружной центробежный многоступенчатый насос с радиально-опорными подшипниками, содержащий набор ступеней, собранных в цилиндрическом корпусе и состоящих из рабочих колес с кольцевыми расточками и неподвижных направляющих аппаратов с опорными буртами. В кольцевых расточках ведомого диска рабочего колеса установлены сферические опорные шайбы, и ответная часть опорного бурта направляющего аппарата выполнена также сферической формы (патент РФ №2250392, F04D 13/10, 2005). Такая конструкция при идеальном исполнении практически исключает перекосы контактирующих поверхностей за счет центрирования каждого рабочего колеса относительно направляющего аппарата. В результате резко снижается возможность проникновения абразивных частиц между контактирующими поверхностями и их износ уменьшается.
Недостаток данной конструкции заключается в технологической сложности и трудоемкости получения точно сопрягаемых сферических поверхностей на опорной шайбе или теле рабочего колеса и соответственно на опорном бурте направляющего аппарата, особенно в условиях массового производства.
Предлагаемая конструкция обеспечивает увеличенный срок службы погружного насоса за счет повышения работоспособности опорных поверхностей шайб рабочего колеса и соответствующих им опорных поверхностей в направляющем аппарате без усложнения технологии производства ступеней и увеличения трудоемкости их изготовления.
Указанный технический результат достигается тем, что в погружном центробежном многоступенчатом насосе, содержащем ступени, состоящие из направляющих аппаратов с торцевыми опорными поверхностями на буртах и на втулках и рабочих колес с ведущим и ведомым дисками, имеющими ответные торцевые опорные поверхности, контактирующие с торцевыми опорными поверхностями в направляющих аппаратах, согласно изобретению, контактирующие поверхности, по крайней мере, на буртах направляющих аппаратов и на ведомых дисках рабочих колес выполнены с образованием между ними угла, расширяющегося в сторону оси направляющих аппаратов.
Целесообразно, угол между контактирующими поверхностями выдерживать в пределах 5-8°.
На фиг.1 представлена ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса заявляемой конструкции, на фиг.2-6 - варианты ее исполнения.
Погружной центробежный многоступенчатый насос (фиг.1) содержит ступени, состоящие из направляющего аппарата 1 и рабочего колеса 2. Направляющий аппарат 1 имеет опорный бурт 3 с торцевой опорной поверхностью 4 и удлиненную втулку 5 с утолщением 6 в виде «грибка», на котором выполнена торцевая опорная поверхность 7. На ведомом диске 8 рабочего колеса 2 закреплена плоская шайба 9, выполненная из текстолитового или иного материала. Опорная поверхность 10 шайбы 9 контактирует с опорной поверхностью 4 бурта 3 и образует с ней угол α в пределах 5-8°. Поверхность 10 может быть выполнена непосредственно на теле ведомого диска 8. На ведущем диске 11 также имеется торцевая опорная поверхность 12, образованная шайбой 13 из текстолита или подобного ему материала, либо непосредственно телом диска 11, контактирующая с поверхностью 7 и образующая с ней также угол α, равный 5-8°.
На фиг.2 изображен один из возможных инверсионных вариантов исполнения. Плоская шайба 9 перенесена на бурт 3 направляющего аппарата 1. Опорная поверхность 10 образует угол α=5-8° с торцевой опорной поверхностью 4, выполненной непосредственно на теле ведомого диска 8. Возможно формирование опорной поверхности 4 в виде текстолитовой шайбы с таким же внутренним конусом (фиг.3). Поверхность 10 в данном случае также может быть выполнена непосредственно на теле бурта 3. Контактирующие опорные поверхности 7 и 12 выполняются как параллельными, так и с образованием угла α=5-8° (см. фиг.1).
На фиг.4 показан вариант исполнения, при котором опорная поверхность 10 выполнена на теле ведомого диска 8, а ответная конусная поверхность 4 образована текстолитовой шайбой 9 на бурте 3 направляющего аппарата 1.
На фиг.5 представлен вариант исполнения, когда угол α между контактирующими опорными поверхностями образован внутренней конусной поверхностью 4 на ведомом диске 8 и наружной конусной поверхностью 10 на бурте 3 направляющего аппарата 1. Аналогично могут быть выполнены и контактирующие поверхности 7 и 12 (фиг.1 и 2).
На фиг.6 изображен вариант исполнения с использованием упругой шайбы 9, торцевые поверхности которой выполнены с образованием конуса.
Погружной центробежный многоступенчатый насос работает следующим образом. При вращении рабочего колеса 2 контакт поверхности 10 плоской опорной шайбы 9 с торцевой поверхностью 4 бурта 3 направляющего аппарата 1 происходит по узкой кольцевой дорожке в начале конуса, образованного этими поверхностями. Из-за возможного взаимного перекоса поверхностей 10 и 4 в области кольцевой дорожки этот контакт может быть плотным только на части кольцевой дорожки, а на другой части образуется зазор. Частицы абразива свободно попадают в образовавшийся зазор. Вследствие вращения шайбы 9 вместе с колесом 1, они перемещаются по окружности и попадают в зону плотного контакта поверхностей 10 и 4, вызывая их износ. В начальный период работы износ происходит только по упомянутой узкой кольцевой дорожке и только на части окружности. По мере приработки поверхностей 10 и 4 и врезания в шайбу 9 конусной поверхности 4 бурта 3 плотное прилегание формируется по всей окружности кольцевой дорожки, что затрудняет проникновение абразивных частиц между трущимися поверхностями, и скорость износа снижается.
При дальнейшей приработке на текстолитовой шайбе 9 появляется ответный конус и соответственно возникает центрирующая рабочее колесо 2 сила, снижающая перекос поверхностей, если он был, и способствующая более плотному прилеганию контактирующих поверхностей 10 и 4, что также снижает вероятность попадания абразивных частиц между рассматриваемыми поверхностями и их износ.
Таким образом, износ опорной шайбы 9 и поверхности 4 на бурте 3 направляющего аппарата 1 снижается как в первый период работы, когда происходит первоначальная приработка контактирующих поверхностей 10 и 4 до исчезновения зазора между ними по всей окружности на узкой кольцевой дорожке, так и в последующем, когда формируется конусное сопряжение поверхностей 10 и 4 и появляется центрирующая сила.
Аналогичным образом работает и сопряжение контактирующих поверхностей 7 и 12, выполненных согласно изобретению с углом α между ними (фиг.1). Однако продление срока службы опорных поверхностей за счет этого сопряжения значительно меньше, чем за счет сопряжения поверхностей 10 и 4.
Варианты исполнения погружного многоступенчатого насоса, представленные на фиг.2-5, работают так же, как и вариант исполнения на фиг.1. Аналогично происходит работа и в том случае, когда обе контактирующие поверхности, например 10 и 4, металлические.
В последнем случае (фиг.6) конусная шайба 9 благодаря своей упругости обеспечивает плотное прилегание по всей поверхности контакта с поверхностью 10 даже при наличии перекоса между поверхностями. Благодаря этому попадание абразивных частиц между контактирующими поверхностями затруднено с самого начального этапа работы, т.е. еще до приработки поверхностей.
Заявленный угол α в пределах 5-8° между контактирующими поверхностями соответствует приработке поверхностей на глубину 0,3-0,5 мм. При этом исчезает максимально возможный из-за перекоса зазор между ними и начинает формироваться конусное сопряжение с плотным прилеганием контактирующих поверхностей.
Экспериментальная проверка ступеней на стенде для абразивных испытаний показала, что срок службы больших опорных шайб в заявляемой конструкции возрастает не менее, чем на 30%.
1. Погружной центробежный многоступенчатый насос, содержащий ступени, состоящие из направляющих аппаратов с торцевыми опорными поверхностями на буртах и на втулках, и рабочих колес с ведущим и ведомым дисками, имеющими ответные торцевые опорные поверхности, контактирующие с торцевыми опорными поверхностями в направляющих аппаратах, отличающийся тем, что контактирующие поверхности, по крайней мере, на буртах направляющих аппаратов и на ведомых дисках рабочих колес выполнены с образованием между ними угла, расширяющегося в сторону оси направляющих аппаратов.
2. Погружной центробежный многоступенчатый насос по п.1, отличающийся тем, что угол между контактирующими поверхностями составляет 5-8°.
