Рабочее колесо скважинного центробежного насоса

Изобретение относится к центробежным насосам, используемым преимущественно в малогабаритных нефтяных скважинах. Рабочее колесо включает ведущий и ведомый диски, расположенные между ними клиновидные лопатки, имеющие выпуклые и вогнутые поверхности, и радиальные каналы, образованные смежными лопатками. Выпуклые поверхности клиновидных лопаток сопряжены дугой, описанной радиусом 5-9 мм, а периферийная поверхность клиновидной зоны лопаток выполнена полностью выпуклой. Ведомый диск на наружном диаметре с внешней стороны снабжен кольцевой проточкой длиной 2/3 его толщины и глубиной 1-2 мм. Изобретение направлено на снижение потерь давления и уменьшение результирующих осевых сил, действующих со стороны ведущего диска. 5 ил.

 

Изобретение относится к области насосостроения, конкретно к отрасли производства скважинных нефтяных насосов, а именно к конструкциям их рабочих колес.

Известно рабочее колесо, состоящее из ведущего и ведомого дисков, расположенных между ними клиновидных лопаток, включающих выпуклую, вогнутую и сопряженную с последней вогнутую периферийную поверхности (А.С. № 1513226, МПК F04D 29/30, 1989 г.).

Недостатки устройства:

- низкий КПД, обусловленный резким увеличением толщины выходных кромок лопаток, приводящим к интенсивным ударам потока жидкости, выбрасываемого из каналов рабочего колеса в каналы направляющего аппарата;

- возникновение вибрации из-за ударов, имеющих место между выбрасываемым из каналов рабочего колеса потоком и потоком жидкости в каналах направляющего аппарата, находящимся в замедленном движении по сравнению со скоростью первого, что обусловлено стеснением движущегося потока в момент нахождения выходных кромок лопаток в зоне канала направляющего аппарата.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является рабочее колесо центробежного насоса, включающее ведущий и ведомый диски, расположенные между ними клиновидные лопатки, имеющие выпуклые и вогнутые поверхности, радиальные каналы, образованные смежными лопатками и соединенные с клиновидной зоной, сечение которой уменьшается в противоположную сторону вращения колеса, а высота клиновидной зоны в точке сопряжения выпуклых поверхностей равна не более ¹/₂ глубины радиального канала, взятой по дуге окружности, проходящей по месту сопряжения выпуклых поверхностей (Патент РФ № 2142579, МПК 6 F04D 29/22, 1999 г.).

К основным недостаткам устройства относятся:

- повышенные потери давления на участке клиновидной зоны канала, обусловленные, во-первых, наличием на его лопатках ступеней, каждая из которых образована в результате пересечения выпуклой поверхности радиального участка с выпуклой поверхностью его периферийного участка, вызывающих сужение (сжатие) потока в сечении, а во-вторых, клиновидная зона канала, образованная выпуклой и вогнутой поверхностями, не обеспечивает в полной мере равномерное уменьшение поперечного сечения канала от точки пересечения выпуклых поверхностей до выходной кромки лопатки;

- наличие значительных осевых сил, действующих на рабочее колесо со стороны повышенного давления, в скважинных насосах с малыми диаметральными габаритами. Это обусловлено тем, что доля площади, на которую приходится пониженное давление, составляет значительную часть в общей площади.

Задачей изобретения является создание рабочего колеса центробежного насоса, обладающего низкими потерями давления на участке клиновидной зоны канала и пониженными осевыми силами со стороны повышенного давления.

Указанная задача решается предлагаемым рабочим колесом, включающим ведущий и ведомый диски, расположенные между ними клиновидные лопатки, имеющие выпуклые и вогнутые поверхности, радиальные каналы, образованные смежными лопатками и соединенные с клиновидной зоной, сечение которой уменьшается в противоположную сторону вращения колеса, а высота клиновидной зоны в точке сопряжения выпуклых поверхностей равна не более ¹/₂ глубины радиального канала, взятой по дуге окружности, проходящей по месту сопряжения выпуклых поверхностей.

Новым является то, что выпуклые поверхности клиновидных лопаток сопряжены дугой, описанной радиусом R=5-9 мм, периферийная поверхность клиновидной зоны лопаток выполнена полностью выпуклой, радиусом, центр которого расположен на перпендикуляре, проведенном на середину прямой, проходящей через точку пересечения выпуклых поверхностей и через точку, лежащую на площадке выходной кромки лопасти на расстоянии 1,5-2,5 мм от наружной поверхности рабочего колеса, и дуга которого проходит через упомянутые выше точки и через точку, расположенную на перпендикуляре на расстоянии (0,25-0,3)L мм от наружной поверхности рабочего колеса, где L - глубина радиального канала, замеренная по дуге окружности, проходящей по месту сопряжения выпуклых поверхностей; ведомый диск на наружном диаметре с внешней стороны снабжен кольцевой проточкой длиной 2/3 его толщины и глубиной 1-2 мм.

На фиг.1 изображено предлагаемое рабочее колесо со стороны всасывания.

На фиг.2 - рабочее колесо в частичном продольном разрезе.

На фиг.3 - вид I фиг.2.

На фиг.4 - теоретический чертеж лопатки со стороны всасывания.

На фиг.5 - положение рабочего колеса в скважинном насосе.

Рабочее колесо состоит из ведущего 1 (фиг.2) и ведомого 2 дисков, клиновидных лопаток 3 (фиг.1), имеющих выпуклые 4 и 5, вогнутые 6 поверхности и площадки 7. Радиальные каналы 8, образованные смежными лопатками 3, сообщены с клиновидными зонами 9, образованными поверхностями 5, 7 и 10. Высота проходного участка «Н» в месте пересечения поверхностей 4 и 5 составляет не более ¹/₂L, где L - глубина радиального канала, измеренная по дуге окружности, проходящей по месту сопряжения выпуклых поверхностей 4 и 5. Последние сопряжены между собой радиусом r=5...9 мм, обеспечивающим постепенное (без скачков) уменьшение угла атаки при переходе от поверхности 4 к поверхности 5, выполненной радиусом R (фиг.4), центр которого расположен на перпендикуляре 11, проведенном на середину прямой 12, проходящей через точку пересечения выпуклых поверхностей 4 и 5 и точку, лежащую на площадке 7 на расстоянии 1,5...2,5 мм от поверхности 10, и дуга которого проходит через упомянутые выше точки и через точку, расположенную на перпендикуляре 11 на расстоянии (0,25...0,3)L от поверхности 10. При указанных выше соотношениях происходит постепенное уменьшение поперечного сечения клиновидной зоны, что обеспечивает плавное движение потока.

Площадка 7, образующая с отрицательным направлением окружной скорости (U₂) угол «β₂», воздействует на поток жидкости так, что при максимальном значении КПД вектор абсолютной скорости (С₂) занимает положение, касательное к поверхности симметрии входного участка канала отвода (не показан). При этом длина площадки 7 составляет 1,5...2,5 мм. На наружном диаметре ведомого диска 2 с внешней стороны выполнена кольцевая проточка длиной 2/3 его толщины и глубиной 1...2 мм (фиг.3) Последнее позволяет повысить давление на ведомый диск со стороны всасывания. Численные значения, отмеченные выше, получены расчетным путем.

Работает устройство следующим способом.

При вращении рабочего колеса жидкость из полости «а» (фиг.2) направляется в каналы 8. Когда она доходит до сечения, образованного концентричной окружностью Д₁ (фиг.1 и 4), часть ее направляется прямо к выходным окнам и далее в полость «б» (фиг.5) направляющего аппарата 13, а другая часть поворачивает в клиновидную зону 9 (фиг.1) и оттуда выбрасывается в каналы направляющего аппарата 13 (фиг.5). Выходящий из каналов рабочего колеса поток жидкости давит на объем жидкости, находящейся в полости «в» через проточку «г». В результате в ней повышается статическое давление, приводящее к повышению осевого усилия со стороны всасывания.

Благодаря плавному сопряжению двух выпуклых поверхностей клиновидных лопаток и выполнению периферийной зоны их полностью выпуклой достигается плавное уменьшение угла атаки на участке сопряжения и, тем самым, снижаются потери давления на участке клиновидной зоны канала лопаток. Благодаря наличию проточки на наружном диаметре ведомого диска растет доля осевых сил, направленных со стороны пониженного давления, что приводит к уменьшению результирующих сил, действующих сил со стороны ведущего диска.

Рабочее колесо скважинного центробежного насоса, включающее ведущий и ведомый диски, расположенные между ними клиновидные лопатки, имеющие выпуклые и вогнутые поверхности, радиальные каналы, образованные смежными лопатками и соединенные с клиновидной зоной, сечение которой уменьшается в противоположную зону вращения колеса, а высота клиновидной зоны в точке сопряжения выпуклых поверхностей равна не более ¹/₂ глубины радиального канала, взятой по дуге окружности, проходящей по месту сопряжения выпуклых поверхностей, отличающееся тем, что выпуклые поверхности клиновидных лопаток сопряжены дугой, описанной радиусом 5-9 мм, периферийная поверхность клиновидной зоны лопаток выполнена полностью выпуклой радиусом, центр которого расположен на перпендикуляре, проведенном на середину прямой, проходящей через точку пересечения выпуклых поверхностей и через точку, лежащую на площадке выходной кромки лопасти на расстоянии 1,5-2,5 мм от наружной поверхности рабочего колеса, и дуга которого проходит через упомянутые выше точки и через точку, расположенную на перпендикуляре на расстоянии (0,25-0,3)L от наружной поверхности рабочего колеса, где L - глубина радиального канала, замеренная по дуге окружности, проходящей по месту сопряжения выпуклых поверхностей, ведомый диск на наружном диаметре с внешней стороны снабжен кольцевой проточкой длиной 2/3 его толщины и глубиной 1-2 мм.