Скважинный лопастной насос

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в конструкции радиальных подшипниковых опор многоступенчатых лопастных насосов. Предлагается скважинный лопастной насос, который состоит из основания и головки, соединенных корпусом. Внутри в подшипниковых опорах установлен вал и рабочие органы. Каждая подшипниковая опора представляет собой подшипник скольжения, состоящий из неподвижного вкладыша с установленной внутри него с радиальным зазором и закрепленной на валу втулкой. На внешней цилиндрической поверхности втулки выполнена волнообразная канавка, в которую установлено полимерное кольцо с упругими свойствами, поджатое внутренней цилиндрической поверхностью вкладыша. На внешней цилиндрической поверхности втулки выполнена по меньшей мере одна дополнительная канавка, обеспечивающая прохождение жидкости через подшипник под полимерным кольцом с упругими свойствами. Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении надежной работы и повышении ресурса радиального подшипника скольжения скважинного лопастного насоса при перекачивании жидкости, содержащей механические примеси, снижение прецессии вала в опорах и вибрации. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в конструкции радиальных подшипниковых опор многоступенчатых лопастных насосов.

Известен скважинный центробежный насос, имеющий соответствующую систему радиальных подшипников. Совместимые радиальные подшипники в соответствии с настоящим изобретением используют жидкостную камеру переменного размера между неподвижным корпусом подшипника и отверстием, в которое он установлен. Эти изменяемые жидкостные камеры могут быть образованы эластомерными элементами, такими как уплотнительные кольца, которые установлены с наружной стороны корпуса подшипника. Размер изменяемой жидкостной камеры, а также находящаяся в ней жидкость служат для гашения вибрации и механических ударов по компонентам подшипника. Такое гашение вибрации и ударов облегчает использование керамических компонентов в подшипниковой системе (по патенту US5209577, кл. F16C 53/10, опубл. 11.05.93).

Недостатком данного решения является наличие зазора в подшипнике между втулкой, установленной на валу, и корпусом подшипника. Под действием неуравновешенных масс роторов возникает прецессия вала в опорах и вибрация. Эластомерные элементы в радиальных подшипниках лишь частично гасят эти колебания, но не уменьшают прецессию и амплитуду колебаний. То есть данное техническое решение направлено на борьбу со следствием, а не с причиной возникновения колебаний.

Известен насос, содержащий корпус, вал, крыльчатки, защитные втулки, пакеты уплотнительных колец, выполненных из упругодеформируемого материала, сечение которых представляет собой полый усеченный конус, согласно полезной модели, снабжен грундбуксами. Причем уплотнительные упругодеформируемые кольца пакетов вместе с валом образуют подшипники скольжения, при этом на внутренней цилиндрической поверхности уплотнительных колец, кроме крайних, выполнены, как минимум, три полукруглых канавки. Все уплотнительные кольца, кроме крайних, соединены между собой штифтом, а крайние уплотнительные кольца пакетов выполнены из эластичного резиноподобного износостойкого материала и являются уплотнениями вала (по патенту RU73410, кл. F04D 13/06, опубл. 20.05.08).

Недостатком подшипников, используемых в насосе, является большая площадь контакта крайних колец и пакета колец с защитной втулкой, что увеличивает трение, затрудняет смазку и теплоотвод.

Известен подшипник скольжения, который содержит вал и корпус со смазочными отверстиями и равномерно расположенными по окружности между валом и корпусом карманами, герметизируемыми по периметру упругоэластичными уплотнениями. С целью обеспечения самоцентрирования и повышения КПД, упругоэластичные уплотнения карманов выполнены с утолщениями в местах стыка аксиальных и окружных элементов и установлены в пазах вала (по патенту SU1064063, кл. F16C 32/06, опубл. 30.12.83).

Недостатком данного решения является сложность точного изготовления канавки на валу и упругоэластичного уплотнения. Кроме того упругоэластичный элемент устанавливается без предварительного сжатия с большим зазором между корпусом и валом, поэтому самоцентрирование подшипника сильно зависит от герметичности карманов, образованных упругоэластичным элементом между корпусом и валом. При повреждении элемента, например при монтаже или продуктами износа во время эксплуатации, появляется радиальное биение вала, что негативно скажется на работоспособности и ресурсе изделия, в котором применяется данный подшипник.

Наиболее близким техническим решением является способ восприятия радиальной нагрузки при вращении, который заключается в установке между коаксиальными цилиндрическими поверхностями, совершающими вращательное движение относительно друг друга и общей оси, по меньшей мере, одного полимерного волнообразного кольца. При этом кольцо находится в упруго сжатом состоянии относительно цилиндрических поверхностей. Также предлагается подшипник скольжения, в котором реализован данный способ. Подшипник состоит из корпуса и втулки, между коаксиальными цилиндрическими поверхностями которых установлено, по меньшей мере, одно полимерное волнообразное кольцо. При этом кольцо находится в упруго сжатом состоянии относительно цилиндрических поверхностей (по патенту RU2763763, кл. F16C 17/02, F16C 27/06, опубл. 10.01.22).

Недостатком данного решения является то, что при работе такого подшипника, например, в составе погружного лопастного насоса, содержащиеся в перекачиваемой насосом среде механические примеси (песок, частицы износа, пропант и т.п.) будут скапливаться в зазоре между втулкой и корпусом подшипника за кольцом. Это приведёт к повышенному износу подшипника, а также к его нагреву и разрушению.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении надежной работы и повышении ресурса радиального подшипника скольжения скважинного лопастного насоса при перекачивании жидкости, содержащей механические примеси, снижение прецессии вала в опорах и вибрации.

Указанный технический результат достигается тем, что скважинный лопастной насос состоит из основания и головки, соединенных корпусом, внутри в подшипниковых опорах установлен вал и рабочие органы, каждая подшипниковая опора представляет собой подшипник скольжения, состоящий из неподвижного вкладыша с установленной внутри него с радиальным зазором и закрепленной на валу втулкой, на внешней цилиндрической поверхности втулки выполнена волнообразная канавка, в которую установлено полимерное кольцо с упругими свойствами, поджатое внутренней цилиндрической поверхностью вкладыша, и отличается тем, что на внешней цилиндрической поверхности втулки выполнена, по меньшей мере, одна дополнительная канавка, обеспечивающая прохождение жидкости через подшипник под полимерным кольцом с упругими свойствами.

Кроме того, каждая дополнительная канавка может быть выполнена под углом к оси подшипника.

Кроме того, на внешней цилиндрической поверхности втулки может быть выполнена по окружности канавка, глубина которой превышает глубину волнообразной канавки.

Кроме того, на внешней цилиндрической поверхности втулки в местах пересечения волнообразной канавки и дополнительных канавок могут быть выполнены глухие отверстия, глубина которых превышает глубину волнообразной канавки.

Кроме того, длина втулки может быть меньше длины вкладыша;

Кроме того, вкладыш может быть выполнен из материала с твердостью не менее 55 HRC, например, из закалённой стали, твёрдого сплава, керамики, карбула.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами:

Фиг. 1 – скважинный лопастной насос;

Фиг. 2 – подшипник скольжения;

Фиг. 3 – подшипник скольжения в разобранном состоянии;

Фиг. 4 – втулка подшипника с окружной канавкой;

Фиг. 5 – втулка подшипника с глухими отверстиями;

Фиг. 6 – подшипник скольжения, у которого длина втулки меньше длины вкладыша;

Фиг. 7 – пример выполнения втулки.

Скважинный лопастной насос (фиг. 1) состоит из основания 1 и головки 2, соединенных корпусом 3. Внутри в подшипниковых опорах 4 установлен вал 5 и рабочие органы, представляющие собой последовательно установленные рабочие колеса 6, закрепленные на валу 5, и направляющие аппараты 7, установленные в корпусе 3.

Каждая подшипниковая опора 4 представляет собой радиальный подшипник скольжения (фиг. 2), состоящий из вкладыша 8 и установленной внутри него с радиальным зазором втулки 9. В отверстии втулки 9 выполнен шпоночный паз 10 для закрепления на валу 5.

На внешней цилиндрической поверхности втулки 9 (фиг. 3) выполнена волнообразная канавка 11, в которую установлено полимерное кольцо 12 с упругими свойствами. На внешней поверхности втулки выполнены под углом к оси подшипника дополнительные канавки 13, обеспечивающие прохождение жидкости через подшипник под полимерным кольцом за счет того, что глубина дополнительных канавок 13 больше, чем глубина волнообразной канавки 11.

Для большей прочности втулки 9 и обеспечения прохождения жидкости под кольцом на внешней поверхности втулки 9 может быть выполнена по окружности канавка 14 (фиг. 4), глубина которой превышает глубину волнообразной канавки 11. С той же целью на внешней цилиндрической поверхности втулки 9 в местах пересечения волнообразной канавки 11 и дополнительных канавок 13 могут быть выполнены глухие отверстия 15 (фиг. 5), глубина которых превышает глубину волнообразной канавки.

Для обеспечения лучшего вымывания механических примесей и охлаждения подшипника длина L₁ втулки 9 (фиг. 6) должна быть меньше длины L₂ вкладыша 8. Это позволит увеличить скорость жидкости на выходе из втулки.

Применение.

Скважинный лопастной насос используется для добычи пластовой жидкости из скважины в составе погружной установки, которая включает в себя также погружной электродвигатель (ПЭД), гидрозащиту и различные предвключенные устройства. Питание ПЭД осуществляется по кабелю. ПЭД передает крутящий момент на вал 5 насоса и рабочие колёса 6, которые обеспечивают создание напора. Направляющие аппараты 7 направляют поток на вход рабочих колёс 6.

Подшипниковые опоры 4 работают в среде пластовой жидкости, содержащей механические примеси, песок, пропант, химически агрессивные соединения. Применение полимерного кольца 12 с упругими свойствами, установленного на втулке для восприятия радиальной нагрузки при вращении в подшипниковой опоре 4 в качестве одного из её элементов повышает надежность работы и ресурс за счет свойств полимерного материала, который обладает высокой твердостью, эластичностью и износостойкостью. В результате чего снижается износ, прецессия вала и вибрации.

Наличие дополнительных канавок 13 обеспечивают перекачивание жидкости через радиальные подшипники, вымывая из зазора между втулкой 9 и вкладышем 8 механические примеси, и тем самым уменьшают износ и способствуют охлаждению. Для большей эффективности этого процесса целесообразно чтобы втулка имела меньшую длину, чем вкладыш 8. Это позволяет увеличить скорость жидкости, проходящей через подшипник, и, как следствие, способствует лучшему вымыванию мехпримесей и охлаждению.

Для лучшего перекачивания жидкости через подшипник дополнительные канавки 13 целесообразно выполнить под углом к оси подшипника. Условием обеспечения возможности перекачивания жидкости через подшипник является то, что глубина дополнительных канавок 13 должна быть больше, чем глубина волнообразной канавки 11, чтобы жидкость могла проходить под полимерным кольцом 12. Кроме того, для лучшего прохождения жидкости под полимерным кольцом во втулке 9 может быть выполнена окружная канавка 14, глубина которой превышает глубину волнообразной канавки 11, или глухие отверстия 15, глубина которых также должна превышать глубину волнообразной канавки. В этом случае дополнительные канавки 13 можно выполнить меньшей или такой же глубины как и волнообразная канавка 11, что положительно скажется на прочности втулки 9.

Выполнение вкладыша 8 из материала, имеющего твердость не менее 55 HRC, позволяет повысить его износостойкость при работе с постоянным выносом мехпримесей. В качестве такого материала могут быть использованы закаленные стали, твёрдый сплав, керамика или карбул, которые также имеют высокую температуростойкость.

Таким образом, решения, используемые в изобретении, обеспечивают надежную работу и повышают ресурс радиального подшипника скольжения скважинного лопастного насоса в условиях выноса механических примесей, снижают прецессию вала в опорах и вибрации, и тем самым обеспечивают достижение технического результата.

1. Скважинный лопастной насос, состоящий из основания и головки, соединенных корпусом, внутри в подшипниковых опорах установлен вал и рабочие органы, каждая подшипниковая опора представляет собой подшипник скольжения, состоящий из неподвижного вкладыша с установленной внутри него с радиальным зазором и закрепленной на валу втулкой, на внешней цилиндрической поверхности втулки выполнена волнообразная канавка, в которую установлено полимерное кольцо с упругими свойствами, поджатое внутренней цилиндрической поверхностью вкладыша, и отличающийся тем, что на внешней цилиндрической поверхности втулки выполнена по меньшей мере одна дополнительная канавка, обеспечивающая прохождение жидкости через подшипник под полимерным кольцом с упругими свойствами.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что каждая дополнительная канавка выполнена под углом к оси подшипника.

3. Насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что на внешней цилиндрической поверхности втулки по окружности выполнена канавка, глубина которой превышает глубину волнообразной канавки.

4. Насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что на внешней цилиндрической поверхности втулки в местах пересечения волнообразной канавки и дополнительных канавок выполнены глухие отверстия, глубина которых превышает глубину волнообразной канавки.

5. Насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что длина втулки меньше длины вкладыша.

6. Насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что вкладыш выполнен из материала с твердостью не менее 55 HRC.

7. Насос по п.6, отличающийся тем, что материалом вкладыша является закалённая сталь.

8. Насос по п.6, отличающийся тем, что материалом вкладыша является твёрдый сплав.

9. Насос по п.6, отличающийся тем, что материалом вкладыша является керамика.

10 Насос по п.6, отличающийся тем, что материалом вкладыша является карбул.