рабочее колесо центробежного многоступенчатого насоса

Формула изобретения

1. Рабочее колесо центробежного многоступенчатого насоса, содержащее ведущий диск, на нижней поверхности которого размещены лопасти рабочего колеса, а первая часть верхней поверхности, внешний радиус которой меньше радиуса рабочего колеса, выполнена плоской, отличающееся тем, что вторая часть верхней поверхности ведущего диска выполнена в виде уступа, расстояние от поверхности которого до плоскости, в которой лежит первая часть верхней поверхности ведущего диска, уменьшается от периферии рабочего колеса до места сопряжения первой и второй частей поверхности ведущего диска, причем на уступе расположены ребра, верхние края которых лежат в плоскости, расположенной ниже плоскости, в которой лежит первая часть верхней поверхности ведущего диска.

2. Рабочее колесо по п. 1, отличающееся тем, что радиус расположения боковых торцевых поверхностей ребер меньше внешнего радиуса ведущего диска.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано при конструировании центробежных насосов, предназначенных для откачки пластовой жидкости из скважин, в частности при добыче нефти.

Известно рабочее колесо погружного центробежного многоступенчатого насоса [1] , предназначенного для откачки пластовой жидкости из нефтяных скважин, содержащее ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопатками.

К недостаткам этого насоса относится малый напор, создаваемый ступенью насоса, в котором используется рабочее колесо, при малых расходах, и нестабильность характеристик при работе с нефтеводогазовыми смесями.

Устройством, наиболее близким к заявленному изобретению, является рабочее колесо скважинного центробежного многоступенчатого насоса [2]. Указанное рабочее колесо состоит из ведущего диска, на нижней поверхности которого размещены лопасти. Первая часть верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса, внешний радиус которого меньше радиуса ведущего диска, выполнена плоской. На периферии верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса сформирован кольцевой выступ с размещенными на нем ребрами. Указанные ребра создают дополнительный напор за счет перемещения жидкости от оси к периферии рабочего колеса. При работе насоса в области, прилежащей к внешнему краю рабочего колеса, формируется тороидальный вихрь (вихревое кольцо), повышающий устойчивость работы насоса и эффективность дробления газовых включений.

Недостатком известного рабочего колеса является то, что кольцевой выступ способствует осаждению и конгломерации твердых включений пластовой жидкости между втулкой рабочего колеса и кольцевым выступом. Образовавшиеся конгломераты, при их перемещении, способствуют преждевременному износу рабочих органов и могут привести к заклиниванию насоса. Кроме того, при использовании известного рабочего колеса объем пространства, в котором формируется тороидальный вихрь (вихревое кольцо), незначителен, в связи с чем известное рабочее колесо не обеспечивает существенное повышение устойчивости работы насоса при большом содержании свободного газа в пластовой жидкости, а также при малых расходах. Следствием этого является чрезмерная турбулизация жидкости основного потока, что может увеличить осевую нагрузку на опорные элементы рабочих органов и снизить КПД устройства.

Заявленное изобретение обеспечивает устранение указанных выше недостатков наиболее близкого аналога, а также обеспечивает, при его использовании, смещение тороидального вихря в пространство между ведущим диском рабочего колеса и нижним диском направляющего аппарата, при этом снижается осевая нагрузка на опорные элементы рабочего колеса и направляющего аппарата, уменьшаются потери на механическое трение в пяте опоры и существенно увеличивается КПД насоса.

Для достижения указанного выше технического результата в рабочем колесе центробежного многоступенчатого насоса, содержащем ведущий диск, на нижней поверхности которого размещены лопасти рабочего колеса, а первая часть верхней поверхности, внешний радиус которой меньше радиуса рабочего колеса, выполнена плоской, дополнительно, вторая часть верхней поверхности ведущего диска выполнена в виде уступа, расстояние от поверхности которого до плоскости, в которой лежит первая часть верхней поверхности ведущего диска, уменьшается от периферии рабочего колеса до места сопряжения первой и второй частей поверхности ведущего диска, причем на уступе расположены радиальные ребра, верхние края которых лежат в плоскости, расположенной ниже плоскости, в которой лежит первая часть верхней поверхности ведущего диска.

Возможно также выполнение рабочего колеса, при котором радиус расположения боковых торцевых поверхностей ребер меньше внешнего радиуса ведущего диска.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 изображено продольное сечение двух ступеней многоступенчатого центробежного насоса с закрытыми рабочими колесами, выполненными согласно изобретению, и направляющими аппаратами известной конструкции.

На фиг. 2 изображено продольное сечение двух ступеней многоступенчатого центробежного насоса с полуоткрытыми (без ведомого диска) рабочими колесами, выполненными согласно изобретению, и направляющими аппаратами известной конструкции.

На фиг. 3 представлен вид сверху рабочего колеса, выполненного согласно изобретению.

Ступень многоступенчатого центробежного насоса (фиг.1 и 2) состоит из рабочего колеса с втулкой 1 и направляющего аппарата с корпусом 2. Рабочее колесо содержит ведущий диск 3, на нижней поверхности которого расположены лопасти 4 рабочего колеса, а также может содержать ведомый диск 5, сопряженный с нижними краями лопастей 4. Первая часть 6 верхней поверхности ведущего диска 3, внешний радиус которой меньше, чем радиус рабочего колеса, определяемый как радиус боковой поверхности 7 ведущего диска или как радиус расположения боковых кромок 8 лопастей 4, выполнена плоской. Внутренний радиус первой части 6 внешней поверхности ведущего диска равен внешнему радиусу втулки 1 рабочего колеса. Вторая часть верхней поверхности ведущего диска выполнена в виде уступа 14, расстояние от поверхности которого до плоскости, в которой лежит первая часть верхней поверхности ведущего диска, уменьшается от периферии рабочего колеса до места сопряжения первой и второй частей верхней поверхности ведущего диска. При этом указанное расстояние равно длине отрезка, перпендикулярного плоскости, в которой лежит поверхность части 6, соединяющего указанную плоскость с поверхностью уступа.

На уступе 14 расположены ребра 9, радиус расположения боковых торцевых поверхностей 11 которых равен либо может быть меньше, чем внешний радиус ведущего диска. Верхние торцевые поверхности или верхние края 10 ребер лежат в плоскости, расположенной ниже плоскости, в которой лежит первая часть верхней поверхности ведущего диска 3. Направляющий аппарат включает верхний диск 12, выполненный в корпусе 2, и нижний 13, установленный на втулке 1 рабочего колеса.

Устройство работает следующим образом.

При вращении рабочего колеса формируется напор жидкости или газожидкостной смеси (далее - жидкости) при ее прохождении через каналы, образованные рядом расположенными лопастями, ведущим диском 3 и ведомым диском 5 (фиг. 1), или верхним диском 12 направляющего аппарата (фиг.2). К следующему за рабочим колесом направляющему аппарату жидкость поступает через кольцевой зазор между ведущим диском 3 рабочего колеса с втулкой 1 и корпусом 2 направляющего аппарата. Жидкость, находящаяся между верхней поверхностью 6 ведущего диска 3 и нижним диском 13 направляющего аппарата, выносится в кольцевой зазор между корпусом 2 направляющего аппарата и боковыми торцевыми поверхностями 11 ребер 9. В дальнейшем, при взаимодействии потоков жидкости, сформированных лопастями 4 и радиальными ребрами 9, на периферии рабочего колеса 3 формируется тороидальный вихрь (вихревое кольцо), который способствует перемещению жидкости таким образом, что обеспечивается дробление газовых включений, в результате чего повышается устойчивость работы насоса, так как предотвращается возможность формирования значительных по объему газовых пробок, приводящих к срыву подачи.

В связи с тем, что тороидальный вихрь формируется в зоне, прилегающей к верхним торцевым поверхностям 10 ребер 9, расположенной ниже поверхности диска, расширяется рабочая зона потока, движение жидкости притормаживается, что способствует безвихревому входу его в направляющий аппарат, а так как при этом уменьшается осевая сила, действующая на опоры, снижаются потери мощности на механическое трение в пяте опоры. Кроме этого, обеспечивается повышение интенсивности дробления газовых включений, а также степени диспергирования механических примесей, что позволяет предотвратить засорение рабочих органов насоса.

Таким образом, заявленное изобретение, в отличие от известных аналогов, обеспечивает возможность повышения КПД насоса с одновременным повышением устойчивости работы и срока службы.

Источники информации

1. Богданов Н.А. Погружные центробежные насосы для добычи нефти. - М.: Недра, 1968, 38-50 с.

2. Патент РФ 2138691, МПК6 F 04 D 13/10, 1/06, 31/00 от 25.11.97.