ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса

Формула изобретения

1. Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, состоящая из рабочего колеса с лопатками, размещенными между ведущим и ведомым дисками, формирующими проточную часть рабочего колеса, и направляющего аппарата с лопастями, размещенными между дисками, формирующими проточную часть направляющего аппарата, отличающаяся тем, что лопатки рабочего колеса выполнены Г-образной формы, выступающие выходные участки которых расположены по окружности за внешней кромкой ведущего диска и образуют осевую круговую решетку, обеспечивающую разворот потока жидкости с выхода рабочего колеса из радиального направления в осевое, при этом высота выступающих участков рабочего колеса относительно наружной поверхности ведущего диска составляет от 0,5 до 1,0 высоты проточной части рабочего колеса.

2. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что лопатки рабочего колеса нормально расположены к ведущему диску.

3. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что лопатки рабочего колеса расположены под углом к ведущему диску, не превышающим значения выходного угла лопаток более чем на 20°.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в погружных многоступенчатых центробежных насосах для подъема жидкости из скважин.

Известна ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, состоящая из рабочего колеса с лопатками, размещенными между основным и покрывным дисками, формирующими проточную часть рабочего колеса, и направляющего аппарата с лопастями, размещенными между верхним и нижним дисками, формирующими проточную часть направляющего аппарата (см., например, В.Н.Ивановский и др. «Оборудование для добычи нефти и газа», М., ГУП, изд-во «Нефть и газ» РГУ Нефти и газа им. И.М.Губкина, 2002 г., ч.1, стр.356-360, рис.5.5).

Недостатком известного технического решения является то, что в процессе перехода потока жидкости из рабочего колеса в направляющий аппарат происходит ударное торможение потока о стенки корпуса, что приводит к значительным потерям энергии и снижению напора.

Вместе с тем известно, что на увеличение напора ступени значительно влияет осевая составляющая скорости потока.

Известна также ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса (см. патент RU 2218482 С1, 10.07.2002, F 04 D 13/10), содержащая рабочее колесо с лопатками, размещенными между ведущим и ведомым дисками, формирующими проточную часть рабочего колеса, и направляющего аппарата с лопастями, размещенными между нижними и верхними дисками, формирующими проточную часть направляющего аппарата. На верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены выступы, ориентированные в радиальном направлении, выполняющие функцию дополнительных лопаток рабочего колеса. Данная ступень позволяет повысить напор за счет создания дополнительной энергии вихревым венцом, образованным выступами на ведущем диске. Однако поток газожидкостной смеси на участке перехода его из рабочего колеса в направляющий аппарат имеет направление, параллельно приближенное поверхности ведущего диска рабочего колеса, а это приводит к снижению величины осевой составляющей скорости потока, влияющей на прирост напора. Кроме того, выполнение выступов на ведущем диске рабочего колеса, количество которых должно превышать количество лопаток рабочего колеса, усложняет технологию изготовления ступени.

Известно техническое решение, реализованное в погружном модульном многоступенчатом электронасосном агрегате (см., например, патент РФ №2122653, МПК⁷ F 04 D 13/08, опубл. 27.11.98), в котором в корпусе каждого модуля насоса на валу установлено рабочее колесо с закрытыми радиальными каналами, повернутыми своими выходными отверстиями в направлении входа следующего модуля и, таким образом, разворачивающими поток жидкости из радиального направления в осевое. Данное техническое решение обеспечивает повышение напора. Однако поперечное сечение каждого канала проточной части рабочего колеса, выполненное плавно уменьшающимся от центра рабочего колеса к периферии, снижает всасывающую способность насоса и создает сопротивление потоку, что приводит к значительным гидравлическим потерям. Кроме того, отсутствие направляющего аппарата в насосном агрегате (модуле насоса) обуславливает образование значительных завихрений в потоке, что также приводит к гидравлическим потерям. Перечисленные недостатки снижают надежность и КПД насосного агрегата. В случае же использования известного агрегата для перекачки газожидкостной смеси, например при добыче нефти из скважины, содержащийся в перекачиваемой жидкости газ приводит к неустойчивой работе насоса и срыву подачи, что также снижает надежность и КПД насосного агрегата.

Задачей предложенного изобретения является создание ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, обеспечивающей повышение надежности работы погружного многоступенчатого центробежного насоса, в том числе предназначенного для перекачки газожидкостной смеси, увеличение напора в широком диапазоне подач за счет поворота потока жидкости на выходе рабочего колеса из радиального в осевое направление при снижении общего уровня гидравлических потерь.

Поставленная задача решается тем, что в ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, состоящей из рабочего колеса с лопатками, размещенными между ведущим и ведомым дисками, формирующими проточную часть рабочего колеса и направляющего аппарата с лопастями, размещенными между нижним и верхним дисками, формирующими проточную часть направляющего аппарата, согласно изобретению лопатки рабочего колеса выполнены Г-образной формы, выступающие выходные участки которых, расположенные по окружности за внешней кромкой ведущего диска, образуют осевую круговую решетку, обеспечивающую разворот потока жидкости с выхода рабочего колеса из радиального направления в осевое, при этом высота выступающих участков рабочего колеса относительно наружной поверхности ведущего диска составляет от 0,5 до 1,0 высоты проточной части рабочего колеса. При этом лопатки рабочего колеса могут быть расположены нормально к ведущему диску или под углом, не превышающим значения выходного угла лопаток более чем на 20°.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлены две ступени погружного центробежного насоса в сборе, на фиг.2 - рабочее колесо ступени и на фиг.3 - расположение лопаток рабочего колеса относительно основного диска.

Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса состоит из рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2. Рабочее колесо 1 выполнено в виде единой детали и содержит втулку 3 для установки ступени на валу насоса, ведущий диск 4 и ведомый диск 5, между которыми размещены длинные лопатки 6 или длинные лопатки 6, чередующиеся с укороченными лопатками 7 (фиг.2), формирующие проточную часть рабочего колеса. Лопатки 6, 7 выполнены Г-образной формы с выступающими в осевом направлении участками 8, образующими осевую круговую решетку. Направляющий аппарат также выполнен в виде единой детали и включает в себя стакан 9, нижний диск 10, лопасти 11, верхний диск 12 и цапфу 13. Лопасти 11 размещены между дисками 10 и 12 и формируют проточную часть направляющего аппарата 2. Проточные части рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2 гидравлически связаны кольцевой камерой 14. Лопатки 6, 7 рабочего колеса 1 выполнены цилиндрическими и могут быть нормально расположены к ведущему диску 4, то есть угол ₂₀=90° или установлены под углом наклона к ведущему диску 4. При этом значение угла наклона лопаток, определяющее направление потока жидкости в осевой части, не должно превышать значения выходного угла лопаток ₂ (фиг.2, 3) более чем на 20°, то есть ₂₀= ₂+(0...20)°. Выступающие участки 8 лопаток 6 и 7 рабочего колеса 1 ориентированы в осевом направлении в сторону входа в проточную часть направляющего аппарата 2 и имеют высоту h относительно наружной поверхности ведущего диска 4, составляющую 0,5-1,0 высоты b проточной части рабочего колеса.

Работает ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса следующим образом.

При вращении вала насоса засасываемая жидкость поступает в проточную часть рабочего колеса 1 первой ступени А. Под действием вращающихся длинных и коротких лопаток 6 и 7 жидкость приобретает скорость и давление. На выходе из радиального участка проточной части рабочего колеса 1 лопатки 6, 7, выполненные Г-образной формы, своими выступающими участками 8 образуют осевую круговую вращающуюся решетку, которая разворачивает поток жидкости в осевое направление в сторону входа в направляющий аппарат 2. Лопатки 6 и 7 рабочего колеса, выполненные цилиндрическими и установленные под углом ₂₀ к ведущему диску 4, задают направление движения потока жидкости в осевой части. При этом угол ₂₀ должен составлять 90° или не должен превышать значения выходного угла лопаток ₂ более чем на 20°. Это обеспечивает приращение энергии потока жидкости на выходе из рабочего колеса и увеличение осевого усилия практически на всех режимах подач, а также предотвращает «всплытие» рабочего колеса 1, что снижает перетечки в ступени. Развернутый в осевое направление поток рабочей жидкости с выхода рабочего колеса 1 поступает в проточную часть направляющего аппарата 2, обеспечивая снижение гидравлических потерь за счет уменьшения завихрений в потоке. Далее поток поступает с выхода направляющего аппарата 2 ступени А в проточную часть рабочего колеса 1 следующей ступени В.