ступень погружного центробежного насоса для добычи нефти

Формула изобретения

1. Ступень погружного центробежного насоса для нефти, содержащая направляющий аппарат с корпусом, крышкой и обратными лопатками и рабочее колесо, имеющее, по крайней мере, один диск с лопастями, отличающаяся тем, что на периферийном сечении крышки направляющего аппарата выполнена одна или более сквозных непрерывных кольцевых щелей или отдельные секторные кольцевые щели между лопастями.

2. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что щели расположены на диаметре, равном не менее 0,5 диаметра рабочего колеса, а их ширина не превышает (0,3-0,5) ширины обратной лопатки направляющего аппарата.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к насосостроению, в частности к многоступенчатым погружным центробежным насосам для добычи нефти из скважин.

Известны конструкции ступеней, содержащие рабочее колесо и отвод в виде спиральной камеры или направляющего аппарата. Для уменьшения осевой силы рабочее колесо выполнено с разгрузочной камерой, которая сообщена с зоной всасывания колеса посредством отверстий в ведущем диске, либо посредством специальной разгрузочной трубки со всасывающим патрубком насоса (В.В.Мелащенко, А.К.Михайлов. Основное насосное оборудование тепловых электростанций. М.: Из-во «Энергия», 1969. С.53, рис.5-3, б, в).

Недостаток конструкции заключается в ее сложности из-за необходимости устройства разгрузочной камеры, что к тому же увеличивает осевые габариты ступени, а перетечки жидкости из зоны высокого давления в зону всасывания снижают КПД и напор. Кроме того, использование рабочего колеса с разгрузочной камерой позволяет только уменьшить осевую силу и не позволяет ее увеличить. Последнее бывает необходимо, например, в ступенях многоступенчатых насосов для добычи нефти с так называемыми плавающими рабочими колесами, когда по достижению определенной подачи осевая сила меняет свой знак и рабочее колесо своей верхней упорной шайбой прижимается к упору на крышке направляющего аппарата. Чем больше подача, тем больше прижатие, то есть отрицательная осевая сила, и больше износ верхних шайб, особенно при наличии в жидкости абразивных частиц.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является ступень погружного центробежного насоса, в котором для уменьшения осевой силы, действующей на рабочее колесо, боковые пазухи со стороны ведомого и ведущего дисков (нижняя и верхняя для вертикальных насосов), сообщены с внутренней полостью колеса посредством отверстий, расположенных в концентрических несквозных пазах дисков (Авт. св. СССР №640042, F04D 1/00, 29/04, 1978).

В описании изобретения не заявлено, что при его использовании осевую силу можно не только уменьшать, но и увеличивать. Однако последнее представляется возможным при выполнении отверстий только на ведущем диске, когда с внутренней полостью рабочего колеса, где давление отличается от давления в пазухах, будет сообщена одна нижняя пазуха. В этом случае применительно к ступеням с плавающими рабочими колесами осевая сила в направлении, противоположном всасыванию, которое принято считать положительным, увеличивается, а прижатие верхней шайбы колеса к упору на крышке направляющего аппарата уменьшится, то есть уменьшится отрицательная сила.

Недостаток конструкции состоит в ее сложности, так как требуется выполнение значительного количества отверстий, ориентированных таким образом, чтобы они оказались равномерно расположенными между лопастями. Другой недостаток - это неизбежное значительное снижение КПД и напора. Наличие отверстий по всему объему внутренней полости рабочего колеса и перетечки через эти отверстия нарушают структуру потока в колесе, приводят к дополнительному вихреобразованию и потерям, а концентрические несквозные пазы увеличивают затраты мощности на дисковое трение.

Настоящее изобретение решает задачу снижения отрицательной осевой силы, действующей в направлении всасывания, практически без усложнения конструкции ступени и технологии ее изготовления и позволяет по сравнению с прототипом повысить КПД и напор.

Указанный технический результат достигается тем, что в ступени многоступенчатого погружного насоса, содержащей направляющий аппарат с корпусом, крышкой и обратными лопатками и рабочее колесо, имеющее, по крайней мере, один диск с лопастями, согласно изобретению на периферийном сечении крышки направляющего аппарата выполнена одна или более непрерывных кольцевых щелей или отдельные секторные кольцевые щели между лопатками. При этом щели расположены на диаметре, равном не менее 0,5 диаметра рабочего колеса, а их ширина не превышает (0,3-0,5) ширины обратной лопатки направляющего аппарата.

На фиг.1 представлена ступень погружного центробежного насоса заявленной конструкции, на фиг.2 - крышка направляющего аппарата, вид с наружной стороны (обратных лопаток).

Ступень содержит направляющий аппарат 1 с корпусом 2, крышкой 3, обратными лопатками 4, образующими внутреннюю проточную полость 5. Рабочее колесо 6 в случае закрытого исполнения имеет ведомый диск 7, ведущий диск 8, лопасти 9, которые формируют внутреннюю полость 10. Между ведущим диском 8 и крышкой 3 направляющего аппарата 1 образована верхняя пазуха 11. В крышке 3 выполнена кольцевая щель 12. Кольцевая щель 12 может быть как непрерывной, так и в виде кольцевых секторов той или иной формы, например, 13 или 14 (фиг.2, верхняя часть). Кольцевая щель 12 или секторные щели 13 или 14 могут выполняться с наружными или внутренними фасками, в виде конуса внутрь или наружу. Возможно наличие двух и более концентричных щелей.

Ступень работает следующим образом. При вращении рабочего колеса 6 жидкость с его выхода поступает на вход направляющего аппарата 1, в котором происходит преобразование скоростной энергии в давление. Поэтому давление во внутренней полости 5 направляющего аппарата 1 выше, чем давление Р ₂ на диаметре выхода потока из колеса 6. Наиболее высокое давление во внутренней полости 5 имеет место в периферийных сечениях. Ближе к выходу из направляющего аппарата 1 давление понижается за счет гидравлических потерь в межлопаточных каналах. Давление в пазухе 11 изменяется от давления Р₂ до некоторого меньшего давления при приближении к оси. При достижении определенной подачи, нередко даже меньшей оптимальной, рабочее колесо 6 «всплывает» и садиться верхней шайбой 15 на упор 16. Чем больше подача, тем больше усилие, с которым шайба 15 прижимается к упору 16. Благодаря перетечкам жидкости через кольцевую щель 12 или щели 13, 14 из внутренней полости 5 в верхнюю пазуху 11, там повышается давление и, соответственно, уменьшается усилие прижима шайбы 15 к упору 16 и их износ.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в ступенях с центробежным, центробежно-вихревым и центробежно-осевым рабочим колесом.

Непрерывная кольцевая щель 12 или отдельные секторные кольцевые щели на крышке 3 направляющего аппарата 1 создают больший эффект уменьшения силы прижатия колеса 6 к упору 16, чем отдельные отверстия, выполненные на том же диаметре, что и щель. Предложение экспериментально проверено на ряде ступеней.