ПОГРУЖНОЙ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС

ПОГРУЖНОЙ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС


RU (11) 2208709 (13) C2

(51) 7 F04D13/10, F04D29/04 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 17.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(14) Дата публикации: 2003.07.20 
(21) Регистрационный номер заявки: 2001118236/06 
(22) Дата подачи заявки: 2001.07.02 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2001.07.02 
(45) Опубликовано: 2003.07.20 
(56) Аналоги изобретения: US 4741669 А, 03.05.1988. RU 16528 U1, 10.01.2001. RU 9906 U1, 16.05.1999. RU 9905 U1, 15.05.1999. RU 2161737 С1, 10.01.2001. RU 2159869 С1, 27.11.2000. US 4781531 А, 01.11.1988. US 5033937 А, 23.07.1991. 
(71) Имя заявителя: Тюменский государственный нефтегазовый университет 
(72) Имя изобретателя: Бочарников В.Ф.; Петрухин В.В. 
(73) Имя патентообладателя: Тюменский государственный нефтегазовый университет 
(98) Адрес для переписки: 625000, г.Тюмень, ул.Володарского, 38, ТюмГНГУ, патентно- информационный отдел 

(54) ПОГРУЖНОЙ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС 
Изобретение относится к насосам для добычи жидкости из глубоких скважин, в частности к нефтепромысловому оборудованию. Насос содержит цилиндрический корпус и размещенные в нем ступени, каждая из которых состоит из установленного на валу с возможностью осевого перемещения рабочего колеса с защитной втулкой вала и неподвижного направляющего аппарата. Аппарат имеет на торцевых поверхностях цилиндрические буртики и ступицу, внутри которой через защитную втулку вращается вал насоса. Наружная цилиндрическая поверхность направляющего аппарата имеет цилиндрические проточки с размещенными в них эластичными кольцами. Ступица рабочего колеса со стороны входа в него жидкости плотно соприкасается с внешним торцом цилиндрической головки защитной втулки, которая внутренней кольцевой торцевой поверхностью цилиндрической головки, обработанной с высоким качеством поверхности, соприкасается с торцевой поверхностью ступицы направляющего аппарата. Внешний торец цилиндрической головки имеет проточку сферической формы, у которой минимальный диаметр соответствует диаметру ступицы рабочего колеса со стороны входа в него жидкости, а максимальный - диаметру ступицы направляющего аппарата. Изобретение направлено на уменьшение износа контактирующих поверхностей, снижение вибрации, улучшение ремонтопригодности и повышение КПД насоса. 1 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к технике по отбору жидкости из глубоких скважин, в частности к нефтепромысловому оборудованию, и может быть использовано в погружных центробежных электронасосах для добычи нефти.
Известен погружной многоступенчатый центробежный электронасос, содержащий набор ступеней, собранных на валу в цилиндрическом корпусе. Каждая из ступеней включает направляющий аппарат со ступицей, в которой через промежуточную защитную втулку проходит вал, и рабочее колесо, которое на переднем и заднем дисках имеет запрессованные антифрикционные шайбы, контактирующие с кольцевыми опорными буртиками на торцевой поверхности направляющего аппарата. Рабочее колесо на валу от проворота удерживается призматической шпонкой, а в осевом направлении может свободно перемещаться в промежутке, ограниченном опорными поверхностями смежных направляющих аппаратов. Такая конструкция получила название плавающего рабочего колеса [1].
Ступица направляющего аппарата является радиальным подшипником скольжения для вала. Защита вала от износа в ступице направляющего аппарата осуществляется защитной цилиндрической втулкой [1].
Известен также погружной многоступенчатый центробежный насос, включающий корпус с размещенными в нем валом и ступенями, состоящими из закрытых рабочих колес с удлиненной ступицей с верхней стороны и встроенными большой и малой антифрикционными шайбами с нижней стороны и направляющих аппаратов с кольцевым выступом и ступицей в виде опор рабочего колеса, причем рабочие колеса соединены с валом продольной шпонкой с возможностью осевого перемещения и опираются большой и малой антифрикционными шайбами соответственно на кольцевой выступ и ступицу направляющих аппаратов и взаимодействуют удлиненной частью ступицы с внутренней поверхностью ступицы направляющих аппаратов, образующих единый пакет, неподвижно закрепленный в корпусе и воспринимающий осевые нагрузки от рабочих колес и радиальные от вала, отличающийся тем, что удлиненная часть ступицы рабочего колеса выполнена и виде отдельной втулки с кольцевым буртиком [2].
Кольцевой буртик, выполненный на удлиненной защитной втулке ступицы направляющего аппарата гидравлически несовершенен, вызывая появление дополнительных гидравлических сопротивлений на входе рабочей среды в рабочее колесо, снижая КПД ступени, и является очагом отложения солей и парафина при остановках насоса, что особенно проявляется в насосных скважинах с периодическим циклом эксплуатации.
Наиболее близким по существенным признакам является погружной многоступенчатый центробежный насос, содержащий цилиндрический корпус, размещенные в нем ступени, каждая из которых состоит из установленного на валу с возможностью осевого перемещения рабочего колеса с защитной втулкой вала и неподвижного направляющего аппарата, имеющего на торцевых поверхностях цилиндрические буртики и ступицу, внутри которой через защитную втулку вращается вал насоса, при этом наружная цилиндрическая поверхность направляющего аппарата имеет проточки с размещенными в них эластичными кольцами, а торцевая поверхность ступицы направляющего аппарата со стороны входа в рабочее колесо контактирует с кольцевой торцевой поверхностью цилиндрической головки защитной втулки вала [3].
В данной конструкции эластичные кольца установлены на одном направляющем аппарате с чередованием через 6-12 аппаратов без эластичных колец. Такое решение частично защищает от попадания примесей в кольцевой зазор до потери упругости (старения резины) и не обеспечивает уменьшения радиальной вибрации сборки рабочее колесо - направляющий аппарат ввиду малой площади контакта эластичного кольца.
Наружная поверхность защитной втулки вала и внутренняя поверхность ступицы направляющего аппарата образуют радиальный подшипник скольжения и одновременно являются щелевым уплотнением проточных каналов между смежными ступенями. Увеличение зазора в сопряжении увеличивает внутренний переток жидкости между смежными ступенями, чем обуславливается уменьшение подачи и снижение напора, а также ускоряет износ трущихся пар из-за увеличения размеров и массы абразивных частиц, протекающих через возросший зазор щелевого уплотнения.
Длинный тонкий вал, испытывая осевое усилие при вращении со скоростью до 3000 мин-1, теряет свою прямолинейность и стремится принять волнообразную форму, создавая при этом дополнительные радиальные нагрузки на ступицу направляющего аппарата и ускоряя износ посадочного отверстия ступицы.
Увеличение зазора не только снижает параметры насоса, но вызывает возрастание радиальной вибрации насоса, которая провоцирует возрастание общего уровня вибрации насосного агрегата.
В свою очередь корпус направляющего аппарата по наружной цилиндрической поверхности имеет кольцевую цилиндрическую проточку со стороны торцевой поверхности лопаточного аппарата и внутреннюю кольцевую цилиндрическую проточку со стороны противоположного торца (юбки) направляющего аппарата. Посредством этих проточек смежные ступени центрируются и стыкуются при сборке насоса, обеспечивая замкнутость внутренних полостей ступеней друг от друга и внутренней полости корпуса модуль-секции.
Собранные на валу направляющие аппараты с рабочими колесами при сборке насоса свободно вставляются внутрь корпуса модуль-секции и стягиваются по торцам резьбовыми элементами.
Направляющие аппараты каждой ступени за счет сил трения от торцевого натяга неподвижно закрепляются от проворота внутри корпуса, а вал насоса с размещенными рабочими колесами получает возможность вращаться на радиальных подшипниках ступеней насоса.
Внутренние ступицы направляющих аппаратов являются радиальными подшипниками вала, размещенными по всей длине корпуса секции, а наружная цилиндрическая поверхность корпуса - опорами, воспринимающими нагрузку от вала и передающими ее на корпус секции насоса.
Наличие радиального зазора между наружной цилиндрической поверхностью направляющих аппаратов ступеней и корпусом секции насоса с одной стороны является дополнительным источником возникновения радиальной вибрации. Корпусы направляющих аппаратов по всей длине корпуса касаются односторонне, имея двойной диаметральный зазор с противоположной стороны, обладающей таким образом возможностью радиального смещения.
Динамическая неуравновешенность сборки вал - рабочее колесо создает радиальные биения в ступицах направляющих аппаратов, корпусы которых, не имея жесткого радиального крепления, способствуют увеличению радиальной вибрации насоса.
С другой стороны, наличие зазора является серьезной причиной, осложняющей разборку насоса при капитальном ремонте.
Проникновение перекачиваемой среды в зазор вызывает отложение солей, парафина, абразивных примесей, которое при извлечении вала с набором ступеней вызывает заклинивание сборки в корпусе, создавая запредельные усилия при выпрессовке.
Задача изобретения - повышение ресурса работы насоса.
Указанная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в уменьшении износа контактирующих поверхностей рабочего колеса и ступицы направляющего аппарата, снижение вибрации насоса и улучшение ремонтопригодности, повышение КПД ступени.
Поставленный результат достигается тем, что в погружном многоступенчатом центробежном насосе, содержащем цилиндрический корпус, размещенные в нем ступени, каждая из которых состоит из установленного на валу с возможностью осевого перемещения рабочего колеса с защитной втулкой вала и неподвижного направляющего аппарата, имеющего на торцевых поверхностях цилиндрические буртики и ступицу, внутри которой через защитную втулку вращается вал насоса, особенностью является то, что наружная цилиндрическая поверхность направляющего аппарата имеет цилиндрические проточки с размещенными в них эластичными кольцами, а ступица рабочего колеса со стороны входа в него жидкости плотно соприкасается с внешним торцом цилиндрической головки защитной втулки, которая внутренней кольцевой торцевой поверхностью цилиндрической головки, обработанной с высоким качеством поверхности, соприкасается с торцевой поверхностью ступицы направляющего аппарата, при этом внешний торец цилиндрической головки имеет проточку сферической формы, у которой минимальный диаметр соответствует диаметру ступицы рабочего колеса со стороны входа в него жидкости, а максимальный - диаметру ступицы направляющего аппарата.
Для сокращения внутренних перетоков жидкости между смежными ступенями, уменьшения гидравлических сопротивлений, абразивного износа и вибрации в конструкции ступени защитная втулка вала выполняется со стороны входа жидкости (со стороны переднего диска) рабочего колеса с торцевой цилиндрической головкой.
Защитная втулка на валу фиксируется шпонкой, как и в серийной конструкции ступени. Осевая ширина торцевой головки 3,5 мм, что соответствует осевому зазору между ступицей рабочего колеса и ступицей рабочего аппарата серийно выпускаемой ступени.
Внутренняя кольцевая торцевая поверхность цилиндрической головки защитной втулки и торцевая поверхность ступицы направляющего аппарата со стороны входа жидкости в рабочее колесо обработаны с высоким качеством поверхности, образуя торцевое уплотнение ступени, снижающее перетоки жидкости между смежными ступенями, и одновременно создают дополнительную осевую опору рабочего колеса со стороны его переднего диска.
Внешний торец цилиндрической головки защитной втулки выполнен перпендикулярно оси и имеет проточку сферической формы, при этом минимальный диаметр соответствует диаметру ступицы рабочего колеса со стороны входа в него жидкости, а максимальный диаметр - диаметру ступицы направляющего аппарата на выходе из него жидкости, этим обеспечивается снижение гидравлических сопротивлений при входе жидкости в рабочее колесо.
Таким образом, образуется своеобразная двухопорная конструкция ступени, в которой цилиндрическая головка защитной втулки вала и торцевая поверхность ступицы направляющего аппарата совместно с антифрикционной шайбой на переднем диске рабочего колеса и буртиком направляющего аппарата воспринимают осевую нагрузку, возникающую на рабочем колесе.
Появление дополнительной осевой опоры уменьшает осевую нагрузку от рабочего колеса на опоры направляющего аппарата, обеспечивая уменьшение износа в сопрягаемых узлах трения.
Предлагаемая конструкция представлена на чертеже.
Погружной многоступенчатый центробежный насос содержит набор последовательно собранных ступеней, каждая из которых состоит из направляющего аппарата 1 с закрепленными в цилиндрических проточках на его наружной цилиндрической поверхности двумя эластичными кольцами 2, рабочего колеса 3, в котором на переднем и заднем дисках соответственно запрессованы антифрикционные шайбы 4 и 5. Направляющие аппараты 1 стянуты жестко встык друг к другу в цилиндрическом корпусе 6 и неподвижны. Ведущим звеном в насосе является вал 7, на котором с возможностью осевого перемещения установлены рабочие колеса 3 и защитные втулки 8 с цилиндрической головкой со стороны входа в рабочее колесо 3, вращающиеся в ступице 9 направляющего аппарата 1.
Рабочие колеса 3 установлены на валу 7 встык с небольшим осевым зазором по шпонке 10 и своими торцевыми поверхностями антифрикционной шайбы 4 переднего диска и антифрикционной шайбы 5 заднего диска рабочего колеса 3 имеют возможность контактировать с цилиндрическими буртиками 11, расположенными на торцевых поверхностях направляющего аппарата 1, и буртиком 12 смежного направляющего аппарата. Ступица рабочего колеса 3 со стороны входа в него жидкости плотно соприкасается с внешним торцом цилиндрической головки защитной втулки 8, которая внутренней кольцевой поверхностью цилиндрической головки, обработанной с высоким качеством поверхности, контактирует с торцевой поверхностью ступицы 9 направляющего аппарата 1. Внешний торец цилиндрической головки защитной втулки 8 выполнен перпендикулярно оси и имеет проточку сферической формы, у которой минимальный диаметр соответствует диаметру ступицы рабочего колеса 3 со стороны входа в него жидкости, а максимальный диаметр - диаметру ступицы 9 направляющего аппарата 1 на выходе из него жидкости.
При работе насоса рабочее колесо 3 прижимается осевой силой (создаваемой на нем потоком перекачиваемой жидкости) одновременно антифрикционной шайбой 4 колеса к цилиндрическому буртику 11 и внутренней кольцевой поверхностью головки защитной втулки 8 к торцевой поверхности ступицы 9 направляющего аппарата 1.
Погружной многоступенчатый центробежный электронасос работает следующим образом.
При вращении вала 7 жидкость, добываемая из скважины, поступает из одной ступени в другую, последовательно установленные в общем наборе, увеличивая напор насоса пропорционально числу рабочих колес 3.
Жидкость, поступающая из лопастей вращающегося рабочего колеса 3, приобретает скоростной напор. Для преобразования кинетической энергии в энергию напора жидкость из рабочего колеса 3 направляется в неподвижные каналы смежного направляющего аппарата, установленного встык с направляющим аппаратом 1.
Жидкость, поступающая на рабочее колесо 3, будет выходить из него с повышенным напором. На рабочем колесе 3 возникает осевая сила, как результат разности напоров на входе и выходе и разности площадей переднего и заднего диска рабочего колеса, которая направлена в сторону, противоположную входу в колесо жидкости.
Осевая сила обуславливает прижатие антифрикционной шайбы 4 со стороны входа колеса 3 к цилиндрическому буртику 11 направляющего аппарата 1 и торца ступицы колеса 3 к внутренней торцевой поверхности цилиндрической головки защитной втулки 8. Поскольку рабочее колесо 3 имеет свободу осевого перемещения вдоль вала, осевая сила, возникающая на рабочем колесе 3, воспринимается направляющим аппаратом 1 посредством цилиндрического буртика 11 и ступицей направляющего аппарата 1 посредством передачи осевого усилия от ступицы рабочего колеса 3 торцу цилиндрической головки защитной втулки 8 и далее кольцевой плоскостью головки на торец ступицы направляющего аппарата 1, чем обеспечивается уменьшение удельной нагрузки на антифрикционную шайбу 11 и снижение ее износа.
Внутренняя кольцевая поверхность головки защитной втулки 8 с торцевой поверхностью ступицы 9 направляющего аппарата 1 образует не только дополнительную осевую опору, но и создает высокоэффективное торцовое уплотнение, препятствующее перетоку жидкости между ступенями, и предотвращает попадание абразива в зазор между наружной цилиндрической поверхностью защитной втулки и внутренней поверхностью ступицы, а сферическая проточка на внешнем торце цилиндрической головки защитной втулки обеспечивает снижение гидравлических сопротивлений при входе жидкости в рабочее колесо, чем обеспечивается повышение КПД ступени и снижается возможность отложения солей и парафина при остановках насоса в скважинах с периодическим циклом эксплуатации.
Эластичные кольца 2, закрепленные снаружи цилиндрической поверхности направляющего аппарата 1, при сборке упруго деформируются и обеспечивают размещение направляющего аппарата 1 равномерно по внутреннему диаметру цилиндрического корпуса 6 насоса. Этим предотвращается его радиальное перемещение и гасится радиальная вибрация, возникающая от динамической неуравновешенности сборки рабочие колеса - вал, обеспечивается герметизация зазора между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 6 и наружной цилиндрической поверхностью направляющего аппарата 1.
Источники информации

1. Молчанов А.Г., Молчанов В.А. Нефтепромысловые машины и механизмы.- М. : Недра, 1983, с. 155, рис. II. 34.
2. Полезная модель РФ 16528, МПК F 04 В 47/06, 10.01.2001, 8 с.
3. Патент США 4741668, МПК F 04 D 29/02, 03.05.1988 (прототип). 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Погружной многоступенчатый центробежный насос, содержащий цилиндрический корпус, размещенные в нем ступени, каждая из которых состоит из установленного на валу с возможностью осевого перемещения рабочего колеса с защитной втулкой вала и неподвижного направляющего аппарата, имеющего на торцевых поверхностях цилиндрические буртики и ступицу, внутри которой, через защитную втулку, вращается вал насоса, отличающийся тем, что наружная цилиндрическая поверхность направляющего аппарата имеет цилиндрические проточки с размещенными в них эластичными кольцами, а ступица рабочего колеса со стороны входа в него жидкости плотно соприкасается с внешним торцем цилиндрической головки защитной втулки, которая внутренней кольцевой торцевой поверхностью цилиндрической головки, обработанной с высоким качеством поверхности, соприкасается с торцевой поверхностью ступицы направляющего аппарата, при этом внешний торец цилиндрической головки имеет проточку сферической формы, у которой минимальный диаметр соответствует диаметру ступицы рабочего колеса со стороны входа в него жидкости, а максимальный - диаметру ступицы направляющего аппарата.