ступень скважинного центробежного насоса

Формула изобретения

1. Ступень скважинного центробежного насоса, содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо, на верхней поверхности ведущего диска которого выполнены выемки, открытые с верхней и внешней боковой поверхностей ведущего диска, на нижней поверхности которого расположены лопасти рабочего колеса, отличающаяся тем, что рабочее колесо выполнено открытым с нижней стороны, а на верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата расположены ребра, причем канавки, образованные указанными ребрами, выполнены открытыми со стороны верхних границ указанных ребер.

2. Ступень по п. 1, отличающаяся тем, что на нижней поверхности нижнего диска направляющего аппарата выполнены дополнительные выемки, открытые с нижней и внешней боковой поверхностей нижнего диска.

3. Ступень по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что ведущий диск рабочего колеса непосредственно закреплен на втулке рабочего колеса, предназначенной для сопряжения с валом насоса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в многоступенчатых центробежных скважинных насосах, предназначенных для откачки пластовой жидкости.

Известен центробежный насос, в котором рабочее колесо выполнено содержащим ведущий диск с лопатками. На поверхности ведущего диска в известном устройстве выполнено утолщение, в котором сформированы трехгранные выемки [1].

Выемки на рабочем колесе в центробежном насосе известной конструкции не участвуют в процессе перекачивания жидкости, не влияют на структуру потока перекачиваемой жидкости или газожидкостной смеси и, соответственно, не позволяют улучшить структуру потока газожидкостной смеси при наличии в перекачиваемой смеси значительных объемов газа.

Устройством, наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению, является ступень скважинного многоступенчатого центробежного насоса [2], содержащая рабочее колесо с ведущим диском и расположенными на нем лопастями, а также направляющий аппарат с внутренним диском и с лопатками, диаметр расположения входных кромок которых больше диаметра наружного диска направляющего аппарата, причем на краю верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены трехгранные выемки.

Известное устройство при его использовании в многоступенчатых центробежных насосах обеспечивает повышение напора при малых подачах и повышение стабильности характеристик при работе с жидкостными смесями, содержащими включения в виде свободного газа.

Недостатком известного технического решения является снижение надежности работы при наличии в перекачиваемой жидкости значительных по объему газовых включений, так как при этом формируются застойные зоны, препятствующие измельчению газовых пузырей, в результате чего насос блокируется газовыми пробками.

Также известное техническое решение имеет низкую надежность работы при наличии в перекачиваемой жидкости грязевых (твердых) включений, способных привести к закупориванию сужающихся каналов рабочего колеса, образованных лопастями рабочего колеса, а также ведущим и ведомым дисками.

Настоящее изобретение позволяет устранить указанные выше недостатки известных технических решений, а также обеспечивает эффективное дробление газовых пузырей и грязевых включений, обеспечивая при его использовании бесперебойную работу насоса. Также заявленное изобретение по сравнению с известными техническими решениями обеспечивает возможность более мелкого дробления газовых пузырьков, что повышает устойчивость газожидкостной смеси, так как снижается вероятность последующего укрупнения газовых включений. Кроме того, особенности настоящего изобретения позволяют использовать заявленное устройство в качестве первых ступеней скважинных насосов для подготовки жидкостной смеси, содержащей газовые и твердые включения, к перекачиванию насосными ступенями любой известной конструкции, в результате чего повышается кпд и напор всего насоса в целом.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в ступени скважинного центробежного насоса, содержащей направляющий аппарат и рабочее колесо, на верхней поверхности ведущего диска которого выполнены выемки, открытые с верхней и внешней боковой поверхностей ведущего диска, на нижней поверхности которого расположены лопасти рабочего колеса, согласно изобретению рабочее колесо выполнено открытым с нижней стороны, а на верхней поверхности верхнего диска направляющего аппарата расположены ребра, причем канавки, образованные указанными ребрами, выполнены открытыми со стороны верхних границ указанных ребер.

Кроме того, на нижней поверхности нижнего диска направляющего аппарата могут быть выполнены дополнительные выемки, открытые с нижней и внешней боковой поверхностей нижнего диска. Ведущий диск рабочего колеса может быть непосредственно закреплен на втулке рабочего колеса, предназначенной для сопряжения с валом насоса.

При таком выполнении заявленного устройства по сравнению с наиболее близким техническим решением снижается износ рабочего колеса и имеющего ребра верхнего диска направляющего аппарата при наличии грязевых включений в пластовой жидкости и при увеличении в ней объема газовых включений улучшается стабильность работы ступени за счет прохождения через выемки газовых пузырьков после измельчения крупных пузырей лопастями и ребрами. Увеличиваются кпд и напор ступени.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

на фиг.1 - две установленные последовательно ступени, выполненные в соответствии с заявленным изобретением;

на фиг. 2 - вид сверху верхнего диска направляющего аппарата, выполненного согласно изобретению.

Ступень скважинного центробежного насоса (фиг.1) содержит рабочее колесо 1 и направляющий аппарат 2. Рабочее колесо 1 выполнено содержащим ведущий диск 3 с верхней 5 (в рабочем положении насоса) и внешней боковой поверхностями, на котором закреплены лопасти 4, втулку 6, предназначенную для сопряжения через шпонку с общим валом насоса (не изображен). В рабочем колесе сформированы пазы, ограниченные лопастями 4, жестко связанными с ведущим диском 3.

Направляющий аппарат 2 содержит верхний диск 7, нижний диск 8 и лопатки 9, диаметр расположения входных кромок 10 которых больше диаметра нижнего диска 8 направляющего аппарата 2. Выполненные в направляющем аппарате 2 каналы образованы дисками 7, 8 и лопатками 9. Верхний диск 7 жестко связан с кольцом 11 (боковой стенкой корпуса аппарата), нижним диском 8 (через лопатки 9) и цапфой 12, сопряженной с втулкой 6 рабочего колеса 1. На диске 3 закреплены антифрикционные опорные шайбы 13, выполненные, например, из текстолита.

На верхней поверхности 5 ведущего диска 3 рабочего колеса 1 выполнены выемки 14. Указанные выемки 14 открыты с верхней 5 и внешней боковой поверхностей ведущего диска 3, на нижней поверхности которого расположены лопасти 4 рабочего колеса 1, которое выполнено открытым с нижней стороны. Между имеющим выемки 14 и лопасти 4 ведущим диском 3 рабочего колеса 1 и верхним диском 7 направляющего аппарата 2, на верхней поверхности верхнего диска 7 направляющего аппарата 2 расположены ребра 15 (фиг.2), жестко связанные с верхним диском 7 и обращенные к лопастям 4 ведущего диска рабочего колеса 1. Канавки 16, образованные указанными ребрами 15, взаимодействующие в процессе работы с выемками 14, выполнены открытыми со стороны верхних границ 19 указанных ребер 15. Ребра и канавки между ними могут быть выполнены в виде концентрических колец или колец неправильной формы.

В дополнение к выемкам 14, расположенным на ведущем диске рабочего колеса 1, могут быть выполнены дополнительные выемки 17. Они выполнены на внешнем краю обращенной к рабочему колесу 1 нижней поверхности 18 нижнего диска 8 направляющего аппарата 2 открытыми с нижней 18 и внешней боковой поверхностей нижнего диска 8, взаимодействующими в процессе работы с выемками 14 рабочего колеса 1 и с канавками 16 направляющего аппарата 2, в том числе через промежутки между ребрами 15 и кольцом 11.

Ведущий диск 3 рабочего колеса 1 может быть непосредственно закреплен на втулке 6 рабочего колеса 1, предназначенной для сопряжения с валом насоса.

При работе насоса пластовая жидкость протекает по пазам рабочего колеса 1, приводимого в движение валом насоса (направление его вращения показано стрелкой на фиг.2), и при прохождении потока жидкости по пазам рабочих колес формируется напор жидкости как за счет центробежных сил, так и за счет действия лопастей рабочего колеса на поток жидкости, чему способствует повышение жесткости ведущего диска рабочего колеса при непосредственном его закреплении на втулке рабочего колеса. Далее жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 2, в которых осуществляется создание дополнительного напора и направление потока на рабочее колесо следующей ступени. Вместе с пластовой жидкостью по пазам перемещаются газовые пузыри, которые эффективно дробятся при взаимодействии лопастей 4 и ребер 15 с потоком жидкости.

После выхода из пазов рабочего колеса 1 и канавок 16 направляющего аппарата 2 пластовая жидкость движется потоком, формируемым кольцом 11 направляющего аппарата 2, к каналам направляющего аппарата. В процессе движения пластовой жидкости выемки 14 вращающегося рабочего колеса 1 формируют тороидальный вихрь (вихревое кольцо) между выходом из пазов рабочего колеса 1 и входом в каналы направляющего аппарата 2. За счет формирования тороидального вихря повышается напор ступени на малых расходах перекачиваемой жидкости, а также осуществляется эффективное перемешивание жидкости с газовыми включениями и диспергация (измельчение и перемешивание) газовых пузырей в перекачиваемой жидкости.

Выемки 17, сформированные на нижнем диске 8 направляющего аппарата 2, способствуют повышению интенсивности перемещения жидкости в тороидальном вихре и, соответственно, диспергации газовых включений в газожидкостной смеси, что усиливается взаимодействующими в процессе работы выемками 17 и 14 и канавками 16.

Кроме того, за счет канавок 16, ребер 15 и лопастей 4 выводятся грязевые включения в пластовой жидкости через промежутки между ребрами 15 и кольцом 11. При этом снижается износ рабочего колеса 1, ребер 15 и тем самым верхнего диска 7 при наличии грязевых включений в пластовой жидкости. Лопасти 4 и ребра 15 измельчают крупные газовые пузыри на все более мелкие пузырьки, причем благодаря своей форме и перекрещиванию, воздействуя в разных направлениях. После этого первого этапа измельчения пузырей облегчается измельчение газовых пузырьков на втором этапе, то есть в выемках. Тем самым, при увеличении в пластовой жидкости объема газовых включений улучшается стабильность работы ступени. Кроме этого, повышается ее кпд и напор.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР 1617208, кл. F 04 D 29/08, 1990.

2. Патент РФ 2138691, кл. F 04 D 13/10, 1/06, 31/00, 1999.