RU2432500C1 - Stage of multi-stage centrifugal pump - Google Patents

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: stage of multi-stage centrifugal pump consists of impeller 1 and pump diffuser with collar-axle bearing. Impeller 1 has drive and driven discs 3, 4 with blades 5 located between them forming flowing cavities. Impeller 1 is installed with the possibility of free movement along pump shaft within collar-axle bearings of mated diffusers. In coupling place of at least one blade 5 of impeller 1 with drive and driven discs 3, 4 there is at least one through-hole 9 forming a channel isolated from flowing cavities. The channel goes through blade 5 and both discs 3, 4. The channel connects both areas adjacent to discs 3, 4 outer surfaces.

EFFECT: increase of pump efficiency and stage-head within delivery range by means of provision impeller lower position in delivery range.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к многоступенчатым погружным лопастным насосам для добычи нефти.The invention relates to petroleum engineering, in particular to multi-stage submersible vane pumps for oil production.

Известна конструкция центробежной ступени погружных насосов для добычи нефти, в которой используются так называемые «плавающие» рабочие колеса, способные свободно перемещаться вдоль вала насоса в пределах, ограниченных буртами подпятников смежных направляющих аппаратов. В рабочем диапазоне подач эти колеса занимают нижнее положение, при котором рабочее колесо опирается своей основной индивидуальной опорной пятой, состоящей из антифрикционной шайбы, о подпятник-бурт направляющего аппарата (Богданов А.А. Погружные центробежные насосы для добычи нефти. М.: Недра, 1968, с.38-50).A known design of the centrifugal stage of submersible pumps for oil production, which uses the so-called "floating" impellers that can move freely along the pump shaft to the extent limited by the shoulders of the thrust bearings of adjacent guide vanes. In the working range of feeds, these wheels occupy a lower position, in which the impeller rests with its main individual supporting heel, consisting of an antifriction washer, against the thrust bearing of the guide apparatus (A. Bogdanov, Submersible centrifugal pumps for oil production. M .: Nedra, 1968, p. 38-50).

В ступенях погружных центробежных насосов для добычи нефти из-за значительного потребного развиваемого напора и ограниченного диаметрального габарита используются рабочие колеса максимально возможного диаметра. Из-за специфичности конструкции ступени радиальное распределение давления в нижней и верхней пазухах рабочего колеса значительно отличаются, а именно давление в верхней пазухе существенно ниже давления в нижней пазухе, что приводит к тому, что на подачах, больших (1,2…1,3) подачи оптимального режима, рабочие колеса поднимаются и занимают верхнее положение. В связи с этим рабочий диапазон подач регламентируется в диапазоне 0,7÷1,25 подачи оптимального режима.In the steps of submersible centrifugal pumps for oil production, impellers of the largest possible diameter are used due to the significant required developed pressure and the limited diametric dimension. Due to the specific design of the stage, the radial distribution of pressure in the lower and upper sinuses of the impeller is significantly different, namely, the pressure in the upper sinus is significantly lower than the pressure in the lower sinus, which leads to large (1.2 ... 1.3 ) submission of the optimal mode, the impellers rise and occupy the upper position. In this regard, the working range of feeds is regulated in the range of 0.7 ÷ 1.25 feed optimal mode.

Известна другая конструкция ступени погружных лопастных насосов для добычи нефти - центробежно-вихревая, которая отличается от центробежной конструкции тем, что на периферии ведущего диска рабочего колеса размещена лопаточная решетка, которая снижает радиальное распределение давления в верхней пазухе рабочего колеса, что приводит к снижению осевой силы, действующей на рабочее колесо. Из-за этого «плавающее» рабочее колесо центробежно-вихревой ступени поднимается при меньших подачах, чем аналогичное рабочее колесо центробежной ступени (Патент РФ 2138691, кл. F04D 13/10, 1999).A different design of the stage of submersible vane pumps for oil production is known - centrifugal-vortex, which differs from the centrifugal design in that a blade grid is located on the periphery of the driving disk of the impeller, which reduces the radial distribution of pressure in the upper bosom of the impeller, which reduces axial force acting on the impeller. Because of this, the "floating" impeller of the centrifugal vortex stage rises at lower feeds than the similar impeller of the centrifugal stage (RF Patent 2138691, CL F04D 13/10, 1999).

Экспериментально определено, что «плавающее» рабочее колесо центробежно-вихревой ступени ВНН5-25 серийного погружного насоса для добычи нефти при изменении подачи с нуля поднимается на подачах, меньших подачи номинального режима насоса. Следует отметить, что по каталогу рабочий диапазон подач этого насоса соответствует 8-35 м³/cут.It has been experimentally determined that the "floating" impeller of the centrifugal-vortex stage VNN5-25 of a serial submersible pump for oil production, when the feed is changed from zero, rises at feeds lower than the feed of the nominal pump mode. It should be noted that according to the catalog, the working range of feeds of this pump corresponds to 8-35 m ³ / sut.

Это, естественно, является недостатком конструкции центробежно-вихревой ступени.This, of course, is a drawback of the design of the centrifugal vortex stage.

Аналогичный недостаток может быть и в ступенях центробежной конструкции с видоизменениями, приводящими к снижению осевой силы, действующей на «плавающее» рабочее колесо. Центробежная конструкция ступени может иметь видоизменения, которые приводят к снижению осевой силы, хотя цель видоизменения была иной. В качестве примера такого видоизменения можно привести установку неподвижных решеток в нижней пазухе рабочего колеса. Это обычно осуществляется многими изготовителями с целью снижения износа внутренних поверхностей обоймы и диска направляющего аппарата твердыми частицами механической примеси, попадающей в нижнюю пазуху рабочего колеса и вращающейся в ней.A similar drawback can be in the steps of a centrifugal design with modifications leading to a decrease in the axial force acting on the "floating" impeller. The centrifugal design of the stage may have modifications that lead to a decrease in axial force, although the purpose of the modification was different. An example of such a modification is the installation of fixed grilles in the lower sinus of the impeller. This is usually carried out by many manufacturers in order to reduce the wear of the inner surfaces of the cage and the disk of the guide apparatus by solid particles of mechanical impurity falling into the lower sinus of the impeller and rotating in it.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является ступень многоступенчатого центробежного насоса, содержащая направляющий аппарат с буртами-подпятниками, рабочее колесо, состоящее из ведущего и ведомого дисков с расположенными между ними лопастями, формирующими проточные каналы, нижнюю и верхнюю пазухи, образованные внешними поверхностями дисков и торцевыми поверхностями направляющего аппарата до и после рабочего колеса. Изменения в такой ступени величины осевой силы в ту или другую сторону регулируются соединением пазух с внутренней проточной полостью рабочего колеса посредством непрерывной кольцевой щели в теле дисков колеса (Патент РФ 2303168, кл. F04D 13/40 и F04D 29/041, 2005).Closest to the technical nature of the proposed one is a multi-stage centrifugal pump stage, containing a guiding apparatus with shoulder shoulders, an impeller consisting of a driving and driven disks with vanes located between them, forming flow channels, lower and upper sinuses formed by the outer surfaces of the disks and end surfaces of the guide apparatus before and after the impeller. Changes in this level of axial force in one direction or another are controlled by the connection of the sinuses with the internal flow cavity of the impeller by means of a continuous annular gap in the body of the wheel disks (RF Patent 2303168, CL F04D 13/40 and F04D 29/041, 2005).

Недостатком данной конструкции является снижение КПД и напора ступени из-за нарушений структуры потока в каналах рабочих колес.The disadvantage of this design is the reduction in efficiency and stage pressure due to violations of the flow structure in the channels of the impellers.

Настоящее изобретение направлено на повышение КПД и напора ступени, насоса в рабочем диапазоне подач за счет обеспечения нижнего положения рабочего колеса в рабочем диапазоне подач, как это предусматривается в нормативной конструкторской документации.The present invention is aimed at increasing the efficiency and pressure of the stage, pump in the working range of feeds by ensuring the lower position of the impeller in the working range of feeds, as provided for in the normative design documentation.

Указанный технический результат достигается тем, что в ступени многоступенчатого центробежного насоса, содержащей направляющий аппарат с буртами-подпятниками, рабочее колесо с шайбами, состоящее из ведущего и ведомого дисков с расположенными между ними лопастями, формирующими проточные полости, которое установлено с возможностью свободного перемещения вдоль вала насоса в пределах между буртами-подпятниками смежных направляющих аппаратов, согласно изобретению в месте сопряжения, по крайней мере, одной лопасти рабочего колеса с верхним и нижним дисками выполнено, по крайней мере, одно сквозное отверстие с образованием изолированного от проточных полостей канала, проходящего через лопасть и оба диска и соединяющего области, прилегающие к наружным поверхностям дисков. Канал может быть ориентирован перпендикулярно дискам рабочего колеса и размещен на средней линии поперечного сечения лопасти рабочего колеса.The specified technical result is achieved by the fact that at the stage of a multistage centrifugal pump containing a guiding apparatus with shoulder-heels, an impeller with washers, consisting of a drive and a driven disc with vanes located between them, forming flow cavities, which is installed with the possibility of free movement along the shaft the pump between the shoulders-thrust bearings of adjacent guide vanes, according to the invention, at the interface of at least one impeller blade with the upper at least one through hole is made by it and the lower disks with the formation of a channel isolated from the flow cavities, passing through the blade and both disks and connecting the areas adjacent to the outer surfaces of the disks. The channel can be oriented perpendicular to the impeller disks and placed on the midline of the cross section of the impeller blade.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлено поперечное сечение рабочего колеса заявляемой ступени, на фиг.2 - разрез ступени погружного многоступенчатого насоса.The essence of the invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a cross section of the impeller of the inventive stage, figure 2 is a sectional view of a submersible multi-stage pump.

Наличие сквозных отверстий, соединяющих нижнюю и верхнюю пазухи рабочего колеса, обеспечивает уравновешивание давления в этих пазухах, что приводит к некоторому увеличению осевой силы, действующей на рабочее колесо. Исходя из этого, рабочее колесо в режимах рабочего диапазона подач будет занимать свое нижнее положение в соответствии с нормативной документацией. Следовательно, на этих подачах не будет утечки через переднее уплотнение рабочего колеса, поэтому КПД и напор ступени повысятся.The presence of through holes connecting the lower and upper sinuses of the impeller, provides pressure balancing in these sinuses, which leads to a slight increase in axial force acting on the impeller. Based on this, the impeller in the modes of the working range of feeds will occupy its lower position in accordance with the regulatory documentation. Therefore, at these feeds there will be no leakage through the front impeller seal, so the efficiency and pressure of the stage will increase.

Ступень многоступенчатого центробежного насоса состоит из рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2 (фиг.2). Рабочее колесо 1 имеет ведущий 3 и ведомый 4 диски с расположенными между ними лопастями 5, образующими проточные полости (фиг.1). Рабочее колесо 1, находящееся между двумя соседними направляющими аппаратами 2, может свободно перемещаться вдоль вала насоса в пределах между буртами-подпятниками 6 этих направляющих аппаратов, о которые рабочее колесо 1 может опираться своими опорными пятами. Между ведущим диском 3 и крышкой направляющего аппарата 2 образована верхняя пазуха 7, а между ведомым диском 4 и основанием направляющего аппарата 1 - нижняя пазуха 8. Через ведущий диск 3, лопасть 5 и ведомый диск 4 проходит сквозное отверстие 9, соединяющее верхнюю 7 и нижнюю 8 пазухи. Количество и диаметр отверстий может варьироваться. В связи с тем, что сквозное отверстие 9 проходит внутри лопасти 5, то в рабочем колесе 1 образуется канал, изолированный от проточных полостей.The stage of a multistage centrifugal pump consists of an impeller 1 and a guide apparatus 2 (figure 2). The impeller 1 has a drive 3 and a driven 4 disks with blades 5 located between them, forming a flow cavity (figure 1). The impeller 1, located between two adjacent guide vanes 2, can freely move along the pump shaft within the limits between the shoulders-thrust bearings 6 of these guide vanes, about which the impeller 1 can be supported by its supporting heels. An upper sinus 7 is formed between the leading disk 3 and the cover of the guiding apparatus 2, and the lower sinus 8 is formed between the driven disk 4 and the base of the guiding apparatus 1. Through the leading disk 3, the blade 5 and the driven disk 4 pass through a hole 9 connecting the upper 7 and lower 8 sinuses. The number and diameter of the holes may vary. Due to the fact that the through hole 9 passes inside the blade 5, a channel is formed in the impeller 1, isolated from the flow cavities.

Предлагаемая конструкция ступени работает следующим образом. При вращении рабочего колеса 1, которое сообщается ему валом насоса, жидкость (газожидкостная смесь) поступает во все проточные каналы рабочего колеса 1, направляющего аппарата 2 и в области между наружными дисками рабочего колеса и направляющего аппарата. Наличие изолированных одного или нескольких отверстий 9, соединяющих области, прилегающие к наружным поверхностям дисков, - пазухи 7 и 8, приводит к некоторому уравновешиванию распределения давления в этих пазухах, тем самым к увеличению осевой силы, действующей на рабочее колесо 1. Благодаря этому обеспечивается работа рабочего колеса ступени в нижнем положении, по крайней мере, в рабочем диапазоне подач насоса в соответствии с регламентом, которое приведет к повышению КПД и напора ступени насоса по сравнению с работой ступени с верхним положением рабочего колеса. Указанный технический результат предлагаемого изобретения был экспериментально подтвержден на ступени ВНН5-25.The proposed design of the stage works as follows. When the impeller 1 rotates, which is communicated to it by the pump shaft, liquid (gas-liquid mixture) enters all flow channels of the impeller 1, the guide apparatus 2 and in the area between the outer disks of the impeller and the guide apparatus. The presence of isolated one or more holes 9 connecting the areas adjacent to the outer surfaces of the disks, the sinuses 7 and 8, leads to some balancing of the pressure distribution in these sinuses, thereby increasing the axial force acting on the impeller 1. This ensures operation the impeller of the stage in the lower position, at least in the working range of the pump supply in accordance with the regulation, which will lead to an increase in the efficiency and pressure of the pump stage compared to the operation of the stage with the laying of the impeller. The specified technical result of the invention was experimentally confirmed at the stage of BHH5-25.

Следует отметить, что предлагаемая конструкция ступени при работе на газожидкостной смеси может дополнительно дать следующее преимущество, а именно повышение допустимого газосодержания на входе насоса. Дело в том, что одной из основных причин, определяющих значение допустимого газосодержания, является накопление газа в верхней пазухе рабочего колеса, и при превышении полного заполнения газом верхней пазухи лишний газ попадает одновременно по всему периметру входа направляющего аппарата и полностью его заполняет, что приводит к срыву подачи насоса. Заметим, что при откачке газонефтяной смеси и давлении на входе насоса 30 атм допустимое газосодержание на входе центробежного насоса равно 25%, а на входе центробежно-вихревого насоса - 35%. Предлагаемая конструкция ступени, обеспечивающая переток жидкости из нижней пазухи колеса в верхнюю и тем самым непрерывный переток накапливающегося газа в верхней пазухе в основной поток, должна работать с более высокими значениями газосодержания на входе.It should be noted that the proposed design of the stage when working on a gas-liquid mixture can additionally give the following advantage, namely increasing the allowable gas content at the pump inlet. The fact is that one of the main reasons that determine the value of permissible gas content is gas accumulation in the upper sinus of the impeller, and if the upper sinus is completely filled with gas, excess gas enters simultaneously around the entire perimeter of the inlet of the guide vane and completely fills it, which leads to disruption of the pump. Note that when pumping out the gas-oil mixture and the pressure at the inlet of the pump 30 atm, the permissible gas content at the inlet of the centrifugal pump is 25%, and at the inlet of the centrifugal vortex pump it is 35%. The proposed design of the stage, providing the flow of fluid from the lower sinus of the wheel to the upper and thereby continuous flow of accumulating gas in the upper sinus into the main stream, should work with higher values of gas content at the inlet.

Изготовление ступени заявляемой конструкции возможно с применением технологии порошковой металлургии.The manufacture of the steps of the claimed design is possible using powder metallurgy technology.

Изобретение может быть использовано в ступенях с центробежным и центробежно-вихревым рабочим колесом.The invention can be used in steps with a centrifugal and centrifugal vortex impeller.

Claims (3)

1. Ступень многоступенчатого центробежного и центробежно-вихревого насосов, содержащая направляющий аппарат с буртами-подпятниками, рабочее колесо с шайбами, состоящее из ведущего и ведомого дисков с расположенными между ними лопастями, формирующими проточные полости, которое установлено с возможностью свободного перемещения вдоль вала насоса в пределах между буртами-подпятниками смежных направляющих аппаратов, отличающаяся тем, что в месте сопряжения, по крайней мере, одной лопасти рабочего колеса с ведущим и ведомым дисками выполнено, по крайней мере, одно сквозное отверстие с образованием изолированного от проточных полостей канала, проходящего через лопасть и оба диска и соединяющего области, прилегающие к наружным поверхностям дисков.1. The stage of a multistage centrifugal and centrifugal-vortex pumps, containing a guiding apparatus with shoulders-thrust bearings, an impeller with washers, consisting of a driving and driven disks with blades located between them, forming flow cavities, which is installed with the possibility of free movement along the pump shaft in the limits between the shoulder-thrust bearings of adjacent guide vanes, characterized in that in the place of interfacing of at least one impeller blade with the drive and driven drives but at least one through hole with the formation of a channel isolated from the flow cavities, passing through the blade and both disks and connecting the areas adjacent to the outer surfaces of the disks. 2. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что канал ориентирован перпендикулярно дискам рабочего колеса.2. The stage according to claim 1, characterized in that the channel is oriented perpendicular to the impeller disks. 3. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что канал размещен на средней линии поперечного сечения лопасти рабочего колеса. 3. The stage according to claim 1, characterized in that the channel is placed on the midline of the cross section of the impeller blades.

Images