RU49588U1 - SUBMERSIBLE HIGH SPEED PUMP UNIT - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к нефтяному машиностроению, а именно к погружным насосным агрегатам. Погружной насосный агрегат состоит высокооборотный погружной центробежный многоступенчатый насос с вентильным двигателем с теплообменником. В насосе содержится по меньшей мере одну модуль-секцию, в составе которой не менее двух пакетов ступеней. Общее количеством ступеней в указанной модуль-секции не менее 12, а опоры, фиксирующие валы в модуль-секции в радиальном и осевых направлениях, выполнены в виде подшипников скольжения. Технический результат - обеспечение возможности установки погружных агрегатов в повышении надежности погружного скважинного агрегата.The utility model relates to petroleum engineering, namely to submersible pumping units. Submersible pumping unit consists of a high-speed submersible centrifugal multistage pump with a valve motor with a heat exchanger. The pump contains at least one module section, which includes at least two stage packages. The total number of steps in the specified module section is at least 12, and the bearings fixing the shafts in the module section in the radial and axial directions are made in the form of sliding bearings. EFFECT: provision of the possibility of installing submersible units in increasing the reliability of a submersible borehole unit.

Description

Полезная модель относится к гидромашиностроению, а именно к погружным насосным модульным агрегатам для нефтедобычи с повышенным ресурсом работы и высоким напором.The utility model relates to hydraulic engineering, namely to submersible pumping modular units for oil production with increased service life and high pressure.

Погружной высокооборотный насосный агрегат - часть насосной установки. Он состоит из насосной секции (далее насос) и двигателя с частотой вращения вала, превышающей 3000 об/мин. Понятие модуль-секции вводится в погружных насосных агрегатах, проектируемых по секционному принципу, она определяется как функциональная часть агрегата, выполненная в одном блоке и имеющая узлы сопряжения с другими модулями, в которой обязательно есть рабочие колеса, размещенные на валу и помещаемые в отдельный корпус (например, см. материалы официального сайта компании http://www.novomet.ru, RU 2147083 (ОАО "Альметьевский насосный завод"). Насосная секция может содержать несколько таких модуль-секций. В соответствии с этим модуль-секцию определим как отдельный конструктивный блок, содержащий по меньшей мере отдельный корпус, по меньшей мере один вал и подшипник скольжения, пакет или пакеты ступеней, узлы сопряжения с остальными модулями-насоса. Пакет ступеней - набор рабочих ступеней со своей радиальной и осевой опорой, который может размещаться как на едином валу, так и иметь свой отдельный вал (см. Скважинные насосные установки для добычи нефти. В.Н.Ивановский, В.И.Дарищев, А.А.Сабиров, В.С.Каштанов, С.С.Пекин. М. ГУП. Изд-во "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. Губкина, 2002, 824 с, с.92).Submersible high-speed pump unit - part of the pumping unit. It consists of a pump section (hereinafter referred to as the pump) and an engine with a shaft rotation speed exceeding 3000 rpm. The concept of a module section is introduced in submersible pump units designed according to the sectional principle, it is defined as the functional part of the unit made in one unit and having interface units with other modules, in which there are necessarily impellers located on the shaft and placed in a separate housing ( for example, see the materials of the official website of the company http://www.novomet.ru, RU 2147083 (OJSC Almetyevsk Pumping Plant). The pump section may contain several such module sections. Accordingly, we define the module section as a separate structural unit comprising at least a separate housing, at least one shaft and a sliding bearing, a package or packages of steps, nodes for interfacing with other modules-pump Step package - a set of working stages with its radial and axial bearings, which can be placed as on a single shaft, and have your own separate shaft (see. Borehole pumping units for oil production. V.N. Ivanovsky, V.I. Darishchev, A.A.Sabirov, V.S. Kashtanov, S.S. Pekin. M. State Unitary Enterprise. Publishing House "Oil and Gas" Russian State University of Oil and Gas. Gubkina, 2002, 824 s, p. 92).

Известен погружной насосный агрегат, включающий центробежной насос и асинхронный двигатель ([1], с.15), использующий модуль-секции насоса, каждая из которых может содержать от 38 до 211 ступеней ( Международный транслятор. Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти. Международная инженерная энциклопедия. Серия "Нефтегазовые установки". Под. Ред. Ю.В. Алекперова и В.Я. Кершенбаума. Изд-во "Нефть и газ" Москва. 1998., с. 112-117). Частота вращения двигателя, как правило, не более 3000 об/мин. (Оборудование для добычи нефти и газа В.Н.Ивановский, В.И.Дарищев, А.А.Сабиров, В.С.Каштанов, С.С.Пекин. ГУП. Изд-во "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. Губкина, 2002, 767 с, с.351). Недостаток данной конструкции - высокая нагрузка на осевую опору вала из-за относительно большого количества ступеней в ней и повышенные изгибные колебания длинного вала модуль-секции, ускоряющие процесс изнашивания трибосопряжений модуль-секции.A well-known submersible pump unit, including a centrifugal pump and an induction motor ([1], p.15), using the module-sections of the pump, each of which can contain from 38 to 211 stages (International translator. Installations of submersible centrifugal pumps for oil production. International Engineering Encyclopedia. Series "Oil and Gas Installations. Edited by Yu.V. Alekperov and V. Ya. Kershenbaum. Publishing House" Oil and Gas "Moscow. 1998., pp. 112-117). The engine speed, as a rule, is not more than 3000 rpm. (Equipment for oil and gas production V.N. Ivanovsky, V.I. Darishchev, A.A.Sabirov, V.S.Kashtanov, S.S. Pekin. State Unitary Enterprise. Oil and Gas Publishing House of the Russian State University of Oil and gas named after Gubkin, 2002, 767 s, p. 351). The disadvantage of this design is the high load on the axial support of the shaft due to the relatively large number of steps in it and increased bending vibrations of the long shaft of the module section, accelerating the process of wear of tribo-joints of the module section.

В качестве ближайшего аналога изобретения рассмотрим известный погружной насосный агрегат с высокооборотным вентильным двигателем центробежного насоса (Оборудование для добычи нефти и газа В.Н.Ивановский, В.И.Дарищев, А.А.Сабиров, В.С.Каштанов, С.С.Пекин. As the closest analogue of the invention, we consider a well-known submersible pump unit with a high-speed valve motor of a centrifugal pump (Equipment for oil and gas V.N. Ivanovsky, V.I. Darishchev, A.A. Sabirov, V.S. .Beijing.

ГУП. Изд-во "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. Губкина, 2002, 767 с, с.629). Насос содержит 65 ступеней. Регулируемая частота вращения ротора двигателя от 3000 до 6000 об/мин. Вентильный двигатель обеспечивает более высокое количество оборотов, чем асинхронный двигатель с короткозамкнутыми ротором. Недостаток конструкции - повышенная высокая нагрузка на осевую опору вала, и соответственно пяту, в сочетании с повышенным количеством оборотов может приводить к термошоковому разрушению зоны трибоконтакта пята-верхняя опора. Для такой конструкции также характерны повышенные изгибные колебания вала насоса и возможен перегрев термонагруженных элементов электродвигателя из-за неэффективного теплоотвода в глубинных малодебитных скважинах (плотность теплового потока через боковую поверхность погружного двигателя может достигать величины 30000 Вт/м2.)SUE. Publishing House "Oil and Gas" Russian State University of Oil and Gas. Gubkina, 2002, 767 s, p. 629). The pump contains 65 stages. Adjustable rotor speed of the engine from 3000 to 6000 rpm. The vane motor provides a higher number of revolutions than the squirrel-cage induction motor. The design drawback is the increased high load on the axial shaft support, and accordingly the heel, in combination with an increased number of revolutions, can lead to thermal shock destruction of the tribocontact zone of the heel-upper bearing. This design is also characterized by increased bending vibrations of the pump shaft and overheating of thermally loaded electric motor elements is possible due to inefficient heat removal in deep low-yield wells (the heat flux through the lateral surface of a submersible motor can reach 30,000 W / m2.)

Настоящая полезная модель нацелена на устранение указанных недостатков известных технических решений. Достигаемый технический результат состоит в повышении степени надежности погружного скважинного агрегата в частности за счет снижения вибраций и биения вала насоса, более благоприятный температурного режима в насосном агрегате за счет исключения разрушения рабочей поверхности верхней опоры вала при "термошоковом" разрушении, снижения перегрева термонагруженных элементов погружного вентильного электродвигателя.The present utility model is aimed at eliminating the indicated drawbacks of known technical solutions. The technical result achieved is to increase the reliability of the submersible borehole unit, in particular by reducing vibrations and beating of the pump shaft, more favorable temperature conditions in the pumping unit by eliminating the destruction of the working surface of the upper shaft support during "thermoshock" failure, reducing the overheating of thermally loaded submersible valve elements electric motor.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном погружном высокооборотном насосном агрегате, состоящем из вентильного двигателя, выполненного с возможностью регулировки частоты и центробежного насоса вентильный двигатель выполнен с блоком теплообменника, есть по меньшей мере одна модуль-секция содержащая не менее двух пакетов ступеней, суммарное количество ступеней в указанной модуль-секции не менее 12, каждый пакет ступеней имеет свой отдельный вал, число ступеней в отдельном пакете не более 12, осевые и радиальные опоры, фиксирующие валы в модуль-секции соответственно в радиальном и осевых направлениях, выполнены в виде подшипников скольжения, модуль-секция содержит также по меньшей мере одну муфту для соединения валов пакетов ступеней, осевая опора может быть выполнена двухсторонней, вал пакета ступеней может фиксироваться по меньшей мере двумя радиальными опорами, рабочие поверхности опор могут быть образованы поверхностями твердосплавных материалов, муфта для соединения валов может быть шлицевого типа.The specified technical result is achieved due to the fact that in the well-known submersible high-speed pump unit, consisting of a valve motor, configured to adjust the frequency and a centrifugal pump, the valve motor is made with a heat exchanger unit, there is at least one module section containing at least two stages packages , the total number of steps in the specified module section is at least 12, each package of steps has its own separate shaft, the number of steps in a separate package is not more than 12, axial and radial The bearings supporting the shafts in the module section respectively in the radial and axial directions are made in the form of sliding bearings, the module section also contains at least one coupling for connecting the shaft packages of the steps, the axial support can be made bilateral, the shaft of the package of steps can be fixed at least two radial bearings, the working surfaces of the bearings can be formed by the surfaces of carbide materials, the coupling for connecting the shafts can be spline type.

На рис. 1. приведен вид заявляемого погружного насосного агрегата.In fig. 1. The view of the inventive submersible pump unit.

Погружной высокооборотный насосный агрегат содержит насос с модуль-секцией (1), высокооборотный электродвигатель с блоком теплообменника (7). Модуль секция содержит два пакета ступеней (4), каждая из которых в свою очередь содержит содержит вал (6), ступени, подшипниковые опоры верхние и нижние, осевые и радиальные (соответственно 3, 5), валы пакетов ступеней соединяются шлицевой муфтой (2).A submersible high-speed pump unit contains a pump with a module section (1), a high-speed electric motor with a heat exchanger block (7). The module section contains two packages of steps (4), each of which in turn contains a shaft (6), steps, bearings upper and lower, axial and radial (3, 5, respectively), the shafts of the packages of steps are connected by a spline coupling (2) .

Пример исполнения погружного высокооборотного насосного агрегата. Насосный агрегат имел двигатель, выполненный в виде погружного маслозаполненого вентильного электродвигателя с возможностью регулирования количества оборотов (типичный диапазон частоты вращения 6000 до 15 000 тыс об/мин). Модуль-секция содержала корпус, в котором были размещены два пакета ступеней с отдельным валом для каждого пакета - каждый из которых содержал радиальных и осевую опору (3, 5). Валы пакетов соединялись шлицевой муфтой (2). В каждом пакете есть 6 ступеней (4) (направляющих аппаратов с рабочими колесами), вал из нержавеющей стали (2) длиной 34 см, радиальные опоры (5), удерживающих вал от поперечных смещений. Возникающую осевую силу воспринимают рабочие поверхности верхней осевой опоры (3). Диаметр рабочей поверхности верхней опоры 48 мм. Диаметр верхней рабочей поверхности (области трибоконтакта с поверхностью пяты) верхней опоры (3) лежал в диапазоне от 30 до 60 мм.An example of execution of a submersible high-speed pump unit. The pump unit had an engine made in the form of a submersible oil-filled valve electric motor with the ability to control the number of revolutions (a typical speed range of 6000 to 15,000 thousand rpm). The module section contained a housing in which two packages of steps were placed with a separate shaft for each package - each of which contained radial and axial bearings (3, 5). The shafts of the packages were connected by a spline coupling (2). Each package has 6 steps (4) (guiding devices with impellers), a stainless steel shaft (2) 34 cm long, radial bearings (5) that hold the shaft from lateral displacements. The emerging axial force is perceived by the working surfaces of the upper axial support (3). The diameter of the working surface of the upper support is 48 mm. The diameter of the upper working surface (tribocontact area with the heel surface) of the upper support (3) lay in the range from 30 to 60 mm.

Именно при таком (и меньшем количестве) ступеней в пакете ступеней происходит разгрузка трибосистемы в верхней опоре в такой степени, что резко снижается вероятность разрушения трибосопряжения. Диаметр вала выбирается, например, из диапазона 10-25 мм. Количество ступеней N<12 в пакете ступеней определено опытным путем для высокооборотного погружного агрегата, при условии что пара трения в области трибосопряжения образована твердосплавными материалами, обработанных так, что шлифовке и полировке шероховатость обработанной поверхности Rmax от 0,1 до 0,2 мкм)It is with such (and fewer) steps in the package of steps that the tribosystem is unloaded in the upper support to such an extent that the probability of destruction of the tribological conjugation is sharply reduced. The shaft diameter is selected, for example, from a range of 10-25 mm. The number of steps N <12 in the package of steps is determined empirically for a high-speed submersible assembly, provided that the friction pair in the tribo-conjugation area is formed by carbide materials processed so that grinding and polishing the surface roughness Rmax from 0.1 to 0.2 μm)

С качественной точки зрения существование ограничений на количество ступеней можно объяснить так. Пусть E=kPV - максимальная мощность тепловых источников в зоне трибоконтакта, где k - коэффициент трения, зависящий от физико-механических свойств пары трения, Р - контактное давление в области трибосопряжения (прямо пропорциональное количеству ступеней в пакете ступеней), V - максимальная линейная скорость в области трибосопряжения (прямо пропорциональна n - частоте вращения двигателя). Е не должна превышать заданной критической величины, при которой наступает "термошок". При превышении указанной критической величины тепло, создаваемое в зоне трибоконтакта, не успевает отводится из зоны контакта и происходит разогрев зоны контакта. В результате зона трибосопряжения разрушается (эффект "термошока"). Поэтому для заданного диапазона частот вращения двигателя есть предельно допустимое Nкр - число ступеней, при котором Е не превышает критического порога. Отметим также, что при N<Nкр вал короткий (менее 60 см) и, поэтому, практически отсутствуют изгибные колебания вала, приводящие к повышенному износу трибосопряжений в модуль-секции.From a qualitative point of view, the existence of restrictions on the number of steps can be explained as follows. Let E = kPV be the maximum power of heat sources in the tribocontact zone, where k is the friction coefficient depending on the physicomechanical properties of the friction pair, P is the contact pressure in the tribo-conjugation region (directly proportional to the number of steps in the package of steps), V is the maximum linear velocity in the field of tribo-conjugation (directly proportional to n - engine speed). E must not exceed a predetermined critical value at which a "thermal shock" occurs. When the specified critical value is exceeded, the heat generated in the tribocontact zone does not have time to be removed from the contact zone and the contact zone is heated. As a result, the tribo-conjugation zone is destroyed (the “thermal shock” effect). Therefore, for a given range of engine speeds, there is a maximum allowable Ncr - the number of steps at which E does not exceed the critical threshold. We also note that for N <Ncr the shaft is short (less than 60 cm) and, therefore, there are practically no bending vibrations of the shaft, leading to increased wear of tribo-joints in the module section.

Погружной агрегат работает следующим образом. Используется высокооборотный вентильный двигатель с блоком теплообменника. Теплообменник помогает выравнивать температурный баланс по двигателю, снижая температуру термонагруженных элементов Submersible unit operates as follows. A high-speed valve motor with a heat exchanger block is used. The heat exchanger helps align the temperature balance of the engine, reducing the temperature of thermally loaded elements

двигателя (обмотки статора в первую очередь). При включении насоса в рабочем режиме осевые усилия в модуль-секции воспринимаются верхней опорой. При количестве ступеней в пакете меньше 12 и числе оборотов двигателя от 6000 до 20 000 об/мин осевая опора работает в режиме, исключающем "термошоковое" разрушение области трибосопряжения верхней опоры. Диаметр пяты выбирается больше диаметра верхней опоры. Короткие валы пакетов ступеней соединялись шлицевой муфтой. Изгибные колебания вала, и соответствующие им процессы изнашивания, в модуль-секции отсутствуют.motor (stator winding first). When the pump is turned on in the operating mode, the axial forces in the module section are perceived by the upper support. With the number of steps in the package less than 12 and the number of engine revolutions from 6000 to 20,000 rpm, the axial support operates in a mode that excludes "thermal shock" destruction of the tribo-conjugation area of the upper support. The diameter of the heel is selected more than the diameter of the upper support. Short shafts of stage packages were connected by a spline coupling. The bending vibrations of the shaft, and the corresponding wear processes, are absent in the module section.

Claims (5)

1. Погружной высокооборотный насосный агрегат, содержащий центробежный многоступенчатый насос и вентильный двигатель, выполненный с возможностью регулировки частоты вращения, отличающийся тем, что вентильный двигатель выполнен с блоком теплообменника, насос содержит, по меньшей мере, одну модуль-секцию, имеющую не менее двух пакетов ступеней, суммарное количество ступеней в указанной модуль-секции не менее 12, каждый пакет ступеней имеет свой отдельный вал, причем число ступеней в отдельном пакете не более 12, радиальные и осевые опоры, фиксирующие валы в модуль-секции соответственно в радиальном и осевых направлениях, выполнены в виде подшипников скольжения, модуль, секция содержит также, по меньшей мере, одну муфту для соединения валов пакетов ступеней.1. Submersible high-speed pump unit containing a centrifugal multistage pump and a rotary motor, configured to adjust the rotation speed, characterized in that the rotary motor is made with a heat exchanger block, the pump contains at least one module section having at least two packages steps, the total number of steps in the specified module section is at least 12, each package of steps has its own separate shaft, and the number of steps in a separate package is not more than 12, radial and axial bearings, fi the coding shafts in the module section, respectively, in the radial and axial directions, are made in the form of sliding bearings, the module, the section also contains at least one coupling for connecting the shafts of the packages of steps. 2. Погружной высокооборотный насосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что осевая опора вала пакета ступеней выполнена двухсторонней.2. Submersible high-speed pump unit according to claim 1, characterized in that the axial support of the shaft of the package of stages is made bilateral. 3. Погружной высокооборотный насосный агрегат по п.1 или 2, отличающийся тем, что вал пакета ступеней фиксируется, по меньшей мере, двумя радиальными опорами.3. Submersible high-speed pump unit according to claim 1 or 2, characterized in that the shaft of the package of stages is fixed by at least two radial bearings. 4. Погружной высокооборотный насосный агрегат по п.1 или 2, отличающийся тем, что рабочие поверхности осевых опор образованы поверхностями твердосплавных материалов.4. Submersible high-speed pump unit according to claim 1 or 2, characterized in that the working surfaces of the axial bearings are formed by the surfaces of carbide materials. 5. Погружной высокооборотный насосный агрегат по п.3, отличающийся тем, что муфта для соединения валов выполнена шлицевой.

5. Submersible high-speed pump unit according to claim 3, characterized in that the coupling for connecting the shafts is made spline.