Погружной многоступенчатый центробежный насос (варианты)

Авторы патента:

Полезная модель относится к гидромашиностроению, преимущественно к конструкции ступеней малодебитных погружных парциальных центробежных насосов с боковым расположением отвода в виде парциального направляющего аппарата и парциального рабочего колеса и может быть использовано при добыче из скважин пластовой жидкости, воды и других жидких сред.

Погружной многоступенчатый центробежный насос включает ступень, состоящую из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего основного диска, ведомого покрывного диска и проточной части, и из направляющего аппарата, выполненного в виде покрывного диска, установленного со стороны задней поверхности ведущего основного диска рабочего колеса, цилиндрической обоймы, выполненной с кольцеобразной стенкой, расположенной поперечно, и проточной части, при этом рабочее колесо выполнено парциальным и имеет проточную часть в виде каналов, занимающих меньшую часть от проходного сечения колеса, спрофилированных в промежуточном диске, расположенном между основным и покрывным дисками парциального рабочего колеса, направляющий аппарат выполнен парциальным и имеет проточную часть в виде каналов, занимающих меньшую часть от проходного сечения парциального направляющего аппарата, спрофилированных в среднем диске, расположенном между покрывным диском парциального направляющего аппарата и кольцеобразной стенкой цилиндрической обоймы.

Кроме того, отношение площади на выходе из парциального рабочего колеса, занятой потоком жидкости, к общей площади парциального рабочего колеса на выходе находится в диапазоне 0,2-0,5, отношение площади на входе в парциальный направляющий аппарат, занятой потоком жидкости, к общей площади парциального направляющего аппарата на входе находится в диапазоне 0,2-0,7.

Также, направляющий аппарат может быть выполнен парциальным и иметь проточную часть в виде каналов, занимающих меньшую часть от проходного сечения парциального направляющего аппарата, спрофилированных в среднем диске, расположенном между покрывным диском парциального направляющего аппарата и кольцеобразной стенкой цилиндрической обоймы.

Кроме того, отношение площади на входе в парциальный направляющий аппарат, занятой потоком жидкости, к общей площади парциального направляющего аппарата на входе лежит в диапазоне 0,2-0,7. (2 с.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 6 ил.)

Полезная модель относится к гидромашиностроению, преимущественно к конструкции ступеней малодебитных погружных парциальных центробежных насосов с боковым расположением отвода в виде парциального направляющего аппарата (АН) и парциального рабочего колеса и может быть использовано при добыче из скважин пластовой жидкости, воды и других жидких сред.

Известен парциальный центробежный насос для перекачивания жидкостей со взвесями, содержащий кольцевой корпус с отводящим патрубком и языком и установленное на валу открытое трехлопастное рабочее колесо с закрепленными на ступице радиальными лопастями, отличающийся тем, что лопасти выполнены расширяющимися к периферии (см. Патент РФ 2011016 МПК 5 F04D 7/04, опубл. 15.04.1994 г.).

Недостатком данного насоса является то, что в конструкции насоса используется спиральный сборник, что неприемлемо в погружных центробежных насосах. Также к недостаткам можно отнести то, что рабочее колесо используется открытого типа, что приводит к дополнительным потерям на утечки (см. диссертацию Петрова А.И. «Создание центробежного насоса сверхнизкой быстроходности для систем термостабилизации, работающих в экстремальных условиях» - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005 г). Существенное влияние это будет оказывать при использовании открытых колес в погружных центробежных насосах, т.к. в этих насосах нет возможности задать величину зазора между торцами лопастей и корпусом аппарата до приемлемых значений, а получаемые зазоры дают большие дополнительные потери.

В книге Краев М.В., Лукин В.А., Овсянников Б.В. «Малорасходные насосы авиационных и космических систем» - М.: «Машиностроение», 1985 г., 128 с. на стр.63 приведено описание малорасходного парциального центробежного насоса. К недостаткам данного насоса следует отнести то, что отвод выполнен в виде спирального сборника, что неприемлемо для погружных центробежных насосов, а также довольно низкий коэффициент напора =0,2-0,3 и низкий гидравлический КПД _г=0,4-0,5.

Задачей изобретения является обеспечение совпадения номинального режима насоса с режимом максимального КПД для подач 20 м³/сут, а также повышение напора насоса.

Данная техническая задача достигается тем, что в погружном многоступенчатом центробежном насосе, включающем ступень, состоящую из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего основного диска, ведомого покрывного диска и проточной части, и из направляющего аппарата, выполненного в виде покрывного диска, установленного со стороны задней поверхности ведущего основного диска рабочего колеса, цилиндрической обоймы, выполненной с кольцеобразной стенкой, расположенной поперечно, и проточной части, при этом рабочее колесо выполнено парциальным и имеет проточную часть в виде каналов, занимающих меньшую часть от проходного сечения колеса, спрофилированных в промежуточном диске, расположенном между основным и покрывным дисками парциального рабочего колеса, направляющий аппарат выполнен парциальным и имеет проточную часть в виде каналов, занимающих меньшую часть от проходного сечения парциального направляющего аппарата, спрофилированных в среднем диске, расположенном между покрывным диском парциального направляющего аппарата и кольцеобразной стенкой цилиндрической обоймы.

Также, указанный технический результат может достигаться тем, что в погружном многоступенчатом центробежном насосе, включающем ступень, состоящую из лопаточного рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего основного диска, ведомого покрывного диска и лопастей, которые закреплены между ведущим основным диском и ведомым покрывным диском и из направляющего аппарата, выполненного в виде покрывного диска, установленного со стороны задней поверхности ведущего основного диска рабочего колеса, цилиндрической обоймы, выполненной с кольцеобразной стенкой, расположенной поперечно и проточной части, при этом направляющий аппарат выполнен парциальным и имеет проточную часть в виде каналов, занимающих меньшую часть от проходного сечения парциального направляющего аппарата, спрофилированных в среднем диске, расположенном между покрывным диском парциального направляющего аппарата и кольцеобразной стенкой цилиндрической обоймы.

Сущность полезной модели поясняется прилагаемыми фигурами.

На фиг.1 представлены две последовательные ступени погружного многоступенчатого парциального центробежного насоса (включая парциальное рабочее колесо и парциальный направляющий аппарат).

На фиг.2 представлены две последовательные ступени погружного многоступенчатого парциального центробежного насоса (включая лопаточное рабочее колесо и парциальный направляющий аппарат).

На фиг.3 представлено парциальное рабочее колесо погружного многоступенчатого парциального центробежного насоса.

На фиг.4 представлен парциальный направляющий аппарат погружного многоступенчатого парциального центробежного насоса.

На фиг.5 представлены энергетические характеристики (зависимость напора и КПД от расхода) для заявленного устройства и серийного погружного центробежного насоса на одну и ту же номинальную подачу при несовпадении оптимальных расходов.

На фиг.6 представлены энергетические характеристики (зависимость напора и КПД от расхода) для заявленного устройства и другого погружного центробежного насоса на одну и ту же номинальную подачу при совпадении оптимальных расходов.

Погружной многоступенчатый центробежный насос содержит, по меньшей мере, две ступени 1 (фиг.1). Ступени 1 расположены вдоль вала (на чертеже не показан) последовательно. Ступень 1 выполнена из парциального рабочего колеса 2 (фиг.1 и 3) и парциального направляющего аппарата 3 (фиг.1 и 4). Парциальное рабочее колесо 2 установлено на валу и выполнено в виде ведущего основного диска 4, покрывного диска 5 и проточных каналов, спрофилированных в промежуточном диске 6. Промежуточный диск 6 с каналами закреплен между ведущим диском 4 и покрывным диском 5. Парциальный направляющий аппарат 3 выполнен в виде покрывного диска 7, цилиндрической обоймы 8 и проточных каналов спрофилированных в среднем диске 9. Покрывной диск 7 установлен со стороны задней поверхности 10 ведущего основного диска 4 парциального рабочего колеса 2. Цилиндрическая обойма 8 выполнена с кольцеобразной стенкой 11, расположенной поперечно. Внутри цилиндрической обоймы 8 установлены парциальное рабочее колесо 2 и покрывной диск 7. Средний диск 9 с каналами закреплен в парциальном направляющем аппарате 3 между кольцеобразной стенкой 11 цилиндрической обоймы 8 и покрывным диском 7.

Для уменьшения сил трения, возникающих при вращении рабочего колеса 2, в конструкции применяются шайбы 12, 13, 14 из антифрикционного материала, выполняющие роль индивидуальных опор.

Отношение площади на выходе из парциального рабочего колеса 2 занятой потоком жидкости к общей площади парциального рабочего колеса 2 на выходе лежит в диапазоне k_PK=0,2-0,5, отношение площади на входе в парциальный направляющий аппарат занятой потоком жидкости к общей площади парциального направляющего аппарата на входе лежит в диапазоне k_AH=0,2-0,7.

Погружной многоступенчатый центробежный насос по п.З формулы полезной модели содержит, по меньшей мере две ступени 1 (фиг.2). Ступени 1 расположены вдоль вала (на чертеже не показан) последовательно. Ступень 1 выполнена из лопаточного рабочего колеса 2 и парциального направляющего аппарата 3 (фиг.2 и 4). Лопаточное рабочее колесо 2 установлено на валу и выполнено в виде ведущего основного диска 4, покрывного диска 5 и лопаток 6. Лопатки 6 закреплены между ведущим диском 4 и покрывным диском 5. Парциальный направляющий аппарат 3 выполнен в виде покрывного диска 7, цилиндрической обоймы 8 и проточных каналов спрофилированных в среднем диске 9. Покрывной диск 7 установлен со стороны задней поверхности 10 ведущего основного диска 4 лопаточного рабочего колеса 2. Цилиндрическая обойма 8 выполнена с кольцеобразной стенкой 11, расположенной поперечно. Внутри цилиндрической обоймы 8 установлены лопаточное рабочее колесо 2 и покрывной диск 7. Средний диск 9 с каналами закреплен в парциальном направляющем аппарате 3 между кольцеобразной стенкой 11 цилиндрической обоймы 8 и покрывным диском 7.

Отношение площади на входе в парциальный направляющий аппарат занятой потоком жидкости к общей площади парциального направляющего аппарата на входе лежит в диапазоне k_AH=0,2-0,7.

Работает погружной многоступенчатый центробежный насос следующим образом.

Парциальное рабочее колесо 2 приводится во вращение валом насоса. Перекачиваемая жидкость поступает в каналы вращающегося парциального рабочего колеса 2 и движется от его центра к периферии. При этом парциальное рабочее колесо 2 создает напор перекачиваемой жидкости, как за счет циркуляционных сил, так и за счет кориолисовых сил, при этом использование парциального рабочего колеса для расходов меньше 20 м³/сут позволяет уменьшить или убрать совсем вихревые зоны, которые появляются в лопастном рабочем колесе на расходах меньше 20 м³/сут, потому что каналы лопастного рабочего колеса для данных расходов являются перерасширенными в силу требований технологии изготовления. Переход к парциальному рабочему колесу позволяет уменьшить потери на вихреобразование и тем самым увеличить гидравлический КПД ступени и увеличить напор ступени, а также обеспечить совпадение номинального режима насоса с режимом максимального КПД для подач 20 м³/сут.

Далее жидкость поступает в каналы парциального направляющего аппарата 3, в которых осуществляется торможение потока (увеличение статической составляющей давления) с целью уменьшить потери, разворот и направление потока на парциальное рабочее колесо следующей ступени, при этом использование парциального направляющего аппарата для расходов меньше 20 м³/сут позволяет добиться совпадение номинального режима насоса с режимом максимального КПД для подач 20 м³/сут, т.к. позволяет уменьшить площадь входа в направляющий аппарат, что невозможно добиться в лопаточном направляющем аппарате из-за технологических ограничений по высоте лопатки, также это позволяет уменьшить или убрать совсем вихревые зоны, которые появляются в лопастном направляющем аппарате на расходах меньше 20 м³/сут, потому что каналы лопастного направляющего аппарата для данных расходов являются перерасширенными. Переход к парциальному направляющему аппарату позволяет уменьшить потери на вихреобразование и тем самым увеличить гидравлический КПД ступени и увеличить напор ступени.

Выбор отношения площади на выходе из парциального рабочего колеса 2 занятой потоком жидкости к общей площади парциального рабочего колеса 2 на выходе в диапазоне k_PK=0,2-0,5, а отношение площади на входе в парциальный направляющий аппарат занятой потоком жидкости к общей площади парциального направляющего аппарата на входе в диапазоне k_AH=0,2-0,7, за счет улучшения структуры течения, уменьшения отрывных зон в проточных каналах парциального рабочего колеса и парциального направляющего аппарата, обеспечения необходимой площади входа в парциальный направляющий аппарат позволяет добиться необходимого совпадения номинального режима насоса с режимом максимального КПД для подач 20 м³/сут, а также повысить напора насоса.

Как показали исследования, при заявленных диапазонах параметров парциального рабочего колеса 2 и парциального направляющего аппарата 3 достигается совпадение номинального режима насоса с режимом максимального КПД для подач 20 м³/сут, а также повышение напора насоса (см. фиг.5 и 6), при этом для парциального насоса на расход 15 м³/сут были получены следующие параметры: коэффициент напора =0,4, гидравлический КПД _г=0,57, что выше чем у заявленного прототипа.

Указанная конструкция была проверена на насосах с номинальным расходом 10-20 м³/сут. На фиг.5 показаны напорная и КПД характеристики предлагаемой конструкции (кривые А и В), а также напорная и КПД характеристики серийного погружного многоступенчатого центробежного насоса с тем же номинальным расходом. Сравнение этих характеристик показывает, что отклонение точки максимального КПД от номинальной подачи (Q=15 м³/сут) для серийного насоса составляет +20%, а для насоса предлагаемой конструкции эти подачи совпадают, при том, что требование ряда заказчиков составляет ±10%. Это говорит о том, что предлагаемая конструкция позволила совместить точку максимума КПД и номинальную подачу.

Кроме того, напорная характеристика насоса новой конструкции падает более круто, чем у серийного, что благотворно влияет на регулирование системы.

На фиг.6 показаны напорная и КПД характеристики предлагаемой конструкции (кривые А и В), а также напорная и КПД характеристики другого погружного многоступенчатого центробежного насоса с тем же номинальным расходом. Сравнение этих характеристик показывает, что напорная характеристика в номинальной точке для насоса предлагаемой конструкции на 4% выше, чем у другого насоса на ту же номинальную подачу.

Таким образом, предлагаемая конструкция погружного многоступенчатого парциального центробежного насоса, благодаря оптимально выбранным параметрам позволяет обеспечить совпадение номинального режима насоса с режимом максимального КПД для подач 20 м³/сут, а также повышение напора насоса.

1. Погружной многоступенчатый центробежный насос, включающий ступень, состоящую из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего основного диска, ведомого покрывного диска и проточной части, и из направляющего аппарата, выполненного в виде покрывного диска, установленного со стороны задней поверхности ведущего основного диска рабочего колеса, цилиндрической обоймы, выполненной с кольцеобразной стенкой, расположенной поперечно, и проточной части, при этом рабочее колесо выполнено парциальным и имеет проточную часть в виде каналов, занимающих меньшую часть от проходного сечения колеса, спрофилированных в промежуточном диске, расположенном между основным и покрывным дисками парциального рабочего колеса, направляющий аппарат выполнен парциальным и имеет проточную часть в виде каналов, занимающих меньшую часть от проходного сечения парциального направляющего аппарата, спрофилированных в среднем диске, расположенном между покрывным диском парциального направляющего аппарата и кольцеобразной стенкой цилиндрической обоймы.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что отношение площади на выходе из парциального рабочего колеса, занятой потоком жидкости, к общей площади парциального рабочего колеса на выходе находится в диапазоне 0,2-0,5, отношение площади на входе в парциальный направляющий аппарат, занятой потоком жидкости, к общей площади парциального направляющего аппарата на входе находится в диапазоне 0,2-0,7.

3. Погружной многоступенчатый центробежный насос, включающий ступень, состоящую из лопаточного рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего основного диска, ведомого покрывного диска и лопастей, которые закреплены между ведущим основным диском и ведомым покрывным диском, и из направляющего аппарата, выполненного в виде покрывного диска, установленного со стороны задней поверхности ведущего основного диска рабочего колеса, цилиндрической обоймы, выполненной с кольцеобразной стенкой, расположенной поперечно, и проточной части, при этом направляющий аппарат выполнен парциальным и имеет проточную часть в виде каналов, занимающих меньшую часть от проходного сечения парциального направляющего аппарата, спрофилированных в среднем диске, расположенном между покрывным диском парциального направляющего аппарата и кольцеобразной стенкой цилиндрической обоймы.

4. Насос по п.3, отличающийся тем, что отношение площади на входе в парциальный направляющий аппарат, занятой потоком жидкости, к общей площади парциального направляющего аппарата на входе лежит в диапазоне 0,2-0,7.