Вихревой скважинный насос

Изобретение относится к области насосостроения, более конкретно - к насосам динамического действия. Оно предназначено для подъема жидкости из скважин на объектах сельского и городского водоснабжения, а также в нефтедобывающей промышленности.

Известен погружной центробежно-вихревой насос, состоящий из трубчатого корпуса, нижней и верхней головок, рабочих колес, направляющих аппаратов, приводного вала, промежуточных опор, нижнего и верхнего подшипников и уплотнительных колец. Каждое рабочее колесо снабжено вихревыми каналами, расположенными с наружной стороны ведущего диска на периферии (Насос погружной центробежно-вихревой 2ВННП 5-50-1700(2000)-14 в износостойком исполнении с промежуточными опорами. Паспорт. АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "НОВОМЕТ". Пермь, 1999).

Недостатки устройства:

- неудовлетворительное значение коэффициента полезного действия (КПД), обусловленное тем, что при малых поперечных размерах насоса (это особенно относится к нефтяным скважинным насосам) переход жидкости из лопаточных каналов рабочих колес в каналы направляющих аппаратов осуществляется со значительными потерями давления, а жидкость в вихревых каналах во всем интервале работы колеса находится в режиме "закрытой задвижки", то есть каналы принимают участие только в поддержании давления в камере ступени;

- неудовлетворительная эксплуатационная надежность, обеспечивающаяся тем, что ступени насоса воспринимают дополнительные осевые усилия к имеющемуся усилию от разности эпюр давления в пазухах рабочего колеса.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является вихревой скважинный насос, включающий корпус, вихревые колеса с жесткими уплотнительными кольцами, направляющие аппараты с основными каналами и разделителями потока, входную и выходную головки, приводной вал, разгрузочную пяту и подшипник скольжения (Проспект "Роторно-вихревые насосы для добычи нефти, водоснабжения и водоподъема (техническая информация). НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОНСАЛТИНГОВЫЙ ЦЕНТР "ЛЕАН", Москва-Лебедянь, 1998, с.4).

Основными недостатками устройства являются:

- неудовлетворительная эксплуатационная надежность, обусловленная неразгруженностью вихревых колес от осевых и радиальных сил, приводящая к интенсивному износу трущихся поверхностей жестких уплотнительных колец;

- высокая трудоемкость изготовления рабочих органов, обеспечивающаяся тем, что вихревые колеса и направляющие аппараты имеют каналы-выборки, выполнение которых сопряжено с технологическими трудностями (это относится к требованиям плавного перехода и достижения высокой точности омываемых перекачиваемой жидкостью поверхностей).

Задачей изобретения является создание вихревого скважинного насоса, обладающего высокой эксплуатационной надежностью и низкой трудоемкостью изготовления его рабочих органов.

Указанная задача решается предлагаемым насосом, включающим корпус, вихревые колеса с жесткими уплотнительными кольцами, направляющие аппараты с основными каналами и разделителями потока, входную и выходную головки, приводной вал, разгрузочную пяту и подшипник скольжения.

Новым является то, что каждое вихревое колесо выполнено в виде шестерни с прямыми зубьями, образующими между собой открытые продольные выборки с вогнутым днищем, переходящие на набегающей на поток стороне в прямолинейные плоскости, образующие с вектором окружной скорости тупой угол; направляющие аппараты охватывают вихревые колеса с зазором и выполнены с продольными выборками, обращенными открытой стороной к выборкам вихревых колес и имеющими с приемной стороны прямолинейную плоскость, переходящую на отводной стороне в криволинейную, и каждый из них содержит дополнительный разделитель потока, находящийся на диаметрально противоположной стороне относительно основного разделителя; насос снабжен боковыми дисками, установленными по обе стороны вихревых колес и направляющих аппаратов и выполненными с каналами, расположенными диаметрально противоположно относительно друг друга; направляющие аппараты снабжены дополнительными каналами, которые, как и каналы боковых дисков, расположены в периферийной зоне, причем каналы бокового диска для предыдущего вихревого колеса являются выкидными, а для последующего - приемными; пазухи вихревых колес сообщены между собой через каналы, расположенные в центральной зоне.

Новым является также то, что зазор между выступами выборок вихревого колеса и направляющего аппарата определяют выражением

где S - зазор между выступами вихревого колеса и направляющего аппарата;

Q - производительность насоса;

V - поступательная скорость жидкости в зазоре (V=3-5 м/с);

L - толщина вихревого колеса.

На фиг.1 изображен общий вид секции насоса с местными выровами.

На фиг.2 - разрез по А-А фиг.1.

На фиг.3 - разрез по Б-Б фиг.1.

На фиг.4 - разрез по В-В фиг.1.

На фиг.5 - разрез по Д-Д фиг.1.

На фиг.6 - выров по стрелке "Ж" фиг.4.

Насос состоит из трубчатого корпуса 1 (фиг.1), вихревых колес 2 с жесткими уплотнительными кольцами 3. Вихревое колесо выполнено в виде шестерни с прямыми зубьями, образующими открытые продольные выборки 4 (фиг.4) с вогнутым днищем 5, переходящие на набегающей на поток стороне в прямолинейные плоскости "Г", образующие с вектором окружной скорости "И" тупой угол "α". Насос содержит также направляющие аппараты 6, которые охватывают вихревые колеса с зазором и выполнены с продольными выборками 7, обращенными открытой стороной к выборкам вихревых колес и имеющими с приемной стороны прямолинейную плоскость "З", переходящую на отводной стороне в криволинейную "Л". Направляющие аппараты снабжены разделителями потоков 8 и 9 и выкидными вогнутыми каналами 10 и 11, которые с приемной стороны имеют прямолинейную плоскость, переходящую на отводной стороне в криволинейную (фиг.6). Вихревые колеса 2 установлены между передним 12, промежуточными 13 и задним 14 дисками с жесткими уплотнительными кольцами 15, снабженными подводящими 16 и отводящими 17 каналами (фиг.2, 3 и 5), причем каналы бокового диска для предыдущего вихревого колеса являются выкидными, а для последующего - приемными. Внутри корпуса расположен приводной вал 18, разгрузочная пята 19 и подшипники скольжения 20. К корпусу подсоединены входная 21 и выходная 22 головки. Во входной головке 21 установлена приемная сетка 23. Пазухи 24 вихревых колес 2 сообщены каналами 25.

Выборки вихревых колес и направляющих аппаратов образуют выступы соответственно 26 и 27 (фиг.4), зазор между которыми определяется выражением

где Q - производительность насоса;

V - поступательная скорость жидкости в зазоре (V=3...5 м/с);

L - ширина вихревого колеса.

Работает насос следующим образом.

Жидкость из затрубного пространства скважины (не показано) через приемную сетку 23 попадает в полость "а", из нее через отверстие 28 - в полость "в". Из последней по каналам 16 направляется в выборки 4 и 7 вихревого колеса 2 и направляющего аппарата 6. Здесь на нее оказывает воздействие днище выборки 4. В результате жидкость из выборок 4 выбрасывается в зазоры, образованные между направляющим аппаратом 6, вихревым колесом 2 и в выборки 7 направляющего аппарата 6. Здесь скорость ее несколько падает, а статическое давление - возрастает. В результате происходит то, что жидкость из выборок 7 направляющего аппарата 6 с большим статическим давлением переходит в последующие выборки 4 вихревого колеса 2. При подходе выборок 4 к разделителям потока 8 и 9 жидкость выбрасывается в выкидные каналы 10 и 11, из которых направляется в последующие выборки вихревого колеса и направляющего аппарата. В дальнейшем порядок движения жидкости повторяется. Из каналов 17 заднего диска 14 жидкость направляется в следующую секцию насоса или в нагнетательную колонну труб (не показано).

Утечки, имеющие место через жесткие уплотнительные кольца 3 и 75, попадают в пазухи 24. Осевые усилия, приходящиеся на торец вала 18 и на разгрузочную пяту 19, воспринимаются жесткими кольцами 29 и 30.

Предлагаемый насос позволяет:

- повысить эксплуатационную надежность благодаря тому, что радиальные силы, действующие на вихревые колеса, уравновешены встречными результирующими силами, исходящими из диаметрально расположенных эпюр давления;

- снизить трудоемкость изготовления деталей благодаря тому, что профили выборки вихревых колес и направляющих аппаратов допускают их изготовление механической обработкой.

1. Вихревой скважинный насос, включающий корпус, вихревые колеса с жесткими уплотнительными кольцами, направляющие аппараты с основными каналами и разделителями потока, входную и выходную головки, приводной вал, разгрузочную пяту и подшипник скольжения, отличающийся тем, что каждое вихревое колесо выполнено в виде шестерни с прямыми зубьями, образующими между собой открытые продольные выборки с вогнутым днищем, переходящие на набегающей на поток стороне в прямолинейные плоскости, образующие с вектором окружной скорости тупой угол, направляющие аппараты охватывают вихревые колеса с зазором и выполнены с продольными выборками, обращенными открытой стороной к выборкам вихревых колес и имеющими с приемной стороны прямолинейную плоскость, переходящую на отводной стороне в криволинейную, и каждый из них содержит дополнительный разделитель потока, находящийся на диаметрально противоположной стороне относительно основного разделителя, снабжен боковыми дисками, установленными по обе стороны вихревых колес и направляющих аппаратов и выполненными с каналами, расположенными диаметрально противоположно относительно друг друга, направляющие аппараты снабжены дополнительными каналами, которые, как и каналы боковых дисков, расположены в периферийной зоне, причем каналы бокового диска для предыдущего вихревого колеса являются выкидными, а для последующего - приемными; пазухи вихревых колес сообщены между собой через каналы, расположенные в центральной зоне.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что зазор между выступами выборок вихревого колеса и направляющего аппарата определяют выражением

где S - зазор между выступами выборок вихревого колеса и направляющего аппарата;

Q - производительность насоса;

V - поступательная скорость жидкости в зазоре (V=3...5 м/с);

L - ширина вихревого колеса.