Что такое ступени погружного насоса

Содержание

Конструкции ступеней насосов
Ступени насоса
Ступень погружного центробежного насоса

Конструкции ступеней насосов

Скважинные центробежные насосы являются многоступенчатыми машинами. Это обусловлено в первую очередь малыми значениями напора, создаваемым одной ступенью (рабочим колесом и направляющим аппаратом). В свою очередь небольшие значения напора одной ступени (от 3 до 6-7 м водяного столба) определяются малыми величинами внешнего диаметра рабочего колеса, ограниченного внутренним диаметром обсадной колонны и размерами применяемого скважинного оборудования — кабеля, погружного двигателя и т.д.

Конструкция скважинного центробежного насоса может быть обычной и износостойкой, а также повышенной коррозионной стойкости. Диаметры и состав узлов насоса в основном одинаковы для всех исполнений насоса.

Скважинный центробежный насос обычного исполнения предназначен для отбора из скважины жидкости с содержанием воды до 99 %. Механических примесей откачиваемой жидкости должно быть не более 0,01 массовых % (или 0,1 г/л), при этом твердость механических примесей не должна превышать 5 баллов по Моосу; сероводорода — не более 0,001 %. По требованиям технических условий заводов-изготовителей, содержание свободного газа на приеме насоса не должно превышать 25 %. Центробежный насос коррозионностойкого исполнения предназначен для работы при содержании в откачиваемой пластовой жидкости сероводорода до 0,125 % (до 1,25 г/л).

Износостойкое исполнение позволяет откачивать жидкость с содержанием механических примесей до 0,5 г/л.

Рабочим органом скважинного центробежного насоса служит ступень насосная (СН) с цилиндрическими (ЦЛ) или наклонно-цилиндрическими лопатками (НЦЛ), состоящая из рабочего колеса и направляющего аппарата (рис. 6.4.).

Ступени с ЦЛ применяются на номинальные подачи до 125 м3/сут (включительно) в насосах с наружным диаметром 86 и 92 мм, до 160 м3/сут в насосах с диаметром 103 мм и до 250 м3/сут в насосах с диаметром 114 мм.

Ступени с НЦЛ применяются в насосах с большей подачей. В области своего применения ступени с НЦЛ имеют более высокий КПД и более, чем в 1,5 раза увеличенную подачу, чем ступени с ЦЛ в тех же диаметральных габаритах. Наружный диаметр ступеней 70, 80, 90 и 100 мм.

Ступени размещаются в расточке цилиндрического корпуса каждой секции. В одной секции насоса может размещаться от 39 до 200 ступеней в зависимости от их монтажной высоты. Максимальное количество ступеней в насосах достигает 550 штук.

Для возможности сборки ЭЦН с таким количеством ступеней и разгрузки вала от осевой силы применяется плавающее рабочее колесо. Рабочее колесо в насосе не фиксируется на валу в осевом направлении и удерживается от проворота призматической шпонкой. Колесо может свободно перемещаться в осевом направлении в промежутке, ограниченном опорными поверхностями направляющих аппаратов.

Колесо опирается на индивидуальную для каждой СН осевую опору, состоящую из опорного бурта направляющего аппарата предыдущей ступени и антифрикционной износостойкой шайбы, запрессованной в расточку рабочего колеса; при этом утечка через переднее уплотнение колеса практически равна нулю. Но механический КПД ступени с плавающим рабочим колесом снижается из-за потерь трения в нижней опоре колеса. Величина этих потерь в первом приближении пропорциональна осевой силе, действующей на рабочее колесо ступени. Относительная характеристика ступени насоса представлена на рис 6.5.

Под относительной величиной понимается отношение фактической величины к соответствующей величине на оптимальном режиме, при котором КПД достигает максимального значения.

На режимах, примерно на 10 % превышающих подачу нулевой осевой силы, рабочее колесо СН может «всплыть», т.е. переместиться вверх вплоть до упора, выполненного в виде верхней осевой опоры, состоящей из опорного бурта на направляющем аппарате и шайбы, запрессованной в расточку рабочего колеса. Всплытие рабочего колеса сопровождается скачкообразным снижением напора, КПД и резким повышение потребляемой мощности при увеличении подачи. При уменьшении подачи от режима открытой задвижки рабочее колесо может опускаться в нижнее положение при значениях относительной подачи q = 0,9-1,0.

Наиболее распространенный в настоящее время способ разгрузки колеса от осевой силы в ступенях с НЦЛ — создание при помощи выполненного у колеса второго верхнего уплотнения камеры за ведущим диском колеса, в котором давление с помощью отверстий в ведущем диске уравнивается с давлением у входа в колесо (рис. 6.6,а). Разгрузка рабочего колеса позволяет существенно снизить осевую силу. Такие ступени по сравнению с аналогичными ступенями с неразгруженными рабочими колесами имеют ряд преимуществ: повышенный ресурс работы индивидуальной нижней опоры рабочего колеса, увеличенный КПД ступени.

Недостатками ступеней с разгруженными рабочими колесами является усложнение технологии и повышение трудоемкости изготовления, функциональный отказ способа разгрузки при засорении разгрузочных отверстий и при износе верхнего уплотнения рабочего колеса.

Усиление пары индивидуальной осевой опоры и межступенного уплотнения СН может быть достигнуто применением двухопорной конструкции ступени (рис. 6.6,б). Двухопорная конструкция СН имеет по сравнению с одноопорной ступенью, повышенный ресурс индивидуальной нижней пяты ступени, более надежную изоляцию вала от абразивной и коррозионно-агрес-сивной протекающей жидкости, увеличенный ресурс работы и большую жесткость вала насоса из-за увеличенных осевых длин межступенных уплотнений, служащих в ЭЦН помимо уплотнения дополнительными радиальными подшипниками.

Двухопорная конструкция ступени по сравнению с одноопорной более трудоемка в изготовлении. В погружном центробежном насосе для добычи нефти в зависимости от перекачиваемой продукции, в первую очередь, изнашиваются поверхности трения осевых и радиальных опор, в том числе осевых опор рабочих колес и радиальных межступенных уплотнений, а также поверхности каналов, контактирующие с потоком перекачиваемой жидкости. Повышение надежности и долговечности ступеней достигается путем уменьшения осевой силы, действующей на рабочие колеса, усиления пары трения осевой и радиальной опор, использования соответствующих износостойких и коррозионностойких материалов, уменьшением действия радиальных сил на ротор путем повышения точности изготовления, балансировки рабочих колес.

Ответственной с точки зрения повышения надежности СН является верхняя пята рабочего колеса. Рабочее колесо работает на верхней пяте кратковременно на пусковых режимах и на режимах, лежащих правее рекомендованного диапазона подач, т.е. в режимах возможного всплытия рабочего колеса. При нарушении правил эксплуатации — установлении рабочего режима регулированием подачи от открытой задвижки — всплывшее рабочее колесо может не опускаться в свое нижнее положение и продолжительное время будет работать на своей верхней пяте.

Условия трения в верхней пяте рабочего колеса менее благоприятные, чем условия трения нижней пяты из-за меньшего перепада давления в пяте, и, следовательно, худшей смазки поверхности трения.

Износ поверхности каналов СН, контактирующих с потоком жидкости, возникает в случае применения СН для перекачивания жидкостей, содержащих механические примеси, твердость которых превышает твердость материалов СН.

В насосах типа ЭЦН, ЭЦНИ и ЭЦНК используются ступени с одними и теми же проточными частями. Ступени в насосах разных исполнений отличаются друг от друга материалами рабочих органов, пар трения и некоторыми конструктивными элементами. Значительные отличия имеет насосная ступень, разработанная и выпускаемая фирмой «Новомет» (рис. 6.7.).

Рабочее колесо 3 имеет на своем верхнем (заднем) диске радиальные лопатки 2, которые вместе с нижним диском направляющего аппарата 1 образуют упрощенную конструкцию вихревого насоса. Такая конструкция обеспечивает целый ряд преимуществ: во-первых, на 15—25 % увеличивается напор ступени, что позволяет либо увеличивать напор насоса при сохранении длины насоса, либо уменьшить длину насоса при постоянной величине напора. Во-вторых, наличие вихревой ступени обеспечивает гомогенизацию газожидкостной смеси (ГЖС), что позволяет работать погружному насосу с повышенным содержанием свободного газа на приеме (до 35 % по объему). В-третьих, наличие радиальных лопаток на верхнем диске снижает величину осевой нагрузки, действующей на рабочее колесо, что увеличивает ресурс нижней опорной шайбы 6 рабочего колеса. Надежность и КПД насоса производства фирмы «Новомет» повышает и то, что рабочее колесо выполняется методом порошковой металлургии.

Поможем написать любую работу на аналогичную тему

Источник

Ступени насоса

Конструктивные особенности насосов коррозионностойкого исполнения

Износостойкие и коррозионно-стойкие насосы имеют ряд особенностей:

– применяются двухопорные ступени;

– в качестве материала рабочих органов используется чугун аустенитный модифицированный 4Н16Д7ГХШ тип а «нирезист» (ТУ 26-06-1305-95);

– установлены промежуточные радиальные подшипники. В концевых и промежуточных подшипниках используются пары трения из силицирован-ного графита, карбида кремния, твердого сплава типа ВК-8 или др.;

– осевая опора вала секции изготавливается из износостойкого материала (силицированный графит СГ-П или карбид кремния). Существуют конструкции насосов без осевой опоры вала.

Рабочие органы насоса – ступени (СН) – выполняются с цилиндрическими (ЦЛ) и с наклонно-цилиндрическими (НЦЛ) лопатками (рис. 3).

Ступени с ЦЛ применяются на номинальные подачи до 125 м 3 /сут (включительно) в насосах с наружным диаметром 86 и 92 мм, до 160 м 3 /сут в насосах с диаметром 103 мм и до 250 м 3 /сут в насосах с диаметром 114 мм.

Ступени с НЦЛ применяются в насосах с большей подачей. В области своего применения ступени с НЦЛ имеют более высокий КПД и более чем в 1,5 раза увеличенную подачу, чем ступени с ЦЛ в тех же диаметральных габаритах. Наружный диаметр ступеней – 70, 80, 90 и 100 мм.

Конструктивно ступени изготавливают с одноопорной и двухопорной конструкцией (рис. 4б). Двухопорная конструкция ступени имеет, по сравне-

Справочник мастера по добыче нефти, газа и конденсата

нию с одноопорной ступенью, повышенный ресурс индивидуальной нижней пяты ступени, более надежную изоляцию вала от абразивной и коррозионно-агрессивной протекающей жидкости, увеличенный ресурс работы и большую жесткость вала насоса из-за увеличенных осевых длин межступенчатых уплотнений, служащих в ЭЦН помимо уплотнения дополнительными радиальными подшипниками.

Рис. 3. Ступень лопастного насоса:

1 – направляющий аппарат; 2, 4 – безлопаточные кольцевые камеры; 3 – рабочее колесо

Рис. 4. Конструкция ступени:

a) ступень с разгруженными рабочими колесами; б) ступень двухопорной конструкции

Колесо опирается на индивидуальную для каждой СН осевую опору, состоящую из опорного бурта направляющего аппарата предыдущей ступени и антифрикционной износостойкой шайбы, запрессованной в расточку рабочего колеса; при этом утечка через переднее уплотнение колеса практически равна нулю. Но механический КПД ступени с плавающим рабочим колером снижается из-за потерь трения в нижней опоре колеса. Величина этих потерь в первом приближении пропорциональна осевой силе, действующей на рабочее колесо ступени.

Характеристика ступени насоса представлена на рисунке 5.

Рис. 5. Характеристика ступени:

1 – относительный КПД (η); 2 – относительный напор (Н);

3 – относительная осевая сила (Р_ОС); 4 – относительная мощность (N);

q – относительная подача; Q – фактическая подача;

Q_OПT – оптимальная подача, соответствующая максимальному КПД

При нарушении правил эксплуатации – установлении рабочего режима регулированием подачи от открытой задвижки – всплывшее рабочее колесо может не опускаться в свое нижнее положение и продолжительное время будет работать на своей верхней пяте.

Условия трения в верхней пяте рабочего колеса менее благоприятные, чем условия трения нижней пяты, из-за меньшего перепада давления в пяте и, следовательно, худшей смазки поверхности трения.

Справочник мастера по добыче нефти, газа и конденсата

В насосах типа ЭЦН и ЭЦНК используются ступени с одними и теми же проточными частями. Ступени в насосах разных исполнений отличаются друг от друга материалами рабочих органов, пар трения и некоторыми конструктивными элементами.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Ступень погружного центробежного насоса

Техническое решение относится к области погружных центробежных насосов, используемых для перекачивания агрессивных сред, в том числе, и содержащих абразивные механические частицы, и может быть использовано для добычи полезных ископаемых в жидкой форме, в том числе, и углеводородов из нефтяных скважин. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к конструкции электрических погружных насосов, используемых для добычи углеводородов из нефтяных скважин. Подъем жидкости достигается за счет вращения многочисленных ступеней, расположенных внутри корпуса насоса. Каждая ступень состоит из неподвижного диффузора и вращающегося рабочего колеса. В добываемой жидкости присутствуют твердые частицы в средней концентрации 200 РРМ (200 мг/литр). В случае добычи тяжелой нефти, концентрация твердых частиц может быть гораздо выше. Частицы двигаются с высокой скоростью (скорость потока для традиционных сфер применения составляет свыше 15 м/с) через проходное сечение ступени, вызывая эрозионное изнашивание ступеней. Коэффициент полезного действия насоса при этом снижается. Изнашивание ступеней вызывает повышение динамических нагрузок, действующих также на подшипник вала насоса. Это ведет к ускоренному износу радиальных подшипников и преждевременному выходу насоса из строя.

Известна конструкция (SU, авторское свидетельство 576438) центробежного насоса, содержащая корпус с всасывающим и

нагнетательным патрубками, а также рабочий орган, причем для повышения долговечности насоса рабочий орган выполнен в виде двух соединенных между собой по торцу и повернутых друг относительно друга на 90° изгибных керамических пьезоэлементов.

Недостатком известной конструкции следует признать ее недостаточную долговечность и надежность, обусловленные истирание абразивными частицами элементов насоса, составляющих гидравлический тракт.

Известна (RU, патент 2083880) конструкция центробежного насоса с керамическими рабочими дисками. Известная конструкция содержит корпус, привод, связанный с рабочим колесом, включающим один из керамических рабочих дисков с установленными на нем нагнетательными элементами, расположенными в рабочей камере, имеющей впускные и выпускные отверстия и ограниченной поверхностями подвижного и неподвижных керамических дисков. При этом рабочая камера расположена между двумя керамическими дисками, обращенными друг к другу, поверхности которых выполняют одновременно роль торцевых уплотнений, и выполнена в виде паза на поверхности неподвижного керамического диска, ограниченного двумя коаксиальными поверхностями разных диаметров, причем нагнетательные элементы установлены на подвижном керамическом диске рабочего колеса с возможностью при вращении последнего попеременного перекрытия впускных и выпускных отверстий, выполняющих одновременно роль впускных и выпускных клапанов.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения можно признать конструкцию (SU, авторское свидетельство 1125408) центробежного насоса. Известная конструкция содержит износостойкие (керамические) корпус с крышкой и размещенные в нем керамическое рабочее колесо со ступицей, и направляющий аппарат.

Недостатком известной конструкции следует признать его недостаточно высокий срок службы, обусловленный абразивным износом деталей, входящих в состав гидравлического тракта.

Технической задачей, решаемой посредством использования предлагаемой конструкции погружного центробежного насоса, является повышение стойкости элементов его конструкции, входящих в состав гидравлического тракта, к абразивному износу.

Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого изобретения, состоит в повышении износостойкости ступени погружного насоса при одновременном упрощение процесса сборки ступени и повышение надежности конструкции ступени.

Указанный технический результат достигается тем, что используют ступень погружного центробежного насоса, содержащую рабочее колесо и направляющий аппарат, включающий ступицу и лопасти, причем проточная часть колеса и направляющего аппарата выполнена в виде отдельных сегментов, изготовленных из износостойкого материала, а крепление сегментов к ступице выполнено посредством наружных компрессионных колец, устанавливаемых с натягом, при этом компрессионные кольца и износостойкие сегменты выполнены сходящими на конус.

Предпочтительно между кольцом, ступицей и сегментом установлены прокладки из пластичного материала, а между торцами сегментов может быть расположено лабиринтное уплотнение,

выполненное в виде V образного соединения. Между ступицей и сегментами может быть установлено дополнительное уплотнение, которое обычно представляет собой кольцо с присоединенными радиальными лучами по количеству равных количеству сегментов.

Указанные сегменты преимущественно изготовлены из керамики, предпочтительно оксида алюминия или диоксида циркония или карбидных соединений металлов.

Предложенная конструкция в дальнейшем будет иллюстрирована с использованием графического материала, при этом на фиг.1 приведена структура типовой насосной секции погружных электрических насосов, на фиг.2 приведен вид шпоночного соединения, на фиг.3 приведен вид рабочего колеса, на фиг.4 приведен вид направляющего аппарата.

Структура типовой насосной секции электрических погружных насосов показана на Фиг.1. Она содержит корпус 1 и вал 2 с радиальными подшипниками 3. Направляющие аппараты 4 ступеней размещены внутри корпуса и удерживаются от вращения с использованием сил трения, возникающих в результате сжатия их между верхним 5 и нижним 6 основаниями насоса. Рабочие колеса 7 ступеней установлены на валу 2 насоса. Рабочие колеса зафиксированы в состоянии сжатия с использованием гайки 8. Вращение вала поступает от вала к каждому рабочему колесу с использованием шпоночного соединения (фиг.2).

Каждое рабочее колесо (фиг.3) состоит из износостойких сегментов с лопастями 9, размещенными вокруг ступицы 10. Сегменты зафиксированы на месте с использованием компрессионных колец, сходящих на конус, 11 и 12.

Каждый направляющий аппарат (фиг.4) состоит из износостойких сегментов с лопастями 13, размещенными вокруг ступицы 14. Сегменты зафиксированы на месте с использованием компрессионного кольца, сходящего на конус, 15. Компрессионное кольцо имеет резьбу на внешней стороне. Промежуточную сборку «сегменты — ступица — компрессионное кольцо» посредством указанной резьбы закрепляют внутри наружного кожуха 16.

Сборку рабочего колеса (фиг.3) осуществляют следующим образом. Сегменты 9 устанавливают в посадочное место ступицы 10. Кольцо 11 нагревают до фиксированной температуры. Температуру нагрева определяют исходя из достижения необходимой величины усилия натяга в соединении; она зависит от коэффициента теплового объемного расширения материала кольца. После нагрева кольцо 11 устанавливают поверх сегментов 9. По мере охлаждения кольцо 11 обжимает сегменты 9 и прижимает их к ступице 10.

Сборку направляющего аппарата осуществляют аналогично.

Предлагаемая конструкция ступени позволяет, кроме ранее указанных преимуществ, удобно и надежно устанавливать компрессионные кольца над износостойкими сегментами, а также точно позиционировать сегменты диффузора внутри кожуха.

Выполнение проточной части колеса и направляющего аппарата в виде набора отдельных сегментов, снабженных лопастями и изготовленными из износостойких материалов, причем крепления сегментов к ступицам выполнены посредством наружных компрессионных колец, установленных с натягом, обеспечивает, с одной стороны, повышение износостойкости ступени погружного насоса за счет использования износостойких материалов, с другой стороны, одновременное упрощение процесса сборки ступени и повышение надежности конструкции ступени за счет использования

отдельных сегментов конусообразной формы, упрощающей сборку и уменьшающей внутренние напряжения в собранном элементе.

1. Ступень погружного центробежного насоса, содержащая колесо и направляющий аппарат, каждый из которых включает ступицу, отличающийся тем, что проточная часть колеса и направляющего аппарата выполнены в виде набора отдельных сегментов, снабженных лопастями и изготовленными из износостойких материалов, причем крепления сегментов к ступицам выполнены посредством наружных компрессионных колец, установленных с натягом, при этом компрессионные кольца и износостойкие сегменты выполнены сходящимися на конус.

2. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что между кольцом, ступицей и сегментом установлены прокладки из пластичного материала.

3. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что между торцами сегментов выполнено лабиринтное уплотнение, выполненное в виде V образного соединения.

4. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что между ступицей и сегментами установлено уплотнение.

5. Ступень по п.4, отличающаяся тем, что указанное уплотнение представляет собой кольцо с присоединенными радиальными лучами по количеству равных количеству сегментов.

Источник