Скважинный центробежный электронасос

009266 Изобретение относится к гидродинамике и предназначено для добычи нефти и воды из глубоких скважин. Одним из видов современного оборудования, предназначенного для добычи нефти, являются скважинные центробежные электронасосы. Они должны обеспечивать эксплуатацию нефтяных скважин малого диаметра и большой глубины и длительную безотказную работу в жидкостях, содержащих коррозионные элементы и механические примеси, преимущественно в виде песка и соли. Температура откачиваемой жидкости в некоторых скважинах доходит до 120C. Особенностью этих насосов является отсутствие промежуточного звена - насосных штанг, что повышает межремонтный период работы скважин, упрощает обслуживание и расширяет область применения насосной добычи нефти из глубоких скважин с низкими статистическими уровнями жидкости, при которых обеспечивается большой приток жидкости. В настоящее время скважинные центробежные электронасосы используются на нефтяных промыслах всего мира для добычи нефти из глубоких скважин. Широкий диапазон параметров по подаче и напору, продолжительный межремонтный период работы и высокий коэффициент эксплуатации скважин, а также ряд других преимуществ позволили центробежным электронасосам занять ведущее место в механизированной добыче нефти. Значение их для увеличения общего объема добычи нефти будет неуклонно расти. Условия эксплуатации скважинных центробежных электронасосов в нефтяных скважинах предъявляют весьма жесткие требования к конструкциям подобного рода машин. Все эти требования сводятся к следующему: 1) электронасос должен быть высоконапорным, так как высота подъема жидкости из скважины может достигать 2000-3000 м; 2) погружное оборудование, несмотря на малые габариты по диаметру, должно обладать значительной мощностью, увеличение которой может осуществляется только за счет роста длины двигателя и насоса; 3) погружной агрегат должен безотказно и длительно работать в среде с высокой температурой, с содержанием песка, коррозионно-активными элементами, газом и т.д. (1). Известен скважинный центробежный электронасос, состоящий из корпуса насоса, вала, скользящих подшипников, сетки, основания, ловильной головки, рабочих колес и направляющих аппаратов. Рабочие колеса и направляющие аппараты насоса изготавливаются обычно литыми из специального легированного чугуна, из стального литья или из твердого сплава. Рабочие колеса состоят из ведущего и ведомого диска. Между двумя дисками расположены лопасти с криволинейными траекториями, так называемые лопасти одинарной кривизны (т.е. цилиндрические лопасти), которые по форме повторяются по всей высоте (1). Как известно, при движении жидкостей или твердых веществ по криволинейной траектории имеет место некоторое ускорение. Однако это ускорение настолько мало, что его можно считать практически инерциальным, т.к. ускорение, получаемое жидкостью только при криволинейной траектории по длине лопаток и лопастей, очень мало. При вращении рабочего колеса поток жидкости в колесе движется по одинаковым криволинейным траекториям, определяемым формой лопасти. Выходящая из рабочего колеса жидкость направляется в направляющий аппарат, который помещается в корпусе насоса и представляет собой неподвижное кольцо. Это кольцо состоит из двух дисков,между которыми расположены лопатки с криволинейными траекториями, так называемые лопатки одинарной кривизны (т.е. цилиндрические лопатки), которые по форме повторяются по всей высоте. Направляющий аппарат предназначен для уменьшения скорости жидкости, выходящий из рабочего колеса,т.е. для преобразования кинетической энергии жидкости в потенциальную энергию (3). Направляющие аппараты изготавливаются в двух видах: радиальные направляющие аппараты и осевые направляющие аппараты. Мы будем описывать только осевые направляющие аппараты (т.к. радиальные направляющие аппараты используются обычно для добычи воды). Основными недостатками подобных скважинных центробежных электронасосов являются: 1) существенные потери мощности электродвигателя (от 10 до 15%), способствующие быстрому выходу из строя электродвигателя и гидрозащиты, низкий КПД рабочих органов, что значительно влияет на КПД электронасоса; 2) большое осевое давление, действующее на рабочие колеса, за счет образования давления жидкостного клина между рабочими колесами и направляющими аппаратами; 3) низкие гидравлические качества нефтяных ступеней, низкий дисковый КПД рабочих колес, так как часть жидкости, вошедшая в канал рабочего колеса, попадает обратно из канала в сторону всасывания, то есть происходит рециркуляция жидкости в каналах рабочего колеса. Все эти описываемые недостатки возникают из-за так называемых лопастей и лопаток одинарной кривизны, цилиндрических (Ц.Л.) или наклонно-цилиндрических (Н.Ц.Л.), не имеющих оптимальную конфигурацию поверхности по высоте, в результате чего получаемое жидкостью ускорение только при криволинейной траектории по длине лопаток и лопастей очень мало; 4) высокая себестоимость и низкое массовое производство рабочих органов указывают на дороговизну используемого сырья и на очень сложную технологию производства. Задачей настоящего изобретения является снижение потерь мощности электродвигателя (от 10 до 15%), повышение КПД рабочих органов, значительное снижение осевого давления, действующего на-1 009266 рабочие колеса, увеличение дискового КПД рабочих колес, повышение напора ступени (рабочего органа), и все это за счет изготовления лопастей и лопаток двойной кривизны,Поставленная задача достигается тем, что в скважинном центробежном электронасосе, состоящем из корпуса насоса, вала, скользящих подшипников, сетки, основания, ловильной головки, рабочих колес и направляющих аппаратов, лопасти рабочих колес и лопатки направляющих аппаратов имеют оптимальную конфигурацию поверхности по всей высоте тока линии движущейся жидкости, то есть входные и выходные углы лопастей, а также входные и выходные углы лопаток по всей высоте изготавливаются с двойной кривизной (говоря о двойной кривизне, здесь подразумевается трех- или четырехкратная кривизна по всей высоте). В рабочем колесе создается кинетическая энергия. Кинетическая энергия - это энергия движения, которая зависит от пути движения жидкости. Поэтому, используя двойную кривизну в лопастях по всей высоте, можно увеличить энергию движения жидкости в нужном направлении. Это достигается за счет того, что в рабочем колесе каждая частица жидкости участвует одновременно в трех(а не в двух, как обычно в цилиндрических или наклонно-цилиндрических формах) движениях: перемещается вдоль (по длине) лопасти, вращается вместе с колесом со скоростью, равной окружной скорости колеса, а также перемещается поперек (по высоте) лопасти с плавным равномерным изменением углов по всей высоте лопастей. Но надо отметить, что двойная кривизна по всей высоте лопастей изготавливается не прямолинейно, а с криволинейными траекториями, что влияет на ускорение движения жидкости. Силы, работа которых зависит от пути, по которому тело или жидкость переходит из одного положения в другое, называются неконсервативными. Есть положения жидкости в направляющем аппарате, не зависящие от пути, а определяемые только начальным и конечным положениями жидкости в пространстве. При входе жидкости в направляющий аппарат (то есть в отводящую часть) скорость ее больше, чем давление. При выходе из направляющего аппарата (то есть из подводящей части) скорость жидкости уменьшается, а давление возрастает. Одновременно приданием соответствующей формы двойной кривизны лопаткам направляющего аппарата достигается также изменение направления скорости жидкости, выходящей из рабочего колеса, и обеспечивается ее плавный равномерный безударный перевод в скорость в зигзагообразной камере. Для конструирования и изготовления профилей лопаток и лопастей двойной кривизны, в основном,был применен закон кинетической энергии, а для всей конструкции рабочего органа (ступень) была применена закономерность французского ученого Кулона на основании того, что рабочее колесо и направляющий аппарат при работе взаимодействуют друг с другом и между ними происходит скольжение (2). В конце XVIII века на основании многочисленных опытов Кулон считал, что коэффициент трения не зависит ни от величины относительной скорости трущихся тел, ни от величины удельного давления, ни от времени, в течение которого происходит скольжение. Необходимо отметить, что этот вывод является верным только при определенных скоростях и удельных давлениях и применять эту закономерность Кулона для всех случаев технического решения нельзя. Поэтому на основании закономерности Кулона, а также на основании закона кинетической энергии при изготовлении рабочих органов надо полностью отказаться от литейного производства по технологическим и конструктивным соображениям. Лопатки направляющего аппарата имеют сквозные отверстия с определенными диаметрами для того, чтобы уменьшить осевое давление, действующее на рабочие колеса, при этом отверстия должны находиться на подводящей части аппарата. Направляющие аппараты изготавливаются из трех отдельных частей, в первую часть входят лопатки двойной кривизной с дисками, во вторую часть входят диски со втулкой, а в третью часть входят специальная втулка с пазами. Внутренняя поверхность специальной втулки состоит из двух противоположно расположенных конических форм с определенными углами. При помощи пазов первая и вторая часть вставляются в третью часть. Преимущество изготовления направляющего аппарата из трех отдельных частей состоит в том, что это дает возможность изготовить входные и выходные углы лопаток по всей высоте с двойной кривизной, а также совместно с дисками. С другой стороны, это дает возможность изготовить специальную втулку с пазами. Иными словами, для того, чтобы применить закономерность Кулона, направляющий аппарат должен быть изготовлен из трех отдельных частей по технологическим и по конструктивным соображениям. Лопатки с дисками, диски с втулкой и специальная втулка направляющего аппарата изготавливаются съемными, и это дает возможность при износе одного из них частично заменить их без изготовления нового направляющего аппарата. Надо отметить, что рабочие колеса изготавливаются цельными. В направляющем аппарате создается потенциальная энергия. Так как, если жидкость поставлена в такие условия, что в каждой точке пространства она подвержена воздействию других тел с силой, закономерно изменяющейся от точки к точке, тогда говорят, что это тело (жидкость) находится в поле сил. В этом случае поле сил называется потенциальным, а силы - консервативными. Потенциальная энергия это энергия положения. То есть положение жидкости в направляющем аппарате не зависит от пути, а определяется только начальным и конечным положениями жидкости в пространстве. При входе жидкости в направляющий аппарат (то есть в отводящую часть) скорость ее больше, чем давление. При выходе из направляющего-2 009266 аппарата (то есть из подводящей части) скорость жидкости уменьшается, а давление возрастает. Одновременно приданием соответствующей формы двойной кривизны лопаткам направляющего аппарата достигается также изменение направления скорости движения жидкости, выходящей из рабочего колеса,и обеспечивается ее плавный равномерный безударный перевод в скорость в зигзагообразной камере. Таким образом, благодаря тому, что лопатки с дисками, диски с втулкой и специальные втулки направляющего аппарата изготавливаются съемными, достигается возможность в десятки раз понизить себестоимость и в несколько раз повысить массовое производство рабочих органов. Изложенная сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показан скважинный центробежный электронасос. На фиг. 2 - конструкция направляющего аппарата с лопаткой двойной кривизны. На фиг. 3 - конструкция рабочего колеса с лопастью двойной кривизны. На фиг. 4 - рабочий орган или ступень нефтяной. Скважинный центробежный электронасос состоит из корпуса насоса 1, направляющих аппаратов 2,рабочих колес 3, вала 4, скользящих подшипников 5, сетки 6, основания 7 и ловильной головки 8. Направляющий аппарат 2 состоит из трех отдельных частей. Первая и вторая части состоят из лопаток двойной кривизны 10 и дисков 9. Лопатки имеют двойную кривизну как в лицевой части 11, так и в тыльной части 12. Лопатки с дисками, диски с втулкой и специальная втулка направляющих аппаратов изготовлены съемными, так как при износе они легко снимаются и заменяются новыми частями без замены всего направляющего аппарата. Третья часть состоит из специальной втулки 13 с пазами, при помощи этих пазов первая и вторая части вставляются в третью часть и тем самым образуют единый направляющий аппарат 2. Внутренняя поверхность втулки 13 имеет два противоположно расположенных конуса с определенными углами. Как в первую, так и во вторую части направляющего аппарата вставляются опорные резиновые шайбы 17, при помощи которых осуществляется трение между рабочим колесом 3 и направляющим аппаратом 2. Рабочее колесо 3 состоит из ведущего и ведомого диска и изготавливается цельным. Между этими дисками расположены лопасти 14 двойной кривизны. Лопасти имеют двойную кривизну как в лицевой части 15, так и в тыльной части 16. Ловильная головка 8 имеет внутреннюю резьбу, при помощи которой она соединяется с насосно-компрессорными трубами. Рабочие колеса 3 и направляющие аппараты 2 смонтированы на одном валу 4, который поддерживается скользящими подшипниками 5. Рабочие колеса 3 свободно передвигаются на валу 4 в осевом направлении. Направляющие аппараты 2 соединены неподвижно. Рабочие колеса 3 в осевом направлении ограничены в перемещении нижними и верхними направляющими аппаратами 2. Монтируемые на вал 4 рабочие колеса 3 и направляющие аппараты 2 с определенным количеством ступеней образуют пакет ступеней. Этот пакет ступеней насаживают в корпус насоса 1 при помощи лебедки. При помощи основания 7 вал 4 насоса со шлицевой муфтой соединен с погружным электродвигателем, который не показан на фиг. 1. Устройство работает следующим образом: при вращении вала (3000 об./мин) крутящий момент передается от вала 4 к рабочим колесам 5, в результате чего жидкость нагнетается в каналы, образованные лопастями 14 рабочего колеса 3, и направляется от оси насоса к его периферии. Жидкость, проходя между лопастями, вращается ими и под действием центробежных сил выбрасывается в неподвижные лопатки 10 направляющего аппарата 2, вследствие чего скорость жидкости снижается, а ее давление еще более увеличивается. В результате движения жидкости от оси к периферии рабочего колеса 3 у его входа (около вала насоса) создается область пониженного давления и происходит постоянный приток жидкости к рабочим колесам 3. В зависимости от глубины скважины можно менять количество ступеней пакета. Чем глубже скважина, тем больше количество ступеней пакета, и наоборот. А если сравнить работу электронасосов по эксплуатации глубоких скважин, то новые насосы работают на глубине более 3500 м. Литература 1. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования. Учеб. пособие для вузов. Л.Г.Чичеров, Г.В. Молчанов, A.M. Рабинович и др. Москва, Недра 1987 г., стр. 60-66, стр. 131-175. 2. Ш.Ф. Марголин Теория механизмов и машин, Минск, изд. Высшая школа, 1968 г., стр. 254. 3. А.А. Богданов Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти, Москва, изд. Недра, 1968 г., стр. 48; 60. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Скважинный центробежный электронасос, включающий корпус, насос, вал, скользящие подшипники, сетку, основание, ловильную головку, направляющие аппараты и рабочие колеса, отличающийся тем, что входные и выходные углы лопастей рабочих колес, а также входные и выходные углы лопаток направляющих аппаратов выполнены по всей высоте двойной кривизны, а направляющий аппарат выполнен сборно-разборным, состоящим из диска с лопатками двойной кривизны, из диска с втулкой и из втулки с пазами, оба диска снабжены опорными резиновыми шайбами, при этом лопатки направляющего аппарата выполнены со сквозными отверстиями в подводящей части. 2. Электронасос по п.1, отличающийся тем, что входные и выходные углы лицевой части лопаток и-3 009266 лопастей двойной кривизны отличаются от входных и выходных углов тыльной части лопаток и лопастей двойной кривизны. 3. Электронасос по пп.1 и 2, отличающийся тем, что входные и выходные углы лицевой и тыльной части лопастей и лопаток выполняются по всей высоте с криволинейными траекториями. 4. Электронасос по пп.1-3, отличающийся тем, что направление потока жидкости между тыльной частью лопасти и лицевой частью последующей лопасти должно совпадать при входе в отводящую часть направляющего аппарата.