При работе насоса осевые усилия от рабочих колес передаются на направляющие аппараты и на корпус насоса.
При этом на вал насоса действует осевая сила от перепада давления на торец вала и осевая сила, действующая на рабочие колеса, прихваченные к валу из-за наличия в пластовой жидкости коррозионно-активных элементов и механических примесей. Для восприятия осевых сил, действующих на вал, в конструкции насоса предусмотрены осевые опоры.
Осевые усилия в таком насосе воспринимаются осевой опорой вала самого насоса (в отечественных конструкциях ЭЦН — рис. 6.8) или осевой опорой гидрозащиты (большая часть насосов импортного производства). В секции или модуль-секции насоса (рис. 6.8, а) обычного исполнения применяется упорный подшипник или гидродинамическая пята (рис. 6.9.), состоящий из кольца 1 с сегментами на обеих плоскостях, устанавливаемого между двумя гладкими шайбами 2, 3.
Сегменты на шайбе пяты 1 выполнены с наклонной поверхностью с углом α = 5—7° и плоской площадкой длиной (0,5—0,7)L (где L — полная длина сегмента). Ширина сегмента В равна (l...l,4)L. Для компенсации неточностей изготовления и восприятия ударных нагрузок под гладкие кольца помещены эластичные резиновые шайбы-амортизаторы 4, 5, запрессованные в верхнюю 6 и нижнюю 7 опоры. Осевая сила от вала передается через пружинное кольцо 8 опоры вала и дистанционную втулку 9 упорному подшипнику.
Гидродинамическая пята выполнена с радиальными канавками, скосом и плоской частью на поверхности трения о подпятник. Она обычно изготавливается из бельтинга (технической ткани с крупными ячейками), пропитанного графитом с резиной и завулканизированного («запеченного») в пресс-форме. При вращении пяты жидкость идет от центра к периферии по канавкам, попадает под скос и нагнетается в зазор между плоскими частями подпятника и пяты. Таким образом, подпятник скользит по слою жидкости. Такое жидкостное трение (не в пусковом, а в рабочем режиме пяты) обеспечивает низкий коэффициент трения, незначительные потери энергии на трение в пяте, малый износ деталей пяты при достаточном осевом усилии, которое она воспринимает.
Радиальный подшипник ЭЦН воспринимает радиальные нагрузки, возникающие при работе насоса. Радиальный подшипник (рис. 6.10) состоит из опорной втулки с вкладышем 1, которые являются неподвижными деталями и втулки 2, вращающейся вместе с валом. В каждой модуль-секции насоса обычного исполнения вал имеет два радиальных подшипника - верхний и нижний, а в модуль-секциях насосов износостойкого исполнения, используются промежуточные радиальные опоры. Также широко используется конструкция насоса с «плавающим низом», при которой осевая нагрузка, действующая на ротор секции насоса, воспринимается частью (около 40 %) верхних ступеней, рабочие колеса которых жестко закреплены на валу, рабочие же колеса нижних ступеней выполнены плавающими.
За счет такой конструкции в модуль-секции насоса образуется гребенчатая пята. Фиксирование колес на валу осуществляется между нижними 7 и верхними 3 полукольцами, помещенными в соответствующие кольцевые проточки (рис. 6.11). Два полукольца 7 запираются ступицей первого из закрепленных на валу рабочего колеса.
Распор ступиц рабочих колес достигается вращением специальной гайки относительно втулки, имеющей наружную резьбу. Упором для специальной гайки служат два полукольца, помещенные в верхнюю расточку вала.
Еще одним вариантом является конструкция насоса с закрепленными на валу, распертыми рабочими колесами, при которой все рабочие колеса модуль-секции фиксируются на валу. Обычно такое исполнение выполняется на коротких модуль-секциях длиной до 2,4 м, которые могут помещаться над модуль-секцией насоса, выполненным с плавающим низом, гребенчатая пята которой воспринимает осевую силу этой модуль-секции. При ином конструктивном исполнении осевая сила, действующая на ротор секции насоса с «плавающим низом», передается на осевую опору протектора (рис. 6.11).
Поперечные (радиальные) усилия в секции насоса, предназначенного для откачки неабразивной жидкости, воспринимаются двумя концевыми радиальными подшипниками, корпуса которых размещены в головке и корпусе входного модуля или в нижней части секции.
В радиальных подшипниках использована пара трения скольжения, материал которой зависит от условий эксплуатации.
Кроме того, поперечные усилия в секции воспринимаются радиальными подшипниками, функции которых выполняют пары трения, образованные ступицами рабочих колес и расточками направляющих аппаратов.
На рис. 6.8 показан скважинный центробежный насос в сборе. Осевое усилие, действующее на вал, воспринимается гидродинамической пятой 1. Вал 3 расположен в радиальных подшипниках скольжения 2 и 8. Радиальными подшипниками вала являются и опоры скольжения у втулок вала и внутреннего диаметра направляющих аппаратов 5 у каждой ступени. Крутящий момент передается от вала к рабочим колесам 7 через шпонку 6. Вся сборка ротора насоса размещена в корпусе 4 и сжата сверху корпусом подшипника 2, а внизу - основанием 10, на котором размещена приемная сетка 9. В верхней части насоса на корпус подшипника 2 навернута ловильная головка насоса, в которой имеется резьба для соединения с НКТ. Вал насоса соединяется с валом гидрозащиты шлицевой муфтой 11.
Для создания высоконапорных скважинных центробежных насосов в насосе приходится устанавливать множество ступеней (до 550 штук). При этом они не могут разместиться в одном корпусе, поскольку длина такого насоса (15—20 м) затрудняет транспортировку, монтаж на скважине и изготовление корпуса. Высоконапорные насосы составляются из нескольких модуль-секций. Длина корпуса в каждой секции не более 6 м. Корпусные детали отдельных модуль-секций соединяются фланцами с болтами или шпильками, а валы — шлицевыми муфтами. Каждая секция насоса имеет верхнюю осевую опору вала, вал, радиальные опоры вала, ступени. Приемную сетку имеет только 
входной модуль насоса (рис. 6.12), расположенный в нижней секции или в модуле насосном-газосепараторе. Ловильную модуль-головку имеет только верхняя секция насоса (рис. 6.13). Модуль-секции высоконапорных насосов могут иметь длину меньшую, чем 6 м (обычно длина корпуса насоса составляет 3, 4 и 5 м), в зависимости от числа ступеней, которые надо в них разместить.
При отборе насосом жидкости с небольшим содержанием механических примесей и достаточной смазкой (наличие в жидкости нефти) насосы обычного исполнения обеспечивают длительную эксплуатацию скважины без их ремонта.
В насосе имеются пары трения: текстолит по чугуну в осевых опорах рабочего колеса в ступени; латунная втулка, надетая на вал между рабочими колесами, или удлиненная чугунная ступица рабочего колеса по чугуну направляющего аппарата; прорезиненный и графитизированный бельтинг по закаленному и шлифованному стальному подпятнику в пяте насоса. Все эти пары трения достаточно долговечны при соответствующих условиях эксплуатации. При большой обводненности они работоспособны в течение 100-200 сут, а при достаточно большом количестве нефти в отбираемой жидкости насос может работать без ремонта от года до нескольких лет (есть примеры работы агрегатов ЭЦН без подъема из скважин в течение 3 - 5 лет).
Скважинные центробежные насосы могут быть выполнены и для осложненных условий эксплуатации, например - для отбора жидкости с большим содержанием песка, отбора сильно обводненной жидкости с повышенной коррозионной агрессивностью.
Для отбора жидкости с большим содержанием механических примесей (в основном песка) предназначаются износостойкие насосы. Они рассчитаны на отбор жидкости с содержанием 0,05 % (0,5 г/л) механических примесей.
При отборе жидкости с песком свободно движущийся абразив разрушает диски и лопатки рабочего колеса и части направляющего аппарата, особенно в местах изменения направления движения струи жидкости. В местах трения деталей, у текстолитовой опоры, у ступицы колеса попадающий в зазор песок также изнашивает эти детали, причем ступицы изнашиваются до вала. Длинный гибкий вал при вращении получает несколько полуволн изгиба, и на его поверхности места износа четко показывают форму, которую он принимает при работе насоса (рис. 6.14).
Для увеличения срока службы насоса при отборе жидкости с большим содержанием песка в конструкцию насоса могут быть внесены следующие основные изменения:
1. Чугунные рабочие колеса заменены пластмассовыми из полиамидной смолы или углепластика, стойких против износа свободным абразивом и не набухающих в воде. В скважинах с большим содержанием нефти, как показал опыт, они менее работоспособны.
2. Вместо одноопорной применяется двухопорная конструкция рабочего колеса.
3. Текстолитовая опора колеса заменена резиновой, а в направляющем аппарате опорой для этой резиновой шайбы служит стальная термообработанная втулка.
4. Для уменьшения износа ступиц рабочих колес и вала ставятся дополнительные (промежуточное) радиальные опоры, которые препятствуют изгибу вала при его вращении (см. рис. 6.14).
Таким образом, снижаются усилия у радиальной опоры колеса в направляющем аппарате.
С помощью этих и некоторых других изменений обычной конструкции насоса срок службы износостойкого насоса увеличивается в 2,5—7 раз.
Для удержания вала в прямолинейном состоянии необходимо промежуточные (например, — резинометаллические) радиальные опоры ставить друг от друга на расстоянии, равном половине полуволны изгиба вала. На рис. 6.14. показаны длина полуволны l и расстояние между подшипниками 1/2l.
Длину полуволны изгиба вала можно найти, учитывая, что при вращении и изгибе вала потенциальная энергия изгиба вала (V) должна быть равна сумме работы центробежных сил ротора насоса (А1), осевых сил, действующих на вал (A2), и гидродинамических сил (А3), возникающих в радиальной опоре рабочего колеса в каждой ступени. Последние силы обусловлены давлением жидкости в зазоре между ступицей рабочего колеса и опорой в направляющем аппарате.
Анализ всех этих сил применительно к современной конструкции износоустойчивого насоса показывает, что:
1) несмотря на применение пластмассовых колес и уменьшение, таким образом, массы ротора центробежного насоса, центробежные силы остаются основными факторами, изгибающими вал;
2) осевые силы, действующие на вал в предложенной конструкции и при опоре рабочих колес на направляющие аппараты, невелики, так как они воспринимаются в основном верхней осевой опорой, на которой подвешен вал; вес самого вала незначительно увеличивает (на 2—6 %) полуволну изгиба вала;
3) так как износостойкие насосы применяются в основном при большой обводненности, когда вязкость откачиваемой жидкости незначительно отличается от вязкости воды, то гидродинамические силы незначительны.
Таким образом, для инженерных расчетов в случае, когда условия эксплуатации известны недостаточно точно, можно учитывать только действие центробежных сил и потенциальной энергии изгибаемого вала (последнее обусловлено размерами вала и характеристикой его материала). В этом случае длина полуволны изгиба будет
где Е — модуль упругости материала вала; I — момент инерции сечения вала; q — вес единицы длины ротора насоса (вала, втулок, надетых на вал, рабочих колес); ω — частота вращения вала.
В более точных расчетах, в основном при исследованиях, необходимо учитывать все указанные силы.
Тогда выражение, из которого надо найти l, принимает следующий вид:
|
где В, D, Е, С и А — величины, зависящие от параметров ротора насоса, его частоты вращения и вязкости перекачиваемой жидкости.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему