Осевые опоры и радиальные подшипники вала насоса

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 некоторых отечественных конструкциях ЭЦН - рис. 4.9) или осевой опорой гидрозащиты (насосы импортного производства и современные отечественные разработки - Рис. 4.11).

На рис. 4.9 показана секция центробежного насоса в сборе.

В секции или модуль-секции насоса (рис. 4.9) обычного исполнения применяется гидродинамическая пята (рис. 4.10) или Упорный подшипник, состоящий из кольца 1 с сегментами на °беих плоскостях, устанавливаемого между двумя гладкими шайбами 2, 3. 

 подшипник ЭЦН

Сегменты на шайбе пяты 1 выполнены с наклонной поверхностью с углом а = 5-7° и плоской площадкой длиной (0,5-0,7) L (где L - полная длина сегмента). Ширина сегмента В равна (1-1,4)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 прессформе. 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. 4.12) 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 кроме перечисленных радиальных подшипников используются промежуточные радиальные опоры.

Достаточно 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 Щебенчатая пята.

Фиксирование колес на валу осуществляется между нижними 7 и верхними 3 полукольцами, помещенными в соответствующие кольцевые проточки (рис. 4,15). 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.

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.

Для создания высоконапорных скважинных центробежных насосов в насосе приходится устанавливать множество ступеней (до 600 и более штук). При этом они не могут разместиться в одном корпусе) поскольку длина такого насоса (15-20 м и более) затрудняет транспортировку, монтаж на скважине и изготовление корпуса и вала. Высоконапорные насосы составляются из нескольких модуль- секций. Длина корпуса в каждой секции обычно не более 6 м, хотя в последнее время есть предложения от российских фирм- производителей по выпуску односекционных насосов с длиной до 10 м. Корпусные детали отдельных модуль-секций соединяются фланцами с болтами или шпильками, а валы - шлицевыми муфтами. Каждая секция насоса имеет вал, радиальные опоры вала, ступени. Приемную сетку имеет только входной модуль насоса (рис. 4.13), расположенный в нижней секции или в модуле насосном газосепа-раторе. Ловильную модуль-головку (рис. 4.14) имеет только верхняя секция насоса. 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 следующие 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; втулка резиновая или из силицированного графита по закаленной и шлифованной стальной втулке вала насоса. Все эти пары трения достаточно долговечны при соответствующих условиях эксплуатации. При большой обводненности они работоспособны в течение 200 и более суток, 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 от 0,05 до 0,1% (0,5 - 1,0 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. 4.16).

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, стойкими против износа свободным абразивом и не набухающими в воде.

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 пре-пятствуют изгибу вала при его вращении (см. рис. 4.12).

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.

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 (А2), и гидродинамических сил (Аз), возникающих в радиальной опоре рабочего колеса в каждой ступени. Последние силы обусловлены давлением жидкости в зазоре между ступицей рабочего колеса и опорной в направляющем аппарате.

V = A1 + A2+A3.    (4.1)

Анализ всех этих сил применительно к современной конструкции износоустойчивого насоса показывает следующее.

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; J - момент инерции сечения вала; g - ускорение свободного падения; q - вес единицы длины ротора насоса (вала, втулок, надетых на вал, рабочих колес); - частота вращения вала.

В более точных расчетах, в основном при исследованиях, необходимо учитывать все указанные силы.

Тогда выражение, из которого надо найти /, принимает следующий вид:

где В, D, I, С и А - величины, зависящие от параметров ротора насоса, его частоты вращения и вязкости перекачиваемой жидкости.

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Поделиться: