1.1.1. 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 отечественных конструкциях ЭЦН — рис. 1.5) или осевой опорой гид­ро­защиты (большая часть насо­сов импортного производства).

Рис. 1.5. Схема скважинного центробежного насоса с колесами плавающего типа

В секции или модуль-секции насоса (рис. 1.5, а) обычного исполнения при­ме­няется упорный подшипник или гидродинамическая пята (рис. 1.6), сос­тоя­щий из кольца 1 с сегментами на обеих плоскостях, устанавливаемого между дву­мя гладкими шай­бами 2, 3.

Рис. 1.5, а. Модуль-секция насоса:

1 — головка; 2 — вал; 3 — опора; 4 — верхний подшипник; 5 — кольцо; 6 — направляющий аппа­рат; 7 — рабочее колесо; 8 — корпус; 9 — нижний подшипник; 10 — ребро, 11 — осно­ва­ние.

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 (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.

Рис. 1.6. Упорный подшипник ЭЦН

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. 1.7) состоит из опор­ной втулки с вкладышем 1, кото­рые является 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.

Рис. 1.7. Радиальный подшипник ЭЦН

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 [3].

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. 1.8). 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.

Рис. 1.8. Центробежный насос с передачей осевой нагрузки с рабочих колес на вал

1 — головка; 2 — верхний подшипник; 3 — верхнее полукольцо; 4 — стяж­ная гайка; 5 — вал; 6 — распертое рабочее колесо; 7 — нижнее полукольцо; 8 — корпус; 9 — плаваю­щее рабочее колесо; 10 — направляющий аппарат; 11 — нижний подшипник; 12 — осно­ва­ние; 13 — шлицевая муфта

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. 1.8) [3].

Поперечные (радиальные) усилия в секции насоса, предназ­наченного для откачки неабразивной жидкости, воспринимают­ся двумя концевыми радиаль­ны­ми подшипниками, корпуса ко­торых размешены 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. 1.5 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 раз­мешена в корпусе 4 и сжата сверху корпусом подшипника 2, а внизу — осно­ванием 10, на котором размешена 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. 1.9), расположенный в нижней секции или в модуле насосном-га­зо­се­параторе. Ловильную модуль-го­ловку имеет только верхняя секция насоса (рис. 1.10). 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.

Рис. 1.9. Модуль входной насос

1 — основание, 2 — нал, 3 — втулка подшипник, 4 — сетка, 5 — защитная втулка, 6 — шли­це­вая муфта, 7 — шпилька.

Рис. 1.10. Модуль-головка насоса

1 — кольцо уплотнительное, 2 — ребро, 3 — корпус.

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 аппарат, 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. 1.11).

Рис. 1.11. Схема искривления вала насоса

1 — место установки радиальных опор вала износостойкого насоса

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. 1.11).

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. 1.11. по­ка­заны длина полуволны l и расстояние между подшипниками 1/2 l.

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 (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%) полу­волн) 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.