Домашнее задание № 2. Определение осевых и радиальных усилий, возникающих при работе электроприводных центробежных насосов (эцн) для добычи нефти. Выбор материалов осевых и радиальных опор эцн.

Осевые и радиальные усилия, действующие при работе ЭЦН, возникают за счт перепада давления на каждом рабочем колесе; в насосе в целом, а также за счет дисбаланса ротора (вал насоса с защитными втулками и рабочими колесами в сборе) насоса.

Наличие указанных нагрузок требует оснащения насосов системами осевых и радиальных подшипников.

В большинстве конструкций ЭЦН отечественного производства применяется «плавающее» рабочее колесо, осевая нагрузка, возникающая на каждом рабочем колесе, передается на соответствующий направляющий аппарат (см.рис.4).

В этой конструкции ЭЦН осевая нагрузка, действующая на вал насоса, является произведением давления насоса (секции насоса) на площадь поперечного сечения вала. Эта нагрузка воспринимается осевой опорой вала, расположенной в секции насоса (см.рис.5), или осевой опорой протектора гидрозащиты погружного электродвигателя (ПЭД).

Выбор материалов осевых и радиальных опор насосов зависит от нагрузок и физико-химических свойств откачиваемой жидкости (см.табл. 1 ).

Рис.4. Конструкции рабочих колес и направляющих аппаратов ЭЦН:

а- с разгрузкой осевого усилия; б – с двухопорными рабочими колесами

1-корпус ЭЦН; 2-направляющий аппарат; 3- рабочее колесо; 4- опорные шайбы (осевой подшипник рабочего колеса)

Рис.5. Конструкция осевой опоры вала ЭЦН:

1-пята; 2, 3-гладкая шайба; 4,5-резиновые шайбы; 6-верхняя опора; 7 – нижняя опора; 8-пружинное кольцо; 9 –дистанционная втулка; 10-радиальная опора;

11-защитная втулка

Осевая нагрузка, возникающая на рабочем колесе при работе насоса, определяется по формуле:

А р.к. = (F₂- F₁) ρ g Hст. (1)

F₂ = 0,785 (D₂ ² – d₂ ²),

F₁ = 0,785 (D₁ ² – d₁ ²),

D₁ и D₂- наружные диаметры переднего (нижнего) и заднего (верхнего) диска рабочего колеса (см.рис.6), м.

d₁ и d₂- наружные диаметры опорных шайб рабочего колеса на переднем и на заднем диске (см.рис.6), м.

ρ - плотность перекачиваемой жидкости, кг\м³

g – ускорение свободного падения, м\с²

Hст.- напор ступени, м.

Осевое усилие, возникающее на валу электроприводного центробежного насоса с «плавающими» рабочими колесами, определяются по формуле:

А в.п.к. = Fв. * Pнас., (2)

где : Fв = 0,785 d ², Pнас. = ρ g ΣHст.

Здесь Fв – площадь поперечного сечения вала насоса; d - диаметр вала насоса; Pнас.- давление насоса; ρ - плотность перекачиваемой жидкости (все данные имеют размерность в системе СИ).

Осевое усилие на валу насоса с жестким закреплением рабочих колес определяется по формуле:

А в.ж.к. =Σ А р.к. + А в.п.к. (3)

где А р.к. – осевая нагрузка от одного рабочего колеса(см.формулу 1).

Радиальная нагрузка, возникающая на валу насоса:

R = m r ω² (4)

где m – масса ротора (вал насоса + защитные втулки + рабочие колеса);

r -радиус дисбаланса ротора (для нового насоса может быть принят радиальному зазору, равному допуску сопряжения «втулка рабочего колеса – расточка направляющего аппарата, см. рис. 4).

ω -угловая скорость вращения ротора насоса.

Рис.6. Диаметральное сечение рабочего колеса

Таблица 1. Материалы подшипниковых узлов

Материал	Допускаемое давление, МПа	Максимальная скорость скольжения, м/с	Свойства жидкости
Чугун-текстолит ПТК	9,0	3,0	Нефть с обводненностью до 99%, мех примеси- до 100 мг/л, рН = 5,0- 8,5
Баббит-сталь	70,0	15,0	Масло минеральное или синтетическое, мех.примеси –до 5 мг/л, рН = 5,0- 8,5
Сталь - силицированный графит СГ-П	60,0	5,0	Нефть с обводненностью до 99%, мех примеси- до 2000 мг/л, рН = 5,0- 8,5
Сталь – маслонефтебензостойкая резина	30,0	5,0	Нефть с обводненностью до 99%, мех примеси- до 1000 мг/л, рН = 5,0- 8,5
Силицированный графит-силицированный графит	70,0	5,0	Нефть с обводненностью до 99%, мех примеси- до 2000 мг/л, рН = 5,0- 8,5; H2S до 1,25 г/л
Силицированный графит СГ-П- маслонефтебензостойкая резина	30,0	5,0	Нефть с обводненностью до 99%, мех примеси- до 1000 мг/л, рН = 5,0- 8,5
Карбид – карбид	75,0	5,0	Нефть с обводненностью до 99%, мех примеси- до 2000 мг/л, рН = 5,0- 8,5; H2S до 1,25 г/л
Сталь-бронза	50,0	3,0	Нефть с обводненностью до 99%, мех примеси- до 100 мг/л, рН = 5,0- 8,5
Сталь-латунь	40,0	2,0	Нефть с обводненностью до 99%, мех примеси- до 100 мг/л, рН = 5,0- 8,5

Удельная нагрузка на материал подшипника будет зависеть от нагрузок, определяемым по формулам (1,2,3,4 ) и от площади опорной поверхности подшипника.

Для осевых подшипников удельная нагрузка определяется по формуле:

σ = А / F о.п. (5)

где А – осевая нагрузка (определяется по формуле 2 или 3).

F о.п.= 0,785 (d₁ ² – d₃ ²), d₁ и d₃- наружный и внутренний диаметры опорной шайбы рабочего колеса или осевой опоры вала насоса (см.рис.5 и рис.6).

Выбор материала подшипника осуществляется в соответствии с табл. 1 и для условия, когда [σ ] > k σ.

Коэффициент запаса прочности для материалов осевых подшипников ЭЦН выбирается равным 3-4.

Для радиальных подшипников средняя удельная нагрузка определяется из уравнения

р = W/ l d_вт (6)

где: W – несущая способность подшипника;

l – длина радиального подшипника(втулки подшипника) (см.рис. 7);

d_вт – диаметр втулки радиального подшипника;

W = (l d μ ω ς / ψ²) (7)

μ - динамическая вязкость смазывающей жидкости, Па*с;

ω - угловая скорость вращения втулки радиального подшипника, 1/с;

ς - безразмерный коэффициент нагруженности подшипника;

ψ - относительный зазор;

ψ = δ/ d_вт.

Рис. 7. Промежуточный радиальный подшипник

1 — втулка вала; 2 — втулка подшипника; 3 — корпус подшипника;

4 — вкладыш подшипника; 5 — рабочее колесо

Безразмерный коэффициент для радиальных подшипников, применяемых в ЭЦН, зависит от геометрических размеров подшипника и смазывающей жидкости.

При радиальном подшипнике, работающем в потоке откачиваемой жидкости, самым напряженным режимом будет режим вывода насосной установки на режим, т.е. в тот момент времени, когда откачиваемой жидкостью будет вода практически без содержания нефти. В этом случае безразмерный коэффициент нагруженности подшипника может быть выбран в пределах от 0,1 до 0,3.

Задание.

По основным размерам рабочего колеса, полученным в домашнем задании

№ 1, и характеристикам ЭЦН (см. Приложения и [1]) определить геометрические размеры осевых и радиальных опор рабочих колес и подшипников самого насоса, а по размерам подшипников и характеристикам насосов (Приложение 1), а также по заданным свойствам пластовой жидкости (табл.2) провести выбор материалов подшипников ЭЦН.

Таблица 2. Варианты домашнего задания

№ варианта	Тип ЭЦН	Количество ступеней, шт.	Содержание механических примесей, мг/л	Масса РК /масса вала, кг	Радиус дисбаланса, мм
1,16	ЭЦН5-50, ЭЦН5А-160	224	250	0,08 / 12,35 0,102 / 17,1	0,05 0,08
2,17	ЭЦН5-80, ЭЦН5А-250	228	340	0,08 / 12,35 0,102 / 17,1	0,05 0,08
3,18	ЭЦН5-125, ЭЦН5А-320	192	230	0,08 / 12,35 0,102 / 17,1	0,05 0,08
4, 19	ЭЦН5-200, ЭЦН5А-400	208	320	0,08 / 12,35 0,102 / 17,1	0,05 0,08
5, 20	ЭЦНД5-80, ЭЦН5А-500	373	560	0,08 / 12,35 0,102 / 17,1	0,05 0,08
6, 21	ЭЦНА5А-35, ЭЦНБ5А-30	254	650	0,08 / 12,35 0,102 / 17,1	0,05 0,08
7, 22	ЭЦНА5-45, ЭЦНП5-50	278	290	0,08 / 12,35 0,102 / 17,1	0,05 0,08
8, 23	ЭЦНА5-60, ЭЦНА5-18	290	500	0,08 / 12,35 0,102 / 17,1	0,05 0,08
9, 24	ЭЦНА5-30, 2ВННП5-50	334	210	0,08 / 12,35 0,102 / 17,1	0,05 0,08
10, 25	DN-3000, FC 650	373	760	0,168 / 12,35 0,112 / 17,1	0,03 0,05
11, 26	DN-4300, DC 800	254	810	0,180 / 12,35 0,142 / 17,1	0,03 0,05
12, 27	2ЭЦНА5-50, FS 1150	278	670	0,085 / 12,35 0,142 / 17,1	0,05 0,03
13, 28	2ЭЦНА5-80, FS 925	290	1200	0,085 / 14,35 0,125 / 17,1	0,05 0,04
14,29	ЭЦНА5-30, AN 900	334	1060	0,065 / 16,35 0,102 / 17,1	0,08 0,03
15, 30	F 400 2ЭЦНА5-200	412	940	0,055 / 12,35 0,112 / 17,1	0,03 0,08