СКВАЖИННЫЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ С ПОГРУЖНЫМ МНОГОСТУПЕНЧАТЫМ НАСОСОМ РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО ТИПА НА БАЗЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНЫ РЫЛЯ
DOWNHOLE PUMP UNIT WITH SUBMERSIBLE MULTISTAGE PUMP OF ROTOR-PISTON TYPE ON THE BASIS OF RYL HYDRAULIC MACHINE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к скважинным насосным агрегатам с погружным многоступенчатым насосом для откачивания смесей пластовых жидкостей с попутным газом, и может быть использовано в нефтяной промышленности.
Известна гидравлическая машина Рыля [RU 2569992, МПК F04C 2/344, F01C 1/344, опубл. 10. 12.2015], содержащая корпус-статор (статор) с цилиндрической рабочей камерой, в которой эксцентрично установлен цилиндрический ротор, не касающийся ее стенки, в теле ротора сформированы по меньшей мере два продольных цилиндрических паза, симметрично расположенных относительно оси вращения, в каждом из которых бесшарнирно установлен поршень-вытеснитель (поршень), выполненный в виде криволинейной призмы, полученной в результате пересечения внутренней и наружной цилиндрических поверхностей, образующих два рабочих ребра, которые постоянно соприкасаются со стенкой рабочей камеры, а внутренняя поверхность поршней-вытеснителей соприкасается с кромками пазов, в том числе посредством упругих элементов системы постоянного поджатия, при этом элементами уплотнения рабочих камер являются ребра и кромки пазов ротора, а система впуска и выпуска рабочего тела (флюида) выполнена бесклапанной в виде полостей в теле статора, соединенных с впускными и выпускными патрубками.
Недостатками известной гидравлической машины являются большой диаметральный размер из-за наличия впускного и выпускного патрубков, направленных наружу диаметрально, а также потери герметичности между рабочими ребрами поршней и статором вследствие кратковременного отрыва рабочих кромок поршней от статора в районе выпускной полости.
Наиболее близок по технической сущности к заявляемому изобретению погружной насосный агрегат для откачки газожидкостной смеси, предназначенный для откачивания смесей пластовых жидкостей с попутно добываемым газом [RU 2374497, МПК F04D 13/10, F04D 31/00, опубл. 27.11.2009], содержащий многоступенчатый насос, включающий по меньшей мере две группы центробежных насосных ступеней, последовательно расположенных вдоль вала насоса. Каждая ступень содержит рабочее колесо, снабженное верхним и нижним дисками и установленными между дисками лопастями, а также направляющий аппарат. Вход первой ступени соединен с входом насоса, вход каждой последующей в направлении потока газожидкостной смеси ступени соединен с выходом смежной с ней предыдущей группы, а выход последней ступени соединен с выходом насоса.
Недостатками данного агрегата являются низкий коэффициент полезного действия, КПД, составляющий не более 35% в оптимальных условиях работы из-за использования центробежных насосных ступеней, сложность и большой аксиальный размер из-за необходимости установки большого количества (до нескольких сотен) насосных ступеней вследствие малого напора, создаваемого каждой из них (не более 0,03-0,05 МПа), узкий интервал производительности по перекачиваемому объему, срыв работы агрегата при высоком газосодержании в перекачиваемом флюиде.
Задачей изобретения является упрощение и уменьшение аксиального размера, повышение КПД, расширение интервала производительности и устойчивая работа при высоком газосодержании.
В качестве технического результата достигается упрощение и уменьшение аксиального размера, повышение КПД, расширение интервала производительности и обеспечение устойчивой работы при высоком газосодержании за счет использования в качестве насосных ступеней объемных насосов роторно-поршневого типа на базе гидравлической машины Рыля, оснащенных системой впуска и выпуска флюида, выполненной в виде впускного и выпускного окна, расположенных на разных торцевых крышках.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом агрегате, содержащем насос, включающий насос, состоящий из по меньшей мере двух насосных ступеней, последовательно расположенных вдоль вала насоса, каждая из которых содержит рабочие органы, при этом вход первой ступени соединен с входом насоса, выход последней ступени соединен с выходом насоса, а вход каждой последующей в направлении потока флюида ступени соединен с выходом смежной с ней предыдущей ступени с помощью направляющего аппарата, особенностью является то, что каждая ступень выполнена в виде гидравлической машины Рыля и включает статор с цилиндрической рабочей камерой, в которой в качестве рабочих органов эксцентрично установлен цилиндрический ротор с нечетным количеством продольных цилиндрических пазов, симметрично расположенных относительно оси вращения, в каждом из которых бесшарнирно установлен поршень, выполненный в виде криволинейной призмы, при этом в рабочих органах выполнены сквозные отверстия, ориентированные в аксиальном направлении, а направляющий аппарат выполнен в виде торцевой крышки с расположенным на ней окном, являющимся выпускным для предыдущей и впускным для последующей смежной секции.
Выполнение ступеней насоса в виде гидравлической машины Рыля позволяет упростить насосный агрегат и уменьшить его аксиальный размер, повысить КПД, расширить интервал производительности и обеспечить устойчивость работы при высоком газосодержании за счет того, что объемный тип ступени гидравлической машины Рыля обеспечивает напор каждой из них до 2-3 МПа, что снижает количество ступеней и, соответственно, аксиальный размер в 50-100 раз, упрощая конструкцию агрегата, а также имеет объемный КПД не менее 85% в интервале производительности от 10 до 100% и устойчиво работает при газосодержании до 95-97%.
Выполнение каждой ступени в виде гидравлической машины Рыля с нечетным количеством продольных цилиндрических пазов, симметрично расположенных по окружности ротора, позволяет снизить неравномерность подачи флюида за счет наложения фаз его выпуска.
Выполнение в рабочих органах сквозных отверстий, ориентированных в аксиальном направлении, позволяет увеличить ресурс эксплуатации и коэффициент полезного действия за счет снижения массы рабочих органов, уменьшения площади трущихся торцевых поверхностей, а также за счет исключения возможности возникновения разности давлений между торцевыми крышками и рабочими органами и неравномерности зазоров, а также снижения интенсивности аксиальных вибраций.
Выполнение направляющего аппарата в виде торцевой крышки с расположенным на ней впускным/выпускным окном упрощает конструкцию агрегата.
Насосный агрегат состоит из насосных ступеней (на фиг. 1 условно показаны две ступени, включающие каждая статор 1, ротор 2 и три поршня 3), входной, выходной и промежуточной торцевых крышек 4, 5 и 6, при этом на крышке 4 расположено впускное окно 7, на крышке 5 расположено выпускное окно 8, а на крышке 6 - впускное/выпускное окно 9. В статоре 1 выполнена цилиндрическая рабочая камера, в которой эксцентрично и бескасательно к стенке рабочей камеры установлен цилиндрический ротор 2, образующий в рабочей камере серповидную полость. В теле ротора 2 сформированы продольные цилиндрические пазы, в которых бесшарнирно установлены поршни 3, выполненные в форме криволинейных призм с рабочими ребрами. Каждое из рабочих ребер постоянно взаимодействует с внутренней стенкой рабочей камеры, а внутренняя цилиндрическая поверхность поршней 3 соприкасается с кромками цилиндрических пазов ротора. Статоры насосных ступеней развернуты на 180 градусов относительно друг друга. Роторы 2 посажены на один вал (условно не показан), например, при помощи шпоночного соединения. Каждая из камер нагнетания 10 и сжатия 11 ограничена поверхностью крышек, а также цилиндрической поверхностью статора между ребрами смежных поршней 3, соприкасающихся с ним, поверхностью ротора 2 между кромками пазов, касающихся смежных поршней 3, и внутренними поверхностями смежных поршней 3, ограниченными кромками пазов ротора 2 и их рабочими ребрами. При вращении роторов 2 последовательно изменяется рабочий объем камер нагнетания 10 и сжатия 11. В роторе 2 и поршнях 3 выполнены аксиально ориентированные сквозные отверстия. Торцевые крышки 4, 5 и 6 выполнены одинаковыми, развернутыми на 180 градусов относительно друг друга. Наличие объемов 12 (условно показаны два объема), расположенных между наружной поверхностью каждого из поршней 3 и поверхностью статора 1, ограниченной его рабочими ребрами, не влияет на работу гидравлической машины, поскольку указанные объемы не перекрывается впускными и выпускным окнами 7, 8 и 9 при работе машины, а жидкость (смазка) накапливаемая в объемах 12 уменьшает трение между рабочими ребрами поршней 3 и рабочей поверхностью статора 1, повышает герметичность и КПД агрегата.
При работе насосного агрегата впуск флюида осуществляется через впускное окно 7 при совмещении его кромки и торцевого ребра ротора 2 первой ступени за счет разряжения, создающегося за счет увеличения объема камеры нагнетания 10 первой ступени при вращении ротора, и продолжается до закрытия впускного окна 7 торцевым ребром ротора 2 первой ступени, после чего камера нагнетания 10 выполняет роль камеры сжатия. По мере вращения ротора 2 первой ступени за счет уменьшения объема камеры сжатия 11 первой ступени в ней повышается давление и, при совпадении торцевого ребра ротора 2 первой ступени с кромкой выпускного/впускного окна 9, через него происходит выпуск рабочего тела из первой ступени и впуск рабочего тела во вторую ступень. То же самое последовательно происходит с остальными смежными рабочими камерами первой ступени и цикл повторяется. Рабочий процесс, происходящий во второй ступени, идентичен рабочему процессу первой ступени, только выпуск рабочего тела происходит за счет уменьшения объема камеры сжатия 11 второй ступени при совпадении торцевого ребра ротора 2 второй ступени с кромкой выпускного окна 8. Последовательное соединение насосных ступеней позволяет пропорционально повышать напор агрегата. Поджатие рабочих ребер поршней 3 к цилиндрической поверхности статора осуществляется посредством центробежных и гидродинамических сил, что обеспечивает герметичность камер нагнетания/сжатия при минимальной площади контакта взаимодействующих деталей.
Таким образом, предлагаемый насосный агрегат более прост, имеет меньший аксиальный размер, увеличенный КПД, широкий интервал производительности, устойчиво работает при высоком газосодержании и может быть использован в промышленности.