ОБЪЁМНЫЙ РОЛИКОВЫЙ НАСОС
DISPLACEMENT ROLLER PUMP

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к многоступенчатым объемным роликовым насосам, которые могут использоваться для подъема жидкости из нефтяных скважин.
Известен объемный роликовый насос, состоящий из статора с цилиндрической полостью и расположенного внутри него цилиндрического ротора меньшего диаметра. Ротор и статор не соосны, а их боковые поверхности имеют одну общую линию касания. Ротор вращается на валу и имеет пазы, в которые устанавливаются ролики, свободно перемещающиеся в пазах и скользящие по внутренней поверхности статора. Рабочая камера насоса образована внутренней поверхностью статора, внешней поверхностью ротора и соседними роликами. Изменение объема рабочей камеры происходит в процессе качения роликов по внутренней поверхности статора [патент №7686602 US, F01C 1/00, F03C 2/00, опубл. 30.03.2010].
При использовании описанного насоса в погружном исполнении с приводом от погружного электродвигателя несоосное расположение ротора и статора приводит к увеличению габарита нефтедобывающей установки, что является главным недостатком аналога.
В качестве прототипа заявляемого изобретения выбрана конструкция объемного роликового насоса, состоящего из корпуса-статора, сформированного цилиндрическим корпусом и внутренними боковыми серповидными вкладышами, и соосного со статором ротора. Ротор имеет пазы с размещенными в них цилиндрическими роликами, которые при вращении ротора выдвигаются из паза или вдвигаются внутрь него в зависимости от расстояния до внутренней стенки статора [патент WO 94/16198, опубл. 21.07.1994]. За счет вкладышей, примыкающих к корпусу, в статоре образуется внутренняя полость вытянутой формы. Вблизи входных кромок вкладышей расположены зоны всасывания, вблизи выходных кромок - зоны нагнетания. Торцевые крышки замыкают рабочие камеры сверху и снизу. Входной канал для потока, выполненный вдоль вала ротора, гидравлически связан с зонами всасывания с помощью каналов в роторе. Выходные каналы, гидравлически связанные с зонами нагнетания, направляют жидкость за пределы корпуса-статора через радиальные каналы в его боковой стенке.
Недостаток описанного прототипа заключается в низкой надежности конструкции, связанной с наличием ударных воздействий на ролик в процессе его качения по внутренней поверхности полости статора, главным образом на входных и выходных кромках вкладышей, формирующих нецилиндрическую форму полости. Особенно заметно этот эффект проявляется при повышенной частоте вращения вала и наличии частиц механических примесей в перекачиваемой жидкости. Износ контактирующих поверхностей вследствие усталостных нагрузок приводит к расширению зазоров, и, следовательно, к увеличению перетечек внутри ступени, что негативно сказывается на ее эксплуатационных характеристиках. Кроме того, описанная конструкция не допускает простой возможности многоступенчатого исполнения, т.к. жидкость из области нагнетания передается в пространство за пределами корпуса, а входной канал в область всасывания следующей ступени проходит вдоль вала ротора. Сложность соединяющих каналов также снижает надежность насоса.
Задачей настоящего изобретения является разработка многоступенчатого роликового насоса погружного исполнения, имеющего высокую надежность.
Указанный технический результат достигается тем, что в объемном роликовом насосе, содержащим корпус-статор, установленный на валу с возможностью вращения во внутренней полости статора ротор с пазами, в которых размещены цилиндрические ролики, и торцевые крышки, замыкающие сверху и снизу рабочие камеры, образованные внешней поверхностью ротора, внутренней поверхностью статора и боковой поверхностью ролика, согласно изобретению насос выполнен многоступенчатым; верхняя торцевая крышка предыдущей ступени служит нижней торцевой крышкой для последующей ступени, соседние ступени размещены относительно друг друга с угловым смещением, обеспечивающим совмещение зоны нагнетания предыдущей ступени и зоны всасывания последующей ступени с помощью канала в торцевой крышке, а форма внутренней поверхности статора выполнена с монотонно меняющейся кривизной профиля, описываемого в полярной системе координат уравнением:
где ρ - радиус-вектор профиля, ϕ - полярный угол, R - максимальный радиус профиля статора, r - минимальный радиус профиля статора.
Следует отметить, что при использовании в уравнении периодической функции sin 2 ϕ вместо cos 2 ϕ форма внутренней поверхности статора не изменится.
Выполнение в торцевой крышке двух диаметрально расположенных по периферии каналов для потока разгружает вал от радиальных сил.
Монотонное изменение кривизны профиля, формирующего внутреннюю поверхность статора, обеспечивает монотонное изменение ускорения при качении ролика по профилю, т.е. гарантирует отсутствие ударов (скачкообразных изменений ускорения), разрушающих контактирующие поверхности ролика и стенок статора.
Многоступенчатость исполнения обеспечивает требуемый напор насоса для подъема жидкости из нефтяных скважин различной глубины.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид ступени, разнесенный; на фиг. 2 - общий вид ступени в сборе с разнесенными торцевыми крышками; на фиг. 3. - общий вид сборки из трех ступеней с разнесенными крышками.
Погружной роликовый насос состоит из ступеней, каждая из которых содержит статор в виде цилиндрического корпуса 1, имеющего профилированную нецилиндрическую внутреннюю поверхность 2, с размещенным в нем цилиндрическим ротором 3 с пазами 4 на внешней боковой поверхности, в которых установлены ролики 5. Внутри ротора 3 выполнено осевое отверстие 6 под вал со шпоночным пазом 7 для его фиксации. К корпусу 1 прижаты верхняя и нижняя торцевые крышки 8 одинаковой формы в виде диска с центральным отверстием 9 для вала и двумя диаметрально расположенными периферийными сквозными каналами 10. Соседние ступени смещены относительно друг друга в угловом направлении таким образом, что канал 10 сообщает зону нагнетания предыдущей ступени с зоной всасывания последующей ступени (фиг. 1, 3). При этом крышка 8 является общей для двух ступеней. Такое расположение позволяет уменьшить гидравлические потери при движении жидкости от ступени к ступени и обеспечить лучшее заполнение рабочей камеры, образованной частью поверхности 2, внешней поверхностью ротора 3, боковыми поверхностями соседних роликов 5 и торцевыми крышками 8. Предлагаемая двухпоточная компоновка разгружает вал от радиальных сил.
Погружной роликовый насос работает следующим образом.
При запуске насоса ротор 3 (см. фиг. 2), расположенный в полости цилиндрического корпуса 1 с профилированной внутренней поверхностью 2, начинает вращать ролики 5. Под действием центробежной силы ролики 5 отбрасываются к статору 1 из пазов 4 ротора 3 и, достигая поверхности 2, имеющей сглаженный в соответствии с уравнением профиль с монотонно меняющейся кривизной, безударно перекатываются по ней, замыкая рабочие камеры, ограниченные частью поверхности 2, внешней поверхностью ротора 3, боковыми поверхностями двух соседних роликов 5 и торцевыми крышками 8. Качение роликов 5 по криволинейной гладкой поверхности 2 происходит с монотонным изменением ускорения, что способствует надежной работе и длительному сохранению работоспособности ступени. При перемещении ролика 5 от минимального радиуса r внутренней поверхности 2 корпуса 1 к максимальному R перекачиваемая жидкость поступает в рабочие камеры увеличивающегося объема за счет разрежения в области впускных каналов 11 нижней торцевой крышки 8. Одновременно с этим при перемещении противоположного ролика 5 от максимального радиуса R внутренней поверхности 2 корпуса 1 к минимальному r при уменьшении рабочих камер происходит нагнетание жидкости через выпускные каналы 12 в верхней торцевой крышке 8 в следующую ступень. Таким образом, обеспечиваются непрерывная подача рабочей жидкости и повышение давления от ступени к ступени. Полное отсутствие трения скольжения на всех контактирующих поверхностях приводит к увеличению времени безотказной работы насоса, а многоступенчатость исполнения обеспечивает требуемый напор насоса для подъема жидкости из нефтяной скважины произвольной глубины.