МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ АБРАЗИВОСТОЙКИЙ ПЛАСТИНЧАТЫЙ НАСОС
MULTISTAGE ABRASION-PROOF GUIDED-VANE PUMP

Изобретение относится к насосостроению, в частности к многоступенчатым объемным насосам, и может быть использовано для подъема жидкости из нефтяных скважин.
Известна конструкция пластинчатого насоса, имеющего снабженный впускным и выпускным патрубками цилиндрический корпус с внутренней поверхностью, имеющей профиль, близкий к эллиптическому, и установленный на валу соосно корпусу, ротор с радиальными прорезями, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения размещены рабочие пластины. Корпус ограничен нижним и верхними основаниями, а внутренняя поверхность обеспечивает разделение внутренней полости на две симметричные рабочие области [Касьянов В.М. Гидромашины и компрессоры. М.: «Недра», 1981. Стр. 132, рис. 10.6 е].
Основными недостатками данной конструкции является наличие ударных нагрузок на внутреннюю поверхность корпуса со стороны пластины при выходе ее из ротора под действием центробежной силы, что при перекачивании абразивосодержащих сред приводит к ускоренному износу контактирующих поверхностей.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является многоступенчатый абразивостойкий пластинчатый насос, содержащий цилиндрический корпус с профилированной внутренней поверхностью, ограниченный верхним и нижним основаниями с впускными и выпускными окнами, и установленный на валу соосно корпусу ротор с радиальными прорезями, в которых размещены рабочие пластины, обращенные торцами в сторону нижнего и верхнего оснований (Патент на полезную модель №116579 РФ, F04C 2/344, опубл. 27.05.2012). Каждый торец рабочих пластин снабжен ножкой, перемещение которой при вращении ротора происходит по замкнутым пазам, выполненным в нижнем и верхнем основаниях и расположенным эквидистантно внутренней поверхности корпуса на расстоянии, обеспечивающем зазор постоянной ширины между концом рабочей пластины и внутренней поверхностью корпуса. Наличие независимого механизма вывода пластины из ротора позволяет избежать заклинивания пластин абразивом.
Зазор постоянной ширины, с одной стороны, предотвращает ускоренный износ в процессе перекачивания жидкостей с механическими частицами, а, с другой стороны, вызывает нежелательные перетечки между камерами всасывания и нагнетания и существенное снижение давления, развиваемого ступенью, что является недостатком данной конструкции. Кроме того, замкнутые пазы, по которым перемещаются ножки пластин, составлены из дуг окружностей разного радиуса, несопряженных между собой, что влечет за собой возникновение скачкообразного изменения ускорения пластины и, как следствие, снижение надежности насоса.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности конструкции и увеличение давления, развиваемого объемным насосом, с сохранением его высокой абразивной стойкости.
Указанный технический результат достигается тем, что в многоступенчатом абразивостойком пластинчатом насосе, каждая ступень которого содержит цилиндрический корпус с профилированной внутренней поверхностью, ограниченный верхним и нижним основаниями с впускными и выпускными окнами, установленный на валу соосно корпусу ротор с прорезями для перемещения рабочих пластин, снабженных ножками, для перемещения которых в основаниях выполнены замкнутые пазы, расположенные эквидистантно внутренней поверхности корпуса на расстоянии, обеспечивающем образование зазора между концом рабочей пластины и внутренней поверхностью корпуса, согласно изобретению рабочие пластины и прорези для их перемещения наклонены относительно оси вращения ротора с образованием рабочими пластинами лопастной системы осевого типа, а замкнутые пазы в основаниях выполнены с монотонно меняющейся кривизной, описываемой в полярной системе координат уравнением:
<mrow><mi>ρ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ϕ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><mo>+</mo><mi>r</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>±</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><mo>−</mo><mi>r</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>ϕ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где ρ - радиус-вектор, φ - полярный угол, R - максимальный радиус средней линии паза, r - минимальный радиус средней линии паза.
Такой ротор с наклонно установленными пластинами по конструкции близок к рабочему колесу осевого типа (представляющему собой втулку с наклонными лопастями) и обеспечивает направленное движение потока жидкости от входа к выходу.
Оптимальный наклон рабочих пластин определяется исходя из условий эксплуатации насоса (в частности, частоты вращения), а также подачи насоса. Комбинация в одной конструкции принципов действия динамического и объемного насосов приводит к частичной или полной компенсации потерь давления в ступени, вызванных наличием зазоров между поверхностями, образующими рабочую камеру.
Замкнутые пазы в основаниях, выполненные вдоль средней линии, описанной уравнением (1), обеспечивают монотонное изменение ускорения при движении пластин, что гарантирует отсутствие ударов (скачкообразных изменений ускорения), разрушающих ножки пластин.
Следует отметить, что при замене в уравнении периодической функции cos(2φ) на sin(2φ) форма средней линии пазов не изменится.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 изображена ступень заявляемого пластинчатого насоса, разнесенный вид; на фиг. 2 - ступень насоса, вид сверху без верхнего основания; на фиг. 3 - верхнее основание, вид снизу; на фиг. 4 - ротор с наклонными пазами.
Многоступенчатый абразивостойкий пластинчатый насос состоит из ступеней, каждая из которых содержит ротор 1 с наклонными прорезями 2, цилиндрический корпус 3, ограниченный в осевом направлении нижним 4 и верхним 5 основаниями (фиг. 1, 2). Корпус 3 выполнен с профилированной внутренней поверхностью 6 (фиг. 1, 2). В наклонных прорезях 2 ротора 1 размещены рабочие наклонные пластины 7. Рабочие пластины 7 и прорези для их перемещения 2 наклонены в сторону вращения ротора, как показано на фиг. 4. За счет наклона рабочие пластины 7 образуют лопастную систему осевого типа, которая передает энергию вращения ротора 1 и рабочих пластин 7 перекачиваемой жидкости, что толкает ее к выходным отверстиям 12. Торцы пластин 7, соприкасающиеся с основаниями 4 и 5, снабжены ножками 8 в виде стержня или тела качения круглой формы. В нижнем 4 и верхнем 5 основаниях имеются замкнутые пазы 9 (фиг. 1, 3), выполненные по средней линии 10 с монотонно меняющейся кривизной (фиг. 3). Ширина паза 9 формируется в зависимости от толщины ножек 8. Средняя линия 10 пазов построена в полярной системе координат по уравнению (1) с использованием максимального R и минимального г радиусов средней линии паза.
Внутренняя поверхность 6 корпуса 3 выполнена с профилем, который также описывается уравнением (1), это позволяет сохранить постоянное расстояние между внутренней поверхностью 6 корпуса 3 и замкнутыми пазами 9.
Ножки 8 установлены в пазах 9 нижнего 4 и верхнего 5 оснований. Расстояние от замкнутого паза 9 до внутренней поверхности 6 корпуса 3 выбрано таким, чтобы между концами рабочих пластин 7 со стороны корпуса 3 и профилированной направляющей поверхностью 6 выдерживался технологический зазор. В нижнем основании 4 имеются впускные окна 11 (фиг. 1, 2), а в верхнем основании 5 - выпускные окна 12 (фиг. 1, 3).
Пластинчатый насос работает следующим образом.
При запуске насоса ротор 1, расположенный в полости цилиндрического корпуса 3 с профилированной поверхностью 6, начинает вращать рабочие пластины 7 и прикрепленные к ним ножки 8 двигаются в закрытых пазах 9, конфигурация которых позволяет выдерживать зазор между профилированной поверхностью 6 и концами пластин 7, препятствуя их износу. За счет плавности средней линии обеспечивается монотонное изменение ускорения при движении пластин 7, что способствует длительному сохранению работоспособности ножек 8. При этом в области впускных каналов 11 создается разряжение, жидкость поступает в рабочие камеры увеличивающегося объема, ограниченные частью внутренней поверхности 6, внешней поверхностью ротора 1 и боковыми поверхностями соседних пластин 7. Одновременно с этим в области выпускных каналов 12 происходит уменьшение рабочих камер, в результате чего жидкость перетекает в следующую ступень. Наклонное расположение пластин 7 в роторе 1 создает направленное движение потока жидкости от входа в ступень к выходу из ступени, а также сообщает жидкости дополнительную энергию, т.е. обеспечивает добавочный напор.
Таким образом, в предлагаемой конструкции обеспечивается повышенный напор ступени за счет наклона рабочих пластин, конфигурация замкнутых пазов гарантирует отсутствие ударов, разрушающих ножки пластин, а наличие зазора между внутренней поверхностью корпуса и рабочими пластинами способствует сохранению его абразивостойкости.