РОТОР ВИНТОВОГО НАСОСА И СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ СКОЛЬЗЯЩЕГО ТЕЧЕНИЯ В ВИНТОВОМ НАСОСЕ
ROTOR OF SCREW PUMP, AND METHOD FOR DECREASING SLIP FLOW IN SCREW PUMP

Настоящее изобретение относится в основном к винтовым насосам и, в частности, к усовершенствованным роторам винтовых насосов и способам уменьшения скользящего течения в винтовых насосах.
В ходе разведочных работ на нефть и газ хорошо понятна потребность в перемещении флюидов (нефти, воды, газа и инородных твердых частиц) от устья скважины до удаленных обрабатывающих и/или хранящих предприятий (вместо того, чтобы строить новые обрабатывающие предприятия вблизи устьев скважин). Двухвинтовые насосы все чаще используются для добычи скважинных флюидов, что приводит к увеличению производительности посредством понижения давления на выходе устья скважины, а также к большей суммарной добыче из пласта благодаря более низким конечным давлениям в пласте перед прекращением добычи.
На фиг.1 показан обычный двухвинтовой насос 10, такой как описанный, например, в публикации GB 342791. Этот чертеж представлен только для иллюстрации основных компонентов двухвинтового насоса, и его не следует рассматривать как ограничивающий каким-либо образом описанное здесь изобретение. Как показано, двухвинтовой насос 10 имеет два ротора 12 и 14, которые расположены внутри плотно примыкающего к ним кожуха или корпуса 16 насоса. Каждый ротор имеет вал 18А и 18В с одним или более выступающих наружу наборов витков 20 резьбы, проходящих, по меньшей мере, по части длины вала. Валы 18А и 18В проходят в осевом направлении внутри двух накладывающихся цилиндрических оболочек, совместно образующих оболочку ротора или втулку 19. Эти два ротора 12, 14 не касаются друг друга, но они имеют витки с противоположной резьбой, которые свинчиваются друг с другом. Насос 10 будет часто приводиться в действие электродвигателем (не показан), который вращает роторы 12 и 14. Ведущее зубчатое колесо 22 на одном из валов входит в зацепление со вторым зубчатым колесом на другом валу таким образом, что, когда электродвигатель насоса вращает ротор 12, ротор 14 вращается с такой же скоростью, но в противоположном направлении. При работе скважинные флюиды, включающие измельченные материалы, всасываются в насос 10 через входное отверстие 24. Когда роторы 12 и 14 вращаются, витки 20 резьбы или, более точно, камеры 26 ротора, образованные между смежными витками 20 резьбы, перемещают скважинные флюиды вдоль валов 18А и 18В ротора в выходную камеру 28, которая является точкой самого большого давления в центральной части роторов, откуда скважинные флюиды в конечном итоге выпускаются через выходное отверстие 30 из насоса 10. Роторные камеры 26 не полностью уплотнены, но в нормальных рабочих условиях нормальные зазоры, которые существуют между роторами 12, 14 и между каждым ротором и оболочкой 19 ротора, заполнены перемещаемым флюидом. Жидкая часть перемещаемого флюида в этих зазорах служит для ограничения протечки перекачиваемых флюидов между смежными камерами. Количество флюидов, которые уходят от выходной стороны ротора назад к входу, представляет скользящее течение насоса, которое, как известно, уменьшает объемный к.п.д. насоса. Как показано на фиг.2 и только что указано, скользящее течение насоса (показанное стрелками на фиг.2) может происходить между каждым ротором и оболочкой 19 ротора. Как понятно специалистам в данной области техники, другие пути скольжения включают проскальзывание между концами винта и смежным ротором и между поверхностями.
Как понятно специалистам в данной области техники, обычные двухвинтовые многофазные насосы сталкиваются с существенными проблемами. Рассмотрим, например, следующие типичные проблемы. Во-первых, принимая во внимание фиксированный прирост давления на ступень, когда суммарная потребность в увеличении давления возрастает, длина ротора должна быть увеличена, что приводит к увеличению отклонения ротора под прилагаемым давлением, таким образом, с созданием более эксцентричного выравнивания винтов внутри втулки, что приводит к чрезмерному проскальзыванию между винтовым ротором и втулкой насоса, если не к контакту и трению. Во-вторых, когда скользящее течение насоса увеличивается, частицы песка, захваченные в скользящее течение, приводят к увеличенной эрозии/износу внутри насоса, в частности на краях ротора явлением, называемым струйным износом. Такая эрозия/износ также приводит к ухудшению профиля зазора и увеличению скользящего течения насоса. Наконец, в течение периодов работы, когда перемещаемые флюиды имеют большую газовую фракцию, температура потока, выходящего из насоса, повышается за счет тепла, произведенного в ходе сжатия, что приводит к уменьшению зазоров в последних ступенях насоса вследствие изменений теплового расширения различных частей насоса, таким образом, возможно, приводя к катастрофическому заклиниванию.
Поэтому было бы желательно разработать ротор насоса, который минимизирует или устраняет скользящее течение насоса, приводя к получению бустерного многофазного насоса с высоким перепадом давления с компактной длиной ротора. Кроме того, лучшее уплотнение между краями ротора и кожухом насоса будет также обеспечивать снижение эрозии/износа твердыми частицами в зазорах. Наконец, имея способность приспосабливать разности теплового расширения, которые могут возникать при нагнетании флюидов с высоким объемом газовой фракции, можно также снизить вероятность катастрофических заклиниваний.
К одной или более из вышеупомянутых потребностей и других, известных в данной области техники, адресованы роторы насоса для винтовых насосов, причем роторы включают в себя вал, первый набор витков резьбы, расположенных на части внешней поверхности вала, причем, по меньшей мере, один виток резьбы первого набора витков резьбы содержит паз, расположенный в его оконечной части, и кольцевое уплотнение, расположенное в пазе.
Согласно первому объекту настоящего изобретения создан ротор винтового насоса, содержащий: вал; первый набор витков резьбы, расположенных на части внешней поверхности вала, причем, по меньшей мере, один виток резьбы первого набора витков резьбы содержит паз, расположенный в оконечной его части; первое уплотнение, расположенное в пазе и выполненное с возможностью вращения с валом; и первую и вторую шпильки, расположенные в пазе, по меньшей мере, одного витка резьбы первого набора, причем первый конец первого уплотнения располагается против первой шпильки, а второй конец уплотнения располагается против второй шпильки.
Предпочтительно уплотнение представляет собой щеточное уплотнение.
Предпочтительно первое уплотнение представляет собой первое кольцевое уплотнение.
Предпочтительно первое кольцевое уплотнение выступает наружу из паза и упирается во внутреннюю поверхность втулки винтового насоса, и паз имеет размеры, позволяющие первому кольцевому уплотнению перемещаться в радиальном направлении относительно, по меньшей мере, одного витка резьбы, когда ротор отклоняется.
Предпочтительно кольцевое уплотнение является расходуемым изнашиваемым компонентом ротора насоса.
Предпочтительно первое уплотнение, расположенное в пазу первого набора витков резьбы, является первым кольцевым уплотнением, при этом ротор дополнительно содержит: второй набор витков резьбы, расположенных на другой части внешней поверхности вала, причем, по меньшей мере, один виток резьбы второго набора витков резьбы содержит паз, расположенный в оконечной его части, причем первый набор отстоит от второго набора, и второе кольцевое уплотнение расположено в пазе, по меньшей мере, одного витка резьбы второго набора; и третью и четвертую шпильки, расположенные в пазе, по меньшей мере, одного витка резьбы второго набора, причем первый конец второго кольцевого уплотнения располагается против третьей шпильки, и второй конец второго кольцевого уплотнения располагается против четвертой шпильки.
Предпочтительно местоположения по окружности первой и второй шпилек и местоположения по окружности третьей и четвертой шпилек отличаются друг от друга.
Согласно второму объекту изобретения создан способ уменьшения скользящего течения в винтовом насосе, имеющем кожух, имеющий вход низкого давления и выход высокого давления, втулку, расположенную в кожухе, и ротор, расположенный внутри втулки, имеющий вал и первый набор витков резьбы, расположенных на части внешней поверхности вала, при котором: формируют паз на оконечных частях каждого витка резьбы первого набора витков резьбы; располагают кольцевое уплотнение в пазе, причем кольцевое уплотнение конфигурируют таким образом, чтобы оно выступало наружу из паза и упиралось во внутреннюю поверхность втулки винтового насоса, причем паз обеспечивают размерами, позволяющими кольцевому уплотнению перемещаться в радиальном направлении относительно первого набора витков резьбы, когда ротор отклоняется, и кольцевое уплотнение конфигурируют для уменьшения скользящего течения от выхода высокого давления к входу низкого давления; вращают первое кольцевое уплотнение при вращении вала; и предотвращают вращение первого кольцевого уплотнения относительно вала посредством размещения первой и второй шпилек в пазе, причем первый конец кольцевого уплотнения располагается против первой шпильки, а второй конец кольцевого уплотнения располагается против второй шпильки.
Согласно другому объекту изобретения предложены двухвинтовые насосы, которые включают в себя кожух, имеющий вход и выход, втулку, расположенную в кожухе, и два ротора, расположенные внутри втулки, причем каждый ротор имеет вал, набор витков резьбы, расположенных на части внешней поверхности вала, причем, по меньшей мере, один виток резьбы первого набора витков резьбы содержит паз, расположенный в оконечной его части, и кольцевое уплотнение, расположенное в пазе.
В объем раскрытых вариантов осуществления изобретения также входят способы сокращения скользящего течения в винтовом насосе, согласно которым винтовой насос имеет кожух, имеющий вход низкого давления и выход высокого давления, втулку, расположенную в кожухе, и ротор, расположенный внутри втулки, имеющий вал и первый набор витков резьбы, расположенных на части внешней поверхности вала, причем такие способы включают этапы формирования паза на оконечных частях, по меньшей мере, одного витка резьбы первого набора витков резьбы и расположения кольцевого уплотнения в пазе, при этом кольцевое уплотнение конфигурируют так, что оно выступает наружу из паза и упирается во внутреннюю поверхность втулки винтового насоса, причем паз имеет такие размеры, чтобы он позволял кольцевому уплотнению двигаться в радиальном направлении относительно, по меньшей мере, одного витка резьбы, когда ротор отклоняется, и кольцевое уплотнение сконфигурировано для уменьшения скользящего течения от выхода высокого давления к входу низкого давления.
Приведенное выше краткое описание формулирует признаки настоящего изобретения для того, чтобы подробное описание, которое следует далее, могло быть лучше понято, и для того, чтобы данные вклады в данную область техники могли быть лучше оценены. Существуют, конечно, другие признаки изобретения, которые будут описаны далее и которые будут являться предметом прилагаемой формулы изобретения.
В этом отношении, перед пояснением нескольких предпочтительных вариантов осуществления изобретения подробно, следует понимать, что изобретение не ограничено его применением относительно деталей конструкции и устройств компонентов, указанных в нижеследующем описании или показанных на чертежах. Изобретение может быть осуществлено в других вариантах и может быть осуществлено и выполнено различными путями. Также следует понимать, что фразеология и терминология, используемые здесь, применены для описания и не должны быть расценены как ограничивающие.
По существу, специалисты в данной области техники оценят, что концепция, на которой основано описание, может легко использоваться как основа для разработки других конструкций, способов и систем для осуществления нескольких целей настоящего изобретения. Таким образом, важно, чтобы формула изобретения расценивалась как включающая такие эквивалентные конструкции, поскольку они не отступают от сущности и объема настоящего изобретения.
Кроме того, назначением предшествующего краткого описания является обеспечение возможности для ученых, инженеров и практиков в данной области техники, которые не знакомы с патентными или юридическими терминами или фразеологией, быстро определять при поверхностном ознакомлении природу и сущность технического описания заявки. Соответственно, краткое описание не предназначено для ограничения объема изобретения или заявки, который ограничен только формулой изобретения, при этом оно не предназначено для ограничения каким-либо образом объема изобретения.
Более полная оценка изобретения и многие из его сопутствующих преимуществ будут легко получены при лучшем его понимании при ознакомлении с нижеследующим подробным описанием, рассматриваемым в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг.1 - вид обычного двухвинтового насоса;
фиг.2 - вид пути скользящего течения в насосе между краями ротора и втулкой;
фиг.3 - вид сечения ротора, соответствующего варианту осуществления изобретения;
фиг.4 - вид крупным планом края ротора, показанного на фиг.3;
фиг.5 - вид кольцевого уплотнения, расположенного на роторе, показанном на фиг.3 и 4;
фиг.6 - вид внешнего очертания края винта ротора, соответствующего изобретению, относительно уплотнения типа поршневого кольца, установленного на роторе, когда ротор выровнен относительно втулки (фиг.6А) и когда ротор отклонен относительно втулки (фиг.6В);
фиг.7 - вид в перспективе ротора, соответствующего другому варианту осуществления описанного изобретения; и
фиг.8 - вид сечения другого уплотнения ротора, соответствующего другому варианту осуществления изобретения.
Теперь со ссылками на чертежи, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены идентичные или соответствующие части на нескольких видах, будут описаны несколько вариантов выполнения ротора насоса, соответствующего описанному изобретению. Один из предпочтительных объектов описанного изобретения представляет использование вращающегося промежуточного кольцевого или щеточного уплотнения для минимизации и/или устранения скользящего течения насоса, таким образом обеспечивая более высокий прирост давления в каждой ступени при податливости для приспособления к отклонениям ротора.
На фиг.3-5 показаны соответственно вид сечения ротора 40, вид сечения одного края витков резьбы, показанных на фиг.3, и кольцевого уплотнения 60, соответствующего варианту осуществления описанного изобретения. В этом описании термины "кольцевое уплотнение", "уплотнение типа поршневого кольца", "щеточное уплотнение", "промежуточное уплотнение", "разрезное кольцевое уплотнение" или "уплотнение" используются взаимозаменяемо. Как показано на фиг.3, ротор 40 включает в себя вал 42, на периферии которого расположено множество витков 44 резьбы. На краях 46 витков 44 резьбы выполнен паз 48, в котором расположено кольцевое уплотнение 60. В одном варианте конструкции, кольцевое уплотнение 60, когда оно установлено и находится в нормальных рабочих условиях, приспособлено для пружинистого отклонения наружу, упираясь во внутреннюю поверхность 49 втулки 51 насоса. При работе, когда ротор вращается и профиль увеличения давления развивается по протяженности насоса, осуществляется устранение и/или минимизация скользящего течения насоса при помощи внешней поверхности 50 кольцевого уплотнения 60, выдвигаемой к внутренней поверхности 49 втулки 51 насоса пружинящим действием упругого кольцевого уплотнения 60, а также центробежной нагрузкой на кольцевое уплотнение 60, вызванной вращением ротора 40, в то время как боковая поверхность 52 кольцевого уплотнения 60 выдвигается к внутренней поверхности 54 паза 48 перепадом давления между одной стороной кольцевого уплотнения 60 и другой. Как показано, уплотнение установлено на роторе (в отличие от обычных вариантов применения в других местах в газовых/паровых турбинах, где уплотнения расположены на статоре), создавая вращающееся уплотнение между последовательными ступенями повышения давления двухвинтового насоса.
Кольцевое уплотнение 60 является спиральным по конструкции и может иметь длину, предназначенную для охвата любой конкретной величины кругового смещения спиральных витков 44 резьбы ротора 40. На фиг.5 показано кольцевое уплотнение 60, охватывающее полный оборот витков 44 резьбы.
Кроме того, как показано на фиг.6А и 6В, размеры паза 48 и кольцевого уплотнения 60 подобраны таким образом, что достигается контакт внешней поверхности 50 кольцевого уплотнения 60 с внутренней поверхностью 49 втулки 51 насоса, когда ротор выровнен относительно втулки насоса (как показано на фиг.6А внешним краем кольцевого уплотнения 60) и когда ротор отклонен относительно втулки (см. фиг.6В). На фиг.6А и 6В показаны внешние очертания 62 края винта с полностью отклоненным кольцевым уплотнением 60, расположенным в пазе 48 на краях витков 44 резьбы.
Как понятно специалистам в данной области техники, в насосах с двухвинтовой архитектурой отклонение ротора изменяется в третьей степени длины ротора. Как таковой, прирост давления в каждой ступени был ограничен потребностью обеспечения достаточного зазора между ротором и окружающей втулкой, поскольку, когда прирост давления увеличивается, ротор отклоняется пропорционально, и это, соответственно, требует большего кругового зазора для предотвращения любых катастрофических трений. Существующая технология ограничивает прирост давления приблизительно 6-8 барами в каждой ступени, и достижение более высокого увеличения давления требует более длинных роторов со значительно более высокими отклонениями. При снижении и/или устранении скользящего течения в насосе, снабженном кольцевым уплотнением, соответствующим настоящему изобретению, прирост давления в каждой ступени увеличивается, допуская разработку более компактного ротора для желательного полного прироста давления.
Как таковой, ротор 40 насоса, соответствующий настоящему изобретению, минимизирует и/или устраняет скользящее течение насоса между ротором и кожухом, приводя к получению бустерного многофазного насоса с высоким перепадом давления с компактной длиной ротора. Кроме того, лучшее уплотнение между краями ротора и корпусом насоса будет также обеспечивать снижение эрозии/износа твердыми частицами краев ротора, а также допускать возможность несоответствия теплового расширения при накачивании флюидов с большим объемом газовой фракции, таким образом, также сокращая вероятность катастрофических заклиниваний. Кроме того, непрерывная работа двухвинтового насоса, когда пробки фракции с высоким объемом газа присутствуют в потоках устья скважины, может быть улучшена посредством использования приводов переменной скорости и логики управления зазором.
Другой вариант выполнения ротора 70, соответствующего настоящему изобретению, показан на фиг.7. Как показано, используются шпильки 72 для удерживания кольцевого уплотнения 60 на месте внутри и относительно пазов 48, когда ротор 70 вращается, при этом такие шпильки 72 действуют как средства предотвращения вращения. Как показано, уплотнительные кольца 60 удерживаются на месте шпильками 72, расположенными по одной на виток (или любое их количество или часть, в зависимости от круговой длины уплотнений). Кроме того, в вариантах конструкции, имеющих больше чем один набор витков 44 резьбы, шпильки 72 расположены в первом наборе витков 44 резьбы в местоположении по окружности, противоположном местоположению по окружности, в котором расположены шпильки 72 второго набора витков 44 резьбы или по-другому оптимально для обеспечения надлежащего баланса, когда ротор 70 вращается. В вариантах конструкции, имеющих множество колец в каждом наборе витков резьбы, первая шпилька расположена на первом конце кольцевого уплотнения и вторая - на втором его конце. Второе кольцо тогда располагают против второй шпильки, удерживающей второй конец первого кольца и так далее. Как описано, в ходе работы насоса вал отклоняется и трется о боковые поверхности поршневого кольца или уплотнительного кольца 60. Наружный диаметр поршневого кольца находится в постоянном контакте с внутренней поверхностью втулки, таким образом, поддерживая уплотнение. Контакт с внутренней поверхностью втулки (несмотря на износ уплотнения) поддерживается благодаря пружинящему эффекту кольцевого уплотнения и/или центробежным нагрузкам на кольцо, когда ротор вращается.
Как показано на фиг.8, другим вариантом промежуточного уплотнения, соответствующим описанному изобретению, является щеточное уплотнение 80, установленное на внешнем диаметре винтового ротора. Как показано, промежуточное щеточное уплотнение 80 включает в себя переднюю и заднюю пластины 82, 84, удерживающие расположенный между ними пакет 86 щетинок, при этом пакет 86 щетинок удерживается в контакте с кожухом 88 для минимизации прохождения потока от одной стороны щетки к другой.
Тепловая конструкция поверхности раздела между ротором и втулкой, которая допускает действие двухвинтового насоса в условиях сжатия влажного газа благодаря использованию материалов ротора, которые имеют низкий коэффициент теплового расширения по сравнению с внутренней поверхностью втулки, также входит в объем описанного изобретения. Например, использование специального материала для ротора, такого как инвар, который имеет низкий коэффициент теплового расширения, позволяет насосу прокачивать газовую пробку в пределах минимальной величины отклонения вследствие теплового нагрева. В другом варианте осуществления изобретения, достигается более длительное среднее время между отказами благодаря подбору материала для кольцевого уплотнения 60 таким образом, чтобы кольцевое уплотнение было расходуемым изнашиваемым компонентом, одновременно гарантирующим расчетные условия давления/расхода.
Способы уменьшения скользящего течения в винтовом насосе также входят в объем раскрытых вариантов осуществления изобретения, причем винтовой насос имеет кожух, имеющий вход низкого давления и выход высокого давления, втулку, расположенную в кожухе, и ротор, расположенный во втулке, имеющий вал и первый набор витков резьбы, расположенных на части внешней поверхности вала. Такие способы включают этапы формирования паза на концевой части, по меньшей мере, одного витка резьбы первого набора витков резьбы и расположения кольцевого уплотнения на пазе, причем кольцевое уплотнение конфигурирует так, что оно выступает наружу из паза и упирается во внутреннюю поверхность втулки винтового насоса, при этом паз имеет такие размеры, что он позволяет кольцевому уплотнению перемещаться в радиальном направлении относительно, по меньшей мере, одного витка резьбы первого набора витков резьбы, когда ротор отклоняется, и кольцевое уплотнение сконфигурировано так, что оно уменьшает скользящее течение от выхода высокого давления к входу низкого давления.
Относительно приведенного выше описания, следует понимать, что оптимальные размерные зависимости для частей, соответствующих изобретению, включающие изменения размеров, формы, функций и образа действия, сборки и использования, считаются легко понятными и очевидными для специалистов в данной области техники, и, таким образом, все зависимости, эквивалентные показанным на чертежах и указанным в описании, предназначены для охвата только объемом прилагаемой формулы изобретения.
Кроме того, хотя настоящее изобретение было показано на чертежах и полностью описано выше с детализацией в связи с тем, что в настоящее время считается практическим, и описаны несколько из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, специалистам в данной области техники, которые ознакомились с этим описанием, будет понятно, что возможно много модификаций (например, но не ограничиваясь ими, изменения в размерах, измерениях, конструкциях, формах и протяженностях различных элементов, величинах параметров, установочных приспособлениях, использованных материалах и ориентациях, называя немногие из них) без материального отхода от новаторских идей, принципов и концепций, сформулированных здесь, и преимуществ предмета, описанного в прилагаемой формуле изобретения. Соответственно, все такие изменения предполагаются включенными в объем настоящего изобретения, определенный в прилагаемой формуле изобретения. Порядок или последовательность любого процесса или этапов способа могут быть изменены или поменяны местами согласно альтернативным вариантам осуществления изобретения. В формуле изобретения любой пункт "средство плюс функция" предназначен для охвата описанных здесь конструкций, как выполняющих указанную функцию, и не только структурные эквиваленты, но также и эквивалентные структуры. Другие подстановки, изменения, замены и исключения могут быть сделаны в конструкции, рабочих условиях и расположении предпочтительных и других типичных вариантов конструкции без отхода от сущности вариантов осуществления изобретения, изложенной в прилагаемой формуле изобретения. Следовательно, надлежащий объем настоящего изобретения следует определять только самой широкой интерпретацией прилагаемой формулы изобретения так, чтобы охватывать все такие изменения и эквиваленты.