МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ПЛАСТИНЧАТЫЙ НАСОС
MULTISTAGE VANE PUMP

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к многоступенчатым объемным насосам пластинчатого типа, которые могут использоваться для подъема жидкости из нефтяных скважин.
Известен пластинчатый насос, содержащий корпус-статор с радиальными пазами, в которых с возможностью возвратно-поступательного перемещения диаметрально размещены разделительные пластины, и кулачок-ротор, концентрично установленный в полости корпуса-статора с возможностью взаимодействия с пластинами и образованием рабочих камер, попеременно сообщаемых с всасывающими и нагнетательными отверстиями, при этом насос снабжен дополнительным корпусом, охватывающим корпус-статор с образованием кольцевого нагнетательного зазора, в котором размещено пружинное кольцо с возможностью взаимодействия с пластинами [Патент на полезную модель №11273 РФ, F04C 2/28, опубл. 16.09.1999]. Наличие пружинного кольца в таком насосе предотвращает заклинивание пластин при попадании во время работы абразивных частиц в зазор между пазами статора и пластинами. При работе в абразивной среде происходит равномерный износ торцов пластин связанный с тем, что пластины совершают только линейное перемещение.
Однако конструкция этого насоса одноступенчатая, не имеет возможности ступенчатого исполнения, консольная. К тому же при таком расположении патрубков всасывания и нагнетания нет возможности использовать насос, к примеру, в нефтяных скважинах.
Наиболее близким по технической сущности является многоступенчатый пластинчатый насос, включающий последовательно размещенные на общем валу ступени, содержащие ротор, установленный с возможностью осевого перемещения на валу, статор, рабочие камеры между ротором и статором, разделительные пластины, перемещающиеся в пазах, расположенных в диаметральной плоскости, нижнюю крышку с входными окнами и верхнюю крышку с выходными окнами, в котором ротор изготовлен в форме кулачка, статор сформирован из двух концентричных втулок, размещенных на донышке с образованием кольцевого зазора, пазы выполнены во внутренней втулке и донышке, разделительные пластины связаны синхронизирующим элементом, а входные и выходные окна в крышках ступени расположены напротив ее рабочих камер по разные стороны от разделительных пластин, при этом торцы верхних и нижней крышек соседних ступеней состыкованы с образованием кольцевой полости, которая сообщена с кольцевым зазором предыдущей ступени [RU 2495282 C1, F04C 2/356, опубл. 10.10.2013].
Данный насос недостаточно надежно работает в агрессивной среде по следующим причинам.
1. Состыкованные нижняя и верхняя крышки ступени установлены с зазором по наружному диаметру, а образованная между ними кольцевая полость не имеет уплотнения по валу, в следствие чего по валу и по наружному диаметру нижней крышки при работе ступеней происходят утечки жидкости. Данные утечки жидкости уменьшают создаваемый напор насоса и КПД.
2. Для уменьшения износа контактирующей поверхности пластины о ротор, пластину изготавливают из твердых материалов, к примеру, из твердого сплава или керамики. Использование пластины из таких материалов и металлического синхронизирующего кольца, имеющего меньшую твердость, приводит к ускорению истирания металлического кольца, что сокращает срок работы ступени насоса.
3. Нижняя крышка состыковывается с верхней крышкой с зазором, что не исключает во время работы возможность ее осевого перемещения вверх, которое может сопровождаться прекращением перекачивания жидкости из ступени в ступень и потерей подачи насоса.
Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в повышении надежности насоса, увеличение создаваемого напора и КПД. При повышении создаваемого напора требуется меньшее количество ступеней и, как следствие, такой насос обладает меньшей материалоемкостью и себестоимостью.
Указанный технический результат достигается тем, что в многоступенчатом пластинчатом насосе, включающем последовательно размещенные на общем валу ступени, каждая из которых содержит ротор в форме кулачка, установленный с возможностью осевого перемещения на валу, статор, сформированный из двух концентричных втулок и донышка с образованием кольцевого зазора, рабочие камеры между ротором и статором, разделительные пластины, связанные металлическим синхронизирующим кольцом и перемещающиеся в пазах, диаметрально расположенных во внутренней втулке и донышке статора, нижнюю крышку с входными окнами и верхнюю крышку с выходными окнами, стыковку торцов крышек соседних ступеней с образованием кольцевой полости, связанной с кольцевым зазором предыдущей ступени, согласно изобретению, в кольцевой полости на нижней крышке по краям расположены два диаметральных концентричных выступа, которые охвачены внутренними диаметральными поверхностями втулки и периферийного выступа, сформированных на верхней крышки соседней ступени, при этом между нижней и верхней крышками расположена распорная пружина, а разделительные пластины в области контакта с металлическим кольцом снабжены вставками, выполненными из металла с твердостью, меньшей, чем основа пластины, и с такой же твердостью, как синхронизирующее кольцо.
Вставки разделительных пластин могут быть выполнены в виде плоской детали с концами в форме «ласточкиного хвоста» или Н-образной формы с расходящимися опорными ножками. При этом вставка и пластина, плотно примыкающие друг к другу, могут быть соединены между собой с помощью клея, пайки или другим методом, обеспечивающим их надежное скрепление.
Между выступами верхней и нижней крышек могут быть" установлены уплотнительные элементы, предназначенные для дополнительной защиты от утечки жидкости, которые размещены в кольцевых канавках, выполненных на контактирующих поверхностях выступов одной из крышек или на выступах обеих крышек одновременно.
Выполнение выступов на состыкованных верхней и нижней крышках внутри кольцевой полости с охватом друг друга устраняет радиальные зазоры в конструкции и предотвращает утечку жидкости через них.
Использование в составе пластины металлической вставки с меньшей твердостью, контактирующей с металлическим кольцом, позволит увеличить срок работы ступени и надежность.
Распорная пружина, расположенная в кольцевой полости между верхней и нижней крышкой соседней ступени предотвращает осевое перемещение нижней крышки во время работы насоса, сохраняя тем самым работоспособность насоса и повышая его надежность.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен заявляемый многоступенчатый пластинчатый насос; на фиг. 2 - ступень насоса со стороны выхода без верхней крышки; на фиг. 3 - синхронизирующее кольцо с пластинами, аксонометрия; на фиг. 4 - вставка в виде плоской детали с концами в форме «ласточкиного хвоста»; на фиг. 5 - основа разделительной пластины с выемкой под вставку, показанную на фиг. 4; на фиг. 6 - вставка в виде Н-образной формы с расходящимися ножками; на фиг. 7 - основа разделительной пластины с выемкой под вставку, показанную на фиг. 6; на фиг. 8 - поперечный разрез ступени насоса; на фиг. 9 - нижняя крышка; на фиг. 10 - верхняя крышка.
Многоступенчатый пластинчатый насос (фиг. 1) состоит из ступеней 1, последовательно размещенных на валу 2. Для увеличения износостойкости между ступенями 1 или между рядом ступеней могут быть установлены радиальные подшипники 3, компенсирующие радиальные нагрузки и прогиб вала 2.
Каждая ступень 1 (фиг. 2, 8) насоса содержит статор 4, внутри которого установлен вращающийся ротор 5, диаметрально расположенные разделительные пластины 6, связанные между собой синхронизирующим кольцом 9. Статор 4 сформирован из двух концентричных втулок 10 и 11, расположенных на донышке 12 и образующих между собой кольцевой зазор 13, внутри которого размещено синхронизирующее кольцо 9. Во внутренней втулке 10 выполнены радиальные пазы 14, в которые установлены разделительные пластины 6. Пазы 14 совмещены с пазами на донышке 12. Ротор 5 выполнен в форме кулачка с профилированной наружной поверхностью 15. Между внутренней втулкой 10 статора 4, профилированной наружной поверхностью 15 ротора 5 и разделительными пластинами 6 образуются рабочие камеры всасывания 30 и нагнетания 31.
Разделительные пластины 6 (фиг. 3-7) состоят из основы 7 и вставки 8, установленной в области контакта с синхронизирующим кольцом 9. Основа 7 изготовлена из твердого сплава, а вмонтированная в нее вставка 8 выполнена из металла с меньшей твердостью. Значение твердости металла вставки 8 выбирается с такой же твердостью, как и металл синхронизирующего кольца 9, контактирующего с ней, чтобы обеспечить целостность кольца при трении об вставку во время работы насоса. Вставка 8 может быть выполнена в виде плоской детали с концами в форме «ласточкиного хвоста» (фиг. 4) или Н-образной формы с расходящимися для более надежного " закрепления ножками (фиг. 6). Вставка 8 фиксируется в выемке основы 7, имеющей ответную форму, и закрепляется в ней с помощью клея, пайки или другим методом, обеспечивающим их надежное сцепление.
С противоположных торцов статора 4 неподвижно установлены нижняя 16 и верхняя 17 крышки (фиг. 8), ограничивающие разделительные пластины 6 и ротор 5 от осевого перемещения (фиг.2). Нижняя крышка 16 и верхняя крышка 17 состыкованы с образованием кольцевой полости 18. В кольцевой полости 18 на нижней крышке 16 расположены два диаметральных концентрических выступа 19 и 20. Выступ 20 выполнен на внутреннем диаметре нижней крышке 16 с возможностью охвата вала 2, а выступ 19 расположен на периферии. На верхней крышке 17 соседней ступени имеются втулка 21, охватывающая своей внутренней боковой поверхностью наружную поверхность выступа 20, и периферийный кольцевой выступ 22, примыкающий к корпусу крышки 17. Внутренняя диаметральная поверхность выступа 19 нижней крышки 16 контактирует с наружной поверхностью выступа 22 на верхней крышке 17. Между контактирующими поверхностями выступов установлены эластичные уплотнительные кольца 23, которые размещены в канавках, выполненных на поверхности выступов нижней крышки 16. В некоторых вариантах исполнения канавки могут быть выполнены на поверхности выступов верхней крышки 17. Уплотнительные кольца 23 могут быть выполнены из резины, фторопласта или другого уплотнительного материала и обеспечивают надежную герметизацию контакта крышек.
В кольцевой полости 18 между дном верхней крышки 17 и торцем концентричного выступа 19 нижней крышки 16 размещена распорная пружина 32, которая удерживает крышки 16, 17 на расстоянии друг от друга во время эксплуатации, сохраняя тем самым работоспособность насоса за счет исключения осевого перемещения нижней крышки 16.
Фиксация нижней 16 (фиг. 9) и верхней 17 (фиг. 10) крышек осуществляется с помощью штифта 24, проходящего через отверстия 25 и 26 в нижней крышке 16 и верхней крышке 17 и отверстия 27 статора 4. На нижней крышке 16 расположены входные окна 28, а на верхней крышке 17 расположены выходные окна 29.
Входные окна 28 и выходные окна 29 размещены в непосредственной близости к разделительным пластинам 6, входные окна 28 - напротив рабочих камер всасывания 30, выходные 29 - напротив рабочих камер нагнетания 31.
Многоступенчатый пластинчатый насос работает следующим образом.
При вращении вала 2 с ротором 5 разделительные пластины 6 скользят по его профилированной поверхности 15 и по обеим сторонам разделительных пластин 6 образуются рабочие камеры 30 и 31 переменного объема, поочередно сообщаемые с входными окнами 28 нижней крышке 16 и выходными окнами 29 верхней крышке 17. При вращении ротора 5 по часовой стрелке объем камеры 30 увеличивается, происходит всасывание скважинной жидкости, объем камеры 31 уменьшается, вследствие чего скважинная жидкость выталкивается в кольцевую полость 18 между верхней крышкой 17 и нижней крышкой 16 следующей ступени. Концентрические выступы 19 и 20 нижней крышки 16, находящиеся в контакте с внутренними диаметральными поверхностями втулки 21 и выступа 22 верхней крышки 17, препятствуют образованию утечек скважинной жидкости.
Далее скважинная жидкость поступает в следующую ступень 1. При взаимодействии с выступом ротора 5 разделительная пластина 6 перемещается по радиально выполненным пазам 14 в донышке 12 и на втулке 10, устанавливается в радиально выполненный паз 14 на внутренней втулке 10 статора 4 и давит на синхронизирующее кольцо 9, который прижимает диаметрально расположенную разделительную пластину 6 к ротору 5, благодаря чему вывод разделительных пластин 6 осуществляется механическим способом, обеспечивая постоянный контакт разделительных пластин 6 с ротором 5, а частицы, попавшие в зазор между радиально выполненными пазами 14 статора 4 и разделительными пластинами 6, выталкиваются либо истираются разделительными пластинами 6, что исключает заедание последних.
Ротор 5 последующей ступени повернут на 90° и процесс выдавливания скважинной жидкости из предыдущей ступени совпадает с процессом всасывания в последующую ступень, при этом радиальные нагрузки в ступенях частично компенсируются.
Предлагаемая конструкция имеет высокую надежность за счет того, что разделительные пластины 6 состоят из основы 7 и вставки 8, при этом вставка выполнена в виде плоской детали с концами в форме «ласточкиного хвоста» и обладает такой же твердостью, как синхронизирующее кольцо 9. Выполнение разделительной пластины 6 из основы 7 и вставки 8 обеспечивает увеличение срока работы насоса и способствует снижению себестоимости изделия.
Концентрические выступы 19 и 20, расположенные в кольцевой полости 18 на нижней крышке 16 и охваченные внутренними диаметральными поверхностями 21 и 22 верхней крышки 17, препятствуют образованию утечек скважинной жидкости, что приводит к повышению создаваемого напора и КПД и, как следствие, уменьшается необходимое количество ступеней в насосе, что снижает себестоимость насоса. Размещение в кольцевой полости 18 между верхней крышкой 17 и нижней крышкой 16 пружины 32 предотвращает осевое перемещение нижней крышки 16 во время работы насоса, тем самым повышая надежность насоса.