Винтовая турбина
SCREW TURBINE

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, может быть использовано в качестве автономной турбины для выработки энергии или в целях выравнивания температурных неровностей.
Из уровня техники известны винтовые (шнековые) турбины, преобразующие энергию потока среды в электрическую.
Известна турбинная установка, предназначенная для получения энергии из потока воды. Установка содержит, по меньшей мере, две параллельные шнековые турбины, имеющие противоположные направления шага спирали и расположенные с взаимным перекрыванием, средство для крепления с изменяемым наклоном, компонент, обеспечивающий плавучесть, донную опору и элементы, необходимые для передачи энергии на энергетическую машину (номер публикации международной заявки WO №2009/093909 А1, дата приоритета 24.01.2008, дата публикации 30.07.2009, автор: Eielsen J.I.; также опубликовано как Патент РФ №2487262 С2, дата приоритета 24.01.2008, дата публикации 10.07.2013, автор Эйелсен Й.И., NO).
Недостатком устройства является сравнительно большие габариты, что в скважинных условиях играет существенную роль.
Известно турбинное устройство с винтовой лопастью, содержащее, по меньшей мере, одну спиральную поверхность-лопасть, вращаемую вокруг своей оси (номер публикации международной заявки WO №2004/067957 А1, дата приоритета 30.01.2003, дата публикации 28.01.2004, автор: Eielsen J.I.; также опубликовано, как Патент Евразийской патентной организации ЕА №200501124 А1, дата публикации 24.02.2006, автор Эйелсен Й.И., NO).
Недостатком устройства является зависимость эффективности работы турбины от показателей потока при ее наклоне. Кроме этого данное условие создает функциональное ограничение в виде того, что нет возможности установить устройство в ограниченном пространстве, например, в скважине, поскольку конструкция скважины не позволяет установить турбину под большим зенитным углом к направлению потока, а при отклонении на небольшие углы турбина будет иметь малую мощность.
Устройство обладает малой надежностью, ввиду дополнительных узлов наклона турбины.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является винтовая турбина, содержащая вал и прикрепленную к нему рабочую винтовую поверхность, по которой движется поток среды, а также выполненную с внешнего края винтовой поверхности стенку, ограничивающую движение потока (номер публикации международной заявки WO №2010/059293 А1, дата приоритета 20.11.2008, дата публикации 27.05.2010, автор: Anderson W.S.Jr., US).
Ввиду того, что для увеличения мощности в скважине невозможно использовать более габаритную турбину, недостатком прототипа является ее ограниченная функциональность и, следовательно, применимость. При этом энергии потока может не хватить для выхода подобной турбины на требуемые показатели, следовательно, может быть снижена эксплуатационная надежность турбины.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является увеличение надежности и расширение функциональных возможностей винтовой турбины для скважинных условий.
Для решения технической проблемы предложена винтовая турбина, содержащая вал и прикрепленную к нему рабочую винтовую поверхность, по которой движется поток среды, а также выполненную с внешнего края винтовой поверхности стенку, ограничивающую движение потока. Новым является то, что винтовая поверхность содержит, по меньшей мере, одну профильную ступень, расположенную на ней поперек движения потока, причем, как минимум, одна ступень выполнена в виде прерывистой по ширине винтовой поверхности.
Согласно изобретению, винтовая поверхность выполнена с увеличивающимся шагом по ходу движения потока.
Согласно изобретению, винтовая поверхность выполнена с уменьшающимся шагом по ходу движения потока.
Согласно изобретению, винтовая поверхность выполнена многозаходной.
Согласно изобретению, профиль ступени выполнен полукруглым в поперечном сечении.
Согласно изобретению, профиль ступени выполнен прямоугольным в поперечном сечении.
Согласно изобретению, профиль ступени выполнен треугольным в поперечном сечении.
Согласно изобретению, профиль ступени выполнен трапецеидальным в поперечном сечении.
Согласно изобретению, профиль ступени выполнен в форме перевернутой параболы в поперечном сечении.
Согласно изобретению, прерывистые и сплошные ступени последовательно чередуются по ходу движения потока.
На фиг. 1 представлена модель винтовой турбины; на фиг. 2 - модель винтовой турбины с боковой стенкой; на фиг. 3 - треугольный вариант профиля (поперечное сечение) ступени; на фиг. 4 - полукруглый вариант профиля (поперечное сечение) ступени; на фиг. 5 - вариант профиля (поперечное сечение) ступени в форме перевернутой параболы; на фиг. 6 - трапецеидальный вариант профиля (поперечное сечение) ступени; на фиг. 7 - общий вид винтовой турбины с чередующимися прерывистыми и сплошными ступенями.
Винтовая турбина (фиг. 1) содержит вал 1, выполненный либо воедино с рабочей винтовой поверхностью 2, например, с помощью литья или 3Д-печати, либо она может быть закреплена на нем разъемным или неразъемным соединением. Винтовая поверхность 2 может быть выполнена однозаходной или многозаходной. На поверхности 2 перпендикулярно потоку среды расположена, по меньшей мере, одна ступень 3. Ступень 3 частично перекрывает живое сечение потока.
Сбоку винтовой поверхности может быть выполнена стенка 4, ограничивающая движение потока (фиг. 2).
Ступень может быть выполнена различного профиля в поперечном сечении, например (фиг. 3-7): треугольной, полукруглой, в форме перевернутой параболы, трапецеидальной, или прямоугольной.
Ступень может быть выполнена прерывистой (фиг. 7), то есть по длине ступени может содержаться, как минимум, одна впадина 5. Необходимость впадины 5 обусловлена возможностью выноса через нее крупных механических частиц и примесей. Для снижения гидравлических потерь прерывистые и сплошные ступени могут чередоваться.
Для выравнивания гидравлической мощности вдоль турбины винтовая поверхность 2 может быть выполнена с уменьшающимся или увеличивающимся шагом винта по ходу движения потока.
Потоком может являться любая жидкостная или газожидкостная среда. Главным образом, это: добываемые углеводороды, вода, а также растворы, предназначенные для повышения дебита скважин.
Винтовая турбина может находиться в корпусе или трубе любых форм (не показаны) или быть ограничена в поперечном направлении иным способом, например, стенками скважины (не показано).
Винтовая турбина работает под действием движущегося потока следующим образом.
Поток среды под давлением насоса, пласта, столба жидкости или другого источника подается на винтовую турбину. Там поток движется по рабочей винтовой поверхности 2, где периодически частично упирается в стенку ступеней 3. При воздействии потока на боковую грань ступени 3 возникает усилие давления, вызывающее соответствующий по величине крутящий момент турбины. В результате винтовая турбина приходит в движение. Вал 1 с винтовой поверхностью 2 начинают автономное вращение.
Таким образом, результатами использования предлагаемого изобретения являются увеличение надежности турбины и расширение функциональных возможностей для ее использования в скважине путем упрощения устройства системы, в частности, за счет: отсутствия электрических машин и их компонентов; наличия на винтовой поверхности прерывистой по ширине ступени с образованием прохода для перемещения механических частиц и примесей.