НАСОС ПЛУНЖЕРНЫЙ ДЛЯ ПЕРЕКАЧИВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ

Предложение относится к машиностроительной промышленности, в частности к насосостроению и может быть использовано в различных отраслях, в том числе и нефтедобывающей для перекачивания жидких вязких продуктов, содержащих механические примеси.
Известны скважинные штанговые насосы (СШН), серийно выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью. Все эти типы насосов имеют аналогичную конструкцию и скважинная часть их состоит в основном из цилиндра, плунжера, всасывающего и нагнетательного клапанов, штока с колонной штанг, а наземная часть - из «станка-качалки».
Недостаток этих типов насосов в том, что при увеличении напора необходимо увеличивать длину плунжера и, соответственно, длину цилиндра, что при высокоточных посадках пары «плунжер-цилиндр», высокой чистоте обработки сопрягаемых поверхностей, термической обработке, покрытиях, повышающих твердость плунжера и цилиндра, применяемых высококачественных сталях существенно повышается металлоемкость, трудоемкость, а следовательно, материальные затраты и стоимость изготовления и обслуживания.
Известен «Скважинный плунжерный насос» (патент RU №2243412 от 10.07.2003 г., МПК F04B 47/00, 53/14, опубл. БИ№36 за 2004 г.), содержащий заглушенный снизу цилиндр, с расположенными сбоку всасывающим и нагнетательным клапанами, плунжер, при этом плунжер имеет кольцевые проточки, подплунжерная область сообщается с надплунжерной областью всасывающими и нагнетательными клапанами через дополнительный клапан, расположенный между всасывающим и нагнетательным клапанами, при этом дополнительный клапан образован взаимодействием кольцевых проточек плунжера с боковыми каналами цилиндра, образованными всасывающими и нагнетательными клапанами, а всасывающий и нагнетательный клапаны образованы взаимодействием боковых отверстий цилиндра с плунжером, причем всасывающие и нагнетательные каналы выполнены с возможностью перекрытия в верхней и нижней точках хода плунжера.
Насос позволяет перекачивать продукцию скважины независимо от содержания в ней газа.
Недостатками данной конструкции являются большие металлоемкость, габариты и, как следствие, высокая стоимость, так как для обеспечения нормальной работы и высокого коэффициента полезного действия (КПД) необходимо наличие длинного плунжера с большим количеством кольцевых проточек, что требует длинного корпуса, как минимум, в два раза большей длины, чем длины плунжера, а также использование длинноходного привода, обеспечивающего ход плунжера в пределах корпуса.
Известен также «Плунжерный насос» (патент RU №2202050 от 18.08.2000 г., F04B 15/02, опубл. 10.04.2003 г.), содержащий корпус с окнами для всасывания и нагнетания, поворотный затвор в виде полого цилиндра с боковым окном, расположенный в корпусе с возможностью периодического совмещения своего бокового окна с окном всасывания корпуса, и вытеснительный элемент, установленный в затворе, причем окно для всасывания в корпусе и боковое окно в затворе имеют длину, соизмеримую длине рабочего хода вытеснительного элемента, причем вытеснительный элемент выполнен в виде гидроцилиндра, шток которого соединен с корпусом, а цилиндр установлен соосно с поворотным затвором с возможностью совершать возвратно-поступательные движения, окно нагнетания выполнено в боковой поверхности корпуса под углом от окна всасывания не менее угла поворота поворотного затвора, при котором его боковое окно перекрывает окно нагнетания в корпусе, а боковая поверхность закрывает окно всасывания в корпусе, и наоборот, а в корпусе над окном для всасывания установлен ворошитель, выполненный в виде гребенки, с возможностью синхронного вращения с вращением затвора.
Недостатками данной конструкции являются низкая надежность, сложность в изготовлении и применении, так как это устройство выполнено из большого количества точно и герметично сопрягаемых деталей, при этом возвратно-поступательные перемещения привода, длина хода которого в два раза больше рабочего хода вытеснительного элемента, должны быть точно согласованы с вращательным движением поворотного затвора, которое обеспечивается отдельным приводом поворота, для чего требуется настройка и постоянный приборный или визуальный контроль.
Известен также «Клапан золотниковый» (патент RU №69186 U1 от 30.08.2007 г., F16K 15/02, опубл. 10.12.2007 г.), содержащий корпус, в котором размещен запорный орган со штоком и выполнено седло, причем запорный орган выполнен в виде золотника, образующего запорную пару с внутренней поверхностью седла за счет набора подвижных в осевом и радиальном направлении уплотнительных колец, уплотненных эластичными кольцами с круглым поперечным сечением, эксцентрично попарно смещенных относительно друг друга на угол 360%, где n - число пар колец, при этом эластичные кольца размещены на золотнике в выполненных на его поверхности кольцевых пазах, глубина которых меньше на 0,3-0,5 диаметра поперечного сечения эластичного кольца, при этом золотник выполнен с кольцевым буртом и опорным уступом, а расстояние вдоль оси золотника между кольцевым буртом и уступом превышает суммарную высоту уплотнительных колец в 1,01-1,02 раза.
Недостатком данной конструкции является сложность в изготовлении золотника с эксцентрично смещенными канавками, особенно при большом количестве канавок, что повышает трудоемкость изготовления, а следовательно, и стоимость.
Технической задачей предполагаемого изобретения является повышение надежности, за счет повышения компенсации износа стенок цилиндра и плунжера, и снижение затрат, за счет снижения трудоемкости изготовления, металлоемкости, за счет уменьшения длины плунжера и цилиндра.
Техническая задача решается насосом плунжерным для перекачки жидкостей, содержащим плунжер, всасывающий и нагнетательный клапаны, цилиндр с верхним и нижним удлинителями и шток, соединенный с приводом - «станок-качалка».
Новым является то, что плунжер и клапаны оснащены уплотнительными металлическими кольцами, повышающими надежность уплотнения и долговечность за счет компенсации износа поверхностей цилиндра и плунжера и позволяющим соответственно уменьшать их длину при увеличении напора насоса.
На чертеже 1 показана конструкция предлагаемого насоса с осевым разрезом, на чертеже 2 - конструкция плунжера, на чертеже 3 - конструкция клапанов.
Насос плунжерный для перекачивания жидкостей содержит плунжер 1, всасывающий 2 и нагнетательный 3 клапаны, цилиндр 4, верхний 5 и нижний 6 удлинители, направляющий промежуточный плунжер 7 с клеткой плунжера 8, соединяющий штангу 9.
0
На чертеже 2 показана конструкция плунжера, содержащая плунжер 1, на котором размещен набор внутренних колец 10, последовательно эксцентрично смещенных относительно друг друга на 360/n, где n - число колец, образующих полный замкнутый круг уплотнения плунжера и набор наружных колец 11, подвижных в осевом и радиальном направлениях. Между кольцами 10 и 11 размещены эластичные кольца 12 круглого поперечного сечения.
Канавка кольца 10 эксцентрично смещена относительно оси отверстия на е=0,1-0,15d, где d - диаметр поперечного сечения круглого эластичного кольца 12.
На плунжере 1 и в отверстии колец 10 выполнены n шпоночных пазов, обеспечивающих эксцентричное смещение колец 10 относительно друг друга шпонками 17.
На опорной поверхности бурта плунжера 1 выполнена кольцевая проточка под эластичное распорное уплотнительное кольцо 15 и проточка под опорное подвижное кольцо 14, при этом между буртом проточки и подвижным опорным кольцом 17 имеется зазор 0,1-0,2d.
Уплотнение плунжера 1 и корпуса 13 осуществляется уплотнительным кольцом 16.
На чертеже 3 показана конструкция клапана.
Клапаны всасывающий и нагнетательный имеют одинаковую конструкцию и отличаются только корпусами с присоединительными размерами, а конструкция уплотнения клапана аналогична конструкции плунжера.
0
Клапан состоит из седла 18, клапана 19 со штоком, на котором размещен набор внутренних колец 20, эксцентрично смещенных относительно друг друга на 360/n, где n - число колец, образующих полный замкнутый круг уплотнения клапана и набор наружных колец 21, подвижных в осевом и радиальном направлениях. Между кольцами 20 и 21 размещены эластичные кольца 23 круглого поперечного сечения.
Канавки кольца 19 эксцентрично смещены относительно оси отверстия на е=0,1-0,15d, где d - диаметр поперечного сечения круглого эластичного кольца 23.
На штоке клапана 19 и в отверстии колец 20 выполнены n шпоночных пазов, обеспечивающие эксцентричное смещение колец 20 относительно друг друга шпонками 27.
На опорной поверхности кольца-гайки 22 выполнена кольцевая проточка под эластичное распорное уплотнительное кольцо 24 и кольцевая проточка - уступ глубиной 0,l-0,15d.
Уплотнение места присоединения клапана обеспечивается кольцом 26, ограничение хода и увеличение массы клапана - утяжелителем 25.
Принцип работы устройства разделяется на два постоянно чередующихся во время работы цикла:
- во-первых, цикл всасывания;
- во-вторых, цикл нагнетания.
Цикл всасывания.
При начале подъема (чертеж 1) плунжера 1 вверх всасывающий клапан 2 открывается, а нагнетательный клапан 3 закрывается. При этом столб жидкости над плунжером давит на уплотнительные кольца плунжера 1, прижимая их к опорному торцу штока плунжера и за счет эксцентриситета внутренних колец, сжимает эластичные кольца, прижимая тем самым уплотнительные кольца к стенкам цилиндра. То же самое происходит с нагнетательным клапаном 3.
Всасывающий клапан 2 за счет перепада давления и за счет трения уплотнительных колец о стенки цилиндра корпуса освобождает эластичные кольца, ослабляя тем самым прижатие уплотнительных колец к цилиндру корпуса и облегчая открытие клапана.
Цикл нагнетания.
При ходе плунжера вниз всасывающий клапан 2 закрывается, а нагнетательный клапан 3 открывается, при этом за счет перепада давления и трения уплотнительных колец плунжера о стенки цилиндра внутренние эксцентричные кольца, перемещаясь относительно наружных, освобождают эластичные кольца, ослабляя тем самым прижатие уплотнительных колец к стенкам цилиндра и облегчая перемещение плунжера вниз.
Всасывающий клапан 2 под действием перепада давления при входе уплотнительных колец в цилиндр клапана и смещения внутренних колец относительно наружных, усиливает прижатие наружных колец к стенкам цилиндра клапана, тем самым герметизируя клапан.
Таким образом, при открытии клапанов происходит разгрузка уплотнительных колец, а при закрытии клапанов - максимальное уплотнение.
Возможность радиального перемещения уплотнительных колец позволяет компенсировать износ стенок цилиндра и уплотнительных колец плунжера, повышая долговечность их работы.
Использование предлагаемой конструкции насоса плунжерного для перекачки жидкостей повышает надежность за счет компенсации износа стенок цилиндра и колец плунжера, снижает материальные затраты и трудоемкость изготовления за счет уменьшения длины плунжера и цилиндра, особенно при повышении напора, что в результате снижает стоимость изготовления и обслуживания.
Настоящая конструкция насоса может быть использована в нефтяной и других отраслях промышленности, где производят откачку и распределение различных вязких, жидких сред.