НАСОС ДИАФРАГМЕННОГО ТИПА ДЛЯ ПОДАЧИ ЖИДКОСТЕЙ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
PUMP OF DIAPHRAGM TYPE FOR SUPPLY OF LIQUIDS AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к объемным насосам для подачи жидкостей, в частности к насосам, используемым в технике бурения и заканчивания скважин для подачи в скважину грязевого раствора.
Уровень техники
Для подачи грязевых (промывочных или тампонажных) растворов в скважину применяются поршневые насосы, в частности двухпоршневые насосы двойного действия или трехпоршневые насосы одинарного действия (см. А.И.Булатов и др. Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин. - М.: OOO "Недра-Бизнесцентр", 2003, стр.539-562). Основной недостаток данных насосов заключается в том, что их применение для перекачки абразивных жидкостей, каковыми и являются грязевые растворы, приводит к интенсивному износу поршневой группы.
Для уменьшения износа существует несколько способов, таких как очистка раствора на очистных машинах, добавление в раствор органических присадок или применение для изготовления поршневой группы особых сталей сплавов и соответствующей их обработки, например азотирование цилиндров. И все же эти способы дают лишь частичное решение задачи. Во-первых, полностью очистить раствор от абразивных частиц невозможно, а если учесть, что на глубоких скважинах насосы могут перекачивать сотни кубометров раствора в час, то очистка раствора оказывается непростой и дорогостоящей процедурой. Во-вторых, применение присадок и добавок также является недешевым решением. В случае же тампонирования скважины присутствие в растворе частиц цемента необходимо по определению.
Известны конструкции объемных насосов диафрагменного типа с гидравлическим приводом эластичного рабочего органа (диафрагмы). Пример такой конструкции раскрыт в публикации DE 1528392. Применение насосов диафрагменного типа явилось альтернативным решением задачи уменьшения износа и повышения долговечности насоса при перекачке абразивных и агрессивных текучих сред (см. авторское свидетельство SU 826074). В патенте RU 2212563 раскрыто решение, наиболее близкое к изобретению по своей технической сущности, а именно насос для подачи агрессивных жидкостей, содержащий цилиндр, поршень, установленный в цилиндре с возможностью перемещения от привода, и трубчатую диафрагму, которая изолирует рабочую полость насоса, сообщающуюся с входным и выходным отверстиями насоса, от гидроприводной полости, сообщающейся с внутренним объемом цилиндра, примыкающим к рабочей поверхности поршня. В насосе, выполненном по патенту RU 2212563, поршневая группа изолирована от подаваемой жидкости и контактирует лишь с относительно чистой рабочей жидкостью, однако взаимно перпендикулярная компоновка поршневой группы и трубчатой диафрагмы является недостатком, поскольку известный насос имеет увеличенные габаритные размеры и сложную конструкцию. В силу такой компоновки диаметр трубчатой диафрагмы в известном насосе сравнительно невелик, что обусловливает необходимость сжатия-растяжения диафрагмы с большой амплитудой для достижения приемлемого рабочего объема, т.е. объема жидкости, вытесняемой насосом за один такт.
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является преодоление недостатков ближайшего аналога, создание компактной, долговечной простой и недорогой конструкции насоса диафрагменного типа и разработка простого и недорогого в осуществлении способа изготовления подобного насоса на основе существующих поршневых насосов.
Для достижения этих целей предлагается насос для подачи жидкостей, преимущественно абразивных и/или агрессивных, содержащий цилиндр, поршень, установленный в цилиндре с возможностью перемещения от привода, и трубчатую диафрагму, которая изолирует рабочую полость насоса, сообщающуюся с входным и выходным отверстиями насоса, от гидроприводной полости, сообщающейся с внутренним объемом цилиндра, примыкающим к рабочей поверхности поршня.
Отличия предлагаемого насоса от его ближайшего аналога состоят в том, что он снабжен рубашкой, расположенной поверх цилиндра с образованием кольцевой камеры, ограниченной, по меньшей мере, внутренней поверхностью рубашки и наружной поверхностью цилиндра, причем рабочая и гидроприводная полости, а также разделяющая их трубчатая диафрагма расположены в кольцевой камере. В такой конструкции собственно цилиндр играет роль гильзы цилиндра в сборе с рубашкой.
Благодаря полученной таким образом соосной компоновке поршневой (гидроприводной) и грязевой (рабочей) частей насос становится более компактным и простым. Конструкция такого насоса подходит для переделки поршневых насосов, недостатки которых рассмотрены выше, в насосы диафрагменного типа при затратах, которые в промышленных масштабах несопоставимо малы по сравнению с затратами на оснащение скважин установки очистки буровых растворов или на применение добавок к буровым растворам.
В плане компактности вынос рабочей полости, непосредственно перекачивающей подаваемую жидкость, на периферию цилиндра выгоден с точки зрения возможности использования под рабочую полость значительной части осевой длины цилиндра, а также возможности получения сопоставимого с ближайшим аналогом объема рабочей полости при ее меньшей толщине в радиальном направлении, поскольку объем цилиндрической полости в общем случае пропорционален квадрату радиуса. При одном и том же объеме рабочей полости большая площадь трубчатой диафрагмы позволяет уменьшить амплитуду ее движения, что дает выигрыш в долговечности диафрагмы.
Что касается упрощения конструкции, отпадает необходимость использования сложных литьевых форм, которые требуются для изготовления корпуса перпендикулярной компоновки, характерной для ближайшего аналога.
Кольцевую камеру целесообразно выполнить осесимметричной, предпочтительно с контуром двояковыпуклой линзы в продольном сечении.
Плавное уменьшение радиуса линий контура двояковыпуклой линзы на концах этих линий снижает вероятность забивания твердых частиц, присутствующих в перекачиваемой жидкости или случайно попавших в рабочую жидкость, между подвижной диафрагмой и соответственно стенкой рубашки или стенкой цилиндра.
Гидроприводная полость может сообщаться с внутренним объемом цилиндра через несколько перепускных отверстий, выполненных в цилиндре и в предпочтительном варианте равномерно распределенных по окружности цилиндра, а цилиндр вместе с рубашкой может быть закрыт торцовой крышкой со стороны, обращенной к рабочей поверхности поршня, т.е. поверхности, которой поршень воздействует на рабочую жидкость (масло).
В торцовой крышке может быть выполнено отверстие для слива рабочей жидкости в перерывах между включениями насоса или для обеспечения ее циркуляции через очистной фильтр в процессе работы насоса. При использовании торцовой крышки один край трубчатой диафрагмы дополнительно может быть зажат между цилиндром и торцовой крышкой для более надежного крепления трубчатой диафрагмы.
В предлагаемом насосе объем гидроприводной полости в конце такта выпуска подаваемой жидкости может составлять примерно две трети объема кольцевой камеры, что исключает неблагоприятное воздействие крупных частиц, содержащихся в подаваемой жидкости, на материал трубчатой мембраны.
Сама трубчатая мембрана может быть выполнена как из неэластичного, так и из эластичного материала. Поскольку в предпочтительном варианте насоса рабочей жидкостью является гидравлическое масло, материал трубчатой мембраны в этом случае должен быть маслонепроницаемым и маслостойким.
Для реализации наиболее простого способа регулирования впуска-выпуска подаваемой жидкости во входном отверстии насоса может быть установлен обратный клапан, открывающийся в начале такта впуска подаваемой жидкости. Соответственно в выходном отверстии насоса может быть установлен обратный клапан, открывающийся в начале такта выпуска подаваемой жидкости. Естественно, что можно использовать и более сложные системы управления, в которых движение запорных органов клапанов синхронизировано с движением поршня.
Простым способом сопряжения рубашки с цилиндром является посадка рубашки на конус спереди и сзади от кольцевой камеры (по оси цилиндра), обеспечивающая автоматическое центрирование рубашки и плотный контакт в сопряжении.
Выгодным отличием предлагаемого насоса является то, что он может представлять собой составную часть двухпоршневого бурового насоса двойного действия.
Рассмотренные выше особенности конструкции предлагаемого насоса обусловливают возможность его изготовления не только в заводских условиях, но и в эксплуатации, путем модификации поршневых насосов, упомянутых в начале описания.
Соответственно объектом изобретения является также способ изготовления насоса диафрагменного типа для подачи жидкостей, преимущественно абразивных, на основе поршневого насоса, содержащего цилиндр и поршень, установленный в цилиндре с возможностью перемещения от привода, заключающийся в том, что:
- изготавливают рубашку, предназначенную для установки поверх цилиндра, снабженную входным и выходным отверстиями и имеющую такую форму, чтобы после установки рубашки ее внутренняя поверхность вместе с наружной поверхностью цилиндра ограничивала кольцевую камеру,
- выполняют в цилиндре несколько перепускных отверстий, соединяющих внутренний объем цилиндра, примыкающий к рабочей поверхности поршня, с поверхностью, ограничивающей кольцевую камеру,
- устанавливают рубашку поверх цилиндра, поместив между ними трубчатую диафрагму таким образом, чтобы трубчатая диафрагма разделила кольцевую камеру на рабочую полость, расположенную со стороны рубашки, и гидроприводную полость, расположенную со стороны цилиндра.
Перед установкой рубашки цилиндр может быть соответствующим образом подготовлен. В частности, в стенке цилиндра с наружной стороны может быть выполнена выемка, проходящая по окружности цилиндра. В дополнение к этому решению или вместо него стенку цилиндра можно избирательно нарастить (по толщине) с образованием выемки, проходящей по окружности цилиндра.
Краткое описание чертежей
Предлагаемый насос в одном из вариантов его выполнения схематически представлен в разрезе на следующих чертежах:
фиг.1 - схема, иллюстрирующая пример конструкции насоса,
фиг.2 - насос, показанный на фиг.1, в конце такта впуска (всасывания),
фиг.3 - насос, показанный на фиг.1, в конце такта выпуска (нагнетания).
Осуществление изобретения
Предлагаемый насос содержит, как показано на фиг.1, цилиндр 1, поршень 2 со штоком, установленный в цилиндре 1 с возможностью перемещения от привода, и трубчатую диафрагму 3. Диафрагма 3 изолирует рабочую полость 4 насоса, сообщающуюся с входным отверстием и выходным отверстием насоса, от гидроприводной полости 5, сообщающейся с внутренним объемом цилиндра, примыкающим к рабочей поверхности поршня 2. Цилиндр 1 окружен снаружи рубашкой 6, установленной поверх него с образованием кольцевой камеры, которая ограниченна внутренней поверхностью рубашки 6 и наружной поверхностью цилиндра 1 и в которой находятся как рабочая 4, так и гидроприводная 5 полости, а также разделяющая эти полости трубчатая диафрагма 3.
Кольцевая камера выполнена осесимметричной и имеет в продольном сечении контур двояковыпуклой линзы. В показанном на фиг.1 исполнении радиус линий контура двояковыпуклой линзы практически постоянен, но в другом варианте радиус на концах этих линий может быть переменным, в частности может плавно уменьшаться.
Гидроприводная полость 5 сообщается с внутренним объемом цилиндра через несколько перепускных отверстий 7, выполненных в цилиндре 1 и равномерно распределенных по окружности последнего.
Трубчатая диафрагма представляет собой оболочку - отрезок тонкостенной трубы, которая может быть эластичной или неэластичной, но в любом случае достаточно гибкой, прочной, непроницаемой для жидкостей и маслостойкой.
Цилиндр 1 вместе с рубашкой 6 закрыт торцовой крышкой 8 со стороны, обращенной к рабочей поверхности поршня 2, т.е. к поверхности, контактирующей с рабочей жидкостью. В торцовой крышке 8 выполнено отверстие 9 для слива рабочей жидкости. Для более надежного крепления трубчатой диафрагмы 3 один ее край зажат между цилиндром 1 и торцовой крышкой 8. Крепежные винты и заглушки на фиг.1 условно не показаны.
Во входном отверстии насоса установлен обратный клапан 11, открывающийся в начале такта впуска подаваемой жидкости, а в выходном отверстии насоса установлен обратный клапан 12, открывающийся в начале такта выпуска подаваемой жидкости.
На фиг.1 также видно, что рубашка 6 сопряжена с цилиндром 1 посадкой на конус спереди и сзади от кольцевой камеры.
Предлагаемый насос работает следующим образом.
В положении поршня 2, показанном на фиг.1, через отверстие 10 в крышке 8 в качестве рабочей жидкости в насос заливается масло. Масло заполняет левую часть цилиндра и по перепускным отверстиям 7 начинает поступать в гидроприводную полость 5. Предположим, условно, что масло заняло такой объем, как на фиг.1 (масло показано горизонтальными штрихами). Теперь поршень перемещают вправо, и он занимает положение, показанное на фиг.2. Масло из гидроприводной полости 5 через отверстия 7 поступит внутрь цилиндра, объем гидроприводной полости 5 уменьшится, а рабочей полости 4 - увеличится, оболочка 3 займет другое положение. Одновременно в рабочую полость 4 через обратный клапан 11 поступит перекачиваемая жидкость, например буровой раствор. При перемещении поршня 2 влево, в положение, показанное на фиг.3, масло из цилиндра поступает в гидроприводную полость 5, увеличивая ее объем и через оболочку 3 выдавливая буровой раствор из рабочей полости 4 через обратный клапан 12.
Таким образом, перемещение поршня 2 из положения, показанного на фиг.2, в положение, показанное на фиг.3, представляет собой рабочий ход поршня, при этом буровой раствор в цилиндр 1 не попадает, а поршень 2 работает в масле.
При данной схеме мелкие частицы цилиндру 1 не страшны, а крупные, пройдя через систему отстойников, осядут. Отпадает необходимость в машине очистки и органических присадках. При необходимости отработанное масло сливается через отверстие 9.
Очистку масла можно производить при необходимости в ходе работы или в перерывах.
При соотношении размеров элементов насоса, показанных на чертежах, объем масла, вытесненного из цилиндра поршнем из правого положения в левое, займет приблизительно 2/3 объема кольцевой камеры. Толщина оболочки в нашем случае не имеет особого значения.
Существующие поршневые насосы с цилиндром 1 и поршнем 2 можно модифицировать следующим образом.
Сначала изготавливают рубашку 6, предназначенную для установки поверх цилиндра 1, снабженную входным и выходным отверстиями и имеющую такую форму, чтобы после установки рубашки ее внутренняя поверхность вместе с наружной поверхностью цилиндра ограничивала кольцевую камеру. Рубашка может быть отлита сразу кольцевой формы, либо собрана из нескольких сегментов, например из двух половин.
Далее в цилиндре 1 выполняют несколько перепускных отверстий 7, соединяющих внутренний объем цилиндра, примыкающий к рабочей поверхности поршня 2, с поверхностью, ограничивающей кольцевую камеру.
Затем устанавливают рубашку 6 поверх цилиндра 1, поместив между ними трубчатую диафрагму 3 таким образом, чтобы трубчатая диафрагма 3 разделила кольцевую камеру на рабочую полость 4, расположенную со стороны рубашки 6, и гидроприводную полость 5, расположенную со стороны цилиндра 1.
Перед установкой рубашки 6 в стенке цилиндра 1 с наружной стороны может быть выполнена выемка, проходящая по окружности цилиндра. Кроме того, стенку цилиндра 1 можно избирательно, т.е. для достижения толщины, изменяющейся по длине цилиндра, нарастить с образованием выемки, проходящей по окружности цилиндра.
Рубашку 6 удобно устанавливать поверх цилиндра 1 с посадкой на конус спереди и сзади кольцевой камеры.
Таким образом, модификация затрагивает в основном грязевую часть насоса.
Изготовлена работающая модель насоса диафрагменного типа на базе двухпоршневого насоса двойного действия, которая развила давление более 60 атм. С приводом от двигателя мощностью 270 Вт модель создает давление приблизительно 30 атм.