Особенности проектирования и расчета многозаходных винтовых героторных механизмов мультифазных насосов

УДК 621.833/622.24

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА МНОГОЗАХОДНЫХ ВИНТОВЫХ ГЕРОТОРНЫХ МЕХАНИЗМОВ

МУЛЬТИФАЗНЫХ НАСОСОВ

Ю.А. Коротаев, Д.А. Голдобин

Рассмотрены особенности конструкции и технологии изготовления многоза-ходного героторного механизма мультифазного насоса. Описана методика расчета основных геометрических параметров и профиля зубьев ротора и статора. Даны рекомендации по выбору числа зубьев ротора и статора, величины смещения исходного контура рейки и величины осевого шага зубьев. Показано, что армирование позволяет повысить изгибную жесткость резиновых зубьев статора и энергетические характеристики мультифазного насоса.

Ключевые слова: мультифазный насос, героторный механизм, ротор, статор, исходный контур рейки, профиль зубьев, расчет, резина.

В последние годы в России широкое распространение получили наземные мультифазные насосы для перекачки водно-газонефтяных смесей [1, 2]. Такие насосы позволяют перекачивать всю скважинную продукцию (нефть, вода, попутный газ) напрямую на установки предварительной подготовки нефти и с высокой эффективностью производить закачку водных и водно-газовых смесей в систему поддержания пластового давления в системах адресной закачки в нагнетательные скважины. Отличительной особенностью новых мультифазных винтовых насосов является увеличенная производительность и давление [1]. Основным узлом мультифазного насоса, определяющим его напорные характеристики, является многозаходный винтовой героторный механизм — цилиндрическая планетарная зубчатая передача внутреннего зацепления (рис. 1), состоящая из двух зубчатых элементов, статора 1 и ротора 2, с разницей в числах зубьев, равной единице, и межосевым расстоянием передачи а„, равным половине высоты зубьев элементов. Зубья статора в торцовом сечении имеют одновременный контакт со всеми зубьями ротора во всех фазах зацепления.

Особенностью технологии изготовления таких зубчатых передач является то, что из-за большой длины героторных механизмов зубья статора выполняются на обкладке из резины 3, привулканизованной к внутренней стенке металлического корпуса статора. Зубчатая поверхность статора формируется сердечником в специальной пресс-форме. Зубья роторов и сердечников пресс-форм фрезеруются и полируются на специальных зубо-обрабатывающих станках [3].

При проектировании многозаходного героторного механизма мультифазного насоса обычно заданы следующие исходные данные: производительность (подача) рабочей жидкости Q; развиваемое давление Рраб;

максимальная сила поперечных вибраций от планетарного вращения 1 метра ротора вокруг оси статора ЯЦ.; радиус впадин зубьев статора Яд.

Рис. 1. Многозаходный винтовой героторный механизм: 1 - статор; 2 - ротор; 3 - резиновая обкладка статора

Расчет основных геометрических параметров выполняется в следующем порядке.

Выбирается число зубьев статора исходя из заданного давления Рраб. Рекомендуемые числа зубьев статора приведены в таблице.

Число зубьев статора в зависимости от давления

Рраб, МПа До 2,5 2.5—6 Более 6

21 6-5 5-4 4-3

Рассчитываются координаты торцового профиля зубьев статора и ротора. Торцовый профиль статора рассчитывается как огибающая исходного контура рейки (ИКР), очерченного эквидистантой укороченной циклоиды (рис. 2).

Координаты хр, ур и угол профиля ар исходного контура рейки рассчитываются по формулам [3]

а

аг^

г \

г - а  ообур

а  Б1П

У р

Хр =-г + а  ооб ур + гц  Б1и ар;

Ур = г  Ур - а  Б1п ур + гц  ооб ар;

где г=1,175а, г„=2,175а [3].

Рис. 2. Исходный контур рейки: 1 - эквидистанта укороченной циклоиды; 2 - укороченная циклоида

Особенностью построения зацепления героторных механизмов от ИКР является то, что радиус производящей окружности ИКР равняется межосевому расстоянию героторного механизма а =

Межосевое расстояние героторного механизма а^ рассчитывается по формуле

а

Яу 1 -Ах

1,175 • + 2

где Дх1 - смещение ИРК; хх— число зубьев статора.

От величины смещения ИРК зависит форма зубьев статора, ротора и эксплуатационная характеристика героторного механизма. При смещении ИКР к оси статора (отрицательное смещение ИКР) зубья статора приближаются к начальным окружностям и оси статора. Чем больше величина смещения, тем зубья статора ближе к начальным окружностям и оси статора. Это позволяет уменьшить скорости скольжения зубьев статора относительно зубьев ротора [2, 3] и повысить КПД героторного механизма. Однако с увеличением отрицательного смещения уменьшается изгибная жесткость зубьев статора.

При смещении Дх1 ИКР от оси статора (положительное смещение ИКР) зубья статора удаляются от начальных окружностей и оси статора. Чем больше величина смещения, тем зубья статора дальше от начальных окружностей и оси статора. Это позволяет повысить изгибную жесткость зубьев статора, но при этом увеличивается скорость скольжения зубьев статора относительно зубьев ротора и их износ [3, 4], а также снижается КПД героторного механизма.

Рекомендуемая величина отрицательного и положительного смещения Ах\ находится в пределах: -1,2 • а^ < < 0,5^. Максимально допустимая величина отрицательного и положительного смещения находится в пределах: -1,04 • а^ • < Дл^ < 0,73 • а^ • [4]. Знак «плюс» относится к положительному смещению Ахъ знак «минус» — к отрицательному. При этих условиях обеспечивается плавность профилей статора и ротора, отсутствие подрезания и интерференции.

Для предварительных расчетов по формуле (2) для героторных механизмом мультифазных насосов рекомендуется принимать величину смещения ИКР Ах\=0 [3].

Полученное при расчетах по формуле (2) значение а^ округляется до ближайшего значения из ряда чисел с интервалом 0,5 Для анализа и выбора оптимальных геометрических параметров героторного механизма целесообразно выполнить расчеты при нескольких стандартных значениях близких к расчетному.

Рассчитывается рабочий объем д героторного механизма по форму-

9= 6 >

Пробно

где г|0- объемный КПД, который для предварительных расчетов можно принять равным ц0 = 0,8 [2, 3]; яраб - частота вращения ротора, подбирается исходя из максимально возможной силы Рц поперечных вибраций, которая рассчитывается по формуле [2].

праб=->

где 12 - число зубьев ротора; м? - угловая скорость вращения ротора вокруг оси статора, рассчитывается по формуле [4]

™ = пга^,

где т - масса 1 погонного метра ротора, кг.

Рассчитываются торцовый профиль зубьев статора, как профиль огибаемый ИКР при обкатывании без скольжения делительной прямой ИКР (см. рис. 2) по делительной окружности статора [3].

Рассчитывается торцовый профиль ротора, как эквидистанта огибающей торцового профиля статора, при качении без проскальзывании начальной окружности статора по начальной окружности ротора [3].

Рассчитывается площадь £ проходного сечения пары «ротор-статор» по формуле [2, 3]:

S = Si -S2.

где Si и S2 - площади, ограниченные торцовым профилем статора и ротора. Эти площади рассчитываются методом численного интегрирования или с использованием программы AutoCAD. Рассчитывается осевой шаг зубьев статора Px по формуле [2, 3]

Px = VJL-

S-zi- z2

Рассчитывается угол наклона Pw винтовой линии зубьев на инструментальном диаметре статора по формуле

Pw = arctg

Г о Л

2-Щ-r

Px

Рассчитывается перепад давления в зубчатой передаче по формуле

[2, 3]:

Pраб = •

q Лгм

где пгм — гидромеханический коэффициент полезного действия. Рассчитывается площадь проекции контактных линий Sк:

Бк = л^(^ро)2/4 , где DPо = Dк —3а. Рассчитывается осевая сила Fос на роторе, возникающая при работе героторного механизма

Fос = Рраб'( & + х2' ^

Рассчитывается мощность привода винтовой насосной секции в режиме максимальной производительности по формуле

N = 6  Рраб

Л '

где п - коэффициэнт полезного действия мультифазного насоса. Рассчитывается крутящий момент на роторе

_ N9554

М =-.

п раб

Рассчитывается число ходов винтовых линий к и длина Ь зубчатых поверхностей статора и ротора по формулам [3]

*=1.

zi

^ Рраб + z ^

[РК ]

L = k-T = k-Px--zi,

где [Рк] — допустимый межвитковый перепад давления, принимается равным 0,25...0,5 МПа [2].

При проектировании мультифазных насосов с развиваемым давлением Рх более 7...8 МПа длина зубчатой обкладки статора, рассчитанная по формуле (10), может оказаться более 6000 мм и статор невозможно залить резиновой смесью.

Увеличить допустимый межвитковый перепад давления и уменьшить длину резиновой обкладки можно за счет армирования статора, которое заключается в изготовлении корпуса статора с внутренними металлическими зубьями с последующим их обрезиниванием.

Армирование позволяет увеличить изгибную жесткость резиновых зубьев статора, а также повысить его долговечность за счет лучшего теп-лоотвода и увеличения усталостной выносливости зубьев. При увеличенной жесткости зубьев статора уменьшаются утечки рабочей жидкости из камер высокого давления в камеры низкого давления.

Отсутствие или значительное уменьшение протоков промывочной жидкости из рабочих камер героторного механизма, образованных винтовыми поверхностями ротора и статора, увеличивает производительность насоса, развиваемое давление и улучшает напорную характеристику геро-торного механизма.

Существуют различные способы изготовления корпусов статоров с внутренними винтовыми зубьями: электрохимическое выжигание внутренней поверхности металлической заготовки или ковка трубной металлической заготовки на винтовом сердечнике; литье металла в полость между корпусом и винтовым сердечником, установка в цилиндрический корпус: набора металлических пластин или сегментов с вырезанным профилем.

Недостатком вышеперечисленных способов является высокая трудоемкость и себестоимость изготовления корпуса статора. Нами при разработке конструкции героторного механизма мультифазного насоса с армированным статором используется тонкостенная гидроштампованная зубчатая оболочка (рис. 3, а) и литые металлические вкладыши (рис. 3, б), которые устанавливается в расточку корпуса статора. В зазор между корпусом статора и поверхностью винтовой оболочки устанавливается жесткий элемент 5 (рис. 3, а).

В конце 2010-х годов гидроштампованная зубчатая оболочка была впервые использована для армирования статора многозаходного геротор-ного механизма винтового забойного двигателя Д-95Х. Стендовые испытания двигателей ООО «ВНИИБТ — Буровой инструмент» со статором армированным тонкостенной стальной винтовой оболочкой, кинематическим соотношением 5:6 и длиной зацепления 2600 мм показали, что новые секции рабочих органов имеют повышенные энергетические характеристики по сравнению с серийными секциями рабочих органов с длиной зацепления 3000 мм, увеличенный на 40% крутящий момент на режиме максимального КПД, более «жесткую» нагрузочную характеристику работы винтового героторного механизма и увеличение КПД на 10% при расходе жидкости 10 л/с.

С целью повышения производительности и развиваемого давления выпускаемых винтовых мультифазных насосов ООО «ВНИИБТ Буровой инструмент» начал опытные работы по разработке, изготовлению и испытаниям винтовой насосной секции мультифазного насоса в габарите 240 мм со статором, армированным литыми металлическими вкладышами.

а б

Рис. 3. Торцовое сечение героторного механизма (варианты исполнения): 1 - ротор; 2 - корпус статора; 3 - стальная зубчатая тонкостенная оболочка; 4 - резиновая обкладка; 5 - пруток;

6 - металлический вкладыш

В« "

настоящее время многозаходныи героторныи механизм мультифазного насоса со статором, армированным металличекими вкладышами, изготовлен и в ближайшее время будут проведены стендовые и промысловые испытания.

Разработанная методика расчета геометрических параметров геро-торных механизмов внедрена при проектировании и производстве мультифазных винтовых насосных установок в ООО «ВНИИБТ Буровой инструмент». Использование методики и результатов исследовании позволило значительно повысить энергетические характеристики и долговечность основного узла мультифазного насоса.

Список литературы

1. Мультифазные насосные установки повышенной производительности для перекачки нефтегазовых смесей/ Ю.А.Коротаев, Д.А.Голдобин, Н.Ю. Мялицин, А.Ю. Субботин // Oil &Gaz Eurasia. 2014. № 6-7. С. 64-65.

2. Балденко Д.Ф., Балденко Ф,Д.,Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2005-2007. 858 с.

3. Коротаев Ю.А Технологическое обеспечение долговечности мно-гозаходных винтовых героторных механизмов гидравлических забойных двигателей. М.: ВНИИОЭНГ, 2003. С. 260.

4. Патент РФ № 2232317 на изобретение МПК F16H1/32, F16H55/08 Героторный механизм винтовой гидромашины / А.В.Цепков, Ю.А. Коро-таев. Опубл. 10.07.2004. Бюл. № 19.

Коротаев Юрий Арсеньевич, д-р техн. наук, главный научный сотрудник, yko-rotaev@integra.ru, Россия, Пермь, ООО « ВНИИБТ-Буровой инструмент»,

Голдобин Дмитрий Анатольевич, канд. техн. наук, руководитель группы по мультифазным насосным установкам, dgoldohinaintegra.ru, Россия, Пермь, ООО ««ВНИИБТ-Буровой инструмент»

DESIGNING AND CALCULATION PECULIARITIES OF THE MULTIPLE-THREAD SCREW-TYPE GEROTOR MACHINES OF THE MULTIPHASE PUMPS

Yu.А.Korotaev, D.А. Goldohin

The peculiarities of designing and production technique of the multiphase pump multi-thread gerotor machine are considered. The practice of calculation of the basic geometric dimensions as well as rotor and stator teeth profile is described. The recommendations considering the required number of the rotor and stator teeth as well as values of a basic rack profile displacement and teeth axial pitch are given. It is demonstrated that reinforcement allows to increase a bending stiffness of the stator rubber teeth and output performance of the multiphase pump.

Key words: multiphase pump, gerotor machine, rotor, stator, basic rack profile, teeth profile, calculation, rubber.

Korotaev Yuriy Arsenevich, doctor of technical science, chief research scientist, yko-rotaeva integra.ru, Russia, Perm, INTEGRA-Drilling tools LLC,

Goldobin Dmitriy Anatolevich, candidate of technical science, Head of the Multiphase pumping unit Group, dgoldobinqintegra.ru, Russia, Perm, INTEGRA-Drilling tools LLC