ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНАЯ МУФТА ДЛЯ ПОГРУЖНОГО ОДНОВИНТОВОГО НАСОСА

Техническое решение относится к гидромашиностроению, а также конструкциям обгонных муфт (муфт свободного хода) и может быть использовано при создании погружных одновинтовых насосов для добычи нефти или воды.
Известна пусковая предохранительная муфта для погружного одновинтового насоса, описанная в патенте US 4718824 А, 21.01.1998, F 04 В 49/06, содержащая ведомую полумуфту и ведущую полумуфту, в радиальном канале которой установлены два кулачка, выполненные с возможностью радиального перемещения под действием центробежной силы. Муфта снабжена пружиной растяжения, соединенной своими концами с кулачками. Пружина предназначена для противодействия радиальному перемещению кулачков с заранее заданным усилием. В ведомой полумуфте выполнены два паза, образующие поверхности, предназначенные для упора в них кулачков при достижении заданной частоты вращения ведущей полумуфты, которая определяется жесткостью стягивающей кулачки пружины.
Наличие пусковой предохранительной муфты обеспечивает включение насоса, имеющего большую инерцию покоя, при достижении максимального крутящего момента погружного электродвигателя, соответствующего
определенной частоте вращения ротора (от 800 до 1100 об/мин для четырехполюсных асинхронных электродвигателей).
Основными недостатками описанного аналога являются сложность тарировки пружины, а также непредсказуемый характер изменения ее упругой характеристики, происходящего в результате коррозии материала пружины. Кроме того, имеется высокая вероятность заклинивания кулачков в стянутом положении, вследствие того, что муфта является нормально выключенной и находится в среде пластовой жидкости, содержащей большое количество механических примесей, частицы которых, попадая в зазор между стенкой радиального канала и кулачками, препятствуют выдвиганию кулачков и, соответственно, включению муфты. Также имеется вероятность проскакивания кулачка сквозь паз с заклиниванием его в корпусе основания при неточном изготовлении или повреждении поверхностей, ограничивающих радиальное перемещение кулачка при включении муфты.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является пусковая предохранительная муфта для погружного одновинтового насоса, описанная в кн. Ивановский В.Н. и др. Скважинные насосные установки для добычи нефти, М., Нефть и газ, 2002, с.364-365, рис.1.171, содержащая ведомую полумуфту, выполненную с возможностью соединения с валом насоса посредством разъемного соединения, ведущую полумуфту, выполненную с возможностью соединения с валом погружного электродвигателя. В радиальном канале ведущей полумуфты установлены два кулачка с возможностью радиального перемещения под действием центробежной силы, при этом
кулачки стянуты пружиной, предназначенной для противодействия радиальному перемещению кулачков с заранее заданным усилием. Ведущая полумуфта расположена в полости корпуса ведомой полумуфты, в боковой стенке которого выполнены сквозные пазы, образующие поверхности, предназначенные для упора в них кулачков при вращении ведущей полумуфты в заданном направлении и при достижении заданной частоты вращения, определяемой жесткостью стягивающей кулачки пружины.
Помимо облегчения пуска электродвигателя описанная муфта обеспечивает защиту обоймы от сухого трения при обратном вращении вала электродвигателя, вызванном неправильной фазировкой электродвигателя.
Недостатком прототипа являются то, что корпус ведомой полумуфты закреплен относительно вала насоса с помощью гайки, расположенной внутри корпуса, в связи с этим невозможно осуществить полную сборку муфты до ее установки на валу насоса, что существенно усложняет сбоку и повышает риск повреждения или загрязнения рабочих поверхностей муфты, соответственно, снижается надежность муфты. Однако, основными недостатками прототипа являются описанные выше проблемы, связанные с недостаточной надежностью центробежного механизма, при этом в настоящее время выпускаются погружные электродвигатели, имеющие пусковой момент, обеспечивающий возможность включения насоса одновременно с пуском электродвигателя, что позволяет отказаться от функции облегчения пуска и, соответственно, использования в муфте центробежных кулачков и тарированной стягивающей пружины. Известны предохранительные муфты для погружных
одновинтовых насосов производства ООО «Борец» и ОАО «Ливгидромаш» конструктивно аналогичные муфте, описанной в прототипе, но снабженные кулачками в виде откидных собачек, подпружиненных в направлении пазов ведомой полумуфты. Такая муфта обеспечивает только предохранительные функции и еще до начала вращения электродвигателя находится в предвключенном состоянии, соответственно, проблем с заклиниванием кулачков не возникает, однако другие, описанные выше проблемы присущи ей в полной мере, особенно проблема ограничения перемещения кулачков после включения муфты, усугубляющаяся тем, что в конструкции присутствуют подпружиненные толкатели, которые в случае неточного изготовления при провороте кулачка могут выскочить из своих отверстий и застрять между муфтой и корпусом. Опыт реальной эксплуатации таких муфт подтвердил высокую актуальность этой проблемы.
Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее техническое решение, состоит в создании обгонной муфты (муфты свободного хода), которая может быть использовано в качестве предохранительной муфта погружного одновинтового насоса для добычи нефти.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в снижении требований к точности изготовления муфты и повышении ее надежности за счет обеспечения работоспособности муфты при неточном изготовлении или износе поверхностей, ограничивающих перемещение кулачков после включения муфты, а также за счет упрощения и повышения технологичности сборки муфты.
Предохранительная муфта для погружного одновинтового насоса содержит ведомую полумуфту, средства для соединения ведомой полумуфты с валом насоса и ведущую полумуфту, выполненную с возможностью соединения с валом погружного электродвигателя. Ведущая полумуфта содержит, по крайней мере, два подвижно установленных кулачка, а ведомая полумуфта выполнена с, по крайней мере, двумя упорными поверхностями, каждая из которых предназначена для упора в нее соответствующего кулачка при вращении ведущей полумуфты в заданном направлении. В отличие от прототипа ведомая полумуфта выполнена, по крайней мере, с двумя дополнительными упорными поверхностями, каждая из которых выполнена с возможностью упора в нее соответствующего кулачка ведущей полумуфты, при этом элементы, предназначенные для фиксации в рабочем положении средств для соединения ведомой полумуфты с валом насоса, расположены на внешних частях муфты.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели дополнительные упорные поверхности могут быть расположены приближенно перпендикулярно соответствующим упорным поверхностям ведомой полумуфты.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели ведомая полумуфта может содержать корпус в виде стакана, в полости которого размещена ведущая полумуфта, при этом в боковой стенке корпуса ведомой полумуфты выполнены пазы, образующие упорные поверхности ведомой полумуфты, а кулачки выполнены в виде откидных собачек и установлены с
возможностью поворота относительно оси, параллельной продольной оси муфты.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели пазы могут быть выполнены сквозными, а на внешней поверхности ведомой полумуфты может быть установлено кольцо, закрывающее указанные пазы, причем соответствующие части внутренней поверхности кольца образуют дополнительные упорные поверхности ведомой полу муфты.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели средства для соединения ведомой полумуфты с валом насоса могут представлять собой палец, выполненный с возможностью установки в соответствующие радиальные отверстия вала насоса и корпуса ведомой полумуфты, причем палец может быть выполнен с возможностью фиксации в рабочем положении относительно корпуса ведомой полумуфты с помощью головки, выполненной на одном конце пальца, и упорного разрезного кольца, устанавливаемого на другом конце пальца.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели корпус ведомой полумуфты может быть выполнен с отверстием в закрытой торцевой части, которое предназначено для установки муфты на соответствующем валу насоса, при этом в указанном отверстии выполнен продольный паз с возможностью размещения в нем шпонки, закрепляемой на валу насоса.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели ведущая полумуфта может быть снабжена пружинами, каждая из которых предназначена для воздействия на соответствующий кулачок в направлении пазов
корпуса ведомой полумуфты
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели ведущая полумуфта может быть снабжена толкателями, предназначенными для передачи усилия от пружины на соответствующий кулачок.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели ведущая полумуфта может включать в себя вал, первый конец которого выполнен с возможностью соединения с валом погружного электродвигателя, а второй конец установлен с возможностью поворота в полости корпуса ведомой полумуфты, на втором конце вала выполнена профилированная шейка, в продольных пазах которой установлены кулачки, а в радиальных отверстиях установлены пружины с толкателями, при этом каждый кулачок состоит из упорного элемента и двух полуосевых элементов, расположенных с двух сторон от упорного элемента кулачка, причем на валу ведущей полумуфты с двух сторон от кулачков установлены шайбы, в которых выполнены отверстия для размещения свободных концов полуосевых элементов.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели ведомая полумуфта может быть снабжена крышкой закрепленной на корпусе ведомой полумуфты со стороны открытого торца корпуса, крышка может быть выполнена с центральным отверстием, в котором закреплен кольцевой антифрикционный вкладыш, предназначенный для установки вала ведущей полумуфты, при этом торцевая поверхность вкладыша выполнена с возможностью восприятия осевого усилия со стороны соответствующей шайбы ведущей полумуфты в рабочем положении муфты.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели кулачки могут быть выполнены с возможностью перемещения в направлении пазов ведомой полумуфты под действием центробежной силы, причем ведущая полумуфта снабжена, по крайней мере, одной пружиной, предназначенной для ограничения радиального перемещения кулачков с заданным усилием.
Выполнение пазов ведомой полумуфты зарытыми с внешней стороны исключает возможность проворота кулачка в пазе ведомой полумуфты в результате неточного изготовления (износа) поверхности продольного паза профилированной шейки, ограничивающей поворот кулачка. В результате до минимума снижены требования к точности изготовления профилированной шейки ведущей полумуфты, причем наличие на ведущей полумуфты элементов, ограничивающих поворот кулачка, в данном случае вообще не является обязательным. Также повышена надежность муфты, так как проблема связанная с выпадением кулачков или толкателей полностью устранена.
Закрепление муфты на валу насоса посредством быстроразъемного соединения с фиксирующими элементами, расположенными на наружных частях муфты, обеспечивает возможность предварительно сборки муфты как отдельного узла и легкую установку муфты на валу насоса, что существенно повышает технологичность и упрощает процесс сборки муфты, особенно при ремонте насоса, осуществляемом нефтедобывающей организацией.
Возможность осуществления полезной модели, охарактеризованной приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием конструкции пусковой предохранительная муфта для погружного
одновинтового насоса, сопровождаемым графическими материалами, на которых изображено следующее:
На Фиг.1 - основание одновинтового гидравлически уравновешенного винтового насоса для добычи нефти.
На Фиг.2 - пусковая предохранительная муфта для погружного одновинтового насоса.
На Фиг.3 - сечение А-А по Фиг.2.
Основание 2 погружного одновинтового насоса, включающего в себя приводной вал 4 насоса, корпус 3 осевой опоры 5, и предохранительную муфту 1, размещенную в корпусе 25 предохранительной муфты.
Муфта 1 содержит ведомую полумуфту 6, закрепляемую на приводном валу 4, и ведущую полумуфту 7, выполненную с возможностью соединения с валом погружного электродвигателя (на чертежах не показан). Ведомая полумуфта 6 содержит корпус 8, в полости которого размещена ведущая полумуфта 7 с кулачками (откидными собачками) 9. В боковой стенке корпуса ведомой полумуфты выполнены сквозные пазы 10, образующие упорные поверхности 11, расположенные под таким углом к радиусу, что обеспечивается надежный упор в эти поверхности кулачков 9 при вращении ведущей полумуфты в заданном направлении (по часовой стрелке на Фиг.3). На внешней цилиндрической поверхности корпуса 8 ведомой полумуфты установлено кольцо 12, закрывающее пазы 10 таким образом, что соответствующие части внутренней поверхности кольца образуют дополнительные упорные поверхности ведомой полу муфты. Кольцо 12 зафиксировано от осевого
перемещения за счет установки на корпусе 8 с небольшим натягом.
Корпус 8 выполнен в виде стакана с отверстием 18 в закрытой торцевой части, предназначенным для установки муфты на валу 4, при этом в указанном отверстии выполнен продольный паз 17 с возможностью размещения в нем шпонки 13, закрепленной на валу насоса. Муфта 1 снабжена пальцем 14, выполненным с возможностью установки в соответствующие радиальные отверстия вала насоса и корпуса ведомой полу муфты (на Фиг.3 шпонка 13 и палец 14 условно показаны в одной плоскости для повышения информативности чертежа). Палец 14 выполнен с возможностью фиксации относительно корпуса 8 с помощью головки 15, выполненной на одном конце пальца, и упорного разрезного кольца 16, устанавливаемого в соответствующей кольцевой канавке на другом конце пальца. Таким образом для закрепления муфты на валу 4 достаточно надеть ведомую полумуфту на свободный конец вала, введя шпонку 13 в паз 17, а затем вставить в отверстия вала 4 и корпуса 8 палец 14 и зафиксировать его в помощью разрезного кольца 16. При этом жесткая осевая фиксация муфты на валу насоса в обоих направлениях также упрощает сборку насоса с электродвигателем перед установкой агрегата в скважине, так как, если в процессе сборки муфта сместится по валу насоса внутрь основания (что возможно при креплении муфты с помощью центральной гайки и т.п.), ведущая полумуфта может выйти из зацепления со шлицевой муфтой (на Фиг.2 не показана), соединяющей ее с валом электродвигателя (протектора электродвигателя) и сборку агрегата придется проводить заново.
Ведущая полумуфта 7 включает в себя вал 19, шлицевой конец которого выполнен с возможностью соединения с валом погружного электродвигателя посредством упомянутой шлицевой муфты, а второй конец установлен с возможностью поворота в полости корпуса 8 ведомой полумуфты. На втором конце вала выполнена профилированная шейка 20, в продольных пазах которой установлены кулачки 9 с возможностью поворота относительно оси, параллельной продольной оси муфты.
Кулачек 9 состоит из упорного элемента 23 и двух полуосевых элементов 24, закрепленных в отверстии упорного элемента 23 с двух сторон от него, а на валу 19 с двух сторон от кулачков 9 установлены шайбы 27 и 28, в которых выполнены отверстия для размещения свободных концов полуосевых элементов 24. На элементе 23 выполнен скос 26 таким образом, что исключается возможность упора кулачка в заднюю поверхность паза 10 при обратном вращении ведущей полумуфты.
Продольные пазы профилированная шейка 20 выполнены с задней стенкой 32, предназначенной для ограничения поворота кулачка 9, однако, возможно выполнение шейки 20 без специальных элементов, ограничивающих поворот кулачков 9, в этом случае положение кулачков во включенном состоянии будет определяться только кольцом 12.
В радиальных отверстиях профилированной шейки размещены пружины 21 с толкателями 22, выполненные с возможностью воздействия на соответствующий кулачек в направлении пазов 10 ведомой полумуфты. Наличие пружин 21, обеспечивающих принудительный поворот кулачков 9 в
направлении пазов 10, приводит к тому, что муфта 1 еще до начала движения вала электродвигателя находится в предвключенном состоянии, что гарантирует срабатывание муфты при повороте вала электродвигателя в заданном направлении.
В полости ведомой полумуфты установлен первый кольцевой антифрикционный вкладыш 29, предназначенный для установки шайбы 27 в корпусе 8 с возможностью вращения. Ведомая полумуфта снабжена крышкой 30 закрепленной на корпусе со стороны открытого торца корпуса. Крышка 30 выполнена с центральным отверстием, в котором закреплен второй кольцевой антифрикционный вкладыш 31, предназначенный для установки вала 19. Торцевая поверхность 33 вкладыша 31 выполнена в виде гидродинамического подпятника на котором вращается шайба 28 с кулачками 9 при обратном ходе муфты 1.
Устройство работает следующим образом.
При включении погружного электродвигателя вал 19 начинает поворачиваться в направлении против часовой стрелки на Фиг.3, кулачки 9, прижатые толкателями 22 к внутренней стенке корпуса 8 свободно двигаются внутри корпуса до попадания в соответствующий паз 10, после этого кулачки дополнительно поворачиваются до упора своей задней поверхностью в стенку 32 продольного паза профилированной шейки 20 или до упора во внутреннюю поверхность кольца 12 при неточном изготовлении внутренней поверхности стенки 32 (или ее износе, вызванном неравномерностью в работе насосного агрегата). При дальнейшем повороте вала 19 кулачки 9 упираются
в поверхности 11 паза 10, муфта включается и крутящий момент передается на приводной вал 4 насоса.
При неправильной фазировке электродвигателя вал 19 начинает вращаться в направлении, противоположном заданному, при этом кулачки 9, попадая в пазы 10 за счет наличия скосов 26 проскальзывают по задней поверхности пазов и включения муфты не происходит, соответственно, крутящий момент не передается на приводной вал насоса и не происходит вращение рабочего винта насоса в обратном направлении, что привело бы к выходу из строя обоймы насоса вследствие того, что трение между винтом и обоймой происходило бы в отсутствии смазывающей среды.
Описанный пример осуществления изобретения относится к муфте, обеспечивающей только защиту рабочих органов насоса от обратного вращения, применяемой в том случае, если характеристики погружного электродвигателя позволяют осуществить запуск насоса одновременно с пуском электродвигателя. Однако, в соответствии с настоящей полезной моделью может быть выполнена и пусковая предохранительная муфта с центробежными кулачками, аналогичная описанной в прототипе.