ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ГЛУБИННЫЙ НАСОС
ELECTROMAGNETIC BOREHOLE PUMP

Изобретение относится к глубинным гидравлическим насосам, а именно к электромагнитным насосам с возвратно-поступательным движением поршней, осуществляемым под действием сил притяжения соленоидов.
Известна конструкция электромагнитного насоса [патент на изобретение СССР №811, приоритет 1923 г.], в корпусе которого размещены два соленоида, обеспечивающих возвратно-поступательное перемещение поршня (якоря), имеющего сквозной проходной канал. Насос также снабжен нагнетательным и всасывающим клапанами.
Известна конструкция объемного насоса [АС СССР N 877116, 1981], содержащего по меньшей мере одну рабочую камеру, снабженную всасывающим и нагнетательным патрубками, в последнем из которых установлен подпружиненный запорный элемент нагнетательного клапана, связанный с сильфоном, закрепленным одним торцом в корпусе, у которого внутренняя полость сильфона выполнена герметичной и сообщена каналом со всасывающим патрубком, причем площадь поперечного сечения внутренней полости сильфона не меньше площади поперечного сечения рабочей камеры.
В качестве прототипа выбрана конструкция электромагнитного насоса. Электромагнитный насос содержит статор с цилиндрическим магнитным корпусом, внутри которого установлены две намагничивающие катушки, разделенные между собой прокладкой из немагнитного материала. По торцам катушек установлены полюса, разделенные между собой втулками из немагнитного материала. Якорь-поршень выполнен в виде трубы из немагнитного материала, на одном из концов которой имеется насадка с отверстием. На внешней поверхности трубы насажены магнитные и немагнитные кольца. Один из торцов якоря-поршня упирается в пружину, которая давит на металлический шарик, установленный в клапанном отсеке, на внутренней поверхности отсека закреплены ограничители хода якоря-поршня. По своей конструкции устройство является двухступенчатым насосом, т.к. имеется две катушки, увеличивающие ход поршня-якоря, состоящего, по сути, из двух поршней-якорей, установленных на одной немагнитной трубе через изоляторы (RU 2074983C1, 19.03.1993).
Недостатком данной конструкции являются:
- малое суммирование хода и, как следствие, малая высота подъема жидкости;
- выравнивание рабочей характеристики насоса за счет уменьшения длин ферромагнитных участков за счет изоляторов, установленных на немагнитной трубе, т.к. уменьшается максимальное усилие на поршне-якоре.
В основу изобретения поставлена задача расширения арсенала средств и создание новой конструкции глубинного насоса, обеспечивающего подъем пластовой жидкости из скважин, глубиной до 2,5 км. Достигаемый технический результат - обеспечение суммирования хода за счет применения многоступенчатой нагнетающей конструкции с раздельными поршнями.
Поставленная задача решается изменением конструкции насоса.
Электромагнитный насос, характеризующийся тем, что имеет корпус с установленным на нижнем торце клапанным узлом. Внутри корпуса в камере всасывания установлен амортизатор, закрепленный на корпусе. В корпусе также размещена система поршней нагнетающих ступеней. Количество ступеней может достигать 8-10. Поршни имеют осевые отверстия и разделены между собой камерами. Поршень первой ступени, размещенный над амортизатором, выполнен в виде клапана с шаровым запорным органом. В теле поршней (в корпусе, залитом компаундом) ступеней размещены катушки индуктивности. Насос снабжен дополнительной катушкой индуктивности, имеющей осевое отверстие и неподвижно закрепленной в верхней части корпуса. Верхний торец дополнительной катушки и стенки корпуса образуют выходную камеру, в которой размещен дополнительный выходной поршень с осевым отверстием. Шток дополнительного выходного поршня выполнен полым и заглублен в осевое отверстие дополнительной катушки. В боковых стенках выходной камеры имеются радиальные отверстия, расположенные под дополнительным выходным поршнем. Поршни нагнетательных ступеней снабжены патрубками, торцы которых заглублены в осевые отверстия поршней последующих ступеней, а для последней ступени - в осевое отверстие дополнительной катушки. В осевых отверстиях поршней и дополнительной катушки имеются ограничители, предотвращающие выход упомянутых патрубков из отверстий. Патрубок поршня последней ступени заглублен в дополнительную катушку настолько, что взаимодействует (толкает) со штоком дополнительного выходного поршня. Таким образом, патрубки (штоки) выполнены из электротехнической стали, таким образом, поршень каждой предыдущей ступени является якорем для катушки последующей ступени. В патрубках поршней нагнетающих ступеней имеются радиальные отверстия, обеспечивающие заполнение камер ступеней нагнетаемой жидкостью.
Индуктивность катушек предыдущих ступеней выше, чем катушек последующих ступеней.
Для того чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан предпочтительный вариант реализации применительно к трехступенчатому электромагнитному насосу.
Пример реализации иллюстрируется Фигурами чертежей, на которых представлены различные этапы работы:
Фиг.1 - погруженный в жидкость насос в исходном состоянии,
Фиг.2 - Фиг.5 - нагнетательный этап:
Фиг.6-Фиг.9 - движение поршней вниз под гидростатическим давлением.
Электромагнитный насос имеет корпус 1 с входным и выходным патрубками 2, 3. В нижнем торце корпуса 1 имеется клапанный узел 4, например, с двумя запорными шарами 5.
В нижней части корпуса 1 в камере всасывания 6 установлен амортизатор 7, выполненный в виде пружины, закрепленной на корпусе 1.
В корпусе 1 также размещена система поршней нагнетающих ступеней. Поршень 8 первой ступени, размещенный над амортизатором 7, выполнен в виде клапана с шаровым запорным органом (шары 9). В теле поршней 10, 11 второй и третьей ступеней соответственно размещены катушки индуктивности 12, 13 соответственно. Поршни 8-11 имеют осевые отверстия 14. Поршни отделены друг от друга камерами 15 (камера первой ступени), 16 (камера второй ступени) и 17 (камера третьей ступени). Насос снабжен дополнительной катушкой индуктивности 18, имеющей осевое отверстие и неподвижно закрепленной в верхней части корпуса 1.
Верхний торец дополнительной катушки 18 и стенки корпуса образуют выходную камеру 19. В камере 19 размещен дополнительный выходной поршень 20, также имеющий осевое отверстие. Шток 21 дополнительного выходного поршня 20 выполнен полым и заглублен в осевое отверстие дополнительной катушки 18. В боковых стенках выходной камеры имеются радиальные отверстия 22, расположенные под дополнительным выходным поршнем 20. Поршни 8, 10, 11 нагнетательных ступеней снабжены патрубками 23 (полыми штоками из электротехнической стали), торцы которых заглублены в осевые отверстия поршней последующих ступеней. Патрубок поршня третьей ступени заглублен в осевой отверстие дополнительной катушки 18. В осевых отверстиях поршней 10, 11 ив осевом отверстии и дополнительной катушки 18 имеются ограничители, предотвращающие выход упомянутых патрубков из отверстий (на Фигурах не показаны). Такие ограничители могут быть выполнены, например, в виде ориентированный внутрь буртиков, внутренний диаметр которых меньше фланцев на конце патрубков (полых штоков). Патрубок поршня последней ступени выполнен с обеспечением возможности взаимодействия со штоком 21 дополнительного выходного поршня 20. В основаниях патрубков поршней нагнетающих ступеней, то есть в нижней части, примыкающей к верхнему торцу поршня, имеются радиальные отверстия 24, обеспечивающие заполнение камер 15-17 ступеней нагнетаемой жидкостью.
Индуктивность катушек третьей ступени выше индуктивности катушки второй ступени, а индуктивность дополнительной катушки выше катушки последней ступени.
Насос работает следующим образом.
Предварительно, как показано на Фиг.1, насос полностью заполнен жидкостью (погружен).
Рабочий цикл насоса состоит из двух стадий:
- стадия - нагнетание-всасывание (Фиг.2-Фиг.5) - нагнетательный этап,
- стадия - заполнение (Фиг.6 - Фиг.9) - движение поршней вниз под гидростатическим давлением.
Стадия нагнетание-всасывание осуществляется следующим образом.
При подаче напряжения на катушку 12 полый стальной шток 23 поршня 8 под действием электромагнитных сил втягивается в нее, приподнимаются запорные шары 5 клапанного узла 4. Перемещаясь, поршень 8 (см. Фиг.2) вытесняет жидкость из камеры 15 первой ступени через радиальные отверстия 24 через патрубок 23 в осевое отверстие 14 поршня 10 и далее в осевые отверстия поршней последующих ступеней и в выходную камеру 19. Перемещение поршня 8 относительно поршня 10 осуществляется до перекрытия радиальных отверстий 24 патрубка поршня первой ступени. Одновременно начинает увеличиваться объем заполнения камеры всасывания 6. Далее подают напряжение на катушку индуктивности 13, которая втягивает полый шток 23 поршня 10 (см. Фиг.3), перемещая совместно поршни 8 и 10. При этом поршень 10 вытесняет жидкость из камеры 16 второй ступени аналогично вытеснению из камеры 15. Продолжается увеличение объема заполнения камеры всасывания 6. Затем подается напряжение на дополнительную катушку индуктивности 18, которая втягивает полый шток 23 поршня 11 (см. Фиг.4), перемещая совместно поршни 8, 10, 11. Шток поршня 11 воздействует на шток 21 дополнительного поршня 20. При движении поршень 11 вытесняет жидкость из камеры 17 третьей ступени аналогично вытеснению из камер 15 и 16, а дополнительный поршень 20 вытесняет жидкость из выходной камеры 19. Продолжается увеличение объема камеры всасывания 6 до максимального размера. На Фиг.5 представлена позиция окончания стадии нагнетание-всасывание. Стадия - заполнение.
Отключаются катушки индуктивности 18, 13, 12. Под воздействием гидростатического давления дополнительный поршень 20 начинает перемещение вниз, вытесняя избыток жидкости через радиальные отверстия 22, запорные шары 5 клапанного узла 4 перекрывают входной патрубок 2, а шары 9 открывают канал для заполнения камер 15, 16, 17 (Фиг.6). На Фиг.7 - 9 показано последовательное изменение положения поршней 11, 10, 8. Поршни под воздействием гидростатического давления свободно опускаются вниз до тех пор, пока фланцы патрубков (штоков) не упрутся во внутренние буртики в осевых отверстиях соответствующих поршней и вся система поршней не повиснет, последовательно зацепившись друг за друга с опорой на неподвижную катушку 18. При опускании поршней камеры 15, 16 также заполнение происходит через осевые отверстия 14 и радиальные отверстия 24 камер 17, 16, 15 соответственно. Насос приходит в исходное состояние, все шары перекрывают пропускные отверстия.
Далее рабочий цикл повторяется.
Таким образом, при работе насоса шток поршня каждой предыдущей ступени является якорем для электромагнитной магнитной системы последующей ступени, и за счет поэтапного включения катушек происходит поэтапное нагнетание жидкости. Суммирование хода приводит к увеличению объема перемещаемой жидкости. Конструкция позволяет осуществлять подъем пластовой жидкости с глубины до 2500 м.