Буровой насос Иоаннесяна
IOANNESYAN'S DRILLING PUMP

Изобретение относится к технике, используемой при строительстве, ремонте и эксплуатации скважин для добычи нефти и газа, может быть использовано в составе как стационарных, так и передвижных насосных установок для нагнетания различных технологических жидкостей в скважину на нефтегазодобывающих предприятиях.
Известен шиберный насос, который содержит корпус с расположенной внутри гильзой, выполняющей роль статора. К корпусу крепятся нагнетательный и подводящий патрубки. Внутри гильзы находится вал с пазами, в которых расположены шиберы (RU 123863 U1 [1]). Недостатком известного устройства является его невысокая производительность и наличие пульсаций в перекачиваемой жидкости.
Известен шиберный насос с объемным регулированием (RU 2396462 [2]). Насос содержит корпус с впускным и выпускным отверстиями, приводной вал с ротором, проходящие радиально лопасти, расположенные в роторе с возможностью скольжения. Ось вращения приводного вала расположена в корпусе эксцентрично относительно оси ротора, снабженного лопастями. Недостатком известного устройства является его невысокая производительность, обусловленная предназначением - небольшими объемами перекачиваемой жидкости.
Известен роторно-лопастной насос, содержащий статор, размещенный в корпусе с возможностью смещения относительно оси вращения размещенного внутри него ротора для изменения эксцентриситета между ними (DE 102009001152 [3]). В роторе выполнены прорези, в которых оппозитно размещены подпружиненные лопасти, одним концом контактирующие с поверхностью статора. В статоре выполнены впускное и выпускное отверстия, снабженные клапанами. Недостатком известного устройства является его невысокая производительность и наличие пульсаций в перекачиваемой жидкости.
Из описания к ЕР 0264778 [4] известен лопастной насос, который содержит корпус с установленным в нем статором с входным и снабженным обратным клапаном выпускным отверстиями, и размещенный с эксцентриситетом внутри статора полый ротор, снабженный пазами, в котором подвижно установлен шибер, постоянно контактирующий своими концами с поверхностью статора и делящий объем статора на всасывающую и нагнетательную полости. Недостатком известного устройства является его невысокая производительность и наличие пульсаций в перекачиваемой жидкости.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является буровой насос, известный из описания к патенту RU 2686558 [5]. Известный насос включает корпус с установленным в нем статором со снабженными обратными клапанами входным и выходным отверстиями, размещенный с эксцентриситетом внутри статора полый ротор. Внутреннее пространство между наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью статора разделено на несколько идентичных секций поперечными герметизирующими перегородками, перпендикулярными продольной оси ротора, который проходит через все секции. Каждая секция снабжена своим шибером. Шиберы в каждой секции установлены с угловым шагом относительно друг друга, равным 360°/N, где N - число секций. Поверхность статора, взаимодействующая с шибером, выполнена так, что его поперечное сечение представляет собой замкнутую плоскую кривую четвертого порядка, расстояние между любыми двумя точками которой, расположенными на прямой, проходящей через продольную ось цилиндрического полого ротора, является постоянной величиной, равной поперечному размеру шибера. Внутренний объем ротора гидравлически соединен с источником перекачиваемой жидкости. Внутренний объем ротора в каждой секции соединен с объемом статора отверстиями, выполненными в стенке ротора.
Недостатками известного насоса являются недостаточно высокая производительность, относительно высокий вес и достаточно сложная конструкция.
Заявляемый в качестве изобретения буровой насос направлен на повышение производительности и снижение пульсаций давления перекачиваемой жидкости при одновременном значительном уменьшении его веса и упрощение конструкции.
С
Д
С
Д
Указанный результат достигается тем, что буровой насос содержит корпус, во впускной полости которого установлены осевые ступени, и размещенные в нем несколько секций, каждая из которых содержит статор с выпускным отверстием и размещенный с эксцентриситетом внутри каждого статора полый ротор, так, что подвижно установленный в пазах, выполненных в роторе, шибер постоянно контактирует своими концами с поверхностью статора и делит пространство между внутренней поверхностью статора и наружной поверхностью ротора на всасывающую и нагнетательную полости, а внутренний объем ротора соединен с объемом статора отверстиями, выполненными в стенке ротора. При этом корпус дополнен выпускной полостью, отделенной от впускной полости герметичной перегородкой, секции установлены параллельно друг другу и соединены со стенками корпуса, входные отверстия роторов соединены с объемом впускной полости, отверстия выполненные в стенке ротора и соединяющие внутренний объем ротора с объемом статора снабжены обратными клапанами, а выпускные отверстия статоров соединяют внутренний объем статоров с объемом выпускной полости корпуса и расположены с угловым шагом относительно друг друга, равным 360°/N, где N - число секций, при этом каждый ротор снабжен шестерней, взаимодействующей с шестерней, установленной на валу приводного двигателя с соотношением числа зубьев на них К/К=2n, где К - число зубьев шестерни на валу секции, К - число зубьев шестерни на валу двигателя, n - целое число больше нуля.
Указанный результат достигается также тем, что средство соединения секций со стенками корпуса выполнено в виде болта, вставляемого в отверстие в корпусе насоса и взаимодействующего с расточкой в корпусе статора, при этом под головкой болта установлена дугообразная пластина с радиусом кривизны, равным радиусу кривизны корпуса, а между корпусом насоса и упомянутой пластиной размещено резино-металлическое уплотнение.
Отличительными признаками заявляемого насоса являются:
- дополнение корпуса выпускной полостью, отделенной от впускной полости герметичной перегородкой;
- секции установлены параллельно друг другу и соединены со стенками корпуса;
- входные отверстия роторов соединены с объемом впускной полости;
- выпускные отверстия статоров, соединяют внутренний объем статоров с объемом выпускной полости корпуса;
- выпускные отверстия статоров, расположены с угловым шагом относительно друг друга, равным 360°/N, где N - число секций;
- каждый ротор снабжен шестерней, взаимодействующей с шестерней, установленной на валу приводного двигателя;
С
Д
С
Д
- соотношением числа зубьев на шестернях определяется выражением К/К=2n где К - число зубьев шестерни на валу секции, К - число зубьев шестерни на валу двигателя, n - целое число больше нуля;
- средство соединения секций со стенками корпуса выполнено в виде болта, вставляемого в отверстие в корпусе насоса и взаимодействующего с расточкой в корпусе статора, при этом под головкой болта установлена дугообразная пластина с радиусом кривизны, равным радиусу корпуса насоса, а между корпусом насоса и упомянутой пластиной размещено резино-металлическое уплотнение.
Дополнение корпуса выпускной полостью, отделенной от впускной полости герметичной перегородкой необходимо для организации общего объема в который будет подаваться перекачиваемая жидкость из работающих секций. Это позволит практически полностью исключить пульсации давления перекачиваемой жидкости. Этому так же будет способствовать и размещении секций параллельно друг другу, а также то, что выпускные отверстия статоров в разных секциях расположены с угловым шагом относительно друг друга, равным 360°/N, где N - число секций.
С
Д
С
Д
Последнее обеспечивает поочередный и равномерно распределенный по времени впрыск перекачиваемой жидкости из выпускных отверстий статоров в выпускную полость корпуса насоса. Кроме того, поочередный и равномерно распределенный по времени впрыск может происходить только в том случае, когда наряду в указанным выше расположением выпускных отверстий статоров будет обеспечиваться и одинаковое пространственное расположение шиберов относительно друг друга независимо от скорости вращения приводного вала насоса. Это достигается соотношением числа зубьев на шестернях приводного вала и на шестернях, установленных на роторах секций и взаимодействующих с ней. Соотношение определяется выражением К/К=2n где К - число зубьев шестерни на валу секции, К - число зубьев шестерни на валу двигателя, n - целое число больше нуля. Тогда ротор каждой секции совершит половину оборота при совершении приводным валом целого оборота. А за половину оборота шибер совершит свой рабочий цикл, приводящий к выбросу перекачиваемой жидкости в выпускную полость корпуса насоса.
А чтобы обеспечить возможность перекачки жидкости входные отверстия статоров соединены с объемом впускной полости корпуса насоса.
При этом, чтобы исключить реактивное вращение корпуса, обусловленное работой секций, целесообразно обеспечить соединение статоров секций со стенками корпуса. Оно может быть обеспечено любыми известными средствами - сваркой, болтовым соединением, отливкой корпуса насоса и статоров за одно целое и т.п. Наиболее целесообразно использовать для крепления болт, вставляемый в отверстие в корпусе насоса и взаимодействующий с расточкой в корпусе статора, при этом под головкой болта установлена дугообразная пластина с радиусом кривизны, равным радиусу корпуса, а между корпусом насоса и упомянутой пластиной размещено резино-металлическое уплотнение. Такая конструкция не только упрощает сборку насоса, но и позволяет обеспечить юстировку секций не только при сборке, но и в процессе эксплуатации. Чтобы полностью исключить влияние реактивных сил, направленных на вращение корпуса, обусловленное работой секций, корпус целесообразно закреплять на массивной раме или фундаменте с помощью обычного люнета.
Сущность заявляемого насоса поясняется примером его реализации и графическими изображениями. На фиг. 1 показан в продольном разрезе преимущественный вариант реализации. На фиг. 2 показан поперечный разрез по сечению А-А на фиг. 1. На фиг. 3 показан поперечный разрез по сечению Б-Б на фиг. 1.
Предпочтительный вариант реализации насоса содержит корпус 1 (сборочная единица в составе двух крышек, впускного и выпускного патрубков и трубы с необходимыми отверстиями). Во внутрикорпусном пространстве установлена герметичная по приводному валу 2 перегородка 3, делящая внутрикорпусное пространство на впускную 4 и выпускную 5 полости. В впускной полости полости 4 на приводном вале насоса с помощью проставочных втулок 6 и 7 по валу 2 и корпусу 1 установлены осевые ступени 8. В герметичной перегородке выполнены отверстия 9, в которых центрируются полые роторы 10 (на чертеже показаны три отверстия), являющиеся элементом секции 11. Каждое отверстие эксцентрично относительно оси статора 12 так, что подвижно установленный в пазах, выполненных в роторе 10, шибер 13 контактирует с поверхностью статора и делит пространство между внутренней поверхностью статора и наружной поверхностью ротора на всасывающую 14 и нагнетательную 15 полости. Внутренний объем ротора соединен с объемом статора отверстием 16, снабженным обратным клапаном 17, выполненным в стенке ротора 10. Секции 11 установлены параллельно друг другу. Корпус насоса закреплен в обечайке 18 люнета 19, которая в свою очередь закреплена на раме 20.
Для восприятия реактивного момента используются болт 21, вставленный в расточку на статоре 12, и дугообразная пластина 22, радиус кривизны которой совпадает с радиусом корпуса 1.
С
Д
С
Д
Впускные отверстия 16 роторов соединены с объемом всасывающей полости 14, а внутреннее отверстие статора 12 соединяет внутренний объем статоров с объемом выпускной полости 5. При этом эти отверстия 16 в одной секции расположены со смещением на некоторый угол относительно отверстий в другой секции. Угловой шаг между ними выбирается в зависимости от числа секций и равен 360°/N, где N - число секций. Каждый ротор снабжен шестерней 23, взаимодействующей с шестерней 24, установленной на приводном вале насоса 2 с соотношением числа зубьев на них К/К=2n, где К - число зубьев шестерни на валу ротора секции, К - число зубьев шестерни на приводном вале насоса, n - целое число больше нуля.
Буровой насос работает следующим образом: через всасывающий патрубок корпуса 1 промывочный агент поступает в впускную полость 4, в которой размещены осевые ступени 8, и благодаря вращению осевых ступеней, приводимых в движение приводным валом насоса 2, давление жидкости повышается. Промывочный агент после прохождения всех осевых ступеней 8 попадает в полые роторы 10 секций 11. Полые роторы 10, приводимые во вращение приводным валом 2 насоса через зацепление шестерен 23 и 24, заставляют шиберы 13 совершать одновременно с вращением возвратно-поступательные движения относительно статора так, что концы шиберов находятся в постоянном контакте с поверхностью статора 12. Жидкость через снабженные обратными клапанами 17 отверстия 16, выполненные в стенке ротора 10, попадает во всасывающую полость 14, образованную пространством между внутренней поверхностью статора 12 и наружной поверхностью ротора 10, которая является таковой до поворота шибера до выпускного отверстия в стенке ротора. После прохождения концом шибера этого отверстия полость становится нагнетательной полостью 15, соединенной с выпускной полостью 5. По мере вращения шибера давление в полости повышается, и жидкость через выпускное отверстие 25 в стенке статора выдавливается в выпускную полость 5 в корпусе 1 насоса и через патрубок нагнетается в скважину. При вращении ротора цикл повторяется.
Предлагаемый буровой насос обеспечивает повышение производительности, снижение пульсаций давления перекачиваемой жидкости при одновременном значительном снижении веса насоса, а также снижение стоимости его изготовления за счет исключения сложных в изготовлении деталей криволинейной формы. Кроме того, насос обеспечивает значительное давление на выходе при одновременном уменьшении его длины.