ВИНТОВОЙ НАСОС

Полезная модель относится к насосам для перекачивания жидкости и влажного газа и предназначена для использования, в частности, в нефтегазодобывающей промышленности для откачки из скважин глубиной до трех километров жидкости различной плотности, от газолина до тяжелой нефти.
Известен винтовой насос, содержащий установленные в корпусе вал и три винта, которые плотно посажены в расточки корпуса. Центральный винт является ведущим, а два периферийных винта - ведомыми. Винты имеют двухзаходную нарезку с углом подъема винтовой линии ~47°. Профиль нарезки - циклоидальный. Минимальная длина винтов составляет 1,25 шага винтовой линии нарезки (см. Т.М.Башта. Машиностроительная гидравлика. Издательство «Машиностроение», Москва, 1971 г., с.241-244).
2
В известном винтовом насосе при длине винтов, равной 1,25 шага винтовой линии нарезки (шаг винта), обеспечивается одно перекрытие канала (впадины) винта между камерой всасывания и камерой нагнетания. Для получения более высоких давлений предусматривают несколько перекрытий, т.е. увеличивают длину винтов. Например, в случае, когда винты выполнены со следующими параметрами: шаг зубчатого соединения - 7 мм и угол подъема винтовой линии ~47°, то они имеют длину более 150 мм. Для получения давлений на выходе насоса до 150-200 кг/см необходимо увеличить длину винтов до 6-8 шагов винта, т.е. до 900-1200 мм. С увеличением длины винтов возрастает сложность их изготовления, связанная с необходимостью получения требуемого зазора между центральным и периферийным винтами. Для насосов этого типа зазор между зубом одного винта и выемкой другого должен быть не более 0,1 модуля зацепления. В противном случае по вышеуказанному зазору происходит перетекание жидкости из области более высокого давления в область более низкого давления (далее - перетекание жидкости), которое приводит в итоге к снижению давления на выходе насоса. Кроме
того, увеличение длины винтов приводит к увеличению осевых нагрузок и необходимости усложнения конструкции насоса для их компенсации.
Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является винтовой насос, содержащий установленные в корпусе насоса вал с опорным узлом пяты и n ступеней. Каждая ступень насоса содержит плотно прижатые друг к другу корпус ступени и разделительную втулку, а также центральный и по меньшей мере один периферийный винты, которые находятся в центральном и периферийных отверстиях корпуса ступени соответственно. Длина винтов не менее 1,25 шага винтовой линии нарезки. Центральные винты соединены с валом и находятся в зубчатом зацеплении с периферийными винтами той же ступени насоса. Каждая ступень насоса имеет входные отверстия в корпусе ступени по числу периферийных винтов и выходные отверстия в разделительной втулке по числу периферийных винтов. При этом входное и выходное отверстия ступени расположены так, что их продольные оси параллельны оси вала и совпадают с соответствующими прямыми пересечения центрального и периферийного отверстий, т.е. лежат в плоскости продольного сечения, проходящего через прямые пересечения центрального и периферийного отверстий. Входное и выходное отверстия ступени находятся по разные стороны от условной плоскости, проходящей через продольные оси центрального и периферийного отверстий, при этом входное отверстие ступени смещено от упомянутой условной плоскости по направлению вращения вала. Выходные отверстия ступени имеют профиль переменного диаметра, например, выполнены в виде конуса или в виде сопла Лаваля и на выходе ступени имеют диаметр, равный диаметру входного отверстия следующей ступени (патент Украины №46444 А, опубл. 15.05.2002, МПК: F 04 В 47/00).
В прототипе в отличие от аналога увеличение давлений на выходе насоса обеспечено не за счет увеличения длины винтов для получения нескольких перекрытий, а путем создания многоступенчатой конструкции.
Однако в известном винтовом насосе винты имеют достаточно большую длину - не менее 1,25 шага винтовой линии нарезки. Например, если угол наклона винтовой линии равен 30°, то винты имеют длину порядка 300 мм, поэтому, как сказано выше, возможно перетекание жидкости по зазору между зубом одного винта и впадиной другого. Кроме того, размер и местоположение выходных отверстий ступени выбраны без учета параметров винтов, т.е. не обеспечено надежное перекрытие между камерой всасывания и камерой нагнетания, в результате чего возможно перетекание жидкости из камеры нагнетания в камеру всасывания. В-третьих, недостаточна герметизация узлов ступени и ступеней друг от друга. В результате вышеперечисленных недостатков в прототипе возможно перетекание жидкости как внутри ступени, так и между ступенями, что в итоге приводит к снижению давления на выходе насоса.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования винтового насоса, в котором за счет нового выполнения разделительной втулки и плотного прижатия к разделительной втулке винтов, а также за счет выбора длины винтов, размеров и местоположения выходных отверстий ступени во взаимосвязи с параметрами зубчатого соединения исключено перетекание жидкости из области высокого давления в область низкого давления и обеспечено повышение создаваемого насосом давления.
Решается поставленная техническая задача в известном винтовом насосе, в корпусе которого установлены вал с опорным узлом пяты и не менее одной ступени, каждая из которых содержит плотно прижатые друг к другу корпус ступени и разделительную втулку, центральный и по меньшей мере один периферийный винты, находящиеся в зубчатом зацеплении и установленные соответственно в центральном и периферийных отверстиях в корпусе ступени, входные и выходные отверстия ступени, которые выполнены в корпусе ступени и в разделительной втулке соответственно по числу периферийных винтов. При этом входное и выходное отверстия ступени расположены так, что их продольные оси параллельны оси вала, лежат в плоскости
продольного сечения, проходящего через прямые пересечения центрального и периферийного отверстий, по разные стороны от условной плоскости, проходящей через продольные оси центрального и периферийного отверстий. Кроме того, каждое входное отверстие ступени смещено от упомянутой условной плоскости в направлении, противоположном направлению вращения вала, и его продольная ось совпадает с прямой пересечения центрального и периферийного отверстий.
Согласно настоящей полезной модели, на поверхности разделительной втулки, обращенной к следующей ступени, соосно центральному отверстию выполнена кольцевая выемка, сообщенная с выходными отверстиями той же ступени и с входными отверстиями следующей ступени. Центральный и периферийные винты каждой ступени прижаты к разделительной втулке той же ступени. Каждое из выходных отверстий ступени имеет диаметр не более шага зубчатого зацепления и его продольная ось расположена на расстоянии от упомянутой условной плоскости, которое не менее шага зубчатого зацепления и не более радиуса периферийного отверстия, причем винты имеют длину
L≥t/tgβ,
где: L - длина винта;
t - шаг зубчатого зацепления;
β - угол наклона винтовой линии зубьев.
При этом угол наклона винтовой линии зубьев выбран из интервала от 3° до 40°.
В примере конкретного выполнения каждый центральный винт прижат к разделительной втулке с помощью прижима центрального винта, который установлен в кольцевой выемке разделительной втулки предыдущей ступени с возможностью осевого перемещения и зафиксирован от поворота.
Кроме того, в разделительной втулке предыдущей ступени могут быть выполнены равноотстоящие друг от друга первые глухие отверстия и вторые
глухие отверстия для пружин и штифтов прижима центрального винта следующей ступени соответственно.
Целесообразно, чтобы прижим центрального винта первой ступени был установлен в опорном узле пяты с возможностью осевого перемещения и зафиксирован от поворота.
При этом в опорном узле пяты могут быть выполнены равноотстоящие друг от друга первые глухие отверстия для пружин прижима центрального винта первой ступени и вторые глухие отверстия для штифтов прижима центрального винта первой ступени.
Желательно, чтобы каждый периферийный винт был прижат к разделительной втулке той же ступени посредством прижима периферийного винта.
При этом прижимы периферийных винтов могут быть установлены с возможностью осевого перемещения в соответствующих глухих отверстиях разделительной втулки предыдущей ступени.
Желательно, чтобы прижимы периферийных винтов первой ступени были установлены с возможностью осевого перемещения в соответствующих глухих отверстиях в опорном узле пяты.
Кроме того, корпус ступени и разделительная втулка могут быть прижаты друг к другу с помощью шпилек, для которых в корпусе ступени и в разделительной втулке выполнены сквозные отверстия.
При этом каждый из корпусов ступеней на поверхности, обращенной к корпусу насоса, может иметь проточку для первого уплотнения.
Целесообразно, чтобы каждый центральный винт на поверхности, обращенной к валу, имел проточку для второго уплотнения.
И, наконец, корпус ступени и/или разделительная втулка той же ступени в месте соединения упомянутых сквозных отверстий для шпилек могут иметь фаски для третьего уплотнения.
В настоящем винтовом насосе обеспечено повышение развиваемого насосом давления.
Это обусловлено тем, что длина винтов, а также размеры и местоположение выходных отверстий определены в соответствии с шагом зубчатого зацепления.
Во-первых, обеспечена возможность по сравнению с аналогом и прототипом значительно уменьшить длину винтов. Например, в случае, когда угол наклона винтовой линии зубьев равен 30°, шаг зубчатого зацепления - 7 мм, то длина винтов, рассчитанная по формуле L≥t/tgβ, больше или равна 14,5 мм. Винты в заявляемом винтовом насосе имеют длину, например, 17 мм, в то время как в прототипе винты при тех же параметрах зубчатого зацепления винты имеют длину 300 мм. Как указывалось выше, выбор наименьшей длины винтов позволяет обеспечить минимальный зазор между зубом и впадиной находящихся в зубчатом зацеплении винтов и тем самым предотвратить перетекание жидкости по этому зазору.
Во-вторых, диаметр выходных отверстий ступени (не более шага зубчатого зацепления) и их местоположение (на расстоянии от упомянутой условной плоскости, которое не менее шага зубчатого зацепления и не более радиуса периферийного отверстия) заданы в зависимости от шага зубчатого зацепления. Поэтому каждое выходное отверстие ступени расположено так, что полностью находится в пределах камеры нагнетания, благодаря чему обеспечивается надежное перекрытие между камерой всасывания и камерой нагнетания.
В-третьих, разделительная втулка выполнена с кольцевой выемкой, в которую попадает жидкость из выходных отверстий. Площадь поперечного сечения кольцевой выемки многократно превышает площадь поперечного сечения выходных отверстий ступени. В результате этого скорость жидкости в кольцевой выемке падает, а давление - пропорционально возрастает. Жидкость в кольцевой выемке является в данном случае гидравлическим затвором, благодаря чему уменьшается величина обратного потока и одновременно с этим улучшаются условия подачи жидкости в камеру всасывания следующей ступени насоса.
В-четвертых, в каждой из ступеней предотвращено перетекание жидкости по торцам винтов (центральный и периферийные винты плотно прижаты к разделительной втулке с помощью соответствующих прижимов), по зазору между центральным винтом и валом (уплотнение центрального винта), по сквозным отверстиям для шпилек (уплотнение в фаске корпуса ступени) и в плоскости соприкосновения корпуса ступени и разделительной втулки (они плотно прижаты друг к другу с помощью шпилек).
При работе винтового насоса возможен износ центральных и периферийных винтов. В настоящей полезной модели последствия такого износа не приведут к перетеканию жидкости по торцам центрального и периферийных винтов, т.е. к ухудшению работы насоса, поскольку прижимы центрального и периферийного винтов установлены с возможностью осевого перемещения. Таким образом, износ винтов будет скомпенсирован, и винты будут плотно прижаты к разделительной втулке.
Кроме того, перетекание жидкости между ступенями предотвращается с помощью уплотнений в проточке корпуса со стороны корпуса насоса.
Диапазон значений длины винтов:
L≥t/tgβ,
где: L - длина винта;
t - шаг зубчатого соединения;
β - угол наклона винтовой линии, который выбран из интервала от 3° до 40°, получен эмпирическим путем с учетом следующих соображений. В случае, когда угол наклона винтовой линии меньше 3°, чрезмерно возрастает скорость вытеснения жидкости и может достичь скорости кавитации. При этом увеличивается длина винтов и, следовательно, возрастает сложность изготовления зубчатого соединения с требуемым для работы насоса зазором. Как указывалось выше, в этом случае может иметь место перетекание жидкости по вышеуказанному зазору и уменьшение давление на выходе насоса. В случае, когда угол наклона винтовой линии больше 40°, длина винта меньше шага зубчатого зацепления и резко уменьшается площадь поперечного сечения
впадины винтовой нарезки по сравнению с площадью поперечного сечения зазора между зубцом и впадиной, т.е. возникает опасность перетекания жидкости из камеры нагнетания в камеру всасывания по головке зуба.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены: на фиг.1 - продольное сечение винтового насоса; на фиг.2 - поперечное сечение насоса; на фиг.3 - аксонометрическое изображение ступени насоса с продольным сечением корпуса ступени по прямым пересечения центрального и периферийного отверстий и с вырезом разделительной втулки.
Винтовой насос содержит установленные в корпусе 1 насоса вал 2 с опорным узлом 3 пяты и, например, сорок ступеней.
Каждая ступень насоса содержит корпус 4 ступени и плотно прижатую к нему разделительную втулку 5, центральный винт 6 и, например, три периферийных винта 7, входные и выходные отверстия 8 и 9 ступени соответственно (см. фиг.1).
Винты 6 и 7 выполнены косозубыми, имеют профиль нарезки эвольвентный, или синусоидальный, или циклоидальный (на чертежах не представлены) и установлены соответственно в центральном и периферийных отверстиях 10 и 11 в корпусе 4 ступени. Центральные винты 6 соединены с валом 2 и находятся в зубчатом соединении с периферийными винтами 7 той же ступени насоса. Винты 7 и 8 имеют длину, которую выбирают по формуле
где: L - длина винта;
t - шаг зубчатого зацепления;
β - угол наклона винтовой линии зубьев.
При этом угол β выбран в интервале от 3° до 40°. Например, угол β равен 30°, шаг t - 7 мм, тогда длина винтов, рассчитанная по вышеприведенной формуле, больше или равна 14,5 мм. Винты 6 и 7 в предлагаемом винтовом насосе имеют длину, например, 17 мм.
Входные отверстия 8 ступени выполнены в корпусе 4 ступени по числу периферийных винтов 7. Выходные отверстия 9 ступени выполнены в
разделительной втулке 5 по числу периферийных винтов 7. При этом входное и выходное отверстия 10 и 11 ступени расположены так, что их продольные оси параллельны оси вала 2, лежат в плоскости продольного сечения А-А, проходящего через прямые пересечения центрального и периферийного отверстий 6 и 7, по разные стороны от условной плоскости Б-Б, проходящей через продольные оси центрального и периферийного отверстий 6 и 7. Каждое входное отверстие 8 смещено от упомянутой условной плоскости Б-Б по направлению вращения вала 2 и его продольная ось совпадает с прямой пересечения центрального и периферийного отверстий 6 и 7. Каждое из выходных отверстий 9 имеет диаметр не более шага зубчатого зацепления, например, равный шагу зубчатого зацепления, и его продольная ось расположена на расстоянии от упомянутой условной плоскости Б-Б, которое не менее шага зубчатого зацепления и не более радиуса периферийного отверстия 7, например, на расстоянии, равном шагу зубчатого зацепления (см. фиг.2 и 3).
На поверхности разделительной втулки 5, обращенной к следующей ступени, соосно центральному отверстию 10 выполнена кольцевая выемка 12, которая сообщена с выходными отверстиями 9 той же ступени и с входными отверстиями 8 следующей ступени,
Центральный и периферийные винты 6 и 7 прижаты к втулке 5 той же ступени своей торцевой поверхностью в плоскости контакта втулки 5 с корпусом 4.
Каждый центральный винт 6 прижат к разделительной втулке 5 с помощью прижима 13 центрального винта 6. Прижим 13 установлен в кольцевой выемке 12 втулки 5 предыдущей ступени с возможностью осевого перемещения и зафиксирован от поворота. В разделительной втулке 4 предыдущей ступени выполнены равноотстоящие друг от друг глухие отверстия 14 для пружин 15 прижима 13 следующей ступени, а также глухие отверстия 16 для штифтов 17 прижима 13 следующей ступени.
Прижим 13 центрального винта 6 первой ступени установлен в опорном узле 3 пяты с возможностью осевого перемещения и зафиксирован от
поворота. В опорном узле 3 пяты выполнены равноотстоящие друг от друга глухие отверстия 14 для пружин 15 и глухие отверстия 16 для штифтов 17 прижима 13 первой ступени.
Периферийные винты 7 прижаты к разделительной втулке 5 той же ступени посредством прижима 18 периферийного винта. Прижимы 18 установлены с возможностью осевого перемещения в соответствующих глухих отверстиях 19 разделительной втулки 5 предыдущей ступени.
Прижимы 18 периферийных винтов 7 первой ступени установлены с возможностью осевого перемещения в соответствующих глухих отверстиях 19 в опорном узле 3 пяты.
Корпус 4 ступени и втулка 5 прижаты друг к другу с помощью шпилек 20, для которых в корпусе 4 ступени и во втулке 5 выполнены сквозные отверстия 21.
Корпус 4 ступени на поверхности, обращенной к корпусу 1 насоса, имеет проточку 22 для уплотнения 23.
Центральный винт 6 на поверхности, обращенной к валу 2, имеет проточку 24 для уплотнения 25.
Корпус 4 ступени и/или разделительная втулка 5 той же ступени имеют фаски 26 для уплотнения 27 в месте соединения сквозных отверстий 21 друг с другом (на фиг.1 представлен вариант выполнения фаски 26 в корпусе 4 ступени).
Работает заявляемый винтовой насос следующим образом.
Вал 2 винтового насоса приводится во вращение электродвигателем (на чертежах не представлен), и, в свою очередь, приводит во вращение центральные винты 6 всех ступеней. Каждый из центральных винтов 6, вращаясь, приводит во вращение периферийные винты 7 той же ступени, с которыми он (винт 6) находится в зубчатом зацеплении. В первой и в последующих ступенях насоса жидкость попадает через входные отверстия 8 ступени в камеру всасывания, образованную входным отверстием 8 и впадиной центрального или периферийного винтов 6 и 7. При вращении винтов 6 и 7 их
нарезки, взаимно замыкаясь, отсекают во впадинах некоторый объем жидкости. В тот момент, когда зуб одного из винтов 6 или 7 внедряется во впадину другого винта 7 или 6, эта выемка преобразуется в камеру нагнетания, замкнутую снизу и открытую сверху. Жидкость вытесняется к выходному отверстию 9. Диаметр и местоположение выходных отверстий 9 ступени относительно центральных и периферийных отверстий 10 и 11 выбраны в соответствии с шагом зубчатого зацепления, поэтому выходное отверстие расположено в пределах камеры нагнетания, когда впадина с жидкостью перекрыта снизу. Из камеры нагнетания жидкость через выходные отверстия 9 подается в кольцевую выемку 12. Площадь поперечного сечения кольцевой выемки 12 значительно больше площади поперечного сечения каждого из выходных отверстий 9 ступени. В результате этого скорость жидкости в кольцевой выемке 12 падает, а давление - пропорционально возрастает. Жидкость в кольцевой выемке является в данном случае гидравлическим затвором. Благодаря этому уменьшается величина обратного потока. Кроме того, наличие упомянутой кольцевой выемки 12 улучшает условия подачи жидкости в камеру всасывания следующей ступени насоса.
Для предотвращения возможного перетекания жидкости по торцам винтов 6 последние плотно прижаты к разделительной втулке 5 с помощью прижимов 13. При этом прижим 13 установлен в опорном узле 3 пяты и в кольцевой выемке 12 втулки 5 с возможностью осевого перемещения и обеспечивает прижатие центрального винта 6 к втулке 5 с помощью пружин 15, закрепленных в глухих отверстиях 14. Кроме того, прижим 13 зафиксирован от поворота штифтами 17, установленными в глухих отверстиях 16, чтобы при работе насоса он (прижим 13) не перекрыл выходные отверстия 9, которые сообщены с кольцевой выемкой 12.
Для предотвращения возможного перетекания жидкости по торцам периферийных винтов 7 последние плотно прижаты к разделительной втулке 5 с помощью прижимов 18, которые с возможностью осевого перемещения установлены
в соответствующих глухих отверстиях 19 в опорном узле 3 пяты и в разделительной втулке 5.
Предотвращению перетекания жидкости по плоскости контакта корпуса 4 ступени и втулки 5 способствует то, что корпус 4 ступени и втулка 5 прижаты друг к другу с помощью шпилек 20, расположенных в сквозных отверстиях 21, и с помощью уплотнений 27 в фасках 26, а по зазору между валом 2 и центральным винтом 6 - с помощью уплотнения 25 в проточке 24. В результате предотвращается понижение давления на выходе ступени, связанное с перетеканием жидкости из области высокого давления в область низкого давления.
Уплотнения 23 в проточке 22 препятствуют перетеканию жидкости по зазору между наружной поверхностью корпуса 4 ступени и внутренней поверхностью корпуса 1 насоса.
Цикл работы повторяется, создавая на каждой ступени насоса градиент давления. При этом обеспечивается возможность последовательного соединения необходимого числа ступеней для получения заданных величин давлений на выходе насоса, в зависимости от глубины и конкретных условий скважины.