ШЕСТЕРЕННЫЙ НАСОС ДЛЯ ПЕРЕКАЧКИ ЖИДКОСТИ
GEAR WHEEL PUMP FOR FLUID PUMPING

Изобретение относится к насосостроению, в частности к многоступенчатым объемным насосам, и может быть использовано для подъема жидкости из нефтяных скважин.
Известен погружной многоступенчатый центробежный насос, содержащий набор ступеней двухопорной конструкции, собранных в цилиндрическом корпусе и состоящих из рабочих колес с кольцевыми канавками под шайбу и неподвижных направляющих аппаратов, имеющих опорные пояски и расточки, служащие радиальными опорами для ротора насоса и повышающие ресурс ступени при перекачивании жидкостей с абразивными частицами (патент РФ №2250392, МПК F04D 13/10, 2005 г.).
Основным недостатком данной конструкции является низкий КПД при высокой вязкости перекачиваемой жидкости.
Такого недостатка лишены объемные насосы шестеренного типа, в которых с увеличением вязкости жидкости полный КПД увеличивается за счет снижения утечек через зазоры.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбран шестеренный насос для перекачки жидкости с тангенциальным подводом жидкости, содержащий корпус с зонами всасывания и нагнетания в виде полостей, в цилиндрических расточках которого размещены ведущая и ведомая шестерни внешнего зацепления, плавающие торцевые крышки, сопряженные между собой по контактирующим поверхностям, расположенным перпендикулярно линии центров, разгрузочные канавки, расположенные со стороны зоны нагнетания, выполненные на поверхности плавающих крышек и сопряженные с боковыми поверхностями шестерен (патент РФ №2154193, МПК F04C 2/04, опубл. 10.08.2000 г.).
Основными недостатком данной конструкции является ее непригодность для перекачивания абразивосодержащих жидкостей, так как абразивные частицы будут разрушать подвижные относительно друг друга, плотно прилегающие поверхности деталей, например вершины зубьев шестерен и цилиндрические расточки корпуса, что приведет к быстрому ухудшению характеристик насоса. Кроме того, конструкция насоса не предполагает его многоступенчатого исполнения и не может быть использована для подъема жидкости из нефтяных скважин.
Задачей настоящего изобретения является разработка шестеренного насоса погружного исполнения, имеющего повышенный коэффициент полезного действия при перекачке вязкой жидкости и высокую надежность при работе с жидкостями, содержащими абразивные частицы.
Указанный технический результат достигается тем, что в шестеренном насосе для перекачки жидкости, содержащем корпус с зонами всасывания и нагнетания, в цилиндрических расточках которого размещены ведущая и ведомая шестерни внешнего зацепления, и торцевые крышки с разгрузочными канавками, согласно изобретению насос выполнен многоступенчатым; каждая ступень снабжена, по меньшей мере, двумя ведомыми шестернями и ограничена верхней и нижней торцевыми крышками, установленными с зазором относительно торцевых поверхностей шестерен, между вершинами зубьев ведущей и ведомых шестерен и боковой поверхностью цилиндрической расточки образован зазор, превышающий размер абразивных частиц в перекачиваемой жидкости, при этом верхняя торцевая крышка предыдущей ступени служит нижней торцевой крышкой для последующей ступени, а соседние ступени размещены относительно друг друга с угловым смещением, обеспечивающим совмещение зоны нагнетания предыдущей ступени и зоны всасывания последующей ступени с помощью цилиндрического канала в торцевой крышке, каналы в нижней торцевой крышке каждой ступени, сообщающиеся с зоной всасывания ступени, и в верхней торцевой крышке, сообщающиеся с зоной нагнетания этой ступени, расположены на минимальном угловом расстоянии друг от друга, создающем разобщение минимального защемленного между зубьями ведущей и ведомой шестерен и верхней и нижней торцевыми крышками объема с цилиндрическими каналами в торцевых крышках.
Зона нагнетания ступени представляет собой область ступени, где зубья ведущей и ведомой шестерен входят в зацепление, зона всасывания - область ступени, где зубья ведущей и ведомой шестерен выходят из зацепления. Таким образом, вариант исполнения с одной ведущей и двумя ведомыми шестернями является двухпоточным, поскольку в каждой ступени образуется две зоны всасывания и, соответственно, две зоны нагнетания.
Зазоры, гарантированно превышающие размер абразивных частиц, обуславливают повышенные внутренние утечки, из-за чего уменьшается развиваемый одной ступенью напор, величина которого недостаточна для подъема жидкости из нефтяной скважины, поэтому требуемый напор насоса может быть обеспечен путем подбора необходимого количества ступеней, установленных последовательно.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена сборка из трех ступеней заявляемого шестеренного насоса, разнесенный вид; на фиг.2 - ступень насоса, вид сверху без верхней крышки; на фиг.3 - ступень насоса, вид сверху; на фиг.4 - ступень насоса, разрез А-А фиг.3; на фиг.5 - защемленный объем с окрестностями.
Погружной шестеренный насос состоит из ступеней, каждая из которых содержит цилиндрический корпус 1 с тремя пересекающимися цилиндрическими расточками, оси которых находятся в одной продольной плоскости насоса, и в которых размещены центральная ведущая шестерня 2 и находящиеся с ней в зацеплении две внешние ведомые шестерни 3 (фиг.1, 2). Ведущая шестерня 2 при помощи шпонки 4 соединена с валом 5 (фиг.2). Ведомые шестерни 3 свободно вращаются на осях 6. К корпусу 1 прижаты верхняя и нижняя торцевые крышки 7 одинаковой формы в виде цилиндрического диска с центральным отверстием 8 для вала 5 и отверстиями 9 и 10 для осей 6 ведомых шестерен 3 соответственно предыдущей и последующей ступеней (фиг.1, 3). Область ступени, где зубья ведущей 2 и ведомой 3 шестерен входят в зацепление, является зоной нагнетания 11, зона всасывания 12 - область ступени, где зубья ведущей 2 и ведомой 3 шестерен выходят из зацепления (фиг.5). Соседние ступени ориентированы по отношению друг к другу в угловом направлении таким образом, что цилиндрический канал 13, выполненный в торцевой крышке 7, сообщает зону нагнетания предыдущей ступени с зоной всасывания последующей ступени (фиг.1, 4). Таким образом, крышка 7 является общей для двух ступеней. Канал 13 в нижней по отношению к корпусу 1 текущей ступени торцевой крышке 7, сообщающийся с зоной всасывания 12 текущей ступени, и канал 13 в верхней по отношению к корпусу 1 текущей ступени в торцевой крышке 7, сообщающийся с зоной нагнетания 11 этой ступени, расположены на минимальном угловом расстоянии друг от друга, изолирующем минимальный защемленный объем 14 (фиг.5) между зубьями ведущей 2 и ведомой 3 шестерен и верхней и нижней торцевыми крышками 7. Такое расположение позволяет уменьшить гидравлические потери при движении жидкости от ступени к ступени, разгрузить защемленный объем от давления и обеспечить лучшее заполнение межзубовой впадины по сравнению с конструкцией прототипа. Предлагаемая двухпоточная компоновка разгружает вал от радиальных сил.
Между вершинами зубьев шестерен 2, 3 и расточками корпуса 1 образован радиальный зазор 15 (фиг.2, 5), и между торцами шестерен 2, 3 и крышками 7 образован торцовый зазор 16 (фиг.4). Зазоры 15 и 16 выполнены гарантированно больше, чем размер абразивных частиц в перекачиваемой жидкости.
Шестеренный насос работает следующим образом.
Вращение ведущего вала 5 через шпонку 4 передается на ведущую шестерню 2, которая, в свою очередь, вращает находящиеся с ней в зацеплении ведомые шестерни 3, при этом в зоне всасывания 12 в межзубовой впадине выходящих из зацепления зубьев понижается давление, и межзубовая впадина заполняется перекачиваемой жидкостью из канала 13 нижней, по отношению к корпусу 1 текущей ступени, крышки 7. Далее жидкость, двигаясь в межзубовых впадинах вдоль расточек корпуса 1, попадает в зону нагнетания 11, где зубья шестерен 2, 3, входя в зацепление, выталкивают жидкость из впадин в канал 13 верхней крышки 7. При этом в момент вхождения в контакт очередной пары зубьев образуется замкнутое пространство, так называемый "защемленный объем" 14, который, перемещаясь из полости нагнетания в полость всасывания, сначала уменьшается, а затем увеличивается. Зубья ведущей шестерни 2 и ведомой шестерни 3 выходят из зацепления, процесс повторяется.
Для предотвращения скачка давления в защемленном объеме 14 канал 13 в крышке 7, соединяющий зону нагнетания предыдущей ступени с зоной всасывания последующей ступени, одновременно является разгрузочной канавкой, разгружающей защемленный объем 14. Таким образом, осуществляется осевой подвод жидкости к качающему узлу. При этом канал 13 имеет минимальную протяженность и примитивную форму, что обеспечивает простоту, технологичность конструкции, а также снижение гидравлических потерь и, как следствие, повышение гидравлического коэффициента полезного действия. Вместе с тем, улучшается заполнение межзубовой впадины в зоне всасывания благодаря уменьшению падения давления, вызванного вращательным движением жидкости, вследствие чего улучшаются кавитационные качества насоса.