ПРИВОД ШТАНГОВЫЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ С НЕРЕВЕРСИВНЫМ ИНЕРЦИОННО-ГРУЗОВЫМ УРАВНОВЕШИВАНИЕМ

Предлагаемая полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности, к конструкции привода штангового насосной установки с нереверсивным инерционно-грузовым уравновешиванием, и предназначена для использования в нефте- и газодобывающей промышленности.
Наиболее близким к предлагаемому по количеству существенных признаков является привод штанговый насосной установки с нереверсивным инерционно-грузовым уравновешиванием, содержащий установленный на основании электродвигатель с источником питания, снабженным устройством для регулирования скорости вращения вала электродвигателя, на валу электродвигателя установлен маховик и шкив с клиноременной передачей, предназначенной для кинематического соединения вала электродвигателя с насосом и с противовесами /Декларационный патент Украины на полезную модель №2487, МПК 7 F21B 43/00, опубл. 17.05.2004 г., Бюл. №5, 2004 г./
Недостатком описанного привода является его недостаточная надежность, обусловленная возникновением во время работы привода больших нагрузок изгиба на участке вала между электродвигателем и маховиком, которые приводят к образованию его повреждений из-за усталости металла на упомянутом участке и к разрушению вала.
В основу предлагаемой полезной модели поставлена задача создания такого привода штангового насосной установки с нереверсивным инерционно-грузовым уравновешиванием, который был бы более надежным. Поставленная задача решается за счет создания условий для уменьшения уровня нагрузок изгиба на участке вала между электродвигателем и маховиком и уменьшения образования повреждений усталости металла на указанном участке вала.
Предлагаемый, как и известный привод штанговый насосной установки с нереверсивным инерционно-грузовым уравновешиванием, содержит установленный на основании электродвигатель с источником питания, снабженным устройством для регулирования скорости вращения вала электродвигателя, на валу электродвигателя
установлен маховик и шкив с клиноременной передачей, предназначенной для кинематического соединения вала электродвигателя с насосом и с противовесами, а, в соответствии с предложением, привод дополнен опорами с подшипниками вала маховика, каждая из которых жестко прикреплена к основанию, а вал электродвигателя соединен с валом маховика через муфту.
При этом в подшипниках опор расположены противоположные от маховика отрезки вала маховика.
Опора вала - это устройство, определяющее положение вала и предназначенное для осуществления вращения, восприятия нагрузки и передачи ее на основание, фундамент и т.п.) [Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. - М.: Машиностроение, - 1987. - С.256].
Сущность полезной модели поясняется схематическими чертежами.
На фиг.1 показан общий вид штанговой насосной установки с нереверсивным инерционно-грузовым уравновешиванием.
На фиг.2 показана кинематическая схема фрагмента привода установки.
Штанговая насосная установка с нереверсивным инерционно-грузовым уравновешиванием содержит основание 1. На основании 1 установлен привод установки, включающий электродвигатель 2, вырабатывающий механическую энергию, необходимую для подъема жидкости из скважины заглубинным насосом (не показан). Вал электродвигателя 2 соединен через муфту 3 с валом 4 маховика 5 и клиноременной передачей 6 с редуктором 7, предназначенным для получения заданного числа оборотов. Привод установки имеет кривошипно-шатунные механизмы 8, предназначенные для преобразования вращательного движения выходного вала редуктора 7 на возвратно-поступательное движение шатунов. Установка содержит также противовесы 9, предназначенные для уравновешивания веса штанг в скважине (не показано); шатуны 10 предназначены для передачи их возвратно-поступательного движения на плунжер насоса через балансир 11, головку балансира 12, канатную подвеску 13. Установка снабжена также опорой установки 14. Противовесы 13 обеспечивают образование уравновешивающего момента на выходном валу редуктора 7, значение которого равно сумме моментов от действий веса штанг и половины веса жидкости в скважине. Нагрузка на электродвигатель 2 пропорциональна суммарному моменту, значение которого приобретает пиковой величины дважды за рабочий цикл, что требует при использовании традиционного привода установки использования электродвигателя 2 с завышенной мощностью, а
потому ведет к существенному снижению коэффициента полезного действия (КПД) всей установки. Чтобы уменьшить уровень нагрузок на электродвигатель 2 предлагаемый привод установки содержит также маховик 5, изготовленный в виде отцентрированного диска, который вместе со шкивом клиноременной передачи 6 установлен на валу 4 маховика 5. Вал 4 маховика 5 с двух противоположных сторон установлен в подшипниках опор вала 4 маховика 5. Корпус каждой опоры 15 жестко прикреплен к основании 1. Валы электродвигателя 2 и маховика 5 соединены между собой с помощью стандартной муфты 3. Наличие клиноременной передачи позволяет защитить кинематику установки от перегрузки, например, при заклинивании плунжера насоса или штанг. Электродвигатель 2 соединен с источником питания, снабженным устройством для регулирования скорости вращения вала электродвигателя (не показан). Упомянутое устройство - серийный преобразователь частоты тока питания электродвигателя 2, предназначен для сохранения постоянного значения момента на валу электродвигателя 2 во время его работы. Серийный преобразователь частоты обеспечивает запуск установки с использованием реверса-раскачивания шатунов 10 по принципу колебания маятника часов до ее выхода на полный цикл и последующего изменения направления вращения вала электродвигателя 2. Привод установки также снабжен дисковыми аварийными тормозами /не показано/.
Предлагаемый привод работает так.
Предварительно определяют массу маховика 5, который устанавливают в подшипниках опор 15 и цетрируют. Затем с помощью муфты 3 соединяют валы электродвигателя 2 и 4 маховика 5. Во время работы привода энергия маховика 5 используется лишь при изменении числа оборотов электродвигателя 2. Привод снабжен серийным преобразователем частоты электрического тока, которым питается электродвигатель 2, и обеспечивает запуск установки за счет реверса-раскачивания по принципу маятника часов до выхода на полный цикл и переход на вращение электродвигателя 2 в одну сторону. При этом обороты вала электродвигателя 2 (и маховика 5) при движении штанг вниз увеличиваются, а энергия движения штанг вниз аккумулируется в маховике 5. Во время подъема штанг вверх - обороты вала электродвигателя 2 уменьшаются, и энергия маховика 5 используется во время подъема штанг. Поддержание постоянного момента на электродвигателе 2 повышает КПД установки на 40-60% по сравнению с традиционными. Серийный преобразователь частоты обеспечивает автоматическое
регулирование величины движущего момента на валу электродвигателя 2, ограничивает до заданного значения скорость его вращения, а также создает необходимые виды защиты. При остановке электродвигателя 2 противовесы остаются внизу, а потому во время запуска электродвигателя 2 необходимо преодолеть действие на его вал сопротивления сил, образованных половиной веса жидкости в скважине, инерцией массы штанг и противовесов.
За начало цикла условно принято положение, когда противовесы находятся снизу (это их статическое положение).
Установка в работе. Электродвигатель 2 начал вращение вала. Движущий момент превышает момент сопротивления. Обороты нарастают, но по мере увеличения угла поворота кривошипа 8, значение момента сопротивления увеличивается, а значние движущего момента остается постоянным. Преобразователь частоты, обеспечивая стабилизацию значения момента на валу электродвигателя 2, снижает обороты вала электродвигателя 2 до нуля, после чего изменяет направление вращения вала. В данном случае к движущему моменту электродвигателя 2 добавляется движущий момент от веса штанг, а потому скорость вала электродвигателя 2 увеличивается, но после того, как угол поворота кривошипа начнет снова увеличиваться после перехода через статическое положение и возрастания тормозного момента от штанг, обороты вала электродвигателя 2 снова будут уменьшаться до нуля, но уже при большем значении угла кривошипа. Такое раскачивание будет длиться до тех пор, пока кривошип достигнет значения в 90°, а вал электродвигателя 2 начнет вращение в одном направлении, пока не достигнет заданной скорости. Серийный преобразователь частоты, имеющий КПД 98-99%, позволяет изменять частоту питающего электродвигатель 2 тока от 10 до 100 Гц, что соответствует числу оборотов вала электродвигателя 2 от 20% до 200%, а значение коэффициента мощности Соsφ имеет значения 0,98-0,99. Наличие клиноременной передачи позволяет защитить кинематику установки от перегрузки при заклинивании плунжера насоса или штанг, а установка вала 4 маховика 5 в опорах 15 устраняет напряжения изгиба у вала электродвигателя 2, что повышает надежность предлагаемого привода и ресурс установки в целом.