ОДНОВИНТОВОЙ НАСОС

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к техническим средствам для бурения и эксплуатации скважин.
Известны одновинтовые насосы предназначенные для промысловой перекачки однофазных и многофазных продуктов, а также для нагнетания жидкости в скважину [Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины. Том 1. Одновинтовые насосы. М., ИРЦ «Газпром», 2005, стр.51].
Ближайшим техническим решением, принятым за прототип, является горизонтальный одновинтовой насос, выполненный по традиционной схеме, включающей приводную и гидравлическую части [Рязанцев В.М., Плясов В.В. Винтовые насосы производства ОАО "Ливгидромаш" в нефтегазовой промышленности. Нефтегазовая вертикаль, 2003, №16, стр.68-69].
Недостатком данной схемы одновинтового насоса при давлениях нагнетания более 5 МПа является возникновение значительной осевой силы в роторной группе насоса, достигающей нескольких тонн. Для восприятия осевой силы приводная часть насоса комплектуется мощным упорным подшипником, что значительно удорожает конструкцию и эксплуатацию насоса, а также предопределяет дополнительные потери мощности.
Задачей изобретения является уравновешивание осевой силы, действующей в роторной группе одновинтового насоса.
Поставленная задача осуществляется за счет того, что одновинтовой насос, состоящий из рабочих органов, содержащих винтовую пару ротор-статор с циклоидальным зацеплением, ротор которых связан с приводным валом посредством шарнирного или торсионного соединения, со стороны нагнетательной полости снабжается дополнительной цилиндропоршневой парой, вращающийся поршень которой связан с ротором насоса посредством гибкого штока, а неподвижный цилиндр соединен с корпусом насоса, в котором размешен статор. Для упрощения конструкции в частном случае в качестве уравновешивающего устройства может использоваться подшипник качения, наружное неподвижное кольцо которого установлено в цилиндровой втулке, а внутреннее вращающееся кольцо закреплено на цилиндрическом хвостовике гибкого штока, причем в кольцевом пространстве между цилиндровой втулкой и гибким штоком размещена самоуплотняющаяся эластичная манжета. Для обеспечения максимальной эффективности насоса диаметр цилиндровой втулки выбирается из условия уравновешивания осевых усилий в системе ротора насоса.
На фиг.1 изображен общий вид заявленного устройства (уравновешенного насоса), а на уиг.2 - фрагмент общего вида устройства с вариантом уравновешивающего узла на базе подшипника качения.
Устройство состоит из рабочих органов (винтовой пары ротора 1 и статора 2), корпуса со всасывающим патрубком 3, нагнетательного патрубка 4, а также приводного вала 5, установленного в радиальном 6 и упорном 7 подшипниках. Со стороны радиального подшипника во всасывающем корпусе выполнено уплотнение вала 9. Приводной вал 5 и ротор 1 связаны посредством шарнирного соединения или гибкого штока 8. В нагнетательном патрубке 4 размещена цилиндропоршневая пара, цилиндровая втулка которой установлен в расточке нагнетательного патрубка 4, а поршень 10 соединен с ротором 1 при помощи гибкого штока 11.
Устройство работает следующим образом. При вращении приводного вала 5 (от электрического или другого двигателя), гибкого штока 8 и ротора 1 в рабочих органах насоса образуются перемещающиеся вдоль оси замкнутые камеры, по которым рабочая жидкость передвигается от всасывающего 3 до нагнетательного 4 патрубка.
Вследствие перепада давления в рабочих органах и осевой составляющей усилия в зацеплении на ротор 1 в направлении всасывания действует осевая сила.
Вращающийся в цилиндровой втулке поршень, установленный в полости нагнетания, уравновешивает осевую силу, поскольку на поршень действует сила, противоположно направленная по отношению к осевой силе на роторе насоса. Диаметр поршня (цилиндровой втулки) выбирается из условия полного или частичного уравновешивания осевых сил в роторной группе насоса, определяемого из нижеприведенного расчета.
При работе одновинтового насоса заявленной конструкции в общем случае в роторной группе насоса возникает осевое гидравлическое усилие
нас
к
шт
2
F≈P[(S-S)+zS],
к
шт
2
где Р - давление насоса; S - площадь проекции контактных линий рабочих органов, ; S - площадь штока; S - площадь живого сечения рабочих органов; z - число заходов ротора.
Противоположно направленное осевое усилие в цилиндропоршневой паре
цпп
п
шт
F=Р(P-S),
п
где S - площадь поршня, .
нас
цпп
Из условия равенства осевых усилий в рабочих органах насоса и цилиндропоршневой паре (F=F), независимо от давления насоса и площади штока определяется необходимый диаметр поршня
2
cр
k
2
2
Например, при эксплуатации многозаходного одновинтового насоса (диаметр корпуса насоса 150 мм; число заходов ротора z=5; эксцентриситет 5 мм; средний диаметр винтовых поверхностей рабочих органов D=85 мм; площадь проекции контактных линий S=56,7 см; площадь живого сечения S=13,6 см) требуемый диаметр цилиндропоршневой пары составляет
Таким образом, в рассматриваемом примере для полного уравновешивания осевых сил диаметр цилиндропоршневой пары должен быть больше среднего диаметра рабочих органов, но меньше диаметра корпуса насоса.
В случае равенства диаметров корпуса насоса и поршня в роторной группе будет действовать остаточное осевое усилие, которое будет восприниматься упорным подшипником приводного вала.
В отсутствии уравновешивающей цилиндропоршневой пары при давлении насоса Р=5 МПа осевое усилие, воспринимаемое упорным подшипником достигает значительной величины:
ос
к
2
F=P(S+zS)=50·(56,7+5·13,6)=6200 кгс.
Другой возможный вариант исполнения уравновешивающего узла может быть выполнен на базе подшипника качения, наружное неподвижное кольцо которого установлено в цилиндровой втулке, а внутреннее вращающееся кольцо закреплено на хвостовике гибкого штока. При этом кольцевое пространство между цилиндром и гибким штоком герметизировано посредством самоуплотняющейся эластичной манжеты.
Для повышения ресурса узла трения возможно использование принудительной системы смазки и охлаждения цилиндропоршневой пары.
Технический результат и экономический эффект от применения заявленного насоса достигается за счет полного или частичного уравновешивания осевых сил в роторной группе насоса, что повышает долговечность упорного подшипника приводной части насоса, а также снижает механические потери, габаритные размеры опорного узла и эксплуатационные расходы на его содержание.