МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ГЛУБИННЫЙ ВИБРАЦИОННЫЙ НАСОС С ОСЕВЫМ ПОДКЛЮЧЕНИЕМ

Полезная модель относится к гидравлическим машинам и касается погружных насосов для подъема пластовой жидкости с глубин от 300 м до 3000 м из скважин с обсадными перфорированными в пластовой части трубами.
Известны конструкции погружных центробежных насосов, в том числе многоступенчатых. Так в патенте РФ на изобретение №2163693 [патент РФ №2163693, опубл. 27.02.2001, патентообладатель ОАО «Борец»] описан погружной центробежный многоступенчатый насос, содержащий корпус, в котором установлен вал с рабочими колесами, опирающийся на радиальные и осевой подшипники. Вал насоса состоит из нескольких секций, последовательно упирающихся торцами одна в другую и соединенных между собой шлицевыми муфтами, и размещен в едином корпусе, а осевой подшипник установлен на нижней секции вала. Описанному в патенте РФ №2163693 насосу присущи недостатки центробежных насосов: низкий КПД, сложность изготовления (отливка корпуса с проточными каналами), жесткие ограничения по твердым примесям, и пр.
-
Эти недостатки частично устраняются в известных конструкциях вибрационных насосов. Широко известны бытовые погружные вибрационные насосы, например, «Малыш», «Ручеек» [см. http://www.hmspumps.ru/art/articles/category/1/message/37]. В корпусе вибрационного насоса установлен электромагнит, состоящий из сердечника и обмотки, катушки которого залиты компаундом, а также вибратор, в состав которого входит якорь с запрессованным в нем штоком, на торце которого закреплен дисковый поршень. На штоке установлен резиновая прокладка - амортизатор. На расстоянии от амортизатора установлена резиновая диафрагма, отделяющая гидравлическую камеру от электрической и одновременно выполняющая роль дополнительной опоры для поршня. Входные отверстие, распределенные по окружности, закрывает клапан, выполненный в виде шайбы, установленной на осевом стержне и снабженной резиновым уплотнением. Описанный выше и другие известные вибрационные погружные насосы имеют более высокий КПД, менее чувствительны к твердым примесям, но имеют ограничения по напору.
В качестве прототипа выбран глубинный вибрационный двухступенчатый насос, описанный в патенте РФ №2380656, имеющий одностороннее подключение [патент РФ №2163693, опубл. 10.04.2010,]. В общем корпусе установлены две ступени насоса. Каждая ступень насоса состоит из двух электромагнитов, содержащих ярмо и катушки, которые создают электромагнитные усилия, направленные в разные стороны. Якоря электромагнитов закреплены на резинометаллических амортизаторах. Стакан и резинометаллические амортизаторы образуют рабочую камеру. В стакане размещены всасывающий и нагнетающий клапаны. Вторая ступень насоса имеет аналогичную конструкцию, но усилие, создаваемое жесткостью резинометаллических амортизаторов, превышает усилие таких же амортизаторов на первой ступени на величину усилия, создаваемого давлением жидкости, полученным на первой ступени. Первая и вторая ступени насоса установлены и сцентрированы в корпусе через вставки. Нагнетающая полость первой ступени насоса соединена с всасывающей полостью второй ступени посредством трубопровода. Ступени насоса фиксируются в корпусе крышкой, через которую выведен нагнетающий патрубок и в которой выполнено отверстие для забора жидкости к всасывающему клапану первой ступени насоса. Электропитание насоса осуществлено от полупериодного выпрямителя переменного тока, где от одной полуволны запитаны электромагниты первой ступени, а от второй полуволны запитаны электромагниты второй ступени. Двухступенчатый насос позволяет создавать напор до 100 м, однако имеет сложную конструкцию. В этом вибрационном насосе применен принцип двусторонних клапанных систем (всасывающий и нагнетающий клапан на каждой ступени), используемый в поршневых насосах. Это также является недостатком, т.к. поршневые насосы в отличие от вибрационных имеют достаточно большой ход поршня, поэтому у них есть возможность обеспечить четкое позиционирование во времени впускных и выпускных клапанов, что не возможно в описанной конструкции. Кроме того, в прототипе исключена возможность наращивания числа ступеней для увеличения напора.
Таким образом, существует техническое противоречие - с одной стороны, известные центробежные насосы позволяют откачивать пластовые жидкости с больших глубин, но имеют ограничение по твердым примесям и низкий КПД, с другой стороны, известные вибрационные насосы, обладающие более низким энергопотреблением и менее чувствительные к примесям, не позволяют откачивать жидкости с больших глубин.
В основу полезной модели поставлена задача разрешения этого противоречия и создания новой конструкции глубинного насоса, то есть задача расширения арсенала средств. Достигаемый технический результат - обеспечение возможность подъема пластовой жидкости из скважин, глубиной до 3 км при относительно низком энергопотреблении.
Поставленная задача решается изменением конструкции.
Многоступенчатый глубинный вибрационный насос с осевым подключением имеет последовательно соединенные насосные секции, корпуса которых образуют общий составной корпус насоса. Каждая насосная секция имеется входной клапан, дисковый поршень, установленный на штоке, соединенном с якорем электромагнита. Якорь электромагнита размещен в маслонаполненной полости и снабжен механизмом возврата, выполненным в виде тарельчатой пружины. Входной клапан каждой насосной секции выполнен шаровым с подпружиненным в осевом направлении шаром.
Насосные секции соединены между собой трубопроводами, выходная часть каждого из которых имеет форму диффузора, в котором размещена входная часть клапана последующей секции. Объем всасывающей камеры в каждой последующей секции меньше, чем в предыдущей. Это может быть достигнуто тем, что корпус входного клапана соединен с корпусом насосной секции при помощи резьбового соединения, что позволяет осуществлять регулировку высоты этой камеры, а следовательно объема. Насосные секции соединены с обеспечением синфазности их работы, что обеспечивает электрическая система управления.
Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности полезной модели, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан предпочтительный вариант реализации.
Пример реализации иллюстрируется Фигурами чертежей, на которых представлено: Фиг.1 - общий вид насоса (продольное осевое сечение), Фиг.2 - вид А на Фиг.1, увеличено (заборная часть насоса) с шаровым клапаном.
Заявляемый насос может иметь до ста и более секций. Первая и вторая насосные секции имеют корпуса 1 и 2, соответственно. Первая насосная секция имеет входной клапан 3, имеющий собственный корпус 4. Дисковый поршень 5 установлен на штоке 6, который соединен с якорем 7 электромагнита 8, входящего в состав вибратора. В качестве механизма возврата якоря 7 (а, следовательно, штока) служит тарельчатая пружина 9, периферийная часть которой закреплена неподвижно, например, в элементах корпуса. Якорь 7 электромагнита размещен в маслонаполненной полости 10, что обеспечивает компенсацию наружного давления. Насосные секции соединены между собой трубопроводами 11. Верхняя выходная часть трубопровода 11 имеет форму диффузора 12, в котором размещается входная часть входного клапана следующей насосной секции.
Входной клапан каждой секции имеет собственный корпус, который с помощью резьбового соединения соединен с корпусом насосной секции, что позволяет регулировать объем всасывающей камеры (объем под дисковым поршнем) секции и применять секции унифицированной конструкции. В корпусе 4 клапана установлено седло 13 с ограничителем обратного потока - шаром 14, который с целью увеличения его срока службы выполнен из карбида вольфрама. Шар 14 подпружинен в осевом направлении при помощи противоинерционной пружины 15, установленной на направляющем штоке 16, закрепленном на корпусе 4 клапана. Подвод питания к обмоткам электромагнитов и сигналов управления осуществляется через многожильный бронированный кабель 17.
Нормальная работа насоса обеспечивается синфазностью колебаний якорей каждой из насосных секций, стабильность постоянно отслеживается контроллером, а так же гарантированным отрегулированным уменьшением объема всасывающей камеры от секции к секции.
Работа насоса осуществляется следующим образом.
При подаче положительного импульса на электромагниты 8 все якоря 7 одновременно втягиваются, открывая одновременно при помощи дисковых поршней 5 клапаны за счет неразрывности жидкости и совместно перемещая вверх порции пластовой жидкости от нижних насосных секций к верхним, по всей длине насоса. Увлекаемые жидкостью шары 14 сжимают пружины 15. Тарельчатые пружины 9 также сжимаются. Диффузоры 12 служат в качестве переходника на больший диаметр выходной части трубопровода - для размещения входного клапана следующей секции. Кроме того, в диффузорах происходит небольшое падение давления, необходимое для обеспечения лучшего всасывания жидкости.
При отрицательном импульсе напряжения тарельчатые пружины 9 возвращают дисковые поршни 5 в исходное положение. Шары 14 также возвращаются в исходное положение, закрывая клапан, при необходимости задействуется противоинерционная пружина 15. Далее цикл повторяется. Повышение давления от секции к секции происходит за счет того, что объем под дисковым поршнем (всасывающей камеры) в каждой последующей секции меньше, чем в предыдущей.
Насосы заявленной конструкции успешно прошли испытания. При 40 секциях и потребляемой мощности 30 кВт напор составлял до 3000 м в.ст., КПД не менее 55%. Также испытания показали, что насос не чувствителен к примесям с характерным размером частицы 0.3 мм. Тарельчатые пружины и износостойкие шары из карбида вольфрама обеспечивают длительную работоспособность устройства при повышенных нагрузках.