УСТАНОВКА НАСОСНАЯ ПОРШНЕВАЯ
PISTON-TYPE PUMP PLANT

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к оборудованию, применяемому в ограниченном пространстве, например к подземному оборудованию для подъема нефти из скважин, и может быть использовано для откачки пластовых вод и добычи различных полезных ископаемых, находящихся под землей на больших глубинах в жидком состоянии.
Известна установка насосная винтовая (Кудинов В.И., «Основы нефтегазопромыслового дела», г.Ижевск, 2005 г., с.366), содержащая погружной электродвигатель, соединенный через пусковую муфту с винтом, расположенным эксцентрично относительно оси вращения внутри другого эластичного (резинового) винта с внутренней канавкой, с шагом, в два раза большим, чем у первого винта, соединенными через подшипники с корпусом, закрепленным на конце колонны насосно-компрессорных труб с выходным клапаном.
Недостатком известной установки является невозможность перекачивания жидкостей кроме парафинистой нефти по причине износа эластичного винта с внутренней канавкой из-за содержания в жидкостях твердых частиц (фильтрата бурового раствора, песка и т.д.), а также химически активных элементов, находящихся в пласте, что в целом сокращает срок эксплуатации установки.
Известна установка насосная поршневая, содержащая электродвигатель, соединенный с редуктором, преобразователь вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение штока, соединенный с поршнем, перемещающимся в цилиндре, который соединен с колонной насосно-компрессорных труб с входным и выходным клапанами (Нефтепромысловое оборудование, Справочник под редакцией Е.И.Бухаленко, М.: Недра, 1990 г., с.53). Это устройство взято в качестве прототипа.
Недостатками известной установки являются большие габариты, металлоемкость, вес, большое энергопотребление, т.к. кроме подъема столба жидкости энергия тратится на вращение и качание деталей большой массы (противовесы, балансиры) и возвратно-поступательное перемещение колонны штанг. Кроме того, известная установка имеет большое время холостого хода поршня, равное времени рабочего хода.
Задача изобретения - создание установки для работы в ограниченном пространстве, а именно в трубном, уменьшение энергопотребления, увеличение коэффициента полезного действия установки.
Техническим результатом, достигаемым в результате решения поставленной задачи, является уменьшение габаритов устройства, массы, металлоемкости, энергопотребления, времени холостого хода поршня.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке насосной поршневой, содержащей электродвигатель, соединенный с редуктором, преобразователь вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение штока, соединенный с поршнем, перемещающимся в цилиндре, который соединен с колонной насосно-компрессорных труб с входным и выходным клапанами, электродвигатель выполнен погружным и соединен с редуктором через пусковую муфту, а редуктор выполнен в виде планетарной передачи, содержащей ведущую шестерню, закрепленную на валу, сателлиты, установленные на водиле, и ведомое колесо, при этом водило имеет два фиксированных переключаемых положения со свободным ходом относительно неподвижного корпуса и вращающегося ведущего вала, а ведомое колесо жестко соединено с внешней обоймой винтового подшипника качения, выполненного в виде винтовой пары, между витками которой расположены ролики или шарики, а шток выполнен в виде внутренней обоймы этого подшипника и имеет направляющие для подшипника поступательного движения, который соединен с поршнем, содержащим демпфер, при этом шток соединен с тягой, пружиной растяжения-сжатия, упорным двухсторонним подшипником, соединенным с направляющими, расположенными в водиле, соединенными концами с двумя торцевыми зубчатыми колесами, входящими в зацепление с двумя другими идентичными торцевыми зубчатыми колесами, каждое из которых расположено на упругих муфтах, закрепленных одна в корпусе для рабочего хода, а другая на ведущем валу для холостого хода.
Выполнение отношения высоты зубьев торцевых зубчатых колес к их длине больше, чем отношение вектора скорости перемещения колес вдоль оси вращения к вектору линейной скорости вращения колес относительно друг друга в момент зацепления, позволяет уменьшить износ зубьев торцевых зубчатых колес.
Выполнение рабочих поверхностей зубьев, составляющих острые углы с плоскостью, перпендикулярной оси вращения, позволяет избежать произвольного расцепления торцевых зубчатых колес.
Технический результат достигается также тем, что демпфер выполнен в виде второго цилиндра со вторым поршнем, соединенным пружиной растяжения-сжатия с основанием первого поршня, при этом полость демпфера соединена с полостью насоса отверстием, а также отверстием с полостью за первым цилиндром, что позволяет предотвратить гидроудары при изменении направления перемещения поршня.
Выполнение направляющих в водиле, расположенных между сателлитами осесимметрично вдоль оси вращения, позволяет равномерно распределить нагрузку на водило и зубчатые колеса.
Выполнение тяги от штока телескопической позволяет ее сложить по длине в размер, равный упору.
Выполнение тяги от штока из гибкого элемента с упором упрощает регулировку ее длины.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема установки насосной поршневой, на фиг.2 изображен узел планетарной передачи, где направляющие, расположенные между сателлитами, показаны в перпендикулярном сечении, на фиг.3 изображена динамика процесса зацепления профилей зубчатых торцевых колес, показанных по средней линии в развертке, где а) - без зацепления, б) - начало зацепления, в) - полное зацепление.
Устройство содержит погружной электродвигатель 1 (фиг.1), соединенный через пусковую муфту 2 с ведущим валом 3, размещенные в корпусе 4 редуктор 5, выполненный в виде планетарной передачи, включающий ведущую шестерню 6, сателлиты 7 (фиг.2), водило 8, ведомое колесо 9, жестко соединенное с внешней обоймой 10 винтового подшипника качения 11, шток 12, выполненный в виде внутренней обоймы подшипника качения 11, ролики (шарики) 13, поршень 14, размещенный в цилиндре 15, входной клапан 16 и выходной клапан 17, которые соединены с колонной насосно-компрессорных труб 18. Внутренняя обойма, выполняющая также функцию штока 12, имеет направляющие 19 для предотвращения вращения поршня 14 вокруг оси, а другой конец штока 12 соединен обратной связью с водилом 8 для управления его скоростью вращения, содержащей телескопическую тягу 20, винтовую пружину 21 растяжения-сжатия, упорный двухсторонний подшипник 22, который соединен с направляющими 23, расположенными в водиле 8, два торцовых зубчатых колеса 24 и 25, которые жестко соединены с направляющими 23, торцовые зубчатые колеса 26 и 27, идентичные зубчатым колесам 24 и 25. Зубчатое колесо 26 установлено на упругой муфте 28, жестко соединенной с корпусом 4, а зубчатое колесо 27 установлено на упругой муфте 29, соединенной с ведущим валом 3, при этом муфты 28 и 29 содержат регулируемые упругие элементы кручения 30 и 31 заданной упругости и длины. В поршне 14 расположен демпфер 32, состоящий из дополнительного цилиндра 33 и дополнительного поршня 34, соединенного с основанием поршня 14 пружиной 35, а полость демпфера 32 соединена отверстием 36 с полостью корпуса 4 и отверстием 37 с полостью за поршнем 14.
Все вращающиеся детали и узлы установки соединены с корпусом 4 через подшипники качения.
Устройство работает следующим образом.
Момент силы от погружного электродвигателя 1 (фиг.1) через пусковую муфту 2 передается ведущему валу 3 установки насосной, корпус 4 которой жестко соединен с корпусом электродвигателя 1. Далее момент силы от ведущего вала 3 передается через ведущую шестерню 6 (фиг.2) и сателлиты 7, расположенные вокруг ведущей шестерни 6 осесимметрично для распределения момента силы равномерно по окружности и уменьшения вибраций, водилу 8, на ведомое колесо 9 и на внешнюю обойму 10 винтового подшипника качения 11, при вращении которой в корпусе 4 момент силы передается на внутреннюю обойму 12 этого подшипника, которая совершает поступательное движение и выполняет роль винта в винтовой паре. Для уменьшения трения между обоймами расположены ролики 13 (или шарики). Внутренняя обойма 12, выполненная в виде штока, соединенная с поршнем 14 цилиндра 15, перемещается вдоль оси насосной установки. Шток 12 другим концом соединен обратной связью с управляемым водилом 8, которое имеет два фиксированных положения со свободным ходом, через телескопическую тягу 20, пружину растяжения-сжатия 21, упорный двухсторонний подшипник 22, соединенный с направляющими 23, расположенными в водиле 8, между сателлитами 7 (см. фиг.2), перемещающимися вдоль оси насоса и вращающимися вместе с водилом 8. Концы направляющих соединены между собой двумя торцевыми зубчатыми колесами 24 и 25, которые входят в зацепление с двумя другими идентичными торцевыми колесами 26 и 27 попеременно, которые закреплены на муфтах 28 и 29. Муфта 28 закреплена на корпусе насосной установки, а муфта 29 закреплена на ведущем валу 3 установки. В начале рабочего хода направляющие 23 с торцевыми зубчатыми колесами 24 и 25 находятся в нижнем положении, т.е. зубчатое колесо 24 находится в зацеплении с зубчатым колесом 26, в этом случае вращение водила 8 будет ограничено упругим элементом кручения 30 муфты 28, длина и упругость которого заданы. При фиксированном положении водила 8 относительно корпуса 4 планетарная передача работает как понижающая. При ограниченном пространстве (например, один из вариантов) радиусы равны
ведущ
сателл
r=r,
ведомая
ведущая
то r=3 r и передаточное отношение, где:
ведущ
сателл
ведомая
r, r, r - радиусы ведущего колеса (шестерни), ведомого колеса, сателлитов.
ведущ
ведом
n=r/r=1/3.
Ведомое колесо 9 вращается с угловой скоростью:
ведом
ведущ
w=1/3 w.
Находим передаточное отношение винтового подшипника (винтовой пары):
подш
подш
n=h/2Пr, где:
h - шаг винта,
подш
r - средний радиус винтовой линии подшипника.
ведущ
ведомая
Шток 12 перемещается вверх, и входной клапан 16 закрыт, выходной 17 открыт, и жидкость вытесняется из цилиндра 15 поршнем 14 в рабочую насосно-компрессорную трубу 18. При достижении верхней крайней рабочей точки поршнем 14 телескопическая тяга 20 полностью раздвигается, растягивает пружину 21, которая через упорный двухсторонний подшипник 22 тянет направляющие и зубчатые колеса 24 и 25, и зубчатое колесо 24 выходит из зацепления с зубчатым колесом 26, проходит свободный зазор, и другое зубчатое колесо 25 входит в зацепление с зубчатым колесом 27, расположенным через муфту 29 на ведущем валу 3. Упругий элемент кручения 31 в муфте 29 закручивается, при этом водило 8 с направляющими 23 начинает вращаться вместе с ведущим валом 3, а также ведомое колесо 9 планетарной передачи 5 останавливается и начинает вращаться в противоположном направлении с угловой скоростью, равной угловой скорости ведущего вала w=w, а шток 12 с поршнем 14 также останавливается и начинает перемещаться вниз в 3 раза быстрее, чем при рабочем ходе, при этом входной клапан 16 открывается, а выходной 17 закрывается, и жидкость поступает в полость цилиндра 15.
При достижении нижней точки холостого хода поршнем 14 и штоком 12 телескопическая тяга 20 складывается, сжимает пружину 21 и через упорный подшипник 22 пружина толкает вращающиеся с водилом 8 направляющие 23 с зубчатыми колесами, при этом зубчатое колесо 25 выходит из зацепления с зубчатым колесом 27 ведущего вала 3, и входит в зацепление другое зубчатое колесо 24 с колесом 26, соединенным через муфту 28 с корпусом 4 установки насосной. Холостой ход заканчивается, и начинается рабочий ход.
3
n
c
Торцевые зубчатые колеса 24, 25, 26 и 27 (см. фиг 3) имеют профиль по средней окружности в виде зубьев, наклоненных против направления вращения, т.е. угол между рабочей поверхностью зубца и плоскостью, перпендикулярной оси вращения, «α» меньше 90 градусов, для того чтобы зубья не выходили из зацепления при нагрузках. На фиг.3 показана динамика зацепления. Для выхода из зацепления к зубчатому колесу, закрепленному на направляющих, необходимо приложить силу Р, которая зависит от величины угла «α» рабочей поверхности и коэффициента трения между зубьями, а также суммарного веса направляющих 23, зубчатых колес 24 и 25, подшипника 22, при этом торцевые зубчатые колеса 24, 25, 26 и 27 имеют отношение высоты зубьев «h» к их длине «l» больше, чем отношение вектора скорости перемещения колес «υ» вдоль оси вращения к вектору линейной скорости вращения колес «υ» относительно друг друга в момент зацепления, то есть:
n
c
h/1>υ/υ.