ПУСКОВАЯ МУФТА

Полезная модель относится к нефтяной промышленности, а именно к механизированному способу добычи нефти из скважин, в частности с использованием электропогружного винтового насоса [1]. Полезная модель также может быть использована в машиностроении как элемент привода машин и механизмов.
При эксплуатации электропогружных винтовых насосов возникает проблема пуска насоса в скважине, обусловленная повышенным трением покоя в рабочих органах, состоящих из обрезиненного статора и расположенного внутри него металлического ротора. Особенно остро данная проблема стоит при повторных пусках винтовых насосов вследствие нарушения геометрии зацепления рабочих органов под действием радиальных сил и перекашивающих моментов, деформирования эластичной обкладки статора и набухания эластомера в среде нефтегазовой смеси пластового флюида. Не запуск скважинной насосной установки сопровождается значительными экономическими потерями в связи с необходимостью извлечения на поверхность скважинного насоса и электродвигателя, включая трудоемкие операции по подъему колонны насосно-компрессорных труб.
Для обеспечения условий надежного пуска погружной насос комплектуется приводным асинхронным электродвигателем повышенной мощности или дорогостоящим вентильным электродвигателем.
Альтернативным решением проблемы является применение специальной пусковой муфты, устанавливаемой между валами электродвигателя и исполнительного механизма и обеспечивающей возможность разгона электродвигателя до определенной скорости без нагрузки со стороны исполнительного механизма (насоса) или передачи крутящего момента, превышающего момент на валу двигателя во время пуска.
Известны различные конструкции пусковых муфт, используемых в скважинных насосных установках.
Ближайшим техническим решением, принятым за прототип, является кулачково-центробежная муфта ОКБ БН для винтовых погружных насосов серии ЭВН, описанная в [2]. Она состоит из ведущей муфты с подпружиненными кулачками и ведомой полумуфты, установленной на валу насоса, и обеспечивает включение насоса при максимальном крутящем моменте электродвигателя в соответствии с его механической характеристикой. Достигается это за счет выдвижения кулачков, стянутых пружиной, под действием центробежной силы, соответствующей определенной частоте вращения и зацепление кулачков с сопряженной поверхностью окон ведомой полумуфты. При этом зацепление кулачков происходит только в заданном направлении вращения, что позволяет использовать такое пусковое устройство также в качестве обгонной муфты.
Недостатком данной конструкции пусковой муфты является зависимость ее работоспособности от центробежной силы (угловой скорости приводного двигателя), т.к. сцепление ведущей и ведомой полумуфт происходит только при достижении расчетной частоты вращения (порядка 1000 об/мин), что не позволяет применять муфту подобного типа в системах с регулируемым электроприводом в широком диапазоне изменения режимных параметров.
Другим известным устройством является пусковая муфта винто-клинового типа ЗАО «Электон», предназначенная для скважинных насосов для добычи нефти [3]. Принцип работы такой муфты основан на поступательном перемещении гайки (ползуна с подвижными упорами) по винтовой поверхности вращающегося ведущего вала в момент пуска электродвигателя. Подвижные упоры, находящиеся в зацеплении с прорезями и продольными неподвижными упорами ведомой полумуфты, образуют клиновой механизм, который увеличивает крутящий момент на ведомом валу на величину обратно пропорциональную углу наклона прорези.
Недостатком винто-клиновой пусковой муфты является сложность и многодетальность ее конструкции, что увеличивает затраты на изготовление и эксплуатацию данного узла насосной установки.
Задачей конструктивного решения полезной модели является расширение функциональных возможностей и упрощение конструкции пусковой муфты.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном устройстве пусковая муфта выполнена в виде подпружиненной многозаходной винтовой пары с поступательно-вращательным движением ротора (ведущей полумуфты, установленной на скользящем соединении на ведущем приводном валу) в период разгона при включении электродвигателя. При этом внутри винтового механизма предусмотрен осевой зазор равный длине холостого хода ведущей полумуфты до ее контакта с упором ведомой полумуфты, установленной на валу насоса и связанной со статором винтовой пары, который в период пуска остается неподвижным.
Принцип действия заявляемой пусковой муфты поясняется рисунками.
На фиг.1 приведена компоновочная схема насоса типа ЭВН с пусковой муфтой. На фиг.2а представлен продольный (в исходном положении деталей муфты) и поперечный на 2б (на примере двухзаходной винтовой пары) разрезы пусковой муфты.
Пусковая муфта состоит из соосно расположенных и сопряженных в поперечном сечении ведущей и ведомой полумуфт, составляющих винтовую пару и установленных соответственно на приводном валу и валу исполнительного механизма. Для возможности поступательного перемещения (прямого холостого хода) ведущей полумуфты при ее начальном движении в момент разгона приводного вала ведущая полумуфта крепится на валу посредством подвижного в осевом направлении скользящего соединения, а внутри винтовой пары предусмотрен осевой зазор равный длине хода ведущей полумуфты. Для автоматического осуществления обратного хода подвижных деталей муфты при остановке электродвигателя ведущая полумуфта выполнена подпружиненной, для чего внутри цилиндрической расточки ведомой полумуфты расположена пружина сжатия.
При включении погружного электродвигателя крутящий момент на валу 1 через шпонку 2 передается на втулку 4, которая через скользящую шпонку 3 передает движение ротору 5. Так как находящийся с ним в сопряжении статор 6 жестко соединен с валом насоса 9, который в свою очередь соединен с заторможенным винтом насоса (на эскизе не показан), то ротор 5 в начальной фазе совершает поступательное движение внутри статора 6 (подобно движению ходового винта в токарном станке).
Преодолевая сопротивление пружины 7, ротор 5, хвостовик которого находится в контакте со скользящей шпонкой 3, совершает ход S до тех пор, пока его верхний торец не войдет в соприкосновение с внутренним упором статора 6. После чего крутящий момент, вырабатываемый погружным электродвигателем, набравшим определенную скорость, передается на статор 6 и через шпонку 8 - на вал насоса 9, преодолевая момент сил трения в винте насоса.
После отключения погружного электродвигателя пружина 7 возвращает ротор 5 в исходное положение, и система автоматически переходит в состояние готовности к пуску.
Винтовая пара может быть представлена в виде многозаходного винтового механизма с циклоидальным профилем, число заходов z которого выбирается в зависимости от требуемой длины хода ведущей полумуфты за один оборот вала
1
S=zt,
где t - ход винта (расстояния между соседними вершинами винтовой поверхности).
Для снижения затрат на разработку и изготовление муфты винтовая пара может быть выполнена в виде обоймы (обрезиненного статора) одновинтовой гидромашины и сердечника пресс-формы, используемой при изготовлении данной обоймы.
Источники информации
1. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины. Том 1. М., ИРЦ «Газпром», 2005.
2. Ратов А.М., Хейфец Я.С. Одновинтовые скважинные электронасосы в Советском Союзе и за рубежом. М., ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1979.
3. Кузнецов В.А. и др. Муфта пусковая погружного насоса. Патент РФ №2292496 с приоритетом от 18.05.2005.