ПЛАСТИНЧАТЫЙ НАСОС

Предлагаемое устройство относится к классу роторных пластинчатых насосов объемного типа и может быть использовано для перекачивания мультифазных смесей с высоким содержанием механических частиц и откачки пластовых жидкостей из нефтяных скважин.
Известен пластинчатый гидравлический насос двойного действия, содержащий ротор с пластинами, свободно перемещающимися в его пазах, корпус с профилированной внутренней поверхностью и расположенные определенным образом впускные и выпускные окна (Пластинчатые насосы и гидромоторы. Зайченко И.З. и Мышлевский Л.М., Машиностроение, 1970, с.28, рис.16). Конструкция насоса позволяет ему надежно работать в чистых средах с хорошими смазывающими свойствами и развивать высокие давления перекачки жидкостей.
Однако конструктивные особенности не позволяют данному насосу работать со средами, являющимися мультифазными смесями с высоким содержанием взвешенных механических примесей, например, при откачке пластовых жидкостей из нефтяных скважин.
Наиболее близким к заявляемому является пластинчатый нефтяной насос, содержащий корпус, ротор с радиальными пазами, в которых размещены рабочие пластины, постоянно находящиеся в контакте с внутренней профилированной поверхностью корпуса во время вращения ротора, между которыми расположены камеры перекачивания смесей (Патент РФ №2191926, F04C 2/344, 2002 г.).
Полость корпуса выполнена в виде цилиндрической поверхности, образованной двумя парами симметрично расположенных дуг с различными радиусами и плавными дугообразными переходами от дуг большего радиуса к дугам меньшего радиуса. Поверхности одинаковых радиусов расположены напротив друг друга. Ротор насоса имеет цилиндрическую поверхность, образованную окружностью с радиусом меньшим, чем малый радиус
внутренней поверхности корпуса. Рабочие пластины числом не менее 8 подпружинены в радиальных пазах с возможностью радиального перемещения, а на внутренней поверхности паза выполнены канавки, соединяющие объем паза под рабочей пластиной с камерами перекачивания. Рабочие пластины выполнены из износостойкого полиуретана с добавлением смеси дисульфида молибдена, графита окисленного и др. Внутренняя поверхность полости корпуса и подшипники скольжения выполнены из того же полиуретана, а боковые крышки из стали.
Недостатками известного технического решения являются:
- Невозможность перекачивания насосом сред с высоким содержанием механических частиц, так как жидкость заходит в насос радиально, затем перемещается на определенный угол в рабочей камере и вытесняется опять в радиальном направлении, оставляя при этом у верхних кромок пазов ротора зоны отложения твердых частиц и солей, а канавки, соединяющие объем паза под рабочей пластиной с камерами перекачивания, не позволяют обеспечить проточное течение перекачиваемой жидкости в камере под рабочей пластиной, что приводит также к образованию застойных зон в этих камерах и накоплению в них твердых частиц. Конструкция насоса не позволяет обеспечить изготовление всех трущихся деталей насоса только из твердых сплавов, например карбидов титана, вольфрама или кремния, твердость которых выше твердости механических частиц в перекачиваемой жидкости.
- Невозможность работы насоса при температурах перекачиваемой среды выше 200°С, ввиду выполнения внутренней поверхности полости корпуса и подшипников из полиуретана, жаропрочность и жаростойкость которого ограничены.
Кроме того, известная конструкция насоса сложна и трудоемка при изготовлении, а также недостаточно технологична.
Техническая задача заключается в расширении функциональных возможностей путем обеспечения перекачивания мультифазных смесей с высоким содержанием механических примесей за счет исключения образования застойных зон внутри насоса и возможности использования твердосплавных материалов для изготовления трущихся деталей насоса.
Заявляется пластинчатый насос, содержащий ротор с рабочими пластинами, перемещающимися в его пазах, и расположенный внутри корпуса, внутренняя поверхность которого образована двумя парами симметрично расположенных дуг разных радиусов и плавными переходными участками от дуг большего радиуса к дугам меньшего радиуса, и ограниченный с торцов боковыми крышками, в котором согласно первому пункту формулы, в боковой впускной крышке выполнены, по меньшей мере, два основных впускных окна и, по меньшей мере, два дополнительных впускных окна, а по меньшей мере два основных выпускных окна и по меньшей мере два дополнительных выпускных окна выполнены в противоположной боковой выпускной крышке, при этом каждые, по меньшей мере, два окна расположены внутри плоского сектора с центральными углами, рассчитанными по формуле: 90°-360°/n, где n - число рабочих пластин. Указанные плоские сектора боковой впускной крышки развернуты относительно плоских секторов боковой выпускной крышки на прямой угол, причем указанные боковые крышки закреплены на корпусе с размещением указанных плоских секторов напротив плавных переходных участков внутренней поверхности корпуса. Статор, ротор, рабочие пластины и боковые крышки выполнены твердосплавными.
Заявляемое выполнение основных и дополнительных окон в боковых крышках позволяет осуществлять преимущественно осевое направление движения перекачиваемой смеси, что способствует более качественной промывке всего внутреннего объема насоса, исключению образования застойных зон, а также исключает неравномерный износ верхней кромки рабочей пластины за счет отсутствия радиальных впускных и выпускных окон на статоре.
Выполнение дополнительных впускных окон на одной из боковых крышек, а дополнительных выпускных окон на противоположной боковой крышке в зонах изменения объемов между пазами ротора и нижней плоскостью пластин позволяет перекачивать дополнительное количество жидкости и осуществлять промывание пространства под пластинами, а также исключить непроизводительную операцию на роторе - получение канавок, особенно если ротор выполнен из твердого сплава.
При расположении каждой пары окон внутри плоского сектора с центральными углами, рассчитанными по формуле: 90°-360°/n, где n - число рабочих пластин, а также если указанные плоские сектора боковой впускной крышки развернуты относительно плоских секторов боковой выпускной крышки на прямой угол, причем указанные боковые крышки закреплены на корпусе с размещением указанных плоских секторов напротив плавных переходных участков внутренней поверхности корпуса, обеспечивает перемещение рабочих пластин в пазах ротора только в тех случаях, когда перепад давлений не действует на переднюю и заднюю плоскости рабочих пластин, и, соответственно, обеспечивает статичное положение рабочих пластин относительно пазов ротора на протяжении цикла, при котором на переднюю и заднюю плоскости пластин действует перепад давлений. Это позволяет практически исключить попадание твердых механических частиц в зону контакта пары «пластина-паз ротора» и снизить силы трения в этой паре. Выполнение всех трущихся элементов насоса (статора, ротора, рабочих пластин, боковых крышек) из твердых сплавов, например, карбидов титана, вольфрама или кремния, дает возможность перекачивать насосом среды с высоким содержанием механических частиц.
Корпус насоса может быть выполнен либо цельным, либо составным, т.е. включать наружную обечайку и статор, жестко соединенные между собой при условии, что твердость материала статора выше, чем твердость материала наружной обечайки. Во втором случае технологичность и универсальность конструкции насоса повышается, снижается материалоемкость и увеличивается ремонтопригодность. Появляется возможность менять параметры насоса простой заменой статора с одной внутренней профилированной поверхностью на статор с профилированной поверхностью другого типа, оставляя при этом одну и ту же обечайку для большого числа типоразмеров насоса.
Кроме того, выполнение канавки на сопряженных с пазом ротора поверхностях рабочих пластин позволяет осуществлять дополнительное охлаждение трущихся поверхностей.
Конструкция пластинчатого насоса представлена на следующих фигурах.
На фиг.1 показан общий вид насоса заявляемой конструкции. На фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 - аксонометрическое изображение насоса при выполнении корпуса сплошным. На фиг.4 - аксонометрическое изображение насоса при выполнении корпуса составным.
Пластинчатый насос включает корпус, выполненный сплошным, либо составным, который включает обечайку 1, внутри которой жестко установлен статор 2. Ротор 3 выполнен с радиальными пазами 4, вдоль которых перемещаются рабочие пластины 5, имеющие переднюю 6, заднюю 7 и нижнюю 8 плоскости. В боковой впускной крышке 9 выполнены пара основных впускных окон 10 и пара дополнительных впускных окон 11.
Пара основных выпускных окон 12 и пара дополнительных выпускных окон 13 расположены на боковой выпускной крышке 14. Каждая пара окон 10, 11 и 12, 13 на обеих крышках 9 и 14 расположена внутри плоского сектора В с центральными углами γ и σ, которые рассчитываются по формуле: 90°-360°/n, т.е. могут отличаться по площади. При этом n - число рабочих пластин 5, которое может изменяться от 5 до 19. Указанные сектора В крышек 9 и 14 развернуты на угол 90° относительно друг друга.
Рабочая камера 15 образована внутренней профильной поверхностью корпуса или статора 1, наружной поверхностью ротора 3, передней 6 и задней 7 плоскостями пластин 5 и ограничена в осевом направлении торцовыми поверхностями боковых крышек 9 и 14.
Нижняя подпластинчатая камера 16 образована поверхностью радиального паза 4 ротора 3, нижней плоскостью 8 рабочих пластин 5 и ограничена в осевом направлении торцовыми поверхностями крышек 9 и 14.
На сопряженных с радиальным пазом 4 ротора 3 поверхностях 6 и 7 рабочих пластин 5 могут быть выполнены канавки 17.
Внутренняя поверхность D корпуса или статора 1 образована двумя парами симметрично расположенных дуг разных радиусов r и R и плавными переходными участками 18.
Плоские сектора В боковых крышек 9 и 14 размещены напротив переходных участков 18 внутренней поверхности корпуса (статора 2).
Насос работает следующим образом.
При вращении ротора 3 центробежные силы прижимают пластины 5, установленные в радиальных пазах 4, к внутренней поверхности статора 2, жестко связанного с обечайкой 1. Между ротором 3, статором 2, крышками 9 и 10 и каждой передней 6, задней 7 каждой пары пластин 5, имеются рабочие камеры 15, количество которых равно числу лопаток 5. Внутри секторов В с центральными углами γ и δ располагаются основные и дополнительные впускные и выпускные окна 10, 11 и 12, 13, соответственно, через которые перекачиваемая мультифазная смесь с механическими примесями заходит в рабочие камеры 15 и в подпластинчатые камеры 16, затем выходит из них.
При вращении ротора 3 объемы рабочих камер 15 на участках профилированной поверхности корпуса (статора 2), ограниченных углами γ и δ изменяются, так как пластины 5 в эти моменты совершают движение относительно пазов 4 ротора 3, и через основные впускные окна 10 и дополнительные впускные окна 11 перекачиваемая жидкость поступает в рабочие камеры 15 и подпластинчатые камеры 16, соответственно.
Далее при вращении ротора 3 на участках профилированной поверхности корпуса (статора 2), ограниченных углами α и β, объемы рабочих камер 15 и подпластинчатых камер 16 остаются постоянными, происходит перемещение перекачиваемой жидкости к основным выпускным окнам 12 и дополнительным выпускным окнам 13. При достижении пластиной 5 переходного участка профилированной поверхности корпуса (статора 2), ограниченного углами γ и δ, начинается перемещение пластины 5 в пазе 4 ротора 3, при этом давление жидкости со всех сторон пластины 5 становится одинаковым (пластина оказывается целиком на линии нагнетания) и происходит вытеснение перекачиваемой жидкости из рабочих камер 15 и подпластинчатых камер 16 в напорную линию насоса через основные выпускные окна 12 и дополнительные выпускные окна 13, соответственно.
Таким образом, осуществляется перекачивание мультифазной смеси с механическими примесями не только рабочими камерами 15, но и камерами 16, а рабочие пластины 5 совершают движение относительно пазов 4 ротора 3 только в тех случаях, когда на них не действует перепад давлений, и соответственно пластины неподвижны относительно радиальных пазов 4, когда на пластины 5 действует перепад давлений.
Предлагаемый насос является более технологичным и простым в изготовлении, отличается низкой материалоемкостью, малыми габаритами, служит для перекачивания мультифазных смесей при температурах до 400°С, не обладающих высокими смазывающими свойствами и содержащих высокое количество взвешенных механических примесей. Может быть использован для откачки пластовых жидкостей с возможностью регулирования расхода в диапазоне от 0,1 до 5 от номинальных значений без существенных потерь рабочего давления и к.п.д. при высокой технологичности изготовления элементов устройства.