Одновинтовой насос

Полезная модель относится к нефтегазовой промышленности и представляет собой одновинтовой насос, предназначенный для промысловой перекачки однофазных и многофазных продуктов, а также нагнетания жидкости в скважину. Целью заявленной полезной модели является уравновешивание осевой силы, действующей в роторной группе насоса. Отличительным признаком заявленного устройства является оснащение насоса дополнительной цилиндропоршневой парой, установленной в корпусе насоса со стороны нагнетательной полости.

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

F_насP[(S_к-S_шт)+z₂S],

где Р - давление насоса; S_к - площадь проекции контактных линий рабочих органов, ; S_шт - площадь штока; S - площадь живого сечения рабочих органов; z₂ - число заходов ротора.

Противоположно направленное осевое усилие в цилиндропоршневой паре

F_цпп=Р(P_п-S_шт ),

где S_п - площадь поршня, .

Из условия равенства осевых усилий в рабочих органах насоса и цилиндропоршневой паре (F_нас=F _цпп), независимо от давления насоса и площади штока определяется необходимый диаметр поршня

Например, при эксплуатации многозаходного одновинтового насоса (диаметр корпуса насоса 150 мм; число заходов ротора z₂=5; эксцентриситет 5 мм; средний диаметр винтовых поверхностей рабочих органов D_cр=85 мм; площадь проекции контактных линий S_k=56,7 см²; площадь живого сечения S=13,6 см²) 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:

F_ос=P(S_к+z₂S)=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.

1. Одновинтовой насос, состоящий из рабочих органов, представляющих собой винтовую пару ротор - статор с циклоидальным зацеплением, ротор которых связан с приводным валом посредством шарнирного или торсионного соединения, отличающийся тем, что со стороны нагнетательной полости размещена цилиндропоршневая пара, вращающийся поршень которой связан с ротором насоса посредством гибкого штока, а неподвижный цилиндр соединен с корпусом насоса, в котором размещен статор.

2. Одновинтовой насос по п.1, отличающийся тем, что в качестве уравновешивающего устройства используется 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.

3. Одновинтовой насос по п.2, отличающийся тем, что диаметр цилиндровой втулки выбирается из условия уравновешивания осевых усилий в системе ротора насоса.