Пластинчатый насос

Предлагаемое устройство относится к классу роторных пластинчатых насосов объемного типа и может быть использовано для перекачивания газов, жидкостей, мультифазных смесей, не обладающих смазывающими свойствами, с высоким содержанием механических частиц, а также имеющих высокую вязкость, например, для откачки пластовых жидкостей с регулированием расхода в диапазоне от 0,1 до 5 от номинальных значений без существенных потерь рабочего давления и к.п.д. при сохранении высокой технологичности изготовления элементов устройства. Техническая задача - расширение функциональных возможностей насоса 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. 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 и 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 и 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 и , 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 и , 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), 4 илл.

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 и , 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 и 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 и 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 и , 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 и , 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.

1. 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, отличающийся тем, что 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, а 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, а статор, ротор, рабочие пластины и боковые крышки выполнены твердосплавными.

2. Пластинчатый насос по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен составным и включает наружную обечайку и статор, жестко соединенные между собой, при этом твердость материала статора выше, чем твердость материала наружной обечайки.

3. Пластинчатый насос по п.1, отличающийся тем, что на сопряженных с пазом ротора поверхностях рабочих пластин выполнены канавки.