роторный насос

Формула изобретения

1. Роторный насос, включающий в себя полый корпус, содержащий боковую и торцевые стенки, вал, установленный в корпусе с возможностью вращения, причем расстояние между боковой стенкой корпуса и валом является переменным, деформируемые ролики, расположенные и перемещаемые при вращении вала между боковой стенкой корпуса и валом с максимальной деформацией в области минимального расстояния между боковой стенкой корпуса и валом, и герметичные полости, каждая из которых образована двумя смежными первым и вторым роликами, боковой и торцевыми стенками корпуса и валом, причем герметичные полости выполнены с возможностью сообщения с отверстием всасывания при увеличении их объема и с возможностью сообщения с отверстием нагнетания при уменьшении их объема, при этом сообщение с отверстием нагнетания происходит при нахождении второго ролика в самой широкой области рабочего пространства, а такт нагнетания происходит до достижения первым роликом самого узкого места рабочего пространства.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен с эллиптическим поперечным сечением, а вал - с круглым поперечным сечением, причем продольные оси корпуса и вала совпадают.

3. Насос по п.1, отличающийся тем, что корпус и вал выполнены с круглым поперечным сечением, причем вал установлен с эксцентриситетом относительно корпуса.

4. Насос по п.1, отличающийся тем, что вал и/или корпус выполнены с коническими поверхностями, вследствие чего герметичные полости имеют уменьшающееся в своем продольном направлении поперечное сечение.

5. Насос по п.1, отличающийся тем, что за один оборот роликов вокруг вала герметичные полости несколько раз претерпевают увеличение и уменьшение объема.

6. Насос по п.1, отличающийся тем, что отверстие всасывания и/или отверстие нагнетания выполнено в соответствующей торцевой стенке корпуса и/или в боковой стенке корпуса.

7. Насос по п.1, отличающийся тем, что отверстие всасывания и/или отверстие нагнетания выполнено во вращаемом валу.

8. Насос по п.1, отличающийся тем, что торцевые стенки корпуса выполнены за одно целое с боковой стенкой корпуса, которая выполнена разъемной.

9. Насос по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна торцевая стенка корпуса разъемно соединена с боковой стенкой корпуса.

10. Насос по п.1, отличающийся тем, что ролики выполнены в виде цельных стержней из упругого материала.

11. Насос по п.1, отличающийся тем, что ролики выполнены в виде полых стержней из упругого материала.

12. Насос по п.1, отличающийся тем, что ролики выполнены в виде стержней из жесткого материала, которые покрыты слоем упругого материала.

13. Насос по п.1, отличающийся тем, что ролики выполнены в виде стержней из упругого материала, армированного стекловолокном, углеволокном, стальными нитями.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к роторным насосам. Более конкретно изобретение относится к роторному насосу с деформируемыми роликами.

В нефтедобывающей области для механизированной добычи нефти широко используются электрические погружные насосы. Конструкция подобных насосов весьма разнообразна. Принципиально указанные электрические погружные насосы состоят из насосной секции, электрического двигателя и масляной компенсационной камеры. Работа насосной секции основана на использовании высокоскоростного вращающегося центробежного или роторно-осевого рабочего колеса и направляющего аппарата (диффузора), которые образуют ступень насоса. Недостатком таких насосов является низкое давление нагнетания ступени насоса, вследствие чего необходимо использовать весьма большое число ступеней. Это обстоятельство влечет за собой целый ряд дополнительных проблем. Так с увеличением числа ступеней возрастает длина и масса электропогружного насоса. Значительная длина затрудняет монтаж насоса на буровой вышке. Большая масса насоса является причиной возникновения большого момента инерции при запуске насоса, что может приводить к поломке либо самого насоса, либо насосно-компрессорной трубы, к которой этот насос прикреплен. Большая масса имеет особенно критичное значение при большой глубине скважины и при частом включении/выключении насоса. Для ограничения этого воздействия приходится использовать весьма дорогостоящие устройства регулирования увеличения числа оборотов насоса, что увеличивает капитальные затраты. Еще одним недостатком электропогружных насосов является высокий износ его деталей вследствие высоких скоростей вращения. Другим недостатком электропогружных насосов является плохая работа с газом. Кроме того, существует опасность выхода из строя электрического двигателя вследствие наличия высокого напряжения и большого тока в масле, которое может содержать воду.

Решение проблемы низкого давления нагнетания и, как следствие, проблем большой длины и массы насоса, возможно, видится в использовании объемного роторного насоса, например одновинтового насоса, который хорошо справляется с высоковязкими жидкостями, в частности тяжелой нефтью. Однако известные объемные роторные насосы вследствие своих конструктивных параметров не пригодны для использования в нефтяных скважинах. Так поршневые роторные насосы имеют размеры, которые не позволяют их установку в скважине. Часть известных роторных насосов имеет канал всасывания и канал нагнетания, которые ориентированы поперек оси рабочего колеса. Поэтому в таких насосах возможно только боковое подсоединение трубы, в которую нагнетается перекачиваемая жидкость, что делает всю конструкцию слишком громоздкой для использования в скважине. Недостаток роторных насосов дополнительно видится в том, что они ограничены малыми подачами и не предназначены для работы с жидкостями с твердыми частицами. Следует отметить, что для ряда объемных роторных насосов, например лопастных насосов, проблемой является износ рабочих деталей насоса, находящихся в скользящем контакте друг с другом. Проблема износа ввиду скользящего контакта рабочих деталей и невозможности использования для перекачки содержащих абразивные частицы жидкостей также имеется и в роторных насосах с рабочими телами в виде деформируемых роликов. Подробный насос раскрыт, например, в US 3905726. Хотя изначально предполагается, что ввиду наличия роликов здесь имеет место только трение качения, но вследствие предварительного сжатия содержимого каждой задаваемой роликами полости указанное трение качения заменяется трением скольжения. Зажатые при этом между роликами (вследствие их деформируемости) и корпусом и соответственно валом, абразивные частицы приводят к существенному износу деталей насоса.

Исходя из вышесказанного задачей изобретения является разработка пригодного для эксплуатации в скважинах и способного перекачивать жидкости, в том числе с твердыми частицам, и газы насоса, который обеспечивает при малых габаритах большое давление нагнетания и является более долговечным, экономичным и простым в эксплуатации.

Поставленная задача решается роторным насосом, включающим в себя: полый корпус, содержащий боковую и торцевые стенки; вал, установленный в корпусе с возможностью вращения, причем расстояние между боковой стенкой корпуса и валом является переменным; деформируемые ролики, расположенные и перемещаемые при вращении вала между боковой стенкой корпуса и валом с максимальной деформацией в области минимального расстояния между боковой стенкой корпуса и валом; герметичные полости, каждая из которых образована двумя смежными первым и вторым роликами, боковой и торцевыми стенками корпуса и валом, причем герметичные полости выполнены с возможностью сообщения с отверстием всасывания при увеличении их объема и с возможностью сообщения с отверстием нагнетания при уменьшении их объема, при этом сообщение с отверстием нагнетания происходит при нахождении второго ролика в самой широкой области рабочего пространства, а такт нагнетания происходит до достижения первым роликом самого узкого места рабочего пространства.

Под термином "деформируемый" в данной заявке понимается свойство ролика упруго сжиматься под действием сжимающего усилия и снова восстанавливать свою форму при устранении этого усилия.

Под термином "герметичная полость" в данной заявке понимается полость, которая может сообщается по существу только с отверстием всасывания и отверстием нагнетания и по существу не может сообщаться с соседними полостями или окружающим насос пространством.

Соответствующий изобретению роторный насос обеспечивает большое давление нагнетания, вследствие чего не требуется большого количества ступеней для создания требуемой степени нагнетания. Поэтому данный насос по сравнению с известными насосами имеет меньшие габариты и массу и позволяет более легкое манипулирование насосом, в том числе легкий монтаж/демонтаж на буровой вышке.

Отсутствие зазоров между деформируемыми роликами и валом и соответственно боковой и торцевыми стенками позволяет избежать обратных потоков в насосе, что увеличивает его производительность. Кроме того, за счет отсутствия зазоров обеспечивается возможность перекачивания газовых смесей. Деформируемость (упругость) роликов позволяет избежать или по меньшей мере значительно снизить негативное воздействие на насос попавших в него твердых (абразивных) частиц, вследствие чего соответствующий изобретению насос может быть использован для перекачивания газовых и/или жидкостных смесей с большим содержанием твердых частиц.

Деформируемые ролики совершают движение качения относительно вала и боковой стенки корпуса, вследствие чего устраняется износ, вызванный трением (скольжением) между контактирующими поверхностями. Кроме того, ввиду перекачивания добываемой текучей среды отдельными объемами, а не сплошным потоком, не требуются большие скорости вращения, вследствие чего дополнительно уменьшается износ. В связи с этим соответствующий изобретению насос имеет большую долговечность.

Отсутствие высоких скоростей вращения и малая масса насоса приводят к уменьшению его инерционности, что также положительно сказывается на увеличении долговечности.

В заявленном насосе в зависимости от условий эксплуатации поперечное сечение корпуса может быть выполнено в виде эллипса, а вал может иметь круглое поперечное сечение, при этом геометрические продольные оси корпуса и вала совпадают. Возможно также выполнять вал с эллиптическим сечением, причем корпус в этом случае можно выполнить как с круговым, так и с эллиптическим сечением. Альтернативно корпус и вал могут иметь круглое поперечное сечение, причем вал установлен с эксцентриситетом относительно корпуса. Для специалиста очевидно, что для корпуса и вала могут быть выбраны и другие варианты поперечного сечения и/или расположения вала относительно корпуса, которые позволят обеспечить перемещение роликов с возможностью деформирования для всасывания и нагнетания жидкости или газа.

В заявленном насосе за один оборот роликов вокруг вала герметичные полости могут несколько раз претерпевать последовательное увеличение и уменьшение объема. Другими словами, может быть предусмотрено несколько областей всасывания и несколько областей нагнетания, что позволяет дополнительно увеличить производительность насоса.

Отверстие всасывания и/или отверстие нагнетания могут быть выполнены как в боковой стенке корпуса, так и в соответствующей торцевой стенке корпуса. Очевидно, что отверстие всасывания и отверстие нагнетания должны быть смещены друг относительно друга настолько, что они не могут одновременно находиться в пределах одной герметичной полости. Альтернативно отверстие всасывания и/или отверстие нагнетания могут быть выполнены в теле вращаемого вала. Таким образом, в одном варианте осуществления изобретения возможно выполнение вала по существу со сквозной полостью, которая разделена на отдельные изолированные друг от друга камеры. Каждая из камер соответственно образует отверстие всасывания и отверстие нагнетания. Также возможны различные комбинации описанных вариантов выполнения отверстия всасывания и отверстия нагнетания, в частности одно из указанных отверстий может быть выполнено в вале, а другое - в корпусе. Вариант выполнения указанных отверстий выбирается специалистом в зависимости от способа предполагаемой эксплуатации насоса для оптимизации его работы.

По меньшей мере одна торцевая стенка корпуса разъемно соединена с боковой стенкой корпуса. За счет этого обеспечивается возможность замены истершихся роликов. Предпочтительно обе торцевые стенки разъемно соединять с боковой стенкой, чтобы иметь возможность их замены вследствие износа, обусловленного скольжением торцов роликов по торцевым стенкам корпуса. Подобный вариант осуществления позволяет снизить расходы на обслуживание, поскольку износу подвергается такая дешевая и простая в изготовлении часть насоса, как торцевая стенка, которую можно весьма легко заменить. Альтернативно стенки могут быть выполнены за одно целое с боковой стенкой, а сама боковая стенка образована двумя разъемно соединенными частями. В таком случае упрощается изготовление и сборка насоса ввиду небольшого количества разъемных соединение (всего одно). Разъемное соединение может представлять собой резьбовое, зажимное, фрикционное или тому подобное соединение.

Привод вала насоса может быть осуществлен от электрического или гидравлического мотора. Применение гидравлического мотора является более предпочтительным в случае работ с жидкими средами, содержащими большое количество газа. Преимущество гидравлического мотора состоит в том, что он подает на вход заявленного роторного насоса порцию дегазированной нефти, масла или т.п. Подача этой порции в насос позволяет обеспечить его полное заполнение при работе, что исключает образование в нем пониженного давления и выделение вследствие этого пузырьков газа, которые образуют в насосе мертвые объемы и снижают производительность насоса.

Деформируемые ролики могут быть выполнены совершенно различными способами. Так ролики могут быть выполнены в виде прямых цилиндрических стрежней с постоянным диаметром, изготовленных из упругого материала. Стержни могут быть цельными или полыми, что позволяет экономить материал. Кроме того, в случае особо высоких нагрузок стержни могут выполняться из упругого материала, который армируется, например, стекловолокном, углеволокном, стальными нитями или т.п., или стержни могут представлять собой твердый стержень (например, из стали или т.п.), покрытый слоем упругого материала. Ролики не обязательно могут быть выполнены в виде цилиндрических стержней с постоянным диаметром. В некоторых случаях может быть предпочтительным выполнение вала и/или корпуса (боковой стенки и/или торцевых стенок) так, что поперечное сечение герметичных полостей уменьшается в их продольном направлении. При этом минимальное сечение герметичной полости может иметься как в области, расположенной со стороны отверстия нагнетания, так и в области, расположенной со стороны отверстия всасывания. Это может быть обеспечено за счет выполнения конических поверхностей на боковой и/или торцевых стенках корпуса и/или валу или тому подобными средствами, например, за счет ступенчатого изменения сечения вала и/или корпуса. В этом случае ролики могут быть выполнены с изменяющимся по длине поперечным сечением, например в виде усеченного конуса. В остальном ролики могут быть выполнены одним из описанных для прямого цилиндрического стержня способом.

Упругий материал, используемый для изготовления роликов, представляет собой любой натуральный или синтетический материал, который может выдерживать большое количество циклов упругой деформации (сжатие/растяжение) при сохранении своих свойств. В качестве такого материала могут быть рассмотрены различные типы резины или тому подобное.

Ролики не должны скользить по поверхности. В первую очередь это устраняет износ, обусловленный трением скольжения. Также ролик подвержен воздействию разницы давления за счет текучей среды в полости с каждой стороны ролика. Эта разница давления создает тангенциальное усилие, которое противоположно перемещению ролика. Для обеспечения надлежащего перемещения ролика критично то, что ролик имеет достаточное трение с валом и корпусом. Это трение предотвращает скапливание роликов в одном месте и должно обеспечиваться соответствующими средствами. Такие средства могут представлять собой выступы на валу, взаимодействующие с роликами при вращении вала, торцевые держатели роликов, зубчатое зацепление роликов с валом и корпусом или тому подобные средства или их комбинации.

Далее изобретение будет описано более подробно посредством представляющих примерные варианты осуществления чертежей, на которых:

Фиг.1 - поперечный разрез соответствующего изобретению роторного насоса, в котором продольные геометрические оси корпуса и вала совпадают;

Фиг.2 - поперечный разрез соответствующего изобретению роторного насоса с эксцентрично расположенным валом;

Фиг.3 - вектор скорости вала и роликов в данной позиции;

Фиг.4 - продольный разрез соответствующего изобретению роторного насоса с герметичной камерой с переменной по сечению формой;

Фиг.5 - конструкция насоса для обеспечения надлежащего качения без скольжения.

Соответствующий изобретению роторный насос имеет трубчатый корпус 1, образованный боковой стенкой 2, которая в данном варианте осуществления выполнена с эллиптическим поперечным сечением, и торцевыми стенками (не показаны). В корпусе 1 установлен с возможностью вращения вал 3, который приводится от гидравлического мотора (не показан). Геометрическая продольная ось корпуса 1 и вала 3 совпадают. Между боковой стенкой 2 корпуса 1 и валом 3 предусмотрено рабочее пространство. Рабочее пространство образовано чередующимися участками изменения ширины от минимальной величины до максимальной и наоборот, причем в показанном варианте осуществления предусмотрено по два таких участка. Участок А рабочего пространства, на котором происходит изменение ширины от минимальной величины до максимальной, включает в себя область всасывания и сопряжен с отверстием всасывания, выполненным в торцевой стенке корпуса 1. Участок В рабочего пространства, на котором происходит изменение ширины с максимальной величины до минимальной, включает в себя область нагнетания и сопряжен с отверстием нагнетания, выполненным в другой торцевой стенке корпуса 1. В рабочем пространстве расположены деформируемые ролики 4, которые контактируют с боковой стенкой 2 корпусом 1 и валом 3, которым они приводятся во вращение. В этом варианте осуществления ролики 4 выполнены в виде цельных цилиндрических стержней, которые проходят вдоль корпуса 1 и вала 3 и своими торцами находятся в скользящем контакте с торцевыми стенками корпуса 1. Таким образом, ролики 4 разделяют рабочее пространство на отдельные продольные герметичные полости 5. Степень деформации роликов 4 определяется шириной рабочего пространства в месте их нахождения. Так, при минимальной ширине рабочего пространства ролик 4 имеет максимальную степень деформации, а при максимальной ширине рабочего пространства - минимальную степень деформации. Вследствие изменяющейся степени деформации роликов 4 ограниченные ими герметичные полости 5 соответственно имеют изменяющийся объем. Как видно на Фиг.1, объем герметичных полостей 5 на участке А увеличивается по мере приближения к месту минимальной деформации ролика 4, а объем герметичных полостей 5 на участке В уменьшается по мере приближения герметичных полостей к месту максимальной деформации ролика 4.

В насосе могут быть предусмотрены средства удержания роликов, которые позволяют обкатывание роликов по валу 3 и боковой стенке 2 корпуса 1 и при этом устраняют возможность собирания (скопления) роликов в какой-то одной области рабочего пространства. Например, такие средства могут представлять собой выступы на валу 3, которые взаимодействуют с роликами 4. Также эти средства могут представлять собой резьбу, выполненную на роликах, которая входит с зацепление с резьбой на боковой стенке 2 корпуса 1 и/или валу 3. Очевидно, что специалист может предложить другие многочисленные варианты выполнения подобных средств, которые не являются предметом настоящего изобретения и поэтому более подробно здесь не описаны и не показаны.

На Фиг.2 представлен вариант осуществления роторного насоса, который по существу одинаков с вариантом осуществления по Фиг.1. Отличие состоит в том, что корпус 1 и вал 3 имеют круглое поперечное сечение. При этом вал 3 расположен в корпусе 1 с эксцентриситетом.

Фиг.3 показывает различные скорости различных компонентов насоса. Центр ролика описывает орбиту с переменным радиусом:

R_орб( ) - радиус орбиты при угле

R_орб( )=(Rw( )-Rs)/2,

где Rw( ) - радиус боковой стенки 2 при угле

Rs - радиус вала 3.

Должно быть понятно, что тангенциальная скорость ролика равна тангенциальной скорости вала, поскольку в точке контакта между валом и роликом отсутствует скольжение. В точке контакта с боковой стенкой, тангенциальная скорость равно нулю. Это означает, что линейная орбитальная скорость ролика:

V_орб = V_t /2,

где V_t - тангенциальная скорость на поверхности вала.

,

где _s - скорость вращения вала (рад/сек)

_орб - угловая орбитальная скорость (рад/сек).

Следует также отметить, что сама по себе угловая скорость вращения для роликов цилиндрической формы:

.

Эта формула показывает, что угловая орбитальная скорость ролика увеличивается в области, в которой боковая полость мала. Это означает, что расстояние между двумя соседними роликами должно слегка увеличиваться в сходящейся области (нагнетание), в то время как расстояние между роликами будет наименьшим в расходящейся области (область всасывания). Этот эффект должен быть должным образом учтен при установке ролика в насос.

На Фиг.4 представлен вариант осуществления роторного насоса, в котором рабочее пространство между боковой стенкой 2 корпуса 1 и вала 3 наряду с переменным поперечным сечением имеет переменное продольное сечение. Ролики 4 в данном варианте осуществления имеют форму усеченного конуса. Геометрическая ось корпуса 1 здесь совпадет с геометрической осью вала 3. Вершина конусов должна совпадать. Может быть видно, что этот геометрический критерий достаточен для обеспечения того, что одновременно отношение А и В выверяется по длине жесткого конического ролика. Сжимаемые ролики также являются усеченными конусами: когда они находятся в недеформированном состоянии, то вершина конуса сходится с двумя другими конусами в точке С. Должно быть понятно, что внешний корпус имеет эллиптическую форму в плоскости перпендикулярной оси.

Роторный насос, представленный на Фиг.1, работает следующим образом. Вал 3 приводится во вращение от гидравлического мотора. Вращение вала 3 приводит во вращение ролики 4 вокруг собственной оси и вокруг вала 3. Ролик 4 (самый верхний ролик на Фиг.1), имеющий максимальную степень деформации, начинает перемещаться в расширяющемся участке А рабочего пространства. В ходе этого перемещения степень деформации этого ролика уменьшается. В то же самое время следующий за ним (второй) ролик перемещается в сужающемся участке В рабочего пространства и степень его деформации соответственно увеличивается. За счет этого одновременного уменьшения деформации первого ролика и увеличения деформации второго ролика объем герметичной камеры, которую ограничивают указанные ролики, не меняется. Подобное постоянство объема герметичной камеры сохраняется до тех пор, пока второй ролик не достигнет самой узкой области рабочего пространства и соответственно не приобретет максимальную степень деформации. В этот момент происходит соединение герметичной камеры с отверстием всасывания и дальнейшее перемещение первого и второго роликов происходит с уменьшением степени их деформации и увеличением объема герметичной камеры. Происходит такт всасывания нефти, который продолжается до тех пор, пока первый ролик не достигнет самой широкой области рабочего пространства (минимальная степень деформации ролика). Ролики не могут скользить в контакте с валом и эксцентричным корпусом. Это условие существенно для ограничения эрозии на контактной поверхности. Тангенциальное усилие в линии контакта между роликами и другой поверхностью может отчетливо увеличивать разницу давления между двумя сторонами ролика: давление в последующей герметичной камере В больше, чем давление в герметичной камере А. Давление, умноженное на площадь поверхности ролика, представляет собой тангенциальную силу F1, которая должна поддерживаться в двух линиях контактов (с валом и с внешним корпусом): они представляют собой силы F2 и F3. Эти силы направлены в противоположном направлении в зону нагнетания насоса. Один путь обеспечения этого действия состоит в использовании поверхности с высоким трением. Внешняя поверхность ролика может быть выполнена из резины. Фиг.5 показывает другой путь для поддержания действия тангенциального давления. В этом выполнении тело ролика и две другие поверхности снабжены аксиальными пазами (взаимодействие аналогичное взаимодействию зубьев зубчатой передачи).

Далее происходит процесс перемещения поступившей в эту камеру нефти без изменения объема герметичной камеры, который продолжается до достижения самой широкой области рабочего пространства вторым роликом. В этот момент первый ролик занимает положение, в котором герметичная камера сообщается с отверстием нагнетания. После этого перемещение роликов происходит с увеличением степени их деформации и соответственно с уменьшением объема герметичной камеры, вследствие чего добытая ранее нефть нагнетается в отверстие нагнетания. Происходит акт нагнетания, который продолжается до достижения первым роликом самого узкого места рабочего пространства. Затем происходит перемещение роликов с уменьшением деформации первого ролика и увеличением деформации второго ролика при сохранении неизменным объема герметичной камеры. Далее начинается процесс всасывания и все повторяется.

В соответствующем изобретению роторном насосе может быть предусмотрено другое количество участков, включающих в себя области всасывания и нагнетания. При этом очевидно, что каждый участок, включающий в себя область всасывания, снабжен своим отверстием всасывания, а каждый участок, включающий в себя область нагнетания, - отверстием нагнетания. В одном выполнении отверстие всасывания может быть в одной концевой поверхности насоса, в то время как отверстие нагнетания должно быть выполнено в другой концевой поверхности насоса. В другом случае оба типа отверстий могут быть расположены в одной и той же концевой поверхности. Кроме того, вместо гидравлического привода (мотора) может использоваться электрический привод (мотор).

Описанный выше вариант осуществления соответствующего изобретению насоса может использоваться не только для перекачки нефти, но и для перекачивания других жидкостей, газов или их смесей.

Очевидно, что описанные выше варианты осуществления не должны рассматриваться в качестве ограничения объема патентных притязаний изобретения. Для любого специалиста в данной области техники понятно, что есть возможность внести множество изменений в описанный выше роторный насос без отхода от принципов изобретения, заявленного в формуле изобретения.