ГЛУБИННЫЙ НАСОС Российский патент 2000 года по МПК F04B47/00 

Изобретение относится к области гидромашиностроения, в частности к глубинным насосным установкам для добычи нефти, и может быть использовано при откачке других пластовых жидкостей.

Известен глубинный насос, включающий цилиндр с всасывающим клапаном в его нижней части и размещенный в цилиндре полый плунжер с нагнетательным клапаном и фонарем в верхней части, уплотненный относительно цилиндра с помощью манжет, выполненных из кожи или из пропитанных специальным составом текстильных материалов и размещенных в кольцевых профильных канавках, выполненных на наружной поверхности плунжера [1].

Недостаток такого насоса - малые межремонтные сроки, т. к. уплотнительные манжеты из кожи или текстильных материалов при работе в условиях среды с большим содержанием механических примесей, каковой является продукция нефтяных скважин, быстро изнашиваются и насос выходит из строя.

Для устранения этого недостатка известно применение для уплотнения зазора между плунжером и цилиндром глубинного насоса разрезных упругих металлических колец, устанавливаемых на плунжере в выполненных на нем кольцевых канавках [2].

Однако, вследствие того, что силой упругости эти кольца постоянно поджимаются к стенке цилиндра (и при ходе плунжера вверх, и при ходе плунжера вниз), глубинный насос с таким уплотнением тоже недостаточно долговечен.

Известно решение, направленное на повышение долговечности глубинного насоса, состоящее в том, что в глубинном насосе, содержащем цилиндр со всасывающим клапаном в нижней части и размещенный в цилиндре полый плунжер с несущим штоком и нагнетательным клапаном, плунжер выполнен в виде размещенной вокруг несущего штока винтовой пружины сжатия соединенным со штоком нижним концом и свободным верхним концом, образующей со штоком и стенкой цилиндра винтовой канал для прохода откачиваемой жидкости, а нагнетательный клапан выполнен в виде круглой пластины со смещенным относительно выходного отверстия плунжера проходным окном, установленной на несущем штоке с возможностью ограниченного осевого перемещения и взаимодействия с верхним торцом пружины [3].

Такая конструкция позволяет обеспечить контактирование плунжера с цилиндром только при рабочем ходе штока, что способствует снижению износа трущихся поверхностей. Однако в этом устройстве верхний конец пружины свободен, что не позволяет самостоятельно обеспечить прижимное усилие рабочей поверхности пружины на зеркало цилиндра и при работе насоса возможны варианты или неполного прилегания витков пружины к цилиндру при ее сжатии, или воздействие чрезмерного усилия пружины на цилиндр и ее заклинивание.

При прохождении перекачиваемой жидкости по рабочему винтовому каналу между витками пружины происходят дополнительные потери на трение, а также снижение производительности при рабочем ходе плунжера за счет зазора между плунжером и цилиндром, что в конечном итоге ведет к снижению коэффициента наполнения цилиндра. Кроме этого, при длительной работе насоса износы рабочих поверхностей плунжера и цилиндра вызывают нарушение контакта этих поверхностей при ходе плунжера сверху вниз.

Технической задачей изобретения является повышение надежности и долговечности работы глубинного насоса.

Сформулированная техническая задача решается следующим образом: в глубинном насосе, содержащем цилиндр со всасывающим клапаном в его нижней части и размещенный в цилиндре полый плунжер с несущим штоком и нагнетательным клапаном, выполненный в виде размещенной вокруг несущего штока винтовой пружины сжатия, винтовая пружина сжатия в целом установлена на штоке с возможностью ограниченного осевого перемещения, при этом концы пружины зафиксированы от возможного поворота вокруг штока и перемещения в радиальном направлении, витки пружины сжатия в поперечном сечении имеют форму равнобокого треугольника, основание которого контактирует с цилиндром, а боковые стороны наклонены к основанию под углом α = 40 - 45^o, а нагнетательный клапан выполнен тарельчатым, при этом его седло прикреплено к нижнему торцу пружины, а тарелка - к нижнему концу штока.

Кроме того, насос снабжен устройством наладочного регулирования натяжения винтовой пружины сжатия, выполненным в виде двух подвижно установленных на штоке и расположенных одна на другой круглых пластин с окнами для прохода откачиваемой жидкости, верхняя из которых зафиксирована от поворота вокруг штока, и нижняя может быть повернута вокруг него, при этом к поворотной пластине жестко прикреплен верхний конец винтовой пружины сжатия.

Винтовая пружина сжатия установлена на несущем штоке с зазором, образующим осевой канал.

Как показали испытания, указанная форма сечения витков пружины и фиксирование ее концов от взаимного поворота и перемещения в радиальном направлении обеспечивают повышение долговечности работы глубинного насоса, т.к. при этом обеспечивается уплотнение плунжера в цилиндре с учетом износа его рабочей поверхности (основания треугольника). При износе рабочей поверхности плунжера за счет наклонной боковой поверхности его витки имеют возможность при рабочем ходе сжаться на большую величину, чем у нового плунжера, и тем самым, увеличиваясь в диаметре, компенсировать износ. Величина угла наклона боковой поверхности к большему основанию треугольника выбирается исходя из условия обеспечения полного прилегания витков плунжера к цилиндру при их износе. Использование в сечении витков плунжера равнобокого треугольника дополнительно позволяет удалять абразивные частицы, находящиеся в перекачиваемой жидкости, из зоны контакта основания треугольника с зеркалом цилиндра в рабочую полость насоса при рабочем ходе плунжера, т.е. самоочищаться плунжеру. Фиксирование концов пружины в радиальном положении обеспечивает при рабочем ходе плунжера сжатие витков, увеличение диаметра пружины и надежное уплотнение в цилиндре. Установка пружины на штоке с зазором, образующим осевой канал, позволяет снизить гидравлическое сопротивление и увеличить производительность насоса. Обеспечение принудительного механического открывания и закрывания нагнетательного клапана несущим штоком, на котором смонтирована его тарелка, повышает надежность его работы.

Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 изображен описываемый глубинный насос в поперечном разрезе, на фиг. 2 - сечение А-А, на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 4 - сечение В-В на фиг.1, на фиг. 5 - положение витков пружины сжатия в большем масштабе при износе рабочей поверхности плунжера.

В цилиндре 1 глубинного насоса размещен полый плунжер 2 в виде винтовой пружины сжатия, который собран на несущем штоке 3, имеющим квадратное сечение, а нижняя его часть оканчивается нагнетательным клапаном 4, выполненным в виде тарелки. Нижняя опора 5 жестко закреплена с нижней частью плунжера 2 и является корпусом нагнетательного клапана 4, в котором выполнено его седло. В нижней части цилиндра 1 размещен всасывающий клапан 6. Верхняя опора - круглая пластина 7 жестко крепится с верхней частью плунжера 2 через круглую регулировочную пластину 8, с которой жестко соединен верхний конец пружины. Верхняя часть штока 3 имеет ограничитель 9. Квадратная форма центральных посадочных отверстий верхней 7 и нижней 5 опор плунжера (фиг. 2 и фиг. 4) обеспечивает свободу ограниченного осевого перемещения пружины сжатия 2 между ограничителем 9 и тарелкой 4 нагнетательного клапана и фиксацию концов пружины от поворота вокруг штока 3. Пружина сжатия установлена на штоке 3 с зазором. Свободное пространство между витками плунжера 2 составляет рабочую полость 10 плунжера и служит также каналом прохода жидкости. Верхняя опора 7, регулировочная пластина 8 и нижняя опора 5 имеет проходные окна 11, а регулировочная пластина 8 - пазы 12, с помощью которых болтами 13 и гайками 14 ее совместно фиксируют с верхней опорой 7. Опора 7 и регулировочная пластина 8 образуют устройство наладочного регулирования винтовой пружины. Витки пружины в поперечном сечении имеют форму равнобокого треугольника, основание которого контактирует с цилиндром 1, а боковые стороны наклонены к основанию под углом α = 40 - 45^o (фиг. 5 ).

Перед работой глубинного насоса его собирают так, чтобы при сжатии пружины плунжера 2 обеспечивался надежный контакт его рабочей поверхности с поверхностью цилиндра. Это обеспечивается путем поворачивания регулировочной пластины 8 относительно верхней опоры 7 за счет пазов 12 и при достижении нужного положения совместной фиксацией этих деталей болтами 13 и пиками 14.

При ходе штока 3 вниз плунжер 2 через ограничитель 9, верхнюю опору 7 и регулировочную пластину 8 перемещается тоже вниз. Плунжер находится в полусжатом состоянии и не контактирует с цилиндром, т.е. не изнашивается. Открывается нагнетательный клапан 4 и через него и проходные окна 11 откачиваемая жидкость поступает в рабочую полость 10 плунжера 2 и далее в насосно-компрессорные трубы (не показаны).

При ходе штока 3 вверх на нижнюю опору 5 действует вес столба жидкости в подъемных трубах, нагнетательный клапан 4 закрывается и сжимается плунжер 2, что увеличивает его наружный диаметр, и осуществляется уплотнение плунжера в цилиндре 1. Создается разрежение над всасывающим клапаном 6, что заставляет его открыться, и поступающая жидкость заполняет пространство между всасывающим 6 и нагнетательным 4 клапанами.

При длительной работе глубинного насоса рабочие поверхности плунжера и цилиндра изнашиваются, причем, как показала практика, в большей степени изнашивается рабочая поверхность плунжера. Предположим, что для глубинного насоса, имеющего диаметр цилиндра 44 мм, плунжер с формой сечения витков в виде равнобокого треугольника износился по основанию на величину Δ (фиг. 5). Тогда для компенсации износа плунжер необходимо сжать на дополнительную величину h, позволяющую обеспечить необходимое уплотнение плунжера в цилиндре за счет дополнительного увеличения диаметра плунжера. Необходимый угол между боковой поверхностью и поверхностью основания равнобокого треугольника, обеспечивающий уплотнение при сжатом плунжере на продолжительное время работы глубинного насоса, составляет 40^o, а с учетом износа гильзы - 45^o.

Такие угла наклона между боковой поверхностью и поверхностью основания треугольника позволяют удалять из зоны контакта плунжера с цилиндром продукты износа и абразивные частицы, находящиеся в перекачиваемой жидкости.

Благодаря указанной форме сечении витков пружины и фиксирования ее концов от взаимного поворота и перемещения в радиальном направлении достигается уплотнение плунжера в цилиндре с учетом износа его рабочей поверхности и удаляются абразивные частицы, находящиеся в перекачиваемой жидкости, из зоны контакта основания треугольника с зеркалом цилиндра в рабочую полость насоса при рабочем ходе плунжера. Установка пружины на штоке с зазором позволяет образовать осевой канал между несущим штоком и плунжером насоса. Применение тарельчатого нагнетательного клапана, у которого седло прикреплено к нижнему концу пружины, а тарелка - к нижнему концу штока, обеспечивает принудительное механическое открывание и закрывание этого клапана. Все это увеличивает надежность и долговечность работы, снижает гидравлическое сопротивление насоса.

Источники информации
1. Дрэготеску Н.Д. Глубиннонасосная добыча нефти. - М.: Недра, 1966, с. 241-242, рис.159.

2. То же. стр. 242.

3. Авторское свидетельство СССР N 628 338, кл. F 04 B 47/00, 1978 (прототип).

Изобретение предназначено для использования в области гидромашиностроения, в частности в глубинно-насосных установках для добычи нефти и откачки других пластовых жидкостей. Насос содержит цилиндр с всасывающим клапаном в его нижней части и размещенный в цилиндре полый плунжер с несущим штоком и нагнетательным клапаном; плунжер выполнен в виде размещенной вокруг несущего штока винтовой пружины сжатия. Винтовая пружина сжатия установлена на штоке с возможностью ограниченного осевого перемещения. Концы пружины зафиксированы от взаимного поворота вокруг штока и перемещения в радиальном направлении. Витки пружины сжатия в поперечном сечении имеют форму равнобокого треугольника, основание которого контактирует с цилиндром, а боковые стороны образуют с основанием угол α=40-45°. Нагнетательный клапан выполнен тарельчатым, при этом его седло прикреплено к нижнему торцу пружины, а тарелка - к нижнему концу штока. Глубинный насос снабжен устройством наладочного регулирования натяжения винтовой пружины сжатия, выполненным в виде двух подвижно установленных на штоке и расположенных одна на другой круглых пластин с окнами для прохода откачиваемой жидкости, верхняя из которых зафиксирована от поворота вокруг штока, а нижняя может быть повернута вокруг него, при этом к поворотной пластине жестко прикреплен верхний конец винтовой пружины сжатия. Винтовая пружина сжатия установлена на несущем штоке с зазором, образующим осевой канал. Повышается надежность и долговечность работы глубинного насоса. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Глубинный насос, содержащий цилиндр с всасывающим клапаном в его нижней части и размещенный в цилиндре полый плунжер с несущим штоком и нагнетательным клапаном, выполненный в виде размещенной вокруг несущего штока винтовой пружины сжатия, отличающийся тем, что винтовая пружина сжатия в целом установлена на штоке с возможностью ограниченного осевого перемещения, при этом концы пружины зафиксированы от взаимного поворота вокруг штока и перемещения в радиальном направлении, витки пружины сжатия в поперечном сечении имеют форму равнобокого треугольника, основание которого может контактировать с цилиндром, а боковые стороны образуют с основанием угол α = 40 - 45^o, нагнетательный клапан выполнен тарельчатым, при этом его седло прикреплено к нижнему торцу пружины, а тарелка - к нижнему концу штока. 2. Глубинный насос по п.1, отличающийся тем, что он снабжен устройством наладочного регулирования натяжения винтовой пружины сжатия, выполненным в виде двух подвижно установленных на штоке и расположенных одна на другой круглых пластин с окнами для прохода откачиваемой жидкости, верхняя из которых зафиксирована от поворота вокруг штока, а нижняя может быть повернута вокруг него, при этом к поворотной пластине жестко прикреплен верхний конец винтовой пружины сжатия. 3. Глубинный насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что винтовая пружина сжатия установлена на несущем штоке с зазором, образующим осевой канал.