МНОГОФАЗНЫЙ ВИНТОВОЙ НАСОС Российский патент 2001 года по МПК F04C2/16 

Изобретение относится к насосостроению, а именно к винтовым насосам для перекачки газожидкостных сред, например сырой нефти и природного газа, в условиях, когда доля каждой фракции меняется от нуля до 100%.

Известен многофазный винтовой насос, содержащий два винта с встречной нарезкой, находящихся в зацеплении. Винты установлены в цилиндрической втулке, имеющей в средней части выходное отверстие. Втулка расположена в цилиндрическом корпусе, имеющем входные и выходные патрубки. Валы винтов снабжены уплотнениями и зубчатой передачей.

В проточной части корпуса и на корпусе цилиндрической втулки выполнены литые направляющие лопатки, которые обеспечивают конденсацию нефтяных паров, способствующих герметизации рабочей камеры и препятствующих образованию газовых пробок (см. патент Великобритании 2227057, МКИ⁵ F 04 C 2/16, 1990).

Недостатком известного технического решения является нестабильность работы насоса при значительном изменении соотношения перекачиваемых жидких и газовых фаз. При малом содержании жидкости увеличиваются перетечки газовой фазы со стороны нагнетания на всасывание. Конденсат не пригоден для уплотнения зазоров и отвода тепла, поскольку уже перед входом во впускную камеру конденсат вновь превращается в газовую фазу вследствие падения давления. Винты вращаются без жидкости, насос не обеспечивает полного давления, что ведет к прекращению подачи. Тепло, образующееся в результате сжатия газовой фазы, отводится недостаточно. Это приводит к перегреву и чрезмерному тепловому расширению винтов, что может повлечь за собой поломку насоса.

Указанный недостаток устранен в известном многофазном насосе, защищенном патентом РФ N 2101571, МПК 6 F 04 C 2/16, опубл. 10.01.98 г.

Насос имеет по меньшей мере один подающий винт, заключенный в корпус, имеющий по меньшей мере один всасывающий и по меньшей мере один напорный патрубок, причем всасывающий патрубок сообщен с полостью всасывания, расположенной перед подающим винтом, а напорный патрубок - с полостью нагнетания, расположенной за подающим винтом, при этом полость нагнетания снабжена устройством для отделения соответствующей жидкой фазы от газовой фазы потока среды, выходящего из подающего винта, а также нижним участком для приема по меньшей мере одной дозы отделенной жидкой фазы. К нижнему участку полости нагнетания, в котором скорость потока приближается к нулю, присоединена перепускная линия для жидкости, сообщенная с полостью всасывания и вместе с подающими органами создающая замкнутую циркуляцию для количества жидкости, необходимого для обеспечения уплотнения.

Данное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому по совокупности признаков и принято за прототип.

Однако перепуск жидкости высокого давления из напорной магистрали в зону всасывания с низким давлением среды снижает экономичность работы насоса, т. к. ведет к дополнительной затрате энергии при стравливании давления перепускаемой жидкости и повторном его повышении до давления нагнетания. При этом подача дополнительного количества жидкости на вход насоса уменьшает общий расход перекачиваемой среды, т.е. ведет к падению производительности насоса на величину, равную количеству дополнительно поданной жидкости. Кроме того, для дозирования циркулирующей жидкости возникает необходимость включения в перепускную линию дозировочного насоса или термоуправляемого клапана. Предпочтительно, чтобы в состоянии циркуляции поддерживалось примерно 3% нормально подаваемого потока. Это усложняет конструкцию.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение экономичности работы насоса путем снижения затрат энергии при повторном повышении давления циркулирующей жидкости, исключения влияния объема дополнительной жидкости на производительность насоса и упрощение конструкции за счет саморегулирования количества подаваемой жидкости.

Для достижения этого технического результата в многофазном винтовом насосе, содержащем корпус, внутри которого размещен по меньшей мере один подающий винт, заключенный в цилиндрическую втулку, по меньшей мере один всасывающий патрубок и по меньшей мере один напорный патрубок, причем всасывающий патрубок сообщен с полостью всасывания, размещенной перед подающим винтом, а напорный патрубок сообщен с полостью нагнетания, расположенной за подающим винтом, при этом полость нагнетания имеет устройство для отделения соответствующей жидкой фазы от газовой фазы выходящего из подающего винта потока среды, а также нижний участок для приема по меньшей мере одной дозы отделенной жидкой фазы, к которому присоединена перепускная линия для жидкости, образующая вместе с подающими органами замкнутую циркуляцию для количества жидкости, необходимого для обеспечения постоянного уплотнения, согласно изобретению между корпусом и цилиндрической втулкой установлена кольцевая перегородка с образованием вокруг подающего винта кольцевой полости, при этом в цилиндрической втулке выполнены сквозные радиальные отверстия, а перепускная линия сообщена с кольцевой полостью.

Новым является также то, что радиальные отверстия расположены на участке цилиндрической втулки, отстоящем от ее торцев на величину, превышающую ширину шага подающего винта.

Кроме того, расстояние между соседними радиальными отверстиями в осевом направлении превышает величину половины шага подающего винта. Новым является также то, что диаметр радиальных отверстий меньше ширины выступа подающего винта.

Благодаря введению новых признаков перепуск жидкости осуществляется в зону переноса газообразной фазы в момент, когда нагнетательные камеры, образованные между подающими винтами и цилиндрической втулкой, уже отсечены от полости всасывания благодаря контакту вершин выступов винта и цилиндрической втулки, и давление среды в камерах выше давления в полости всасывания. Это обеспечивает меньший перепад давления между давлением подаваемой жидкости и давлением сжимаемой среды в нагнетательных камерах, что снижает затраты энергии на дополнительное дожатие.

Жидкость, поступающая через отверстия в нагнетательную камеру, заполненную газом, повышает давление газа. По мере движения нагнетательной камеры к полости нагнетания и заполнения ее жидкостью из каждого последующего отверстия давление газа в полости приближается к давлению на торце нагнетания винтов. Таким образом, жидкость, поступающая в отсеченную полость, заполненную газом, выполняет функцию жидкостного поршня, приближая термодинамический процесс сжатия газа к более экономичному изотермическому сжатию.

Подача жидкости в нагнетательные камеры обеспечивает саморегулирование количества подаваемой жидкости и зависит от соотношения жидкой и газовой фаз на всасывании насоса, делая ее оптимальной при любых режимах работы насоса, что снижает затраты энергии на циркуляцию жидкой фазы. Кроме того, обеспечивается лучшее уплотнение зазоров благодаря подаче жидкости непосредственно в зону контакта винтов, уменьшаются утечки среды со стороны нагнетания на всасывание благодаря более равномерному распределению перепада давления между соседними нагнетательными камерами винтов.

Подача жидкости в отсеченную от полости всасывания нагнетательную камеру не сказывается на общем расходе, производительность насоса не уменьшается, насос работает на расчетном режиме.

Предлагаемый многофазный винтовой насос иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2, 3:
на фиг. 1 показан вертикальный разрез насоса по одному из винтов;
на фиг. 2 - горизонтальный разрез по А-А (фиг. 1);
на фиг. 3 - поперечный разрез по Б-Б (фиг. 1).

Винтовой насос (фиг. 1) содержит корпус 1, внутри которого в качестве подающих органов размещены две находящиеся в бесконтактном зацеплении друг с другом и вращающиеся в противоположных направлениях пары подающих винтов, из которых каждая пара включает один правозаходный подающий винт 2 и один левозаходный подающий винт 3. Зацепляющиеся друг с другом подающие винты заключены в цилиндрическую втулку 4, выполненную в данном случае заодно с корпусом. Винты с охватывающей их втулкой образуют замкнутые нагнетательные камеры 5.

Корпус 1 насоса снабжен двумя боковыми всасывающими патрубками 6 и одним центральным напорным патрубком 7, причем всасывающие патрубки сообщены с полостями всасывания 8, а напорный - с полостью нагнетания 9. Полость нагнетания имеет нижний участок 10 для сбора отделенной жидкой фазы. Для облегчения отделения жидкой фазы от газовой целесообразно снижать скорость выходящего потока среды. С точки зрения конструкции это достигается выполнением полости нагнетания с поперечным сечением, увеличивающимся в направлении протекания среды.

Между корпусом 1 и цилиндрической втулкой 4 выполнена кольцевая перегородка 11, образующая вокруг каждого подающего винта кольцевые полости 12, а в цилиндрической втулке выполнены сквозные радиальные отверстия 13.

К нижнему участку 10 присоединена перепускная линия 14, которая сообщена с кольцевыми полостями каналами 15.

Валы винтов 2, 3 (фиг. 2) опираются на подшипниковые опоры 16 и связаны между собой зубчатой передачей 17, передающей вращение от приводного вала 18 к ведомому валу и обеспечивающей бесконтактное вращение подающих винтов. Подшипниковые опоры изолированы от рабочих полостей уплотнениями 19, установленными на валах роторов.

Отверстия 13 (фиг. 3) расположены как вдоль винтов, так и вокруг них по окружности. Они отстоят от торцев винтов на расстоянии "a" (фиг. 1), которое превышает ширину шага "t" подающего винта. Расстояние между соседними радиальными отверстиями в осевом направлении превышает величину половины шага подающего винта, при этом их диаметр меньше ширины выступа "δ" подающего винта.

Работает винтовой насос следующим образом.

При вращении подающих винтов 2 и 3 поток жидкости и газа через боковые всасывающие патрубки 6 поступает в полости всасывания 8, захватывается вращающимися винтами, отсекается от полости всасывания и перемещается в нагнетательных камерах 5 к центральной полости нагнетания 9, а затем через патрубок нагнетания 7 поступает потребителю. Часть объемного расхода жидкости отделяется с напорной стороны из перекачиваемой газожидкостной смеси и скапливается в нижнем участке 10 полости нагнетания. Отделение жидкости происходит за счет уменьшения скорости выходящего из винтов потока среды и изменения его направления. Через перепускную линию 14 жидкость под давлением среды подается в кольцевые полости 12 и через отверстия 13 поступает в замкнутые нагнетательные камеры 5 винтов, перемещающиеся в сторону нагнетания.

Расположение радиальных отверстий впрыска жидкости вдоль винтов и вокруг них по окружности позволяет подавать жидкость равномерно во все межвинтовые впадины. Для того, чтобы исключить перепуск жидкости обратно через эти отверстия из одной впадины в другую, расстояние между ними должно быть больше или по крайней мере равно половине шага винта "t". По этой же причине диаметр отверстий не должен быть больше размера выступа винта. А для того, чтобы жидкость поступала непосредственно в нагнетательные камеры в процессе сжатия, когда они уже отсечены от полости всасывания и еще не открылись в полости нагнетания, расстояние "a" крайних отверстий от торцев всасывания и нагнетания должно быть больше шага винтов "t".

Таким образом, подача жидкости непосредственно на подающие винты позволяет уменьшить утечки среды и снизить затраты мощности на циркуляцию жидкой фазы по сравнению с подачей жидкости в полость всасывания, как это происходит в известном насосе, описанном в прототипе. Благодаря повышению давления газа при подаче жидкости в нагнетательную камеру процесс сжатия газа приближается к более экономичному изотермическому сжатию. При сравнительном анализе известного многофазного насоса и предлагаемого экономия энергии может составить 5-10% от общей затраты мощности на сжатие. Кроме того, подача жидкости в отсеченную полость, в которой уже закончился процесс всасывания, не уменьшает производительность насоса, а отказ от дозировочного насоса или термоуправляемого клапана благодаря саморегулированию подачи жидкости отдельно в каждую нагнетательную камеру упрощает конструкцию насоса и повышает надежность его работы.

Многофазный винтовой насос может быть использован для перекачки газожидкостных сред, например, состоящих из сырой нефти и природного газа. В корпусе с всасывающими и напорным патрубками размещен по меньшей мере один подающий винт, заключенный в цилиндрическую втулку. Между корпусом и цилиндрической втулкой размещена кольцевая перегородка, образующая вокруг подающего винта кольцевую полость. В цилиндрической втулке выполнены сквозные радиальные отверстия. Нижний участок полости нагнетания в корпусе сообщен с кольцевой полостью с помощью перепускной линии. Повышается экономичность работы насоса путем снижения затрат энергии при повторном повышении давления циркулирующей жидкости, исключается влияние объема дополнительной жидкости на производительность насоса, упрощается конструкция за счет саморегулирования количества подаваемой жидкости. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многофазный винтовой насос, содержащий корпус, внутри которого размещен, по меньшей мере, один подающий винт, заключенный в цилиндрическую втулку, по меньшей мере, один всасывающий патрубок и, по меньшей мере, один напорный патрубок, причем всасывающий патрубок сообщен с полостью всасывания, размещенной перед подающим винтом, а напорный патрубок сообщен с полостью нагнетания, расположенной за подающим винтом, при этом полость нагнетания имеет устройства для отделения соответствующей жидкой фазы от газовой фазы выходящего из подающего винта потока среды, а также нижний участок для приема, по меньшей мере, одной дозы отделенной жидкой фазы, к которому присоединена перепускная линия для жидкости, вместе с подающими органами образующая замкнутую циркуляцию для количества жидкости, необходимого для обеспечения постоянного уплотнения, отличающийся тем, что между корпусом и цилиндрической втулкой установлена кольцевая перегородка с образованием вокруг подающего винта кольцевой полости, при этом в цилиндрической втулке выполнены сквозные отверстия, а перепускная линия сообщена с кольцевой полостью. 2. Многофазный винтовой насос по п.1, отличающийся тем, что радиальные отверстия расположены на участке цилиндрической втулки, отстоящем от ее торцов на величину, превышающую ширину шага подающего винта. 3. Многофазный винтовой насос по пп.1 и 2, отличающийся тем, что расстояние между соседними радиальными отверстиями в осевом направлении превышает величину половины шага подающего винта. 4. Многофазный винтовой насос по пп.1 - 3, отличающийся тем, что диаметр радиальных отверстий меньше ширины выступа подающего винта.