МНОГОФАЗНЫЙ ВИНТОВОЙ НАСОС Российский патент 2008 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 корпус с всасывающим и напорным патрубками, сообщенными соответственно с полостями всасывания и нагнетания, подающие винты, установленные в корпусе и опирающиеся своими валами на подшипниковые опоры, изолированные от полости всасывания торцовыми уплотнениями, пары трения которых образованы поджатыми один к другому кольцами, одно их которых прикреплено неподвижно к корпусу, а другое - к вращающемуся валу, а кольцевая полость, образованная между подшипниковыми опорами, торцовыми уплотнениями, валом и корпусом, сообщена посредством каналов, выполненных в корпусе, с автономной термосифонной системой охлаждения (с безнапорной буферной системой) (проспект фирмы Борнеманн "Мультифазные насосы и системы" от 05.99 г, стр.3, 4).

Недостатком известного технического решения является недолговечность работы уплотнений при перекачивании газожидкостной смеси с большим количеством газа и малым содержанием жидкой фазы.

Поскольку применяемые в насосе уплотнения являются уплотнениями внешнего охлаждения и охлаждаются, в основном, перекачиваемой насосом рабочей жидкостью, то при ее небольшом количестве отвод теплоты, возникающий в результате трения контактирующих поверхностей элементов уплотнения, недостаточен. Кроме того, внутренняя кольцевая полость, связанная с термосифонной системой охлаждения, расположена на некотором удалении от пары трения, поэтому процесс отвода тепла и с внутренней стороны уплотнения при длительной работе в условиях полусухого трения недостаточно эффективен. Это приводит к перегреву уплотнений, быстрому износу и, в конечном итоге, - к разрушению насоса.

Указанные недостатки частично устранены в многофазном винтовом насосе, содержащем, по меньшей мере, один подающий винт, заключенный в корпус с боковыми крышками с масляными картерами в них, имеющий, 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. Вал винта опирается на подшипниковые опоры, изолированные от полости всасывания торцовыми уплотнениями, пары трения которых образованы кольцами, одно из которых прикреплено неподвижно к корпусу, а другое - к валу, а кольцевая полость, образованная между подшипниковыми опорами, торцовыми уплотнениями, валом и корпусом, сообщена посредством каналов, выполненных в корпусе, с автономной термосифонной системой охлаждения. Участок вала подающего винта, заключенный между торцовыми уплотнениями и подшипниковыми опорами, выполнен двухступенчатым и опоясан двумя рядами радиальных отверстий, из которых один ряд со стороны подшипниковых опор выполнен на ступени вала с меньшим диаметром, а другой расположен напротив торцовых уплотнений и выполнен на ступени с большим диаметром и отверстия сообщены между собой через канал, выполненный по оси вала.

Благодаря дополнительной циркуляции жидкости через радиальные отверстия вала улучшается процесс отвода тепла из зоны трения с внутренней стороны уплотнения (см. патент РФ № 2213265, МПК F04С 2/16, опубл. 27.09.2003).

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

Однако безнапорная термосифонная система охлаждения при повышении давления среды в полости всасывания насоса не препятствует проникновению утечек перекачиваемой насосом рабочей среды в кольцевую полость уплотнения. Это происходит при перекачивании продукции скважин добычи нефти и газа, когда давление среды превышает атмосферное. При этом так называемые нормированные утечки среды смешиваются с жидкостью термосифонной системы, загрязняют ее и далее проникают в подшипниковую зону. С утечками в притертые поверхности пар трения заносятся также частицы песка и другие твердые включения среды, которые изнашивают трущиеся поверхности, что нарушает герметичность уплотнения, а это, в свою очередь, связано с опасностью разрушения насоса.

Кроме того, наличие достаточно протяженного осевого канала, связывающего радиальные отверстия и выполняемого от концов валов, технологически трудоемко, что усложняет конструкцию, а также удлиняет путь циркуляции жидкости и снижает интенсивность отвода тепла из уплотнения.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы насоса путем увеличения долговечности работы уплотнений и упрощения конструкции.

Для достижения этого технического результата предлагается многофазный винтовой насос с, по меньшей мере, одним подающим винтом, заключенным в корпус с боковыми крышками и масляными картерами в них, имеющий, 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, вал которого опирается на подшипниковые опоры, изолированные от полости всасывания торцовыми уплотнениями, пары трения которых образованы кольцами, одно из которых прикреплено неподвижно к корпусу, а другое - к валу, при этом между подшипниковыми опорами, торцовыми уплотнениями, валом и корпусом образована кольцевая полость, сообщенная посредством каналов, выполненных в корпусе, с системой охлаждения, а участок вала в этой зоне выполнен двухступенчатым, и каждая ступень опоясана рядом отверстий, которые сообщены между собой, причем ступень с большим диаметром расположена под уплотнениями.

В отличие от известного в предлагаемом насосе кольцевая полость отделена от подшипниковой опоры с помощью плавающей втулки, установленной концентрично ступени вала меньшего диаметра с минимальным щелевым зазором и закрепленной в корпусе подвижно в радиальном направлении, а система охлаждения содержит контур с масляным насосом, линия нагнетания которого соединена с кольцевой полостью, а линия всасывания - с масляным картером через канал в боковой крышке.

Кроме того, масляный насос установлен на боковой крышке и соединен с валом многофазного насоса.

На концах валов в зоне крышек установлены разбрызгивающие диски, взаимодействующие с маслом картера, причем боковые крышки выполнены с охлаждающими ребрами.

Новым является также и то, что ступени вала соединены отверстиями, выполненными под углом к оси вала и пересекающимися друг с другом.

Благодаря введению новых признаков давление масла в кольцевой полости уплотнений превышает давление перекачиваемой среды и тем самым препятствует проникновению частиц абразива в контактные поверхности пар трения. При этом постоянная циркуляция масла через образованный по валу щелевой зазор в сторону подшипниковых опор обеспечивает проточное охлаждение внутренней зоны уплотнений, достаточное в период прокачивания газовых фаз среды. Кроме того, наклонные к оси вала отверстия увеличивают интенсивность охлаждения непосредственно в зоне трения.

Предлагаемый многофазный винтовой насос иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 и 2:

- на фиг.1 дан продольный разрез насоса,

- на фиг.2 - поперечный разрез по А-А.

Винтовой насос содержит корпус 1, внутри которого в качестве рабочих органов размещены две пары подающих винтов, находящихся в бесконтактном зацеплении друг с другом и вращающихся в противоположных направлениях. Каждая пара включает один правозаходный винт 2 и один левозаходный - 3. Корпус насоса снабжен двумя всасывающими патрубками 4, сообщенными с полостями всасывания 5, которые размещены перед подающими винтами, и центральным напорным патрубком 6, сообщенным с полостью нагнетания 7, размещенной за подающими винтами. Корпус снабжен боковыми крышками 8 с масляными картерами и с охлаждающими ребрами 9. В зоне крышек размещены шестерни связи 10 и разбрызгивающие диски 11.

Валы 12 винтов 2, 3 опираются на подшипники 13, которые изолированы от полости всасывания торцовыми уплотнениями 14.

Уплотнение (фиг.2) состоит из установленного на валу и вращающегося с ним кольца 15, поджатого пружиной 16 к неподвижному кольцу 17, установленному в корпусе. Неподвижное кольцо 17 и вращающееся с валом кольцо 15 образуют между собой пару трения, изолирующую подшипниковые опоры 13 от полости всасывания. Между подшипниковой опорой и уплотнением образована кольцевая полость 18, которая отделена от подшипников плавающей втулкой 19, зафиксированной в корпусе от проворота штифтом 20. Стопорным кольцом 21 втулка закреплена в корпусе с возможностью радиального перемещения и самоустановки по валу с минимальным щелевым зазором, который с учетом температурных деформаций и погрешностей изготовления сопрягаемых деталей выбирается в пределах 0,03÷0,05 мм. Вал 12 выполнен двухступенчатым, с меньшим диаметром d₁, сопряженным с плавающей втулкой 19, и большим - d₂, расположенным под уплотнением. Ступени вала соединены между собой наклонными к оси вала отверстиями 22.

Кольцевая полость 18 через подводящий в корпусе канал 23 сообщена трубопроводом 24 с системой охлаждения, в которую входит маслонасос 25, установленный на боковой крышке 8 соосно с валом 12 и соединенный с ним приводом. Линия нагнетания 26 маслонасоса соединена с кольцевой полостью 18, а линия всасывания 27 - с масляным картером 28 через канал 29 в боковой крышке.

Винтовой насос работает следующим образом.

При вращении подающих винтов 2, 3 поток жидкости и газа через всасывающие патрубки 5 поступает в полости всасывания 6, перемещается винтами и через напорный патрубок 7 поступает к потребителю. Поток жидкости при прохождении через полость всасывания охлаждает с наружной стороны контактирующие между собой кольца 15, 17 уплотнения. Кроме того, в кольцевую полость 18 масляным насосом 25 подается под давлением масло для охлаждения уплотнения с внутренней стороны. Через щелевой зазор втулки 19 масло через подшипник 13 сливается в масляный картер 28, откуда забирается вновь насосом 25 и закачивается обратно во внутреннюю зону уплотнения. Таким образом обеспечивается напорная проточная циркуляция масла с давлением, превышающим давление перекачиваемой рабочей среды. Нормированные утечки масла, смазывающие и исключающие сухое трение контактирующих поверхностей пар трения колец 15, 17, стекают в полость всасывания и предохраняют зону трения от проникновения загрязнений из рабочей среды.

Интенсификация теплообмена в самой кольцевой полости 18 обеспечивается за счет дополнительной циркуляции жидкости через ряд отверстий 22, соединяющих ступени вала. Циркуляция возникает в результате разности центробежных сил, действующих при вращении вала на частицы жидкости в наклонных отверстиях от меньшего диаметра d₁ к большему d₂.

Диски 11, взаимодействуя с масляным картером 28, разбрызгивают масло, которое, стекая по стенкам боковых крышек 8, охлаждается с помощью оребренных поверхностей крышек. Это позволяет отказаться от дополнительных охладителей масла, учитывая минимальный расход масла через щелевой зазор втулки 19, и в то же время достаточный для смазки подшипников, шестерен и охлаждения уплотнений в период прохождения газовых фаз рабочей среды. Это упрощает конструкцию.

Таким образом, повышается надежность работы многофазного насоса путем увеличения срока службы уплотнений с использованием напорной системы охлаждения и интенсивного теплообмена внутренней зоны уплотнения.

Использование: для перекачки газожидкостных сред. Насос содержит, по меньшей мере, один подающий винт, заключенный в корпус с боковыми крышками и масляными картерами в них, один всасывающий патрубок и, по меньшей мере, один напорный патрубок. Вал подающего винта опирается на подшипниковые опоры, изолированные от полости всасывания торцовыми уплотнениями. Между подшипниковыми опорами, торцовыми уплотнениями, валом и корпусом образована кольцевая полость, сообщенная посредством каналов, выполненных в корпусе, с системой охлаждения. Участок вала в этой зоне выполнен двухступенчатым, и каждая ступень опоясана рядом отверстий, которые сообщены между собой. Ступень с большим диаметром расположена под уплотнениями. Кольцевая полость отделена от подшипниковой опоры с помощью плавающей втулки, установленной концентрично ступени вала меньшего диаметра с минимальным щелевым зазором и закрепленной в корпусе подвижно в радиальном направлении. Система охлаждения содержит контур с масляным насосом, линия нагнетания которого соединена с кольцевой полостью, а линия всасывания - с масляным картером через канал в боковой крышке. Повышается надежность работы насоса путем увеличения долговечности работы уплотнений и упрощения конструкции. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Многофазный винтовой насос с, по меньшей мере, одним подающим винтом, заключенным в корпус с боковыми крышками и масляными картерами в них, 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, вал которого опирается на подшипниковые опоры, изолированные от полости всасывания торцовыми уплотнениями, пары трения которых образованы кольцами, одно из которых прикреплено неподвижно к корпусу, а другое - к валу, при этом между подшипниковыми опорами, торцовыми уплотнениями, валом и корпусом образована кольцевая полость, сообщенная посредством каналов, выполненных в корпусе, с системой охлаждения, а участок вала в этой зоне выполнен двухступенчатым и каждая ступень опоясана рядом отверстий, которые сообщены между собой, причем ступень с большим диаметром расположена под уплотнениями, отличающийся тем, что кольцевая полость отделена от подшипниковой опоры с помощью плавающей втулки, установленной концентрично ступени вала меньшего диаметра с минимальным щелевым зазором и закрепленной в корпусе подвижно в радиальном направлении, а система охлаждения содержит контур с масляным насосом, линия нагнетания которого соединена с кольцевой полостью, а линия всасывания - с масляным картером через канал в боковой крышке.2. Многофазный винтовой насос по п.1, отличающийся тем, что масляный насос установлен на боковой крышке и соединен с валом многофазного насоса.3. Многофазный винтовой насос по п.1, отличающийся тем, что на концах валов в зоне крышек установлены разбрызгивающие диски, взаимодействующие с маслом картера, а боковые крышки выполнены с охлаждающими ребрами.4. Многофазный винтовой насос по п.1, отличающийся тем, что ступени вала соединены отверстиями, выполненными под углом к оси вала и пересекающимися друг с другом.