НАСОСНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2008 года по МПК F04B23/00 F04B15/00 

Настоящее изобретение относится к насосным системам для особых текучих сред и касается как конструкции отдельных частей таких систем, так и связей между ними. Изобретение может быть использовано в нефтедобывающей отрасли, в частности в установках для исследования свойств нефти и газа.

Для этих целей известно использование насосных систем с плунжерными насосами. В частности, известно устройство для исследования процессов фильтрации и определения характеристик текучих сред и пористых тел [пат. РФ 2129265], содержащее два гидроцилиндра с приводами плунжеров, при этом каждый привод выполнен с возможностью обеспечения поступательно-вращательного движения плунжера и поступательного движения привода посредством пары «винт-гайка». Торцовое биение гайки относительно корпуса гидроцилиндра влечет за собой неточность измерений датчика перемещений, что является существенным недостатком при регулировании объема и давления исследуемой текучей среды.

Проблема поддержания давления жидкости и одновременного измерения объема прокачиваемой жидкости при высоких давлениях в диапазоне сотен мегапаскалей решена в устройстве по пат. РФ 2218478. Эта насосная система включает поршневой насос, соединенный с сосудом, содержащим пробу, и является наиболее близкой по технической сущности к заявляемой.

Основным недостатком насосной системы по пат. РФ 2218478 является цикличность подачи текучей среды пробы из-за наличия в неподвижном цилиндре лишь одной камеры, в которой попеременно происходят процессы всасывания и сжатия текучей среды.

Другим недостатком этой насосной системы является необходимость при каждом рабочем цикле с помощью привода повышенной мощности преодолевать одностороннюю загруженность плунжера давлением жидкости в гидравлической системе установки.

Предметом изобретения является насосная система, в которой решена проблема цикличности подачи текучей среды и разгрузки плунжера насоса от одностороннего воздействия высокого давления в гидравлической системе установки.

Поставленная задача решается тем, что насосная система, содержащая сосуд высокого давления с пробой, корпус, плунжер с продольной осью, шпиндель, соединенный с плунжером и имеющий вал и резьбу, шпиндельную гайку, установленную на шпинделе, неподвижный цилиндр, внутренняя емкость которого соединена с сосудом, содержащим пробу, а по оси внутренней емкости размещен плунжер, привод, состоящий из электродвигателя и редуктора, для осуществления относительного вращения и относительных осевых перемещений плунжера по отношению к неподвижному цилиндру, стакан, в который заведена шпиндельная гайка, чашку, установленную в корпусе на одной оси со стаканом, опорой скольжения, установленной между чашкой и цилиндром, в отверстие которой заведен плунжер, втулкой, в отверстие которой заведен стакан, устройством, препятствующим вращению втулки, но допускающим ее осевое движение, которое выполнено из шарикоподшипника, установленного на валике, основанием, на котором с одной стороны установлена втулка, а с другой стороны - привод, муфтой, соединяющей выходной вал привода и шпиндель, вал которого установлен на основании в двухрядном шариковом сферическом подшипнике, согласно изобретению дополнительно снабжена втулкой, установленной на конце неподвижного цилиндра, расположенной в ней дополнительной опорой скольжения, в отверстие которой заведен плунжер, поршнем, установленным на плунжере так, что внутренняя емкость неподвижного цилиндра разделена на две камеры, каждая из которых снабжена отверстием для заполнения текучей средой и для ее слива, а валик шарикоподшипника устройства, препятствующего вращению втулки, соединен с верхней частью втулки и опирается на прямолинейные направляющие стакана, причем отверстие для заполнения каждой из камер текучей средой снабжено многопозиционным пневматическим клапаном и соединено с его входным отверстием, а каждое из двух отверстий сосуда высокого давления с пробой снабжено тройником, каждый из которых соединен с выходным отверстием одного многопозиционного пневматического клапана и с выходным отверстием другого многопозиционного пневматического клапана, а электродвигатель снабжен блоком импульсного управления.

Неподвижный цилиндр может дополнительно иметь отверстия для промывки камер, снабженные пробками.

Такие элементы поршневого насоса заявляемой насосной системы, как поршень, втулка, шарикоподшипниковое устройство, прямолинейные направляющие, сами по себе являются известными. Однако в заявляемой насосной системе новое сочетание этих элементов позволяет достичь неожиданного эффекта - торцы плунжера не подвергаются воздействию избыточного давления в системе, что позволяет разгрузить электродвигатель. Известно также устройство с двумя камерами [пат. РФ 2129265], но каждая из камер располагается в своем гидроцилиндре, из-за чего сохраняется цикличность подачи текучих сред. В заявляемом устройстве новое сочетание конструктивных элементов приводит к появлению в одном гидроцилиндре двух камер. Выполнение сосуда высокого давления с пробой в виде сосуда с двумя отверстиями, снабженными тройниками, которые замкнуты на многопозиционные пневматические клапаны, создает новую замкнутую циркуляционную систему, работа которой обеспечена за счет дополнения электродвигателя блоком импульсного управления. Это приводит к неожиданному эффекту: один единственный насос обеспечивает бесцикличную одностороннюю подачу текучей среды с регулируемой скоростью подачи.

Особенности и преимущества настоящего изобретения поясняются чертежами, где на фиг.1 изображена общая схема насосной системы, на фиг.2 - осевой разрез поршневого насоса, на фиг.3 - осевой разрез опоры скольжения плунжера и уплотнительного узла плунжера.

Одни и те же элементы насосной системы, показанные на разных чертежах, имеют одинаковые позиции.

Общая схема насосной системы (фиг.1) включает поршневой насос 1, содержащий камеры 2 и 3 с отверстиями 4 и 5 соответственно для заполнения и вытеснения текучей среды камер 2 и 3, соединительные трубки 6, многопозиционные пневматические клапаны 7 и 8 с входными отверстия 9 и 10, выходными отверстиями 11, 12 и 13, 14 соответственно, тройники 15 и 16, через которые выходные отверстия 11 и 13 соединены с отверстием 17 сосуда высокого давления с пробой 18, а выходные отверстия 12 и 14 соединены с отверстием 19 сосуда высокого давления с пробой 18 соответственно, а также блок 20 импульсного управления двигателем 21 поршневого насоса.

Поршневой насос (фиг.2) содержит корпус 22, на котором с его внешней стороны установлена чашка 23, а с внутренней стороны корпуса 22 - стакан 24. Внутри стакана 24 установлена шпиндельная гайка 25, винтовые направляющие которой включают среднюю часть шпинделя 26, снабженную резьбой. Стакан 24 установлен во втулку 27, фланец которой соединен с основанием 28. Привод, состоящий из электродвигателя 21 и редуктора 29, имеет выходной вал 30, который муфтой 31 соединен с нижней частью шпинделя 26. Шпиндель 26 закреплен в двухрядном шариковым сферическом подшипнике 32, установленном в основание 28. В верхнюю часть шпинделя 26 установлен плунжер 33, который заведен в опору скольжения 34, которая своей нижней цилиндрической частью установлена в чашке 23, а своей верхней цилиндрической частью - в неподвижном цилиндре 35. Для предотвращения вращения втулки 27 используется установленный на валике 36 шарикоподшипник 37, который опирается на прямолинейные направляющие стакана 24. Центральное отверстие 38 неподвижного цилиндра 35 является приемным для поршня 39, который делит отверстие 38 на две камеры 2 и 3, а также для плунжера 33. Камеры 2 и 3 снабжены отверстиями 4 и 5 для набора и слива жидкости. В канавках на поршне 39 расположено кольцо 40, уплотняющее поршень 39 в отверстии 38, и кольцо 41, уплотняющее поршень на плунжере 33. Штифтом 42 поршень 39 крепится на плунжере 33. Для предотвращения среза штифта 42 втулка 27 снабжена буртиком 43, взаимодействующим с ограничителем хода 44 с одной стороны и корпусом 22 с другой стороны. В неподвижном цилиндре 35 установлена втулка 45, уплотненная кольцом 46. Втулка 45 имеет центральное отверстие, в которое установлена дополнительная опора скольжения 47. Опора скольжения 47 крепится резьбовой втулкой 48. На втулке 48 закреплен предохранительный колпак 49. Плунжер 33 в опорах скольжения 34 и 47 уплотнен круглыми кольцами 50 и предохранительными прокладками 51 (фиг.3). Отверстия 52 и 53 снабжены пробками 54 для промывки камер 2 и 3.

Устройство работает следующим образом. Через одновременно открытые выходные отверстия 11 и 13 камеры 2 и 3 цилиндра 35 заполняют жидкой фазой пробы, находящейся в сосуде 18 под давлением газовой фазы пробы. При этом входные отверстия 9 и 10 закрыты. После заполнения камер 2 и 3 выходное отверстие 11 закрывают, а выходное отверстие 12 открывают. Включают электродвигатель 21 и через редуктор 29, выходной вал 30 и муфту 31 вращают резьбовую часть шпинделя 26 в гайке 25 так, чтобы обеспечить перемещение вверх электродвигателя 21, редуктора 29, основания 28 и втулки 27 как единого целого, исключив вращение относительно цилиндра 35 за счет наличия прямолинейных направляющих на стакане 24, взаимодействующих с шарикоподшипником 37. Таким образом плунжер 33 и поршень 39 перемещают вверх по спирали относительно цилиндра 35. При этом жидкую фазу пробы подают в ту часть сосуда 18, которая заполнена газовой фазой пробы. Линейное перемещение поршня 39 относительно цилиндра 35 прямо пропорционально количеству поданных на электродвигатель 21 управляющих импульсов, формируемых блоком управления 20, на основании чего автоматически подсчитывают объем прокачиваемой жидкости. При достижении поршнем 39 верхнего положения на электродвигатель 21 блоком управления 20 подают управляющие импульсы, обеспечивающие смену направления вращения электродвигателя. При этом в момент реверсирования электродвигателя выходные отверстия 12 и 14 закрывают, а выходные отверстия 11 и 13 открывают. При этом направление циркуляции жидкой фазы пробы через сосуд 18 остается неизменным. В случае сбоя подачи управляющих импульсов в блоке управления 20 движение поршня 39 в крайних положениях прерывают упором буртика 43 втулки 27 в ограничитель 44 или упором буртика 43 втулки 27 в корпус 22, предохраняя штифт 42 от среза.

Таким образом, согласно изобретению открытый торец плунжера не подвергается воздействию давления текучей среды в неподвижном цилиндре и разгружает двигатель, а осевые возвратно-поступательные перемещения поршня, расположенного на плунжере, относительно цилиндра, разделенного поршнем на две камеры, устраняют цикличность подачи текучей среды.

Устройство относится к насосным системам для особых текучих сред и касается как конструкции отдельных частей таких систем, так и связей между ними, и может быть использовано в нефтедобывающей отрасли, в частности в установках для исследования свойств нефти и газа в пластовых условиях. В насосной системе новое сочетание конструктивных элементов приводит к появлению в одном цилиндре насоса двух камер, и при этом торцы плунжера не подвергаются воздействию избыточного давления в системе, позволяя уменьшить мощность привода, разгрузить электродвигатель. Выполнение сосуда высокого давления с пробой в виде сосуда с двумя отверстиями, снабженными тройниками, замкнутыми на выходы многопозиционных пневматических клапанов, входы которых соединены с отверстиями камер цилиндра насоса, создает циркуляционную насосную систему, работа которой обеспечена за счет дополнения электродвигателя блоком импульсного управления, что устраняет цикличность подачи текучей среды. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Насосная система, содержащая сосуд высокого давления с пробой, корпус, плунжер с продольной осью, шпиндель, соединенный с плунжером и имеющий вал и резьбу, шпиндельную гайку, установленную на шпинделе, неподвижный цилиндр, внутренняя емкость которого соединена с сосудом, содержащим пробу, а по оси внутренней емкости размещен плунжер, привод, состоящий из электродвигателя и редуктора, для осуществления относительного вращения и относительных осевых перемещений плунжера по отношению к неподвижному цилиндру, стакан, в который заведена шпиндельная гайка, чашку, установленную в корпусе на одной оси со стаканом, опорой скольжения, установленной между чашкой и цилиндром, в отверстие которой заведен плунжер, втулкой, в отверстие которой заведен стакан, устройством, препятствующим вращению втулки, но допускающим ее осевое движение, которое выполнено из шарикоподшипника, установленного на валике основанием, на котором с одной стороны установлена втулка, а с другой стороны - привод, муфтой, соединяющей выходной вал привода и шпиндель, вал которого установлен на основании в двухрядном шариковом сферическом подшипнике, отличающаяся тем, что она снабжена втулкой, установленной на конце неподвижного цилиндра, расположенной в ней дополнительной опорой скольжения, в отверстие которой заведен плунжер, поршнем, установленным на плунжере так, что внутренняя емкость неподвижного цилиндра разделена на две камеры, каждая из которых снабжена отверстием для заполнения текучей средой и для ее слива, а валик шарикоподшипника устройства, препятствующего вращению втулки, соединен с верхней частью втулки и опирается на прямолинейные направляющие стакана, причем отверстие для заполнения каждой из камер текучей средой снабжено многопозиционным пневматическим клапаном и соединено с его входным отверстием, а каждое из двух отверстий сосуда высокого давления с пробой снабжено тройником, каждый из которых соединен с выходным отверстием одного многопозиционного пневматического клапана и с выходным отверстием другого многопозиционного пневматического клапана, а электродвигатель снабжен блоком импульсного управления.2. Насосная система по п.1, отличающаяся тем, что каждая из камер в неподвижном цилиндре дополнительно содержит отверстие для промывки, снабженное пробкой.