УСТАНОВКА НАСОСНАЯ ПОРШНЕВАЯ Российский патент 2010 года по МПК F04B47/06 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к оборудованию, применяемому в ограниченном пространстве, например к подземному оборудованию для подъема нефти из скважин, и может быть использовано для откачки пластовых вод и добычи различных полезных ископаемых, находящихся под землей на больших глубинах в жидком состоянии.

Известна установка насосная винтовая (Кудинов В.И., «Основы нефтегазопромыслового дела», г.Ижевск, 2005 г., с.366), содержащая погружной электродвигатель, соединенный через пусковую муфту с винтом, расположенным эксцентрично относительно оси вращения внутри другого эластичного (резинового) винта с внутренней канавкой, с шагом, в два раза большим, чем у первого винта, соединенными через подшипники с корпусом, закрепленным на конце колонны насосно-компрессорных труб с выходным клапаном.

Недостатком известной установки является невозможность перекачивания жидкостей кроме парафинистой нефти по причине износа эластичного винта с внутренней канавкой из-за содержания в жидкостях твердых частиц (фильтрата бурового раствора, песка и т.д.), а также химически активных элементов, находящихся в пласте, что в целом сокращает срок эксплуатации установки.

Известна установка насосная поршневая, содержащая электродвигатель, соединенный с редуктором, преобразователь вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение штока, соединенный с поршнем, перемещающимся в цилиндре, который соединен с колонной насосно-компрессорных труб с входным и выходным клапанами (Нефтепромысловое оборудование, Справочник под редакцией Е.И.Бухаленко, М.: Недра, 1990 г., с.53). Это устройство взято в качестве прототипа.

Недостатками известной установки являются большие габариты, металлоемкость, вес, большое энергопотребление, т.к. кроме подъема столба жидкости энергия тратится на вращение и качание деталей большой массы (противовесы, балансиры) и возвратно-поступательное перемещение колонны штанг. Кроме того, известная установка имеет большое время холостого хода поршня, равное времени рабочего хода.

Задача изобретения - создание установки для работы в ограниченном пространстве, а именно в трубном, уменьшение энергопотребления, увеличение коэффициента полезного действия установки.

Техническим результатом, достигаемым в результате решения поставленной задачи, является уменьшение габаритов устройства, массы, металлоемкости, энергопотребления, времени холостого хода поршня.

Указанный технический результат достигается тем, что в установке насосной поршневой, содержащей электродвигатель, соединенный с редуктором, преобразователь вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение штока, соединенный с поршнем, перемещающимся в цилиндре, который соединен с колонной насосно-компрессорных труб с входным и выходным клапанами, электродвигатель выполнен погружным и соединен с редуктором через пусковую муфту, а редуктор выполнен в виде планетарной передачи, содержащей ведущую шестерню, закрепленную на валу, сателлиты, установленные на водиле, и ведомое колесо, при этом водило имеет два фиксированных переключаемых положения со свободным ходом относительно неподвижного корпуса и вращающегося ведущего вала, а ведомое колесо жестко соединено с внешней обоймой винтового подшипника качения, выполненного в виде винтовой пары, между витками которой расположены ролики или шарики, а шток выполнен в виде внутренней обоймы этого подшипника и имеет направляющие для подшипника поступательного движения, который соединен с поршнем, содержащим демпфер, при этом шток соединен с тягой, пружиной растяжения-сжатия, упорным двухсторонним подшипником, соединенным с направляющими, расположенными в водиле, соединенными концами с двумя торцевыми зубчатыми колесами, входящими в зацепление с двумя другими идентичными торцевыми зубчатыми колесами, каждое из которых расположено на упругих муфтах, закрепленных одна в корпусе для рабочего хода, а другая на ведущем валу для холостого хода.

Выполнение отношения высоты зубьев торцевых зубчатых колес к их длине больше, чем отношение вектора скорости перемещения колес вдоль оси вращения к вектору линейной скорости вращения колес относительно друг друга в момент зацепления, позволяет уменьшить износ зубьев торцевых зубчатых колес.

Выполнение рабочих поверхностей зубьев, составляющих острые углы с плоскостью, перпендикулярной оси вращения, позволяет избежать произвольного расцепления торцевых зубчатых колес.

Технический результат достигается также тем, что демпфер выполнен в виде второго цилиндра со вторым поршнем, соединенным пружиной растяжения-сжатия с основанием первого поршня, при этом полость демпфера соединена с полостью насоса отверстием, а также отверстием с полостью за первым цилиндром, что позволяет предотвратить гидроудары при изменении направления перемещения поршня.

Выполнение направляющих в водиле, расположенных между сателлитами осесимметрично вдоль оси вращения, позволяет равномерно распределить нагрузку на водило и зубчатые колеса.

Выполнение тяги от штока телескопической позволяет ее сложить по длине в размер, равный упору.

Выполнение тяги от штока из гибкого элемента с упором упрощает регулировку ее длины.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема установки насосной поршневой, на фиг.2 изображен узел планетарной передачи, где направляющие, расположенные между сателлитами, показаны в перпендикулярном сечении, на фиг.3 изображена динамика процесса зацепления профилей зубчатых торцевых колес, показанных по средней линии в развертке, где а) - без зацепления, б) - начало зацепления, в) - полное зацепление.

Устройство содержит погружной электродвигатель 1 (фиг.1), соединенный через пусковую муфту 2 с ведущим валом 3, размещенные в корпусе 4 редуктор 5, выполненный в виде планетарной передачи, включающий ведущую шестерню 6, сателлиты 7 (фиг.2), водило 8, ведомое колесо 9, жестко соединенное с внешней обоймой 10 винтового подшипника качения 11, шток 12, выполненный в виде внутренней обоймы подшипника качения 11, ролики (шарики) 13, поршень 14, размещенный в цилиндре 15, входной клапан 16 и выходной клапан 17, которые соединены с колонной насосно-компрессорных труб 18. Внутренняя обойма, выполняющая также функцию штока 12, имеет направляющие 19 для предотвращения вращения поршня 14 вокруг оси, а другой конец штока 12 соединен обратной связью с водилом 8 для управления его скоростью вращения, содержащей телескопическую тягу 20, винтовую пружину 21 растяжения-сжатия, упорный двухсторонний подшипник 22, который соединен с направляющими 23, расположенными в водиле 8, два торцовых зубчатых колеса 24 и 25, которые жестко соединены с направляющими 23, торцовые зубчатые колеса 26 и 27, идентичные зубчатым колесам 24 и 25. Зубчатое колесо 26 установлено на упругой муфте 28, жестко соединенной с корпусом 4, а зубчатое колесо 27 установлено на упругой муфте 29, соединенной с ведущим валом 3, при этом муфты 28 и 29 содержат регулируемые упругие элементы кручения 30 и 31 заданной упругости и длины. В поршне 14 расположен демпфер 32, состоящий из дополнительного цилиндра 33 и дополнительного поршня 34, соединенного с основанием поршня 14 пружиной 35, а полость демпфера 32 соединена отверстием 36 с полостью корпуса 4 и отверстием 37 с полостью за поршнем 14.

Все вращающиеся детали и узлы установки соединены с корпусом 4 через подшипники качения.

Устройство работает следующим образом.

Момент силы от погружного электродвигателя 1 (фиг.1) через пусковую муфту 2 передается ведущему валу 3 установки насосной, корпус 4 которой жестко соединен с корпусом электродвигателя 1. Далее момент силы от ведущего вала 3 передается через ведущую шестерню 6 (фиг.2) и сателлиты 7, расположенные вокруг ведущей шестерни 6 осесимметрично для распределения момента силы равномерно по окружности и уменьшения вибраций, водилу 8, на ведомое колесо 9 и на внешнюю обойму 10 винтового подшипника качения 11, при вращении которой в корпусе 4 момент силы передается на внутреннюю обойму 12 этого подшипника, которая совершает поступательное движение и выполняет роль винта в винтовой паре. Для уменьшения трения между обоймами расположены ролики 13 (или шарики). Внутренняя обойма 12, выполненная в виде штока, соединенная с поршнем 14 цилиндра 15, перемещается вдоль оси насосной установки. Шток 12 другим концом соединен обратной связью с управляемым водилом 8, которое имеет два фиксированных положения со свободным ходом, через телескопическую тягу 20, пружину растяжения-сжатия 21, упорный двухсторонний подшипник 22, соединенный с направляющими 23, расположенными в водиле 8, между сателлитами 7 (см. фиг.2), перемещающимися вдоль оси насоса и вращающимися вместе с водилом 8. Концы направляющих соединены между собой двумя торцевыми зубчатыми колесами 24 и 25, которые входят в зацепление с двумя другими идентичными торцевыми колесами 26 и 27 попеременно, которые закреплены на муфтах 28 и 29. Муфта 28 закреплена на корпусе насосной установки, а муфта 29 закреплена на ведущем валу 3 установки. В начале рабочего хода направляющие 23 с торцевыми зубчатыми колесами 24 и 25 находятся в нижнем положении, т.е. зубчатое колесо 24 находится в зацеплении с зубчатым колесом 26, в этом случае вращение водила 8 будет ограничено упругим элементом кручения 30 муфты 28, длина и упругость которого заданы. При фиксированном положении водила 8 относительно корпуса 4 планетарная передача работает как понижающая. При ограниченном пространстве (например, один из вариантов) радиусы равны

r_ведущ=r_сателл,

то r_{ведомая}=3 r_{ведущая} и передаточное отношение, где:

r_ведущ, r_сателл, r_{ведомая} - радиусы ведущего колеса (шестерни), ведомого колеса, сателлитов.

n=r_ведущ/r_ведом=1/3.

Ведомое колесо 9 вращается с угловой скоростью:

w_ведом=1/3 w_ведущ.

Находим передаточное отношение винтового подшипника (винтовой пары):

n_подш=h/2Пr_подш, где:

h - шаг винта,

r_подш - средний радиус винтовой линии подшипника.

Шток 12 перемещается вверх, и входной клапан 16 закрыт, выходной 17 открыт, и жидкость вытесняется из цилиндра 15 поршнем 14 в рабочую насосно-компрессорную трубу 18. При достижении верхней крайней рабочей точки поршнем 14 телескопическая тяга 20 полностью раздвигается, растягивает пружину 21, которая через упорный двухсторонний подшипник 22 тянет направляющие и зубчатые колеса 24 и 25, и зубчатое колесо 24 выходит из зацепления с зубчатым колесом 26, проходит свободный зазор, и другое зубчатое колесо 25 входит в зацепление с зубчатым колесом 27, расположенным через муфту 29 на ведущем валу 3. Упругий элемент кручения 31 в муфте 29 закручивается, при этом водило 8 с направляющими 23 начинает вращаться вместе с ведущим валом 3, а также ведомое колесо 9 планетарной передачи 5 останавливается и начинает вращаться в противоположном направлении с угловой скоростью, равной угловой скорости ведущего вала w_ведущ=w_{ведомая}, а шток 12 с поршнем 14 также останавливается и начинает перемещаться вниз в 3 раза быстрее, чем при рабочем ходе, при этом входной клапан 16 открывается, а выходной 17 закрывается, и жидкость поступает в полость цилиндра 15.

При достижении нижней точки холостого хода поршнем 14 и штоком 12 телескопическая тяга 20 складывается, сжимает пружину 21 и через упорный подшипник 22 пружина толкает вращающиеся с водилом 8 направляющие 23 с зубчатыми колесами, при этом зубчатое колесо 25 выходит из зацепления с зубчатым колесом 27 ведущего вала 3, и входит в зацепление другое зубчатое колесо 24 с колесом 26, соединенным через муфту 28 с корпусом 4 установки насосной. Холостой ход заканчивается, и начинается рабочий ход.

Торцевые зубчатые колеса 24, 25, 26 и 27 (см. фиг 3) имеют профиль по средней окружности в виде зубьев, наклоненных против направления вращения, т.е. угол между рабочей поверхностью зубца и плоскостью, перпендикулярной оси вращения, «α» меньше 90 градусов, для того чтобы зубья не выходили из зацепления при нагрузках. На фиг.3 показана динамика зацепления. Для выхода из зацепления к зубчатому колесу, закрепленному на направляющих, необходимо приложить силу Р₃, которая зависит от величины угла «α» рабочей поверхности и коэффициента трения между зубьями, а также суммарного веса направляющих 23, зубчатых колес 24 и 25, подшипника 22, при этом торцевые зубчатые колеса 24, 25, 26 и 27 имеют отношение высоты зубьев «h» к их длине «l» больше, чем отношение вектора скорости перемещения колес «υ_n» вдоль оси вращения к вектору линейной скорости вращения колес «υ_c» относительно друг друга в момент зацепления, то есть:

h/1>υ_n/υ_c.

Устройство предназначено для откачки пластовых вод и добычи различных полезных ископаемых, находящихся под землей на больших глубинах в жидком состоянии. Устройство содержит электродвигатель (1), соединенный с редуктором (5), преобразователь вращательного движения ведущего вала (3) в возвратно-поступательное движение штока (12), соединенный с поршнем (14), перемещающимся в цилиндре (15), который соединен с колонной насосно-компрессорных труб (18) с входным и выходным клапанами (16), (17). Новым в устройстве является выполнение электродвигателя (1) погружным и соединенным с редуктором (5) через пусковую муфту (2), выполнение редуктора (5) планетарным, включающим ведущую шестерню (6), сателлиты (7), водило (8), ведомое колесо (9), жестко соединенное с внешней обоймой (10) винтового подшипника качения (11). Шток (12) выполнен в виде внутренней обоймы подшипника качения (11), другой конец штока (12) соединен с водилом (8) обратной связью, которая содержит тягу (20), пружину (21), упорный двухсторонний подшипник (22), соединенный с направляющими (23), на которых закреплены торцевые зубчатые колеса (24), (25), (26), (27). Поршень (14) содержит демпфер (32). Технический результат - уменьшение габаритов устройства, массы, металлоемкости, энергопотребления, времени холостого хода поршня. 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Установка насосная поршневая, содержащая электродвигатель, соединенный с редуктором, преобразователь вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение штока, соединенный с поршнем, перемещающимся в цилиндре, который соединен с колонной насосно-компрессорных труб с входным и выходным клапанами, отличающаяся тем, что электродвигатель выполнен погружным и соединен с редуктором через пусковую муфту, а редуктор выполнен в виде планетарной передачи, содержащей ведущую шестерню, закрепленную на валу, сателлиты, установленные на водиле, и ведомое колесо, при этом водило имеет два фиксированных переключаемых положения со свободным ходом относительно неподвижного корпуса и вращающегося ведущего вала, а ведомое колесо жестко соединено с внешней обоймой винтового подшипника качения, выполненного в виде винтовой пары, между витками которой расположены ролики или шарики, а шток выполнен в виде внутренней обоймы этого подшипника и имеет направляющие для подшипника поступательного движения, который соединен с поршнем, содержащим демпфер, при этом шток соединен с тягой, пружиной растяжения-сжатия, упорным двухсторонним подшипником, соединенным с направляющими, расположенными в водиле, соединенными концами с двумя торцевыми зубчатыми колесами, входящими в зацепление с двумя другими идентичными торцевыми зубчатыми колесами, каждое из которых расположено на упругих муфтах, закрепленных одна в корпусе для рабочего хода, а другая на ведущем валу для холостого хода.

2. Установка насосная поршневая по п.1, отличающаяся тем, что торцевые зубчатые колеса имеют отношение высоты зубьев к их длине больше, чем отношение вектора скорости перемещения колес вдоль оси вращения к вектору линейной скорости вращения колес относительно друг друга в момент зацепления, при этом рабочие поверхности зубьев составляют острые углы с плоскостью, перпендикулярной оси вращения.

3. Установка насосная поршневая по п.1, отличающаяся тем, что демпфер выполнен в виде второго цилиндра со вторым поршнем, соединенным пружиной растяжения-сжатия с основанием первого поршня, при этом полость демпфера соединена с полостью насоса отверстием, а также отверстием с полостью за первым цилиндром.

4. Установка насосная поршневая по п.1, отличающаяся тем, что направляющие в водиле расположены между сателлитами осесимметрично и вдоль оси вращения.

5. Установка насосная поршневая по п.1, отличающаяся тем, что тяга от штока выполнена телескопической.

6. Установка насосная поршневая по п.1, отличающаяся тем, что тяга от штока выполнена из гибкого элемента с упором.