МНОГОСТУПЕНЧАТОЕ НАСОСНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2010 года по МПК F04C2/344 F04C11/00 

Изобретение относится к насосам объемного типа, а более конкретно к корпусным многоступенчатым насосам, предназначенным для перекачивания газов, жидкостей и мультифазных смесей, не обладающих смазывающими свойствами, с высоким содержанием механических примесей и/или имеющих высокую вязкость, например, пластовых жидкостей нефтяных месторождений.

Известен погружной центробежный многоступенчатый насос с радиально-опорными подшипниками, содержащий набор ступеней, собранных в цилиндрическом корпусе (патент РФ №2250392, F04D 13/10, 2005 г.). Такая конструкция исключает перекосы контактирующих поверхностей за счет центрирования каждого рабочего колеса относительно направляющего аппарата, уменьшая их износ. Насос предназначен для перекачивания жидкостей с абразивными частицами, т.к. предотвращает износ трущихся поверхностей ступиц направляющих аппаратов, уменьшает вибрацию ротора за счет центрирования его относительно направляющих аппаратов и разгрузки радиальных опор вала насоса.

Однако недостатками конструкции являются технологические сложности и трудоемкость в изготовлении, что требует специальных методов обработки и дорогостоящей оснастки, невысокие напоры на одну ступень и, как следствие, большие габариты (длина) насоса, а также невозможность перекачивания газов и газожидкостных смесей и смесей, обладающих высокой вязкостью.

Известен пластинчатый нефтяной насос, содержащий корпус, ротор с радиальными пазами, в которых размещены рабочие пластины, постоянно находящиеся в контакте с внутренней профилированной поверхностью корпуса во время вращения ротора, между которыми расположены камеры перекачивания смесей (патент РФ №2191926, F04C 2/344, 2002 г.).

Полость корпуса выполнена в виде цилиндрической поверхности, образованной двумя парами симметрично расположенных дуг с различными радиусами и плавными переходами от дуг большего радиуса к дугам меньшего радиуса. Поверхности одинаковых радиусов расположены напротив друг друга. Ротор насоса имеет цилиндрическую поверхность, образованную окружностью с радиусом, меньшим, чем малый радиус внутренней поверхности корпуса. Рабочие пластины числом не менее 8 подпружинены в радиальных пазах с возможностью радиального перемещения, а на внутренней поверхности паза выполнены канавки, соединяющие объем паза под рабочей пластиной с камерами перекачивания. Рабочие пластины выполнены из износостойкого полиуретана с добавлением смеси дисульфида молибдена, графита окисленного и др. Внутренняя поверхность полости корпуса и подшипники скольжения выполнены из того же полиуретана, а боковые крышки из стали.

Недостатки известного технического решения заключаются в следующем:

- невозможность создания многоступенчатого насосного устройства на основе этого насоса;

- невозможность перекачивания сред с высоким содержанием механических частиц, так как конструкция не обеспечивает проточное течение перекачиваемой жидкости и способствует образованию застойных зон;

- известная конструкция насоса не позволяет изготавливать все трущиеся детали только из твердых сплавов, например карбидов титана, вольфрама или кремния, твердость которых выше твердости механических частиц в перекачиваемой жидкости.

Наиболее близким к заявляемому является погружной многоступенчатый центробежный насос для добычи нефти, который является гидродинамической машиной (патент РФ №2328624, F04D 13/10, F04D 29/62, 2008 г.).

Недостатками данной конструкции являются:

- неспособность центробежными ступенями насоса длительное время перекачивать среды с большим количеством механических примесей из-за износа элементов насоса, выполненных из материалов с невысокой твердостью, поскольку в процессе работы перекачиваемая среда постоянно меняет направление движение и, как следствие, появляется гидроабразивный износ. Кроме того, в насосе имеется большое количество застойных зон и различных полостей, в которых накапливаются механические примеси, усложняя разборку при ремонте;

- невозможность уменьшать расход среды уменьшением частоты вращения насоса без потери напора, как следствие, необходимость применения дросселирования, что снижает к.п.д.;

- неспособность центробежными ступенями насоса перекачивать газы и газожидкостные смеси с содержанием свободного газа более 50%, так как происходит срыв подачи;

- неспособность центробежными ступенями насоса перекачивать смеси с высокой вязкостью, поскольку при этом значительно снижается к.п.д. и напорно-расходная характеристика (при определенной вязкости перекачиваемой смеси насос прекращает работу), а также приводит к быстрому отложению различных механических примесей в проточных полостях;

- низкий напор на ступень приводит к большой длине насоса, что ухудшает технологичность изготовления, усложняет сборку и приводит к высокой материалоемкости изготовления;

- в процессе перекачки идет постоянное перемешивание среды, что приводит к образованию устойчивых эмульсий, усложняющих дальнейшую сепарацию жидкостей;

- насосы сложны в изготовлении, требуют специальных методов обработки и сложной оснастки.

Техническая задача, которая решена изобретением, заключается в расширении функциональных возможностей устройства путем использования его для перекачивании газов, жидкостей и мультифазных смесей, не обладающих смазывающими свойствами, с высоким содержанием механических примесей и/или имеющих высокую вязкость, а также в реализации возможности регулирования расхода перекачиваемых сред в диапазонах от 0,1 до 5 от номинальных значений без существенных потерь рабочего давления и к.п.д., при одновременном повышении технологичности изготовления элементов устройства.

Сущность технического решения заключается в том, что в многоступенчатом насосном устройстве, включающем по меньшей мере две ступени насосов, размещенные последовательно на общем валу, согласно формуле каждая ступень выполнена в виде пластинчатого насоса объемного типа с предохранительным клапаном и уплотнением между валом и ротором, установленным с возможностью осевого перемещения на валу, и включает ротор с рабочими пластинами, перемещающимися в его пазах и расположенный внутри корпуса, внутренняя поверхность которого образована двумя парами симметрично расположенных дуг разных радиусов и плавными переходными участками от дуг большего радиуса к дугам меньшего радиуса, и ограниченный с торцов боковыми крышками, при этом в боковой впускной крышке выполнены по меньшей мере два основных впускных окна и по меньшей мере два дополнительных впускных окна, а по меньшей мере два основных выпускных окна и по меньшей мере два дополнительных выпускных окна выполнены в противоположной крышке, при этом каждые по меньшей мере два окна расположены внутри плоского сектора с центральными углами, рассчитанными по формуле: 90°-360°/n, где n - число рабочих пластин. Указанные плоские сектора боковой впускной крышки развернуты относительно плоских секторов боковой выпускной крышки на прямой угол, причем указанные боковые крышки закреплены на корпусе с размещением указанных плоских секторов напротив плавных переходных участков внутренней поверхности корпуса. Статор, ротор, рабочие пластины и боковые крышки выполнены твердосплавными.

В отличие от прототипа заявляемое устройство включает несколько ступеней, являющихся пластинчатыми насосами объемного типа со всеми преимуществами по сравнению с центробежными, а именно расход пропорционален оборотам вала при постоянном давлении на выходе, возможность перекачивать сжимаемые среды, высокий к.п.д. и высокий напор на ступень. В то же время, так же как и центробежный насос, заявляемое устройство позволяет создавать определенный расчетный напор на каждую ступень, как следствие, снижение нагрузок и возможность уменьшения точности изготовления деталей насоса.

При равных диаметральных размерах ступень объемного типа имеет большие преимущества, т.к. их напор на порядок и более выше, чем у центробежной ступени, что позволяет существенно снижать габариты установки.

Заявляемая конструкция каждой ступени позволяет перекачивать мультифазные вязкие смеси с высоким содержанием механических примесей, благодаря исключению образования застойных зон внутри ступени и возможности использования твердосплавных материалов для изготовления трущихся деталей насоса, а именно всех деталей, образующих рабочие камеры.

Выполнение уплотнения между валом и ротором позволяет существенно снизить внутренние утечки, препятствуя перетеканию среды между ступенями в зазоре подвижного соединения между ними, что повышает к.п.д. и расходно-напорные характеристики заявляемого насосного устройства.

Каждая ступень в виде пластинчатого насоса объемного типа снабжена предохранительным клапаном, который сбрасывает избыток давления и настроен на перепад давлений, равный максимально возможному давлению, которое способна развить ступень насоса, сохраняя при этом требуемую долговечность. Как следствие, исключается перегружение или поломка какой-либо ступени и всего устройства в целом.

Пластинчатый насос включает ротор, имеющий возможность осевого перемещения на валу, с рабочими пластинами, перемещающимися в его пазах, и расположенный внутри статора, внутренняя поверхность которого образована двумя парами симметрично расположенных дуг разных радиусов и плавными переходными участками от дуг большего радиуса к дугам меньшего радиуса, и ограниченный с торцов боковыми крышками, в котором указанные плоские сектора боковой впускной крышки смещены относительно плоских секторов боковой выпускной крышки на угол 90°, причем указанные боковые крышки закреплены на статоре с размещением указанных плоских секторов напротив дугообразных переходных участков внутренней поверхности статора. Статор, ротор, рабочие пластины и боковые крышки выполнены твердосплавными.

Существенные признаки, заключающиеся в том, что в боковой впускной крышке выполнены по меньшей мере два основных впускных окна и по меньшей мере два дополнительных впускных окна, а по меньшей мере два основных выпускных окна и по меньшей мере два дополнительных выпускных окна выполнены в противоположной боковой выпускной крышке, позволяют осуществлять преимущественно осевое направление движения перекачиваемой смеси, что способствует более качественной промывке всего внутреннего объема насоса, исключению образования застойных зон, а также неравномерного износа верхней кромки рабочей пластины за счет отсутствия радиальных впускных и выпускных окон на статоре.

Выполнение дополнительных впускных окон на одной из боковых крышек, а дополнительных выпускных окон на противоположной боковой крышке в зонах изменения объемов между пазами ротора и нижней плоскостью пластин, позволяет перекачивать дополнительное количество жидкости и осуществлять промывание пространства под пластинами, а также исключить непроизводительную операцию на роторе - получение канавок, особенно если ротор выполнен из твердого сплава.

При расположении каждой по меньшей мере пары окон внутри плоского сектора с центральными углами, рассчитанными по формуле: 90°-360°/n, где n - число рабочих пластин, а также если указанные плоские сектора боковой впускной крышки развернуты относительно плоских секторов боковой выпускной крышки на прямой угол, причем указанные боковые крышки закреплены на корпусе с размещением указанных плоских секторов напротив плавных переходных участков внутренней поверхности статора, обеспечивает перемещение рабочих пластин в пазах ротора только в тех случаях, когда перепад давлений не действует на переднюю и заднюю плоскости рабочих пластин и, соответственно, обеспечивает статическое положение рабочих пластин, когда действует перепад давлений. Это позволяет практически исключить попадание твердых механических частиц в зону контакта пары «пластина-паз ротора» и снизить силы трения в этой паре.

Выполнение всех трущихся элементов насоса, образующих рабочие камеры (статора, ротора, рабочих пластин, боковых крышек), из твердых сплавов, например карбидов титана, вольфрама или кремния, дает возможность перекачивать насосом среды, не обладающие смазывающими свойствами, с высоким содержанием механических частиц и/или имеющих высокую вязкость.

Заявляемая конструкция устройства проиллюстрирована следующим образом.

На фиг.1 показан общий вид многоступенчатого насосного устройства заявляемой конструкции, на фиг.2 - вид А с двумя ступенями на фиг.1, на фиг.3 представлен разрез Б-Б на фиг.2, а на фиг.4 показана ступень заявляемого устройства в изометрии на фиг.1.

Многоступенчатый насос содержит набор последовательно собранных одинаковых ступеней 1, установленных в цилиндрическом корпусе 2 на общем валу 3, включающих предохранительный клапан 4 и уплотнение 5.

Каждая ступень 1 является пластинчатым насосом и включает корпус 6, внутри которой жестко установлен статор 7. Ротор 8 выполнен с радиальными пазами 9, вдоль которых перемещаются рабочие пластины 10, имеющие переднюю 11, заднюю 12 и нижнюю 13 плоскости. В боковой впускной крышке 14 выполнены пара основных впускных окон 15 и пара дополнительных впускных окон 16.

Пара основных выпускных окон 17 и пара дополнительных выпускных окон 18 расположены на боковой выпускной крышке 19. Каждая пара окон 15, 16 и 17, 18 на обеих крышках 14 и 19 расположена внутри плоского сектора В с центральными углами Y и σ, которые рассчитываются по формуле: 90°-360°/n, т.е. могут отличаться по площади. При этом n - число рабочих пластин 10, которое может изменяться от 5 до 19. Указанные сектора В крышек 14 и 19 смещены на угол 90° относительно друг друга.

Рабочая камера 20 образована внутренней профильной поверхностью обечайки или статора 7, наружной поверхностью ротора 8, передней 11 и задней 12 плоскостями пластин 10 и ограничена в осевом направлении торцовыми поверхностями боковых крышек 14 и 19.

Нижняя подпластинчатая камера 21 образована поверхностью радиального паза 9 ротора 8, нижней плоскостью 13 рабочих пластин 10 и ограничена в осевом направлении торцовыми поверхностями крышек 14 и 19.

Внутренняя поверхность статора 7 образована двумя парами симметрично расположенных дуг разных радиусов r и R, ограниченных центральными углами α и β и плавными переходными участками 22.

Плоские сектора В боковых крышек 14 и 19 размещены напротив переходных участков 22 внутренней поверхности статора 7. Между ступенями 1 расположены дистанционные втулки 23.

Ведущим звеном в насосе является общий вал 3, установленный на подшипниках скольжения 24, сжатых в общий пакет со ступенями 1 в цилиндрическом корпусе 2, посредством концевых деталей 25 и 26, причем вал 3 сопряжен с ротором 8 каждой ступени 1 с возможностью осевого перемещения и имеет в этом сопряжении уплотнение 5.

Каждая ступень 1 многоступенчатого насосного устройства работает следующим образом.

При вращении ротора 8 центробежные силы прижимают пластины 10, установленные в радиальных пазах 9, к внутренней поверхности статора 7, жестко связанного с корпусом 6. Между ротором 8, статором 7, крышками 14 и 19 и каждой передней 11, задней 12 плоскостями каждой пары пластин 10 имеются рабочие камеры 20, количество которых равно числу лопаток 10. Внутри секторов В с центральными углами γ и δ располагаются основные и дополнительные впускные и выпускные окна 15, 16 и 17, 18 соответственно, через которые перекачиваемая мультифазная смесь с механическими примесями поступает в рабочие камеры 20 и в подпластинчатые камеры 21, затем выходит из них.

При вращении ротора 8 объемы рабочих камер 20 на участках профилированной поверхности статора 7 изменяются, так как пластины 10 в эти моменты совершают движение относительно пазов 9 ротора 8, и через основные впускные окна 15 и дополнительные впускные окна 16 перекачиваемая смесь поступает в рабочие камеры 20 и подпластинчатые камеры 21 соответственно. Далее при вращении ротора 8 на участках профилированной поверхности статора 7, ограниченных углами α и β, объемы рабочих камер 20 и подпластинчатых камер 21 остаются постоянными, происходит перемещение перекачиваемой смеси к основным выпускным окнам 17 и дополнительным выпускным окнам 18. При достижении пластиной 10 переходного участка профилированной поверхности статора 7, ограниченного углами γ и δ, начинается перемещение пластины 10 в пазу 9 ротора 8, при этом давление смеси со всех сторон пластины 10 становится одинаковым (пластина оказывается целиком на линии нагнетания) и происходит вытеснение перекачиваемой жидкости из рабочих камер 20 и подпластинчатых камер 21 в напорную линию насоса через выпускные окна 17 и дополнительные выпускные окнам 18 соответственно.

Таким образом осуществляется перекачивание мультифазной смеси, содержащей механические примеси, не только рабочими 20, но и подпластинчатыми камерами 21, а рабочие пластины 10 совершают движение относительно пазов 9 ротора 8 только в тех случаях, когда на них не действует перепад давлений, и соответственно пластины 10 неподвижны относительно радиальных пазов 9, когда на них действует перепад давлений.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

При вращении вала 3 перекачиваемая среда перемещается из одной ступени 1 в другую, последовательно установленную в общем наборе (не показана), увеличивая напор насосного устройства пропорционально количеству ступеней. Уплотнение 5 препятствует перетокам среды между ступенями в зазоре между валом 3 и роторами 8.

Поскольку ступень устройства представляет собой пластинчатый насос объемного типа, то при определенных условиях возможно неравномерное распределение давления между ступенями 1 и, как следствие, перегрузка или поломка какой-либо ступени и, соответственно, всего устройства. Для предотвращения этого каждая ступень 1 имеет предохранительный клапан 4, который сбрасывает избыток давления, тем самым ограничивая его значение для каждой ступени 1 и обеспечивает равномерную нагрузку многоступенчатого насосного устройства.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет увеличивать рабочее давление перекачиваемой среды кратно количеству ступеней и имеет преимущества насосов как объемного типа (расход пропорционален оборотам вала при постоянном рабочем давлении, возможность перекачивать сжимаемые среды, высокий к.п.д. и высокий напор на ступень), так и многоступенчатых насосов (определенный расчетный напор на каждую ступень и, как следствие, уменьшение нагрузок).

Устройство предназначено для перекачивания газов, жидкостей и мультифазных смесей. Устройство включает по меньшей мере две ступени насосов, размещенные последовательно на общем валу. Каждая ступень выполнена в виде пластинчатого насоса объемного типа и включает ротор 8, расположенный внутри корпуса 6, внутренняя поверхность которого образована двумя парами симметрично расположенных дуг разных радиусов и плавными переходными участками от дуг большего радиуса к дугам меньшего радиуса, и ограниченный с торцов боковыми крышками. В боковой впускной крышке выполнены по меньшей мере два основных впускных окна 15 и по меньшей мере два дополнительных впускных окна 16, а по меньшей мере два основных выпускных окна 17 и по меньшей мере два дополнительных выпускных окна 18 выполнены в противоположной крышке. Плоские сектора впускной крышки развернуты относительно плоских секторов выпускной крышки на прямой угол. Крышки закреплены на корпусе 6 с размещением указанных плоских секторов напротив плавных переходных участков внутренней поверхности корпуса 6. Статор 7, ротор 8, рабочие пластины 10 и боковые крышки выполнены твердосплавными. Многоступенчатость устройства позволяет увеличивать рабочее давление перекачиваемой среды кратно количеству ступеней, уменьшая нагрузку на каждую ступень. 4 ил.

Многоступенчатое насосное устройство, включающее по меньшей мере две ступени насосов, размещенные последовательно на общем валу, отличающееся тем, что каждая ступень выполнена в виде пластинчатого насоса объемного типа с предохранительными клапанами и уплотнением между валом и ротором, установленным с возможностью осевого перемещения на валу, и включает ротор с рабочими пластинами, перемещающимися в его пазах, расположенный внутри корпуса, внутренняя поверхность которого образована двумя парами симметрично расположенных дуг разных радиусов и плавными переходными участками от дуг большего радиуса к дугам меньшего радиуса, и ограниченный с торцов боковыми крышками, при этом в боковой впускной крышке выполнены по меньшей мере два основных впускных окна и по меньшей мере два дополнительных впускных окна, а по меньшей мере два основных выпускных окна и по меньшей мере два дополнительных выпускных окна выполнены в противоположной крышке, при этом каждые по меньшей мере два окна расположены внутри плоского сектора с центральными углами, рассчитанными по формуле: 90-360°/n, где n - число рабочих пластин, а указанные плоские сектора боковой впускной крышки развернуты относительно плоских секторов боковой выпускной крышки на прямой угол, причем указанные боковые крышки закреплены на корпусе с размещением указанных плоских секторов напротив плавных переходных участков внутренней поверхности корпуса, а статор, ротор, рабочие пластины и боковые крышки выполнены твердосплавными.