Поршневой насос с вертикальным пружинным компенсатором колебаний давления Российский патент 2021 года по МПК F04B15/02 F04B11/00 

Изобретение относится к нефтепромысловому оборудованию и к устройствам для гашения пульсации давления в трубопроводных системах и может быть применено для буровых поршневых насосов.

Известна конструкция бурового насоса, содержащая корпус, размещенную в нем механическую часть, состоящую из трансмиссионного вала и кривошипно-шатунного механизма, и гидравлическую часть, содержащую гидравлический блок, состоящий из блока гидравлических коробок и пневмокомпенсаторов низкого и высокого давления для всасывающего и нагнетательного коллекторов соответственно, пневмокомпенсаторы низкого и высокого давления содержат рабочий эластичный элемент, размещенный в корпусе (RU 132144, 10.09.2013).

Недостатками указанного технического решения являются увеличение металлоемкости насосного агрегата из-за применения двух пневмокомпенсаторов на нагнетательном коллекторе, недостаточная долговечность и эластичность рабочих элементов пневмокомпенсаторов под действием бурового раствора и низких температур, неспособность пневмокомпенсаторов гасить пульсацию давления в широких диапазонах из-за ограниченного объема газовой камеры.

Наиболее близким по принципу действия известна скважинная штанговая насосная установка с пневмокомпенсатором, состоящим из двух полусфер, которые скрепляются между собой шпильками. Пневмокомпенсатор устанавливается в герметичную теплоизолированную от окружающей среды камеру, внутри которой пробурена скважина глубиной, превышающей глубину промерзания грунта, причем скважина закрыта металлической сеткой, а корпус камеры имеет откидную крышку, рабочая полость пневмокомпенсатора сообщена с затрубным пространством скважины через пружинный предохранительный клапан (RU 2655485, 28.05.2018).

Недостатками указанного технического решения являются сложность установки теплоизоляционной камеры, дополнительные затраты по ее обслуживанию для обеспечения изоляции пневмокомпенсатора от воздействия низких температур, большие габаритные размеры, низкая долговечность диафрагмы, а также неспособность пневмокомпенсатора работать в широком диапазоне колебаний давления.

Решаемой задачей изобретения является повышение долговечности рабочего элемента компенсатора колебаний давления, снижение затрат на обслуживание, уменьшение габаритных размеров, а также обеспечение работы устройства при широких диапазонах колебания давления, за счет установки в корпус стальных пружин с вертикальным расположением, вместо резиновой диафрагмы.

Указанная задача решается тем, что поршневой насос, с вертикальным пружинным компенсатором колебаний давления, содержащий корпус, размещенные в нем приводную часть, гидравлическую часть, состоящую из блока гидравлических коробок и вертикального пружинного компенсатора, установленного на нагнетательной линии с помощью фланцевого соединения, согласно предлагаемому техническому решению пружинный компенсатор оборудован расположенным внутри корпуса литым поршнем, внутренняя поверхность которого выполнена в виде двух полусфер, содержащих два отверстия, располагающихся под некоторым углом к потоку жидкости, с перпендикулярным расположением осей и пересечением в центре поршня для частичного гашения пульсаций давления до вступления в работу пружин сжатия, рабочей секцией, включающей пружины сжатия, параметры которых подобраны таким образом, что гашение пульсации давления происходит в широких диапазонах, а нагрузка на витки каждой отдельной пружины происходит последовательно и равномерно, крышки корпуса содержащей транспортировочное ушко и закрепленной шпильками к рабочей секции для герметичного соединения, к нижней части корпуса прикреплен фланец, содержащий пазы для установки прокладки снижающие ударные нагрузки со стороны поршня, внутренние стенки фланца, расположены под углом для подвода жидкости вдоль внутренних стенок поршня в отверстия и крепящийся к ответному фланцу со стороны нагнетательного трубопровода.

Отличительными признаками предлагаемого поршневого насоса, с вертикальным пружинным компенсатором колебаний давления от указанного выше известного, наиболее близкого к нему являются:

- вертикальный пружинный компенсатор состоит из корпуса, внутри которого расположен поршень, внутренняя поверхность которого выполнена в виде двух полусфер, включая отверстия, составляющих некоторый угол с направлением потока жидкости и имеющих пересечение осей под прямым углом и служит для образования встречных потоков для их последующего завихрения и соударения для обеспечения частичного гашения пульсации до вступления в работу пружин сжатия.

- соединенная с корпусом шпильками рабочая секция, включает пружины сжатия, установленные в пазах элементов конструкции компенсатора, параметры (жесткость, длина, диаметр, количество витков и тд.) которых подобраны таким образом, что гашение пульсации давления обеспечивается в широких диапазонах, а нагрузка на витки каждой отдельной пружины происходит последовательно и равномерно, повышая их долговечность и эффективность работы.

- крышка корпуса, закрепленная шпильками к рабочей секции и содержащая транспортировочное ушко, служит для герметичного соединения.

- нижний фланец выполнен таким образом, что его форма способствует плавному и эффективному подводу жидкости в отверстия поршня для сонаправления.

На фиг. 1 представлено устройство вертикального пружинного компенсатора, на фиг. 2 представлен общий вид поршневого насоса с вертикальным пружинным компенсатором.

Конструкция вертикального пружинного компенсатора:

1 - корпус;

2 - рабочая секция;

3 - шпильки;

4 - поршень;

5 - сквозные отверстия;

6 - шток;

7 - втулки;

8, 9, 10 - пружины;

11 - крышка корпуса;

12 - транспортировочное ушко;

13 - фланец;

14 - крепежный элемент;

15 - прокладка;

16 - посадочный диск;

17 - уплотнения штока;

18 - торцевые уплотнения.

Конструкция скважинной штанговой насосной установки:

19 - корпус;

20 - блок гидравлический;

21 - вертикальный пружинный компенсатор;

22 - крышка корпуса;

23 - рама;

24 - шкив;

25 - предохранительный клапан;

26 - крышка клапана;

27 - шток;

28 - система смазки штока.

Вертикальный пружинный компенсатор (фиг. 1) состоит из двух секций - нижней представленной корпусом 1, а также верхней в виде рабочей полости 2. Соединение двух секций осуществляется за счет затяжек шпилек 3. Внутри нижней секции расположен рабочий орган - поршень 4, выполненный в виде двух полусфер для эффективного подвода жидкости к отверстиям 5, составляющих некоторый угол с направлением потока жидкости и имеющих пересечение осей под прямым углом для создания встречных вихревых потоков и частичного гашения пульсации давления.

Поршень 4 и шток 6, содержащий установочные пазы, выполнены литьем. Втулки 7, надетые вдоль штока 6, служат для установки и фиксации пружин 8, 9, 10 - низкой, средней, высокой жесткости соответственно, а также для передачи поступательного движения от поршня 4. Крышка корпуса 11 с пазами для пружины 10, содержащая транспортировочное ушко 12 для транспортировки и ремонта, а также полый участок для свободного хода штока 6, устанавливается в верхней части рабочей полости 2 и фиксируется шпильками 3.

К нижней части корпуса 1 присоединен фланец 13 с помощью крепежных элементов 14. Фланец 13, крепящийся к ответному фланцу со стороны нагнетательного трубопровода, содержит пазы для установки прокладки 15 для снижения ударных нагрузок со стороны поршня 4, а также внутренние стенки, расположенные под некоторым углом для эффективного подвода жидкости вдоль внутренних стенок поршня 4 в отверстия 5.

Посадочный диск 16 установлен в пазах корпуса и служит для стягивания уплотнений 17 вдоль внешних стенок штока 6. На стыках корпусных деталей установлены торцевые уплотнения 18.

Устройство работает следующим образом.

Поршневой насос подает жидкость в нагнетательной трубопровод с установленным на нем вертикальным пружинным компенсатором с помощью фланцевого соединения. Жидкость огибает стенки фланца 13 и поступает в полусферические полости поршня 4, затем движется в отверстия 5 и смешивается со встречным потоком с противоположной стороны. Два встречных потока образуют завихрения за счет углового расположения отверстий 5, тем самым поглощая некоторую часть энергии пульсации потока.

Под действием давления жидкости поршень 4, расположенный в корпусе 1, приводит в действие шток 6, который совершает поступательное движение вместе с втулками 7, приводя в действие пружины 8, 9, 10, размещенные в рабочей полости 2. В пружинах возникают силы упругости, направленные в противоположную сторону усилиям на поршень под действием жидкости.

Параметры пружин 8, 9, 10 (диаметр, жесткость, количество витков и т.д.) подобраны таким образом, чтобы обеспечить равномерное гашение пульсации давления. Пружина 8 предназначена для низкой области колебаний давления, пружина 9 - для средней, пружина 10 - для высокой. Пружина 8 обладает меньшей площадью сечения витков по сравнению с пружинами 9, 10, но большим количеством витков и длиной хода. Такая конструкция пружины 8 необходима для того, чтобы компенсировать нагрузку от веса поршня 4, штока 6 и втулок 7 при нагнетании жидкости.

При установившейся амплитуде колебаний давления в работе участвуют все перечисленные пружины, что позволяет равномерно распределить нагрузку. В том числе, при перепадах давления исключено соударение витков с последующей деформацией, за счет эффективной последовательной передачи сжатия каждой пружине. Конструкция данного типа позволяет использовать компенсатор в широких диапазонах колебаний давления, а также повысить долговечность рабочих элементов - пружин, за счет равномерного распределения продольной нагрузки.

Ограничительное устройство хода штока отсутствует по причине подбора жесткости пружины 10, такой, что максимальное давление, развиваемое насосом, не превышает силу упругости пружины.

Поршень 4 установлен в полости корпуса с некоторым зазором для исключения трения движущейся детали о стенки. Жидкость поступает в полость корпуса, но дальнейшее ее движение в рабочую полость отсутствует за счет установки уплотнений штока 17.

Данная конструкция обеспечивает высокую степень выравнивания неравномерности подачи поршневого насоса в широких диапазонах, за счет подбора параметров и последовательного соединения пружин без использования работы сжатия газа заданного объема, обладает высокой долговечностью рабочих элементов, что повышает экономическую эффективность при ремонте устройства.

Поршневой насос с вертикальным пружинным компенсатором колебаний давления, содержащий корпус, размещенные в нем приводную часть, гидравлическую часть, состоящую из блока гидравлических коробок и вертикального пружинного компенсатора, установленного на нагнетательной линии с помощью фланцевого соединения, отличающийся тем, что пружинный компенсатор оборудован расположенным внутри корпуса литым поршнем, внутренняя поверхность которого выполнена в виде двух полусфер, содержащих два отверстия, располагающихся под некоторым углом к потоку жидкости, с перпендикулярным расположением осей и пересечением в центре поршня для частичного гашения пульсаций давления до вступления в работу пружин сжатия, рабочей секцией, включающей пружины сжатия, параметры которых подобраны таким образом, что гашение пульсации давления происходит в широких диапазонах, а нагрузка на витки каждой отдельной пружины происходит последовательно и равномерно, крышки корпуса, содержащей транспортировочное ушко и закрепленной шпильками к рабочей секции для герметичного соединения, к нижней части корпуса прикреплен фланец, содержащий пазы для установки прокладки, снижающей ударные нагрузки со стороны поршня, внутренние стенки фланца, расположенные под углом для подвода жидкости вдоль внутренних стенок поршня в отверстия, и крепящийся к ответному фланцу со стороны нагнетательного трубопровода.