Результат интеллектуальной деятельности: ПОГРУЖНОЙ СДВОЕННЫЙ ВИНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНАСОС

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в винтовых насосах для добычи нефти из скважин.

Известен погружной одновинтовой электронасос для добычи нефти, состоящий из обоймы, внутри которой размещен рабочий винт, приводного вала, механически связанного с рабочим винтом с помощью гибкого вала, и осевой опоры (см., например, описание изобретения к патенту РФ RU №2256819 C1, F04C 2/107, от 23.10.03).

Недостатком известной конструкции одновинтового насоса является то, что при его работе возникают значительные осевые усилия. Это диктует необходимость применения осевой опоры повышенной грузоподъемности, что приводит к усложнению как самой конструкции винтового насоса, так и его сборки. Кроме того, при работе одновинтового насоса в результате трения, возникающего под воздействием значительных осевых усилий, происходит нагрев осевой опоры, что приводит к дополнительному нагреву масла, заполняющего полость электродвигателя, и, как следствие, к перегреву электродвигателя и выходу его из строя. Кроме того, схемное решение одновинтового насоса ограничивает возможности по подаче в случае его использования для добычи нефти.

Известен сдвоенный гидравлически уравновешенный одновинтовой электронасос для добычи нефти, состоящий из приводного электродвигателя, двух расположенных друг за другом рабочих пар правого и левого направления винтовых поверхностей с соосно установленными жестко связанными обоймами, имеющими рабочие втулки из эластичного материала (см., например, описание изобретения к авторскому свидетельству №236987 от 09.08.1962, МПК F 05g). В известном насосе рабочие винты выполнены раздельными, оси винтов смещены относительно оси рабочих втулок в диаметрально противоположные стороны на величину эксцентриситета, а нижний винт связан с валом электродвигателя и с верхним винтом с помощью универсальных шарниров. Указанный насос работает в более широком диапазоне подач за счет суммирования подач от рабочих пар. Осевые усилия, возникающие во время вращения винтов в сдвоенном электронасосе, направлены в противоположные стороны друг от друга, что обеспечивает уравновешивание осевой нагрузки.

Однако в описанной схеме при работе сдвоенного гидравлически уравновешенного одновинтового электронасоса возникает дисбалансная осевая нагрузка, которая обусловлена технологией изготовления рабочих пар и разницей зазоров и натягов в парах и соединительных элементах. Указанная дисбалансная осевая нагрузка является неопределенной как по величине, так и по направлению, и ее воздействие на рабочие пары приводит к быстрому износу рабочих пар, а при значительном увеличении и к обрыву винта в рабочей паре. Это сокращает надежность и долговечность работы насоса.

В качестве прототипа выбран погружной сдвоенный винтовой электронасос для добычи высоковязкой нефти из скважин (см., например, Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, А.Н.Гноевых «Одновинтовые гидравлические машины», М., Газпром, 2005, т.1, с.51-59), который выполнен по гидравлически уравновешенной схеме с возможностью использования его в широком диапазоне подач. Насос содержит электродвигатель, две вертикально и последовательно расположенные рабочие пары винт-обойма, выполненные с разнонаправленными винтовыми поверхностями, рабочие пары соединены между собой посредством сдвоенной эксцентриковой муфты, при этом нижняя рабочая пара связана с основанием, а поперечное сечение винта каждой рабочей пары образовано окружностью, центр которой смещен относительно оси винта на величину эксцентриситета.

В указанном насосе основание (осевая опора) воспринимает дисбалансные осевые нагрузки, направленные только вниз. При этом в случае возникновения дисбалансных осевых нагрузок, направленных вверх, необходимо, кроме основной осевой опоры, размещенной снизу, устанавливать дополнительную опору сверху. Это усложняет конструкцию винтового насоса, а кроме того, из-за неопределенности значения дисбалансной осевой нагрузки как по величине, так и по направлению, не исключает ее отрицательного воздействия на рабочие пары винтового насоса.

Технический результат предложенного изобретения заключается в повышении надежности и долговечности работы погружного сдвоенного электронасоса при использовании его для добычи нефти из скважин в широком диапазоне подач за счет формирования при работе насоса гарантировано направленной осевой нагрузки.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в погружном сдвоенном винтовом электронасосе, содержащем электродвигатель, верхнюю вертикально расположенную рабочую пару винт-обойма и нижнюю вертикально расположенную рабочую пару винт-обойма, связанную с основанием, рабочие пары выполнены с разнонаправленными винтовыми поверхностями и соединены между собой посредством сдвоенной эксцентриковой муфты, причем поперечное сечение винта каждой рабочей пары образовано окружностью, центр которой смещен относительно оси винта на величину эксцентриситета, согласно изобретению винты верхней и нижней рабочих пар в поперечном сечении выполнены с разными диаметрами окружностей, обеспечивающими при работе насоса создание гарантировано направленной осевой нагрузки, при этом значения эксцентриситетов, число шагов винтовых поверхностей и зазоры в рабочих парах равны между собой.

Поставленный технический результат достигается в частном случае, когда основание насоса выполнено в виде отдельного опорного модуля.

Кроме того, технический результат достигается в частном случае, когда в погружном сдвоенном винтовом электронасосе винт верхней рабочей пары выполнен с больший диаметром окружности, определяющей его поперечное сечение, чем диаметр окружности, определяющей поперечное сечение винта нижней рабочей пары.

Достижение поставленного результата обеспечивается также и в случае выполнения погружного сдвоенного винтового электронасоса с винтом верхней рабочей пары, имеющим меньший диаметр окружности, определяющей его поперечное сечение, чем диаметр окружности, определяющей поперечное сечение нижнего винта, при этом вал опорного модуля связан с винтом нижней рабочей пары через последовательно установленные трансмиссионный и гибкий валы.

Сущность технического решения поясняется чертежом, где в качестве примера реализации представлен погружной сдвоенный винтовой электронасос, в котором винт верхней рабочей пары в поперечном сечении выполнен с меньшим диаметром, чем винт нижней рабочей пары, при этом:

на фиг.1 показан продольный разрез винтового электронасоса со стороны верхней рабочей пары винт-обойма,

на фиг.2 - продольный разрез винтового электронасоса со стороны нижней рабочей пары винт-обойма,

на фиг.3 - поперечное сечение верхней рабочей пары винт-обойма (разрез А-А на фиг.2),

на фиг.4 - поперечное сечение винта нижней рабочей пары (разрез Б-Б на фиг.2).

Погружной сдвоенный винтовой электронасос состоит из нижней рабочей пары П, содержащей винт 1 и обойму 2 с правым направлением винтовых поверхностей, и верхней рабочей пары Л, включающей в себя винт 3 и обойму 4 с левым направлением винтовых поверхностей. Нижний конец винта 1 рабочей пары П через гибкий вал 5 и трансмиссионный вал 6 связан с валом 7 основания 8. Противоположный конец вала 7 основания 8 соединен с валом узла гидравлической защиты электродвигателя (на чертеже не показано). Основание выполнено в виде отдельного опорного модуля 8 и рассчитано на восприятие направленного осевого усилия, создаваемого винтовым насосом, которое не более значения осевого усилия, создаваемого одним винтом. Верхний конец винта 1 нижней рабочей пары П соединен с первым корпусом 9 эксцентриковой муфты 10, второй корпус 11 которой соединен с винтом 3 верхней рабочей пары Л. Внутри корпусов 9 и 11 эксцентриковой муфты 10 размещены сферические шарниры (на чертеже не показаны), которые соединены между собой с помощью вала 12. Использование в соединениях элементов винтового насоса трансмиссионного вала 6, гибкого вала 5 и эксцентриковой муфты 10 обеспечивает надежную связь при несоосности соединяемых валов насоса и возникающих во время вращения угловых смещениях, обусловленных смещением осей винтов относительно оси насоса в противоположные стороны на величину эксцентриситета. Винты 1 и 3 рабочих пар П и Л в поперечном сечении образованы окружностями с разными диаметрами D₁ и D₂. Центры окружностей смещены относительно оси винтов на величину эксцентриситета 2е. При этом эксцентриситет 2е, количество шагов винтовых поверхностей, а также зазоры рабочих пар П и Л выполнены одинаковыми (фиг.3 и 4). Насос размещен в корпусе 13 с отверстиями 14 и 15, через которые полости низкого давления 16 и 17 насоса связаны с окружающей средой (затрубным пространством).

Возможны два варианта выполнения предложенного решения.

В первом варианте выполнения винт 3 верхней рабочей пары Л выполнен с большим диаметром D₁ окружности, определяющей его поперечное сечение, чем диаметр D₂ окружности, определяющей поперечное сечение винта 1 нижней рабочей пары П. В этом случае винт 1 нижней рабочей пары будет связан с опорным модулем 8 с помощью сдвоенного универсального шарнира, обеспечивающего жесткое соединение, которое является обычно принятым соединением в сдвоенных одновинтовых электронасосах (см., например, описание к авторскому свидетельству №236987).

Во втором варианте винт 3 верхней рабочей пары Л в поперечном сечении выполнен с меньшим диаметром D₁ окружности, определяющей его поперечное сечение, чем диаметр D₂ окружности, определяющей поперечное сечение винта 1 нижней рабочей пары П. В этом случае, как было описано выше, винт 1 нижней рабочей пары П соединен с валом 7 опорного модуля 8 с помощью гибкого вала 5 и трансмиссионного вала 6 (фиг.2).

Устройство работает следующим образом.

После запуска электродвигателя погружного винтового сдвоенного электронасоса крутящий момент от вала электродвигателя (гидравлической защиты электродвигателя) через вал 7 основания 8, трансмиссионный вал 6 и гибкий вал 5 передается на винт 1 нижней рабочей пары П и далее с помощью эксцентриковой муфты 10 на винт 3 верхней рабочей пары Л насоса. При вращении винтов 1 и 3 с разнонаправленными винтовыми поверхностями пластовая жидкость из скважины через отверстия 14 и 15 в корпусе 13 поступает в полости насоса низкого давления 16 и 17, где она захватывается винтами 1, 3 и, перемещаясь вдоль их осей навстречу друг другу, поступает в напорную камеру 18. Из камеры 18 поток перекачиваемой жидкости по каналу 19, который образован внутренней поверхностью корпуса 13 и наружной поверхностью обоймы 4 верхней рабочей пары Л, поступает в колонну насосно-компрессорных труб (на чертеже не показано) и далее выводится на поверхность. При вращении винтов 1 и 3 за счет того, что верхняя Л и нижняя П рабочие пары выполнены с одинаковыми значениями эксцентриситетов, одинаковыми зазорами и с одинаковым количеством шагов винтовых поверхностей, но имеют разные диаметры D₁ и D₂ окружностей, определяющих поперечные сечения винтов (фиг.3, 4), возникает направленное осевое усилие F₃. Причем величина и направление этого осевого усилия будут определяться диаметрами D₁ и D₂ окружностей поперечных сечений винтов. В случае, когда винт 3 верхней рабочей пары Л в поперечном сечении выполнен с меньшим диаметром D₁, чем диаметр D₂ окружности поперечного сечения винта 1 нижней рабочей пары П, направленное осевое усилие F₃ будет равно разнице осевых усилий F₂ и F₁ создаваемых соответственно нижним винтом 1 и верхним винтом 3, т.е. F₃=F₂-F₁. В свою очередь осевые усилия F₁ и F₂ зависят от площадей взаимодействия контактирующих торцевых поверхностей винтов, которые соответственно определены диметрами D₁ и D₂ окружностей поперечных сечений винтов. Следовательно, осевое усилие F₃ при условии, что D₁<D₂ будет гарантировано направлено вниз (как это представлено на чертеже). При этом опорный модуль 8, воспринимающий это осевое усилие, рассчитан на восприятие усилия, создаваемого одним винтом, которое полностью перекрывает значение направленного осевого усилия F₃=F₂-F₁. Значения осевых усилий F₁ и F₂ могут быть определены расчетным путем по известным зависимостям (см., например, указанный источник Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. «Одновинтовые гидравлические машины», т.1, «Одновинтовые насосы», М., 2005 г, с.351-354).

В варианте исполнения, когда винт 3 верхней рабочей пары Л выполнен с большим диаметром D₁ окружности, определяющей его поперечное сечение, чем диаметр D₂ окружности поперечного сечения винта 1 нижней рабочей пары П, т.е. при D₁>D₂, сформированное осевое усилие F'₃ соответственно будет определено как F'₃=F₁-F₂ и гарантировано направлено вверх. В этом случае благодаря тому, что опорный узел выполнен в виде отдельного модуля 8, путем простой его замены, также обеспечивается возможность восприятия направленного осевого усилия F'₃.

Таким образом, в предложенной конструкции сдвоенного винтового электронасоса гарантируется постоянный режим работы по осевой нагрузке за счет создания направленного осевого усилия, воспринимаемого отдельным опорным модулем. Это приводит к значительному повышению надежности работы насоса и увеличивает срок его службы при использовании в широком диапазоне подач.