Full Text

В последние годы значительно вырос объем выпуска мультифазных насосных установок. Они широко используются для перекачки сыпучих материалов, высоковязких жидкостей, жидкостей с большим содержанием газа и других материалов в строительстве, нефтегазовой, нефтехимической, химической, пищевой промышленности и в других отраслях народного хозяйства [1-10]. Общий вид мультифазной насосной установки для перекачки водогазонефтесодержащих жидкостей показан на риc. 1. Основным узлом насосной установки является винтовая насосная секция - цилиндрическая винтовая планетарная передача внутреннего зацепления. В технической литературе такую зубчатую передачу называют многозаходным винтовым героторным механизмом. Число зубьев статора героторного механизма на единицу больше, чем число зубьев ротора, а межосевое расстояние равно половине высоты зубьев героторного механизма. Профили зубьев статора и ротора отечественных многозаходных винтовых героторных механизмов строятся как огибающие исходного контура рейки, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды. Благодаря этому способу профилирования зацепления обеспечивается одновременное касание зубьев статора со всеми зубьями ротора, разделение полостей низкого и высокого давления и равномерное распределение нагрузки между всеми зубьями статора и ротора. Обеспечение высокого качества изготовления героторных механизмов представляет собой сложнейшую научно-техническую задачу [1, 8, 11-13]. Особенностью винтовых героторных механизмов является то, что зубья статора выполняются из эластомера (резины). Это объясняется следующими причинами: 1) упрощается технология изготовления статора. Зубья на статоре значительно проще выполнить из резины, чем из металла или из какого-то другого материала. В соответствии с применяемой технологией резиновые зубья статора формируются сердечником в специальной пресс-форме, зубчатая обкладка статора приклеивается к внутренней цилиндрической поверхности корпуса статора; 2) исключается заклинивание героторного механизма при попадании в него твердых частиц. Твердые частицы вдавливаются в резину, при движении прокачиваемого реагента скользят по металлическим зубьям ротора и выходят из насосной секции через нагнетательный патрубок; 3) для компенсации погрешностей формообразования зубьев статора и ротора можно создать натяг в зацеплении, что позволяет повысить напорные характеристики героторного механизма и его долговечность. При работе мультифазной насосной установки вращение от вала электродвигателя через редуктор, карданный вал, шпиндель и торсионный вал передается на ротор насосной секции. Перекачиваемая среда поступает в насос через всасывающий фланец, расположенный на корпусе-отводе. Ротор, обкатываясь по зубьям статора насосной секции, совершает в нем сложное вращательное движение. а б Рис. 1. Общий вид мультифазной насосной установки: а - вид спереди; б - вид сверху; 1 - винтовой героторный механизм; 2 - ротор; 3 - статор; 4 - шарнирный вал; 5 - корпус отвод; 6 - всасывающий фланец; 7 - нагнетательный фланец; 8 - шпиндель; 9 - вал; 10 - электродвигатель; 11 - редуктор; 12 - карданный вал; 13, 14 - рама; 15 - выходной вал При работе мультифазного насоса циклически изменяющийся крутящий момент от ротора передается на статор. Чем больше крутящий момент, тем больше нагрузка на зубья статора и ротора. Под действием нагрузки резиновые зубья статора изгибаются, возникают зазоры в зацеплении героторного механизма, что приводит к утечкам перекачиваемой жидкости, снижению развиваемого давления и производительности насоса. Деформация резины преобразуется в тепловую энергию. Причем наибольшая температура разогрева резины возникает в центре резинового зуба статора. Из-за большой толщины резинового зуба, большого расстояния от центра зуба до металлического корпуса статора, низкой теплопроводности резины и плохого отвода тепла возможен перегрев резины и разрушение статора [14, 15]. Анализ технической литературы и выполненные нами научно-исследовательские и опытно-технологические работы показывают, что повысить напорную характеристику можно за счет: - армирования резиновых зубьев статора; - увеличения длины зубчатых поверхностей статора и ротора; - использования в мультифазной насосной установке нескольких винтовых героторных механизмов, расположенных на одной раме и соединенных последовательно между собой. В стандартном (не армированном) статоре (рис. 2, а) резиновая обкладка с внутренними зубьями приклеивается к цилиндрической внутренней поверхности корпуса статора. Толщина зубчатой обкладки максимальная на вершинах зубьев и минимальная во впадинах. Армирование заключается в изготовлении статора с равномерной (или близкой к равномерной) толщиной резиновой зубчатой обкладки (рис. 2, б, в, г). Это достигается за счет того, что сначала изготавливается корпус статора с внутренними винтовыми металлическими зубьями, затем выполняется обрезинивание статора. Статор с равномерной толщиной резины имеет повышенную изгибную жесткость резиновых зубьев статора, более высокую долговечность за счет лучшего теплоотвода и увеличения усталостной выносливости зубьев. Исключается преждевременное разрушение резиновых зубьев из-за повышенных деформаций и разогрева резины. Существуют различные способы изготовления корпусов статоров с внутренними винтовыми зубьями: - фрезерование или электрохимическое выжигание зубьев в заготовке корпуса статора на специальных станках (см. рис. 2, б); - закрепление в корпусе статора литых или кованых вкладышей с внутренней винтовой поверхностью (см. рис. 2, в) [9]; - закрепление в корпусе статора тонкостенной зубчатой оболочки, которая устанавливается в расточку корпуса статора. В зазор между корпусом статора и поверхностью винтовой оболочки устанавливается жесткий элемент, например пруток (см. рис. 2, г) [10, 16-24]. Рис. 2. Торцовое сечение героторных механизмов (варианты исполнения): 1 - ротор; 2 - корпус статора; 3 - резиновая обкладка; 4 - вкладыш (литой или кованый), зубчатая тонкостенная оболочка; 5 - пруток Длина активной части статора оказывает большое влияние на напорные характеристики мультифазной насосной установки. Она зависит от количества шагов k винтовой зубчатой поверхности статора (ротора), которое рассчитывается по формулам [1, 3] (1) (2) где z1 и z2 - соответственно числа зубьев статора и ротора; Рраб - давление, развиваемое винтовым героторным механизмом; [Pк] - допустимый межвитковый перепад давления, принимается равным 0,25-0,5 МПа [1]. Причем меньшие значения (0,2-0,25 МПа) относятся к стандартным статорам, а большие (0,25-0,5 МПа) - к армированным статорам. С увеличением количества шагов увеличивается длина зубчатых поверхностей статора и ротора L, что усложняет технологию изготовления винтовой насосной секции. (3) где Рх - осевой шаг зубьев статора (ротора). (4) где s1 и s2 - площади, ограниченные торцевым профилем статора и ротора; q - рабочий объем героторного механизма. В последние годы возникла необходимость создания мультифазных насосных установок для закачки водных и водогазовых смесей в систему поддержания пластового давления. Минимальная производительность таких установок составляет не менее 500 м3/сут, а развиваемое давление до 20 МПа. Расчеты по формулам (1)-(4) показывают, что длина зубчатой поверхности статора и ротора составит примерно 10 м. При большой длине статора становится невозможно залить его резиновой смесью, а зубья ротора становится невозможно нарезать из-за отсутствия длинных зубообрабатывающих станков. Из-за большой длины статора и ротора сложно получить заготовки для этих деталей и выполнить их термическую и механическую обработку. Для закачки водных и водогазовых смесей в систему поддержания пластового давления (ППД) в системах адресной закачки в нагнетательные скважины нами разработаны два варианта конструкции насосных установок, в которых винтовой героторный механизм разделен на две части. Основным отличием новых установок являются два винтовых героторных механизма, соединенных последовательно при помощи трубопровода. По первому варианту мультифазная винтовая насосная установка (рис. 3, а) содержит раму (на схеме не показана), два винтовых героторных мехнизма 1 и 2. Героторный механизм 1 содержит рабочие органы 3, входную линию 4, всасывающую 5 и нагнетательную 6 полости. Геротоный механизм 2 содержит рабочие органы 7, выходную линию 8, всасывающую 9 и нагнетательную 10 полости. а б Рис. 3. Схема мультифазной насосной установки с двумя винтовыми героторными механизмами: 1, 2 - винтовой героторный механизм; 3, 7 - рабочие органы; 4 - входная линия; 5, 9 - всасывающие полости; 6, 10 - нагнетательные полости; 8 - выходная линия; 11, 14 - редукторы; 13 - трубопровод; 12, 15 - электродвигатели; 16, 18 - выходной вал редуктора; 17, 19 - шпиндель; 20 - управляющее устройство; 21 - перекачиваемая среда Винтовые героторные механизмы 1 и 2 имеют общий привод, включающий редуктор 11 и электродвигатель 12. Напорная полость 6 героторного механизма 1 соединена с всасывающей полостью 9 героторного механизма 2 при помощи трубопровода 13. Редуктор 11 имеет два выходных вала 14 и 15. Выходной вал 14 редуктора 11 соединяется с винтовым героторным механизмом 1 при помощи шпинделя 19. Выходной вал 15 редуктора 11 соединяется с винтовым героторным механизмом 2 при помощи шпинделя 17. По второму варианту мультифазная винтовая насосная установка (рис. 3, б) содержит раму (на схеме не показана), два винтовых героторных механизма 1 и 2. Героторный механизм 1 содержит рабочие органы 3, входную линию 4, всасывающую 5 и нагнетательную 6 полости. Героторный механизм 2 содержит рабочие органы 7, выходную линию 8, всасывающую 9 и нагнетательную 10 полости. Винтовой героторный механизм 1 имеет привод, включающий редуктор 11 и электродвигатель 12. Выходной вал редуктора 16 соединен с винтовым героторным механизмом 1 при помощи шпинделя 17. Напорная полость 6 героторного механизма 1 соединена с всасывающей полостью 9 винтового героторного механизма 2 насосной секции при помощи трубопровода 13. Винтовой героторный механизм 2 имеет привод, включающий редуктор 14 и электродвигатель 15. Выходной вал 18 редуктора 14 соединяется с винтовым героторным механизмом 2 при помощи шпинделя 19. Выходной вал 18 редуктора 14 соединяется с винтовым героторным механизмом 2 при помощи шпинделя 19. Для согласования частоты вращения выходного вала 16 редуктора 11 с частотой вращения выходного вала 18 и редуктора 14 мультифазная винтовая насосная установка содержит управляющее устройство 20, которое связано с электродвигателями 12 и 15. Мультифазная винтовая насосная установка работает следующим образом. По первому варианту крутящий момент от электродвигателя 12 передается на редуктор 11, который имеет два выходных вала 14 и 15. От них через шпиндели 19 и 17 крутящий момент передается на роторы винтовых героторных механизмов 1 и 2. При работе винтовых героторных механизмов перекачиваемая среда 18 по входной линии 4 поступает во всасывающую полость 5 винтового героторного механизма 1. Далее рабочие органы 3 винтового героторного механизма 1 перемещают ее в нагнетательную полость 6 винтового героторного механизма 1, а затем по трубопроводу высокого давления 13 во всасывающую полость 9 винтового героторного механизма 2. После этого рабочие органы 7 винтового героторного механизма 2 перемещают находящуюся под давлением перекачиваемую среду 18 из всасывающей полости 9 в нагнетательную полость 10 винтового героторного механизма 2. Затем перекачиваемая жидкость выводится из винтового героторного механизма 2 по выходной линии 8. По второму варианту крутящий момент от электродвигателя 12 передается на редуктор 11, а затем через шпиндель 17 крутящий момент передается на ротор винтового героторного механизма 1, а крутящий момент от электродвигателя 15 передается на редуктор 14, а затем через шпиндель 19 на ротор винтового героторного механизма 2. При работе мультифазной насосной установки перекачиваемая среда 21 по входной линии 4 поступает во всасывающую полость 5 винтового героторного механизма 1. Далее рабочие органы 3 винтового героторного механизма 1 перемещают ее в нагнетательную полость 6 винтового героторного механизма 1, а затем по трубопроводу высокого давления 13 во всасывающую полость 9 винтового героторного механизма 2. После этого рабочие органы 7 винтового героторного механизма перемещают находящуюся под давлением перекачиваемую среду 21 из всасывающей полости 9 в нагнетательную полость 10 винтовой насосной секции 2. Затем перекачиваемая жидкость выводится из винтовой насосной секции 2 по выходной линии 8. При работе мультифазной винтовой насосной установки управляющее устройство 20 получает сигналы от электродвигателей 12 и 15 и согласовывает частоту вращения их валов. По первому варианту давление перекачиваемой среды создается двумя винтовыми героторными механизмами, которые имеют один общий привод, включающий редуктор и электродвигатель. Поскольку напорная полость одной винтовой насосной секции соединена трубопроводом с всасывающей полостью другой винтовой насосной секции, давление, развиваемое установкой, равняется сумме значений давления двух винтовых героторных механизмов. По второму варианту давление перекачиваемой среды создается двумя винтовыми героторными механизмами, каждый из которых имеет свой собственный привод, включающий редуктор и электродвигатель. Поскольку напорная полость одного винтового героторного механизма соединена трубопроводом с всасывающей полостью другого винтового героторного механизма, давление, развиваемое установкой, равняется сумме значений давления двух винтовых героторных механизмов. Таким образом, предлагаемые варианты мультифазной винтовой насосной установки для перекачки водогазонефтяных смесей и закачки водных и водогазовых смесей в систему поддержания пластового давления позволяют повысить давление, развиваемое мультифазной установкой, и упростить технологию ее изготовления за счет возможности уменьшения длины винтовых насосных секций.

About the authors

Yu. A Korotaev

Perm National Research Polytechnic University

D. A Goldobin

LLC “Bittechnika Ltd.”

A. Yu Subbotin

LLC “VNIIBT-Drilling tools Ltd.”

N. Yu Myalitsyn

LLC “VNIIBT-Drilling tools Ltd.”

S. G Vishnyakov

LLC “VNIIBT-Drilling tools Ltd.”

References

Statistics

Views

Abstract - 60

PDF (Russian) - 24

Refbacks

• There are currently no refbacks.