Гвинтовий насос

Винахід відноситься до насосів і може використовуватись для перекачування будь-якої рідини і вологого газу, утворюючи великий тиск рідини. Винахід може використовуватись, зокрема в нафтогазовидобувній промисловості для відкачки рідини із свердловин від газоліна до тяжкої нафти з глибини до трьох кілометрів. Відомий гвинтовий насос, що має корпус, вал, центральний і периферійні гвинти. Центральний гвинт, з'єднаний з валом, і є відомим, а периферійні гвинти, розташовані в корпусі ступіні, взаємодіють з центральним. При обертанні гвинтів, їх нарізки, змикаючись, відсікають в западинах об'єм рідини, що витискується по западині вдовж осі обертання. Для забезпечення герметичності, необхідне постійне перекриття між камерами всмоктування та нагнітання, що забезпечується довжиною гвинтів, яка не менш ніж 1,25 кроку гвинтової лінії нарізки. Для отримання більш високих тисків необхідно передбачити більше число перекриттів. Так, для тисків 1500-2000 метрів необхідно 6-8 кратне перекриття [Т.Н. Ба шта – Машиностроительная гидравлика – Машиностроение – Москва.: 1971 г. – С. 241-243]. Недоліком цього насосу є нарізка гвинтів з 6-8 циклами. Для того, щоб вони щільно взаємодіяли, є дуже важкою технічною задачею. Іншими недоліками є велика довжина гвинтів і всього насосу. Найбільш близький аналог насосу, що є прототипом, – це гвинтовий насос, в якому отримуються великі тиски не шляхом збільшення кількості перекриттів камер, а створенням багатоступеневого насосу, де кожний ступінь створює градієнт тиску. [Деклараційний патент на винахід – Україна – 46444А от 15.03.02 р. бюл. №5, заява 2001.075.089]. Цей насос має корпус насоса, обертовий вал, n корпусів ступінів, відокремлених один від другого роздільними втулками, які розміщені в корпусі насоса, в кожному з корпусів ступінів є центральний і, щонайменше, один периферійний гвинти, встановлені відповідно в центральному та бічних отворах корпусу кожного ступеня, центральні гвинти встановлені відповідно в центральному та бічних отворах корпусу кожного ступеня, центральні гвинти сполучено з валом, периферійні гвинти взаємодіють з центральними гвинтами, профіль нарізки гвинтів евольвентний циклоїдальний або синусоїдальний, вихідні отвори для рідини з осями паралельними осі валу. Недоліками цього насосу є: – велика довжина гвинтів і всього насосу; – низький об'єм ККД насосу із-за щілини в місцях перекриття камер; – на опору вала насосу діють великі зусилля від механічних, гідравлічних і об'ємних сил; – перешкоджений доступ рідини в камеру всмоктування, що може призвести до утворювання кавітації. До основи винаходу поставлена задача удосконалити насос шляхом: – набагатого зменшення гвинтів за довжиною, отже, набагатого зменшення довжини всього насосу; – збільшення його об'ємного ККД шляхом зменшення кількості щілин в місцях перекриття камер; – зменшення сил, діючих на опору валу, і передача їх на корпус. Поставлене завдання вирішується створенням насоса, який має корпус насоса, обертовий вал, декілька корпусів ступінів, відокремлених один від другого роздільними втулками, які розміщені в корпусі насоса, в кожному з корпусів ступінів є центральний і, щонайменше, один периферійний гвинти встановлені відповідно в центральному та бічних отворах корпусу кожного ступеня, центральні гвинти сполучено з валом, периферійні гвинти взаємодіють з центральними гвинтами, профіль нарізки гвинтів евольвентний, циклоїдальний або синусоїдальний, вихідні отвори для рідини з осями паралельними осі валу. Згідно винаходу, висота периферійних гвинтів дорівнює кроку зубчатого зчеплення (відстань між вершинами зубців), поділеному на тангенс кута нахилу з убця косозубого зчеплення. Зі збільшенням висоти гвинта більше половини кроку Гвинтової лінії, не збільшується продуктивність насосу. При висоті гвинтів менш ніж крок зубчатого зчеплення також малоефективно, оскільки площа впадини зменшується і становиться порівняно з площею щілини між зубцем і впадиною. Це різко зменшує об'ємний ККД. Периферійні гвинти своїм робочим торцем спираються в роздільну втулку, що щільно притискується до корпусу ступеня. Цим забезпечується перекриття периферійних гвинтів, центральний гвинт перекриває клапан, що розташований вище площини роздільної втулки, що стискується з корпусом ступені для того, щоб необертаючийся клапан не взаємодіяв з периферійними гвинтами, що обертаються. Клапан сполучено з роздільною втулкою від обертання, але може пересуватися і осьовому напрямку, для того, щоб він був притиснутим до центрального гвинта у процесі зношування клапану і центрального гвинта. Оскільки частка центрального гвинта розташована в роздільній втулці, то центральний отвір роздільної втулки повинні мати один діаметр і шліфуватися разом. Центральні гвинти, що сполучені з валом стискаються на валу, щоб не було перетоку рідини з наступного ступеня на попередній по валу. Як і в прототипі, при обертанні гвинтів, їх з убці, замикаючись, відсікають у впадинах проміж зубцями об'єм рідини. В ту мить, коли зуб одного із гвинтів ввійшов у впадину другого гвинта, у впадині створюється замкнутий об'єм рідини. В цьому місті в роздільній втулці повинний починатися вихідний отвір. Ця замкнута знизу впадина і відкрита зверху вихідним отвором, являє собою камеру нагнітання. Решта часу, коли впадина закрита зверху розподільною втулкою або клапаном, вона являє собою камеру всмоктування. Точка початку вихідного отвору перебуває на лінії, що з'єднує точки перетину центрального і бічного отворів корпусу ступеня, зміщена в бік обертання від площини осей центрального і периферійного гвинтів на відстані не менше половини кроку зубчатого зчеплення. В цьому випадку не буде перетоку рідини в камери всмоктування. Вихідний отвір повинен закінчуватися, коли зуб, який входить у впадину з нижнього боку гвинтів в початку отвору, цілком замкнув цю впадину у площині притику роздільної втулки з корпусом ступені. Звідси зі збільшенням висоти периферійних шестерень вихідний отвір також збільшується, і його величина дорівнює висоті периферійного гвинта, що помножена на тангенс кута нахилу з убів зчеплення. При роботі насоса, за рахунок зубців, на периферійні гвинти діє сила, що придавлює їх до роздільної втулки, а на центральний гвинт діє сила в зворотному напрямку. На клапан за рахунок градієнту тиску діє сила того ж напрямку, що й на центральний гвинт і притискує клапан до гвинта. Цим забезпечується відсутність перетікання рідини із камери нагнітання в камеру всмоктування. Але, при занурюванні насоса у свердловину на глибину, тиск із затрубного простору може підняти клапани, щілини запарафініруються і насос вийде з ладу. Для запобігання цього клапан попередньо притискують до центрального гвинта. При роботі це приведе до збільшеного зносу клапана, центрального гвинта та опорної п'яти. Перекриття по торцях гвинтів може здійснювати роздільна втулка. В цьому випадку центральний отвір роздільної втулки менше за діаметр впадини центрального гвинта, і торець його з боку ви ходу рідини повинен бути притиснутий до роздільної втулки з силою, що перевищує силу, яка діє на центральний гвинт. Для цього висота нарізки гвинтів однакова, центральні гвинти не стискуються по валу, а можуть пересуватися вздовж осі насосу. В щілину між центральними гвинтами встановлюється притискувач, який з'єднується з роздільною втулкою попередньої ступені від обертання, але може пересуватися в осьовому напрямку, притискуючи центральний гвинт до роздільної втулки. Це дозволило силу, що діє на центральний гвинт через роздільну втулку передати на корпус насосу, розвантаживши п'яту валу. Для насосів з малою потужністю малодебитних свердловин, сила, що діє на периферійний гвинт за рахунок косого зубця недостатня, щоб притиснути його до роздільної втулки. Для цього в роздільній втулці попередньої ступені виконуються глухі отвори, куди розміщуються притискуванні для притиску периферійних гвинтів до роздільної втулки. Рідина, що перекачується, повинна вільно протікати до камери всмоктування, щоб не виникала кавітація, для чого висота периферійних гвинтів менша за висоту о творів під них в корпусі ступеня. Щоб уникнути перетікання рідини від ступеня з більш високим тиском до ступені з нижчим тиском, центральний гвинт, корпус ступеня мають проточки або фаски куди помішують ущільнення. Це дозволило притиснути роздільну втулк у до корпусів ступеня з допомогою, наприклад, болтів, що проходять крізь роздільну втулку і корпус ступеня і вгвинтити болт в глухий різьбовий отвір роздільної втулки попереднього ступеня, а також з'єднати ступіні. Суть винаходу, що пропонується пояснюється кресленням, де зображено: Фіг.1 – повздовжній розріз гвинтового насоса з клапаном. Фіг.2 – повздовжній розріз гвинтового насоса без клапана. Фіг.3 – розріз А-А для фігур 1, 2. Насос має корпус 1, вал, що обертається 2, корпус ступеня 3, роздільні втулки 4, центральні гвинти 5, периферійні гвинти 6, що взаємодіють з центральним гвинтом 5, гайку 8, що стискує центральні гвинти 5, притискувач 9, що притискує центральний гвинт до роздільної втулки 4, притискувач 10, що притискує периферійні гвинти до роздільної втулки 4, шти фти 11, що дозволяють клапану 7 і притискувачу 9 мати вільне пересування в осьовому напрямку, п'яту 12 – опорі валу 2, вихідні отвори 14, що виготовлені в роздільній втулці 4, болти 15, що стискують ступінь і з'єднують ступіні між собою, кільце 16, що з'єдн ує роздільну втулку 4 і корпус ступеня 3 у випадку насосу з клапаном, ущільнення 17, що не дозволяє перетікати рідині в зворотному напрямку. Насос, що заявляється, працює таким чином. Рідина, що перекачується, заповнює впадини між зубцями гвинтів 5 і 6 провертається разом з гвинтами, і в момент, коли зуб одного з гвинтів втискується в западину другого гвинта, рідина втискується через вихідний отвір 14 до западин гвинтів 5 і 6 наступного ступеня градієнт тиску. При цьому забезпечується послідовне з'єднання необхідної кількості ступенів для одержання необхідного тиску на виході насосу.