RU2627488C1 - Displacement roller pump - Google Patents

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: pump comprises a stator housing 1 and a rotor 3 with slots 4 rotatably mounted on a shaft in the inner cavity of the stator housing 1, in which the cylindrical rollers 5 are located, and face covers 8, closing the upper and lower working chambers formed by the rotor 3 outer surface, the inner surface of the stator housing 1 and the side surface of the roller 5. The pump is multi-stage. The upper cover 8 of the previous stage is used as a bottom cover 8 for the next stage. The adjacent stages are positioned with respect to each other with an angular displacement, enabling the injection zone of the previous stage and the suction of the subsequent stage to be aligned with the channel 10 in the cover 8. The shape of the inner surface of the stator housing 1 is made with a monotonically varying curvature of the profile, described by the equation.

EFFECT: providing the required pump head to lift liquid from an oil well of random depth and increase time of its trouble-free operation.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к многоступенчатым объемным роликовым насосам, которые могут использоваться для подъема жидкости из нефтяных скважин.The invention relates to the field of engineering, namely to multi-stage volumetric roller pumps that can be used to lift fluid from oil wells.

Известен объемный роликовый насос, состоящий из статора с цилиндрической полостью и расположенного внутри него цилиндрического ротора меньшего диаметра. Ротор и статор не соосны, а их боковые поверхности имеют одну общую линию касания. Ротор вращается на валу и имеет пазы, в которые устанавливаются ролики, свободно перемещающиеся в пазах и скользящие по внутренней поверхности статора. Рабочая камера насоса образована внутренней поверхностью статора, внешней поверхностью ротора и соседними роликами. Изменение объема рабочей камеры происходит в процессе качения роликов по внутренней поверхности статора [патент №7686602 US, F01C 1/00, F03C 2/00, опубл. 30.03.2010].Known volumetric roller pump, consisting of a stator with a cylindrical cavity and a cylindrical rotor of a smaller diameter located inside it. The rotor and stator are not aligned, and their side surfaces have one common line of contact. The rotor rotates on the shaft and has grooves in which the rollers are installed, freely moving in the grooves and sliding along the inner surface of the stator. The working chamber of the pump is formed by the inner surface of the stator, the outer surface of the rotor and adjacent rollers. The change in the volume of the working chamber occurs in the process of rolling the rollers on the inner surface of the stator [patent No. 7686602 US, F01C 1/00, F03C 2/00, publ. 03/30/2010].

При использовании описанного насоса в погружном исполнении с приводом от погружного электродвигателя несоосное расположение ротора и статора приводит к увеличению габарита нефтедобывающей установки, что является главным недостатком аналога.When using the described pump in a submersible design driven by a submersible motor, the misaligned location of the rotor and stator leads to an increase in the size of the oil production unit, which is the main disadvantage of the analogue.

В качестве прототипа заявляемого изобретения выбрана конструкция объемного роликового насоса, состоящего из корпуса-статора, сформированного цилиндрическим корпусом и внутренними боковыми серповидными вкладышами, и соосного со статором ротора. Ротор имеет пазы с размещенными в них цилиндрическими роликами, которые при вращении ротора выдвигаются из паза или вдвигаются внутрь него в зависимости от расстояния до внутренней стенки статора [патент WO 94/16198, опубл. 21.07.1994]. За счет вкладышей, примыкающих к корпусу, в статоре образуется внутренняя полость вытянутой формы. Вблизи входных кромок вкладышей расположены зоны всасывания, вблизи выходных кромок - зоны нагнетания. Торцевые крышки замыкают рабочие камеры сверху и снизу. Входной канал для потока, выполненный вдоль вала ротора, гидравлически связан с зонами всасывания с помощью каналов в роторе. Выходные каналы, гидравлически связанные с зонами нагнетания, направляют жидкость за пределы корпуса-статора через радиальные каналы в его боковой стенке.As a prototype of the claimed invention, the design of a volumetric roller pump consisting of a stator casing formed by a cylindrical casing and internal side crescent inserts and a rotor coaxial with the stator is selected. The rotor has grooves with cylindrical rollers located in them, which when the rotor rotates extend out of the groove or move into it depending on the distance to the inner wall of the stator [patent WO 94/16198, publ. July 21, 1994]. Due to the liners adjacent to the housing, an elongated internal cavity is formed in the stator. Suction zones are located near the input edges of the liners, and discharge zones are located near the output edges. End covers close working chambers from above and from below. An inlet channel for the flow, made along the rotor shaft, is hydraulically connected to the suction zones using channels in the rotor. The output channels, hydraulically connected to the discharge zones, direct the fluid outside the stator housing through the radial channels in its side wall.

Недостаток описанного прототипа заключается в низкой надежности конструкции, связанной с наличием ударных воздействий на ролик в процессе его качения по внутренней поверхности полости статора, главным образом на входных и выходных кромках вкладышей, формирующих нецилиндрическую форму полости. Особенно заметно этот эффект проявляется при повышенной частоте вращения вала и наличии частиц механических примесей в перекачиваемой жидкости. Износ контактирующих поверхностей вследствие усталостных нагрузок приводит к расширению зазоров, и, следовательно, к увеличению перетечек внутри ступени, что негативно сказывается на ее эксплуатационных характеристиках. Кроме того, описанная конструкция не допускает простой возможности многоступенчатого исполнения, т.к. жидкость из области нагнетания передается в пространство за пределами корпуса, а входной канал в область всасывания следующей ступени проходит вдоль вала ротора. Сложность соединяющих каналов также снижает надежность насоса.The disadvantage of the described prototype is the low reliability of the design associated with the presence of impact on the roller during its rolling along the inner surface of the stator cavity, mainly on the input and output edges of the liners forming a non-cylindrical cavity shape. This effect is especially noticeable with an increased frequency of rotation of the shaft and the presence of particles of mechanical impurities in the pumped liquid. Wear of the contacting surfaces due to fatigue loads leads to an expansion of the gaps, and, consequently, to an increase in overflows inside the stage, which negatively affects its operational characteristics. In addition, the described design does not allow the simple possibility of multi-stage execution, because the liquid from the discharge area is transferred to the space outside the housing, and the inlet channel to the suction area of the next stage passes along the rotor shaft. The complexity of the connecting channels also reduces the reliability of the pump.

Задачей настоящего изобретения является разработка многоступенчатого роликового насоса погружного исполнения, имеющего высокую надежность.An object of the present invention is to provide a multi-stage submersible roller pump having high reliability.

Указанный технический результат достигается тем, что в объемном роликовом насосе, содержащим корпус-статор, установленный на валу с возможностью вращения во внутренней полости статора ротор с пазами, в которых размещены цилиндрические ролики, и торцевые крышки, замыкающие сверху и снизу рабочие камеры, образованные внешней поверхностью ротора, внутренней поверхностью статора и боковой поверхностью ролика, согласно изобретению насос выполнен многоступенчатым; верхняя торцевая крышка предыдущей ступени служит нижней торцевой крышкой для последующей ступени, соседние ступени размещены относительно друг друга с угловым смещением, обеспечивающим совмещение зоны нагнетания предыдущей ступени и зоны всасывания последующей ступени с помощью канала в торцевой крышке, а форма внутренней поверхности статора выполнена с монотонно меняющейся кривизной профиля, описываемого в полярной системе координат уравнением:The specified technical result is achieved by the fact that in the volumetric roller pump containing the stator housing mounted on the shaft with the possibility of rotation in the inner cavity of the stator, a rotor with grooves in which the cylindrical rollers are placed, and end caps closing the working chambers formed from above and below the rotor surface, the inner surface of the stator and the side surface of the roller, according to the invention, the pump is multi-stage; the upper end cover of the previous stage serves as the lower end cover for the next stage, adjacent stages are placed relative to each other with an angular displacement, which ensures that the discharge zone of the previous stage and the suction zone of the next stage are combined with the channel in the end cover, and the shape of the inner surface of the stator is monotonically changing the curvature of the profile described in the polar coordinate system by the equation:

где ρ - радиус-вектор профиля, ϕ - полярный угол, R - максимальный радиус профиля статора, r - минимальный радиус профиля статора.where ρ is the radius vector of the profile, ϕ is the polar angle, R is the maximum radius of the stator profile, r is the minimum radius of the stator profile.

Следует отметить, что при использовании в уравнении периодической функции sin 2 ϕ вместо cos 2 ϕ форма внутренней поверхности статора не изменится.It should be noted that when using the periodic function sin 2 ϕ in the equation instead of cos 2 ϕ, the shape of the inner surface of the stator will not change.

Выполнение в торцевой крышке двух диаметрально расположенных по периферии каналов для потока разгружает вал от радиальных сил.The execution in the end cap of two diametrically located along the periphery of the channels for the flow unloads the shaft from radial forces.

Монотонное изменение кривизны профиля, формирующего внутреннюю поверхность статора, обеспечивает монотонное изменение ускорения при качении ролика по профилю, т.е. гарантирует отсутствие ударов (скачкообразных изменений ускорения), разрушающих контактирующие поверхности ролика и стенок статора.A monotonic change in the curvature of the profile forming the inner surface of the stator provides a monotonic change in acceleration when the roller rolls along the profile, i.e. guarantees the absence of impacts (spasmodic changes in acceleration) that destroy the contacting surfaces of the roller and the walls of the stator.

Многоступенчатость исполнения обеспечивает требуемый напор насоса для подъема жидкости из нефтяных скважин различной глубины.The multi-stage design provides the required pump head for lifting liquids from oil wells of various depths.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид ступени, разнесенный; на фиг. 2 - общий вид ступени в сборе с разнесенными торцевыми крышками; на фиг. 3. - общий вид сборки из трех ступеней с разнесенными крышками.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is an exploded perspective view of a step; in FIG. 2 is a general view of a step assembly with spaced end caps; in FIG. 3. - General view of the assembly of three steps with spaced covers.

Погружной роликовый насос состоит из ступеней, каждая из которых содержит статор в виде цилиндрического корпуса 1, имеющего профилированную нецилиндрическую внутреннюю поверхность 2, с размещенным в нем цилиндрическим ротором 3 с пазами 4 на внешней боковой поверхности, в которых установлены ролики 5. Внутри ротора 3 выполнено осевое отверстие 6 под вал со шпоночным пазом 7 для его фиксации. К корпусу 1 прижаты верхняя и нижняя торцевые крышки 8 одинаковой формы в виде диска с центральным отверстием 9 для вала и двумя диаметрально расположенными периферийными сквозными каналами 10. Соседние ступени смещены относительно друг друга в угловом направлении таким образом, что канал 10 сообщает зону нагнетания предыдущей ступени с зоной всасывания последующей ступени (фиг. 1, 3). При этом крышка 8 является общей для двух ступеней. Такое расположение позволяет уменьшить гидравлические потери при движении жидкости от ступени к ступени и обеспечить лучшее заполнение рабочей камеры, образованной частью поверхности 2, внешней поверхностью ротора 3, боковыми поверхностями соседних роликов 5 и торцевыми крышками 8. Предлагаемая двухпоточная компоновка разгружает вал от радиальных сил.Submersible roller pump consists of stages, each of which contains a stator in the form of a cylindrical housing 1, having a profiled non-cylindrical inner surface 2, with a cylindrical rotor 3 located in it with grooves 4 on the outer side surface, in which the rollers are mounted 5. Inside the rotor 3 is made axial hole 6 under the shaft with keyway 7 for fixing it. The upper and lower end caps 8 of the same shape are pressed against the body 1 in the form of a disk with a central hole 9 for the shaft and two diametrically arranged peripheral through channels 10. The adjacent steps are angularly displaced relative to each other so that channel 10 communicates the discharge zone of the previous stage with the suction zone of the subsequent stage (Fig. 1, 3). Moreover, the cover 8 is common to two steps. This arrangement allows to reduce hydraulic losses when the fluid moves from stage to stage and to provide better filling of the working chamber formed by part of the surface 2, the outer surface of the rotor 3, the side surfaces of adjacent rollers 5 and the end caps 8. The proposed dual-flow arrangement unloads the shaft from radial forces.

Погружной роликовый насос работает следующим образом.Submersible roller pump operates as follows.

При запуске насоса ротор 3 (см. фиг. 2), расположенный в полости цилиндрического корпуса 1 с профилированной внутренней поверхностью 2, начинает вращать ролики 5. Под действием центробежной силы ролики 5 отбрасываются к статору 1 из пазов 4 ротора 3 и, достигая поверхности 2, имеющей сглаженный в соответствии с уравнением профиль с монотонно меняющейся кривизной, безударно перекатываются по ней, замыкая рабочие камеры, ограниченные частью поверхности 2, внешней поверхностью ротора 3, боковыми поверхностями двух соседних роликов 5 и торцевыми крышками 8. Качение роликов 5 по криволинейной гладкой поверхности 2 происходит с монотонным изменением ускорения, что способствует надежной работе и длительному сохранению работоспособности ступени. При перемещении ролика 5 от минимального радиуса r внутренней поверхности 2 корпуса 1 к максимальному R перекачиваемая жидкость поступает в рабочие камеры увеличивающегося объема за счет разрежения в области впускных каналов 11 нижней торцевой крышки 8. Одновременно с этим при перемещении противоположного ролика 5 от максимального радиуса R внутренней поверхности 2 корпуса 1 к минимальному r при уменьшении рабочих камер происходит нагнетание жидкости через выпускные каналы 12 в верхней торцевой крышке 8 в следующую ступень. Таким образом, обеспечиваются непрерывная подача рабочей жидкости и повышение давления от ступени к ступени. Полное отсутствие трения скольжения на всех контактирующих поверхностях приводит к увеличению времени безотказной работы насоса, а многоступенчатость исполнения обеспечивает требуемый напор насоса для подъема жидкости из нефтяной скважины произвольной глубины.When the pump starts, the rotor 3 (see Fig. 2), located in the cavity of the cylindrical body 1 with a profiled inner surface 2, starts to rotate the rollers 5. Under the action of centrifugal force, the rollers 5 are discarded to the stator 1 from the grooves 4 of the rotor 3 and, reaching the surface 2 having a profile smoothed in accordance with the equation with a monotonously varying curvature, roll along it unobtrusively, closing the working chambers bounded by a part of the surface 2, the outer surface of the rotor 3, the side surfaces of two adjacent rollers 5 and the end wings 8. Rolling kami rollers 5 smooth curvilinear surface 2 takes place with a monotonic change in acceleration that promotes reliable operation and long-term preservation stage efficiency. When moving the roller 5 from the minimum radius r of the inner surface 2 of the housing 1 to the maximum R, the pumped liquid enters the working chambers of increasing volume due to rarefaction in the area of the inlet channels 11 of the lower end cover 8. At the same time, when moving the opposite roller 5 from the maximum radius R of the inner surface 2 of the housing 1 to a minimum r with a decrease in the working chambers, liquid is pumped through the outlet channels 12 in the upper end cover 8 to the next stage. Thus, a continuous supply of working fluid and an increase in pressure from stage to stage are ensured. The complete absence of sliding friction on all contacting surfaces leads to an increase in pump uptime, and the multi-stage design provides the required pump head for lifting liquid from an oil well of arbitrary depth.

Claims (3)

Объемный роликовый насос, состоящий из корпуса-статора, ротора с пазами, в которых размещены цилиндрические ролики, установленного на валу с возможностью вращения во внутренней полости статора, и торцевых крышек, замыкающих сверху и снизу рабочие камеры, образованные внешней поверхностью ротора, внутренней поверхностью статора и боковыми поверхностями соседних роликов, отличающийся тем, что насос выполнен многоступенчатым; верхняя торцевая крышка предыдущей ступени служит нижней торцевой крышкой для последующей ступени, соседние ступени размещены относительно друг друга с угловым смещением, обеспечивающим совмещение зоны нагнетания предыдущей ступени и зоны всасывания последующей ступени с помощью канала в торцевой крышке, форма внутренней поверхности статора выполнена с монотонно меняющейся кривизной профиля, описываемого в полярной системе координат уравнениемVolumetric roller pump, consisting of a stator housing, a rotor with grooves in which cylindrical rollers are mounted, mounted on a shaft with the possibility of rotation in the inner cavity of the stator, and end caps, closing the chambers formed from the outer surface of the rotor from the top and bottom, and the inner surface of the stator and side surfaces of adjacent rollers, characterized in that the pump is multi-stage; the upper end cover of the previous stage serves as the lower end cover for the next stage, the adjacent stages are placed relative to each other with an angular offset, which ensures that the discharge zone of the previous stage and the suction zone of the next stage are combined with the channel in the end cover, the shape of the inner surface of the stator is made with a monotonously varying curvature of the profile described in the polar coordinate system by the equation

где ρ - радиус-вектор профиля, ϕ - полярный угол, R - максимальный радиус профиля статора, r - минимальный радиус профиля статора.where ρ is the radius vector of the profile, ϕ is the polar angle, R is the maximum radius of the stator profile, r is the minimum radius of the stator profile.

Images