CC BY
8НАСОСЫ
УДК 622.276.53
Ю.А. Сазонов, д.т.н., профессор кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина (Москва, Россия), e-mail:[email protected]; И.Н. Рыбанов, аспирант кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина (Москва, Россия), e-mail: Ilja. rybanov@rambler. ru
Разработка гибридных роторных насосов
Для эффективной разработки месторождений высоковязкой нефти требуются специальные технологии и техника. Активно развиваются работы в области создания нового насосного оборудования. Однако пока не решены в полной мере проблемы обработки винтовых и других геометрически сложных поверхностей при изготовлении насосов. В этой связи видятся перспективными работы по созданию гибридных роторных насосов, отличающихся своей технологичностью и простотой конструкций.
В статье рассмотрены вопросы по разработке новых роторных насосов. Представлена новая конструкция гибридного насоса, объединяющего в себе положительные качества роторных насосов, таких как одновинтовой насос и шиберный насос, устранены недостатки, характерные для известных технических решений. Решена задача по обеспечению работоспособности при высокой температуре перекачиваемой среды, поскольку из конструкции насоса в этом исполнении исключены детали из эластомеров. Решена характерная для объемных машин проблема вибрационной активности ротора насоса. Повышена технологичность производства и ремонта гидравлических машин, так как все рабочие камеры в гидравлической машине сформированы простыми и технологичными цилиндрическими и плоскими поверхностями. Из конструкции исключены технологически сложные винтовые поверхности. Теоретически обоснованы возможности для создания новых гидравлических двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, включая морские скважины. Конструктивные особенности новой гидравлической машины запатентованы. Создана уникальная стендовая установка для исследований новых роторных насосов с давлением до 20 МПа и мощностью до 20 кВт при вязкости перекачиваемой жидкости до 1500 сСт. Разработаны методики расчета и компьютерные программы для проектирования новых роторных насосов. В ходе стендовых исследований изучены особенности рабочего процесса новой гидравлической машины при перекачке высоковязких жидкостей и газожидкостных смесей.
Ключевые слова: роторный насос, добыча нефти, конструирование, математическая модель, трехмерная модель, численный эксперимент, физический эксперимент, экспериментальный образец.
Yu.A. Sazonov, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Moscow, Russia), D.Sc. (Engineering), Professor of the Department of Oil and Gas Machinery and Equipment, e-mail: [email protected]; I.N. Rybanov, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Moscow, Russia), PhD candidate of the Department of Oil and Gas Machinery and Equipment, e-mail: [email protected]
Development of hybrid rotary pumps
Efficient development of high viscosity oil fields requires special technologies and equipment. The works in the field of new pumping equipment development are actively progressing. However, the problems of screw or other geometrically complex surfaces machining when manufacturing pumps are not yet solved to the full extent. In this regard, the works on hybrid rotary pumps development are seen promising, distinguished by their adaptability and simplicity of design. The article considers the issues of development of new rotary pumps. A new design of hybrid pump is presented, it combines positive qualities of rotary pumps, such as single-screw pump and vane pump, shortcomings typical for prior art were eliminated. The problem of ensuring operation at high temperature of pumped is solved as this pump design excludes parts of elastomer. The problem of vibratory activity of the pump rotor typical for positive displacement machines is solved. Effectiveness of production and repair of hydraulic machines is improved, as all operating chambers in hydraulic machine are formed by simple and process cylindrical and flat surfaces. The design excludes technologically-difficult helical surfaces. Opportunities to create new hydraulic motors for drilling oil and gas wells, including offshore wells were theoretically substantiated.
The design features of a new hydraulic machine are patented. A unique bench unit to study new rotary pumps with pressure up to 20 MPa and capacity up to 20 kW at pumped liquid viscosity up to 1,500 cSt is created. The calculation methods
94
№ 3 март 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
and computer programs for the new rotary pumps design are developed. Characteristics of the new hydraulic machine operating process at high viscosity liquids and liquid mixtures pumping were studied during bench research.
Keywords: rotary pump, oil production, designing, mathematical model, three-dimensional model, numerical experiment, physical experiment, experimental sample.
Проблемам добычи высоковязкой нефти с каждым годом уделяется все больше внимания. Развернуты работы для повышения эффективности насосной техники и технологий. В настоящее время, когда стало более доступным использование твердых сплавов для изготовления насосов, практически все изготовители объемных роторных насосов заявили о возможности производить насосы для добычи нефти в осложненных условиях (в том числе одновинтовые насосы, двухвинтовые насосы, насосы шестеренные с внутренним зацеплением,пластинчатые насосы). Вместе с тем в полной мере пока не решены проблемы обработки винтовых и других геометрически сложных поверхностей. В связи с этим видятся перспективными работы по созданию гибридных роторных насосов,
12
11 3
2 11
12
Рис. 1. Схема гидравлической машины [1] Fig. 1. Hydraulic machine layout [1]
отличающихся своей технологичностью и простотой конструкций [1-8]. Новая теория и математическое моделирование позволили найти новые пути для развития насосов и гидравлических машин такого типа.
Одно из исполнений гидравлической машины [1] представлено на рисунке 1. Машина содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, обойму 4 с винтовыми каналами 5 и винт 6, эксцентрично размещенный в обойме 4. Спиральные части винта 6 размещены в винтовых каналах 5 обоймы 4 с возможностью радиального смещения обоймы 4 относительно винта 6. Обойма 4 выполнена в виде спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке 7 корпуса 1 с образованием спиральных щелевых уплотнений 8 в зазоре между спиральной пружиной - обоймой 4 и
Рис. 2. Ротор экспериментального образца гидравлической машины [1] Fig. 2. Rotor of experimental sample of hydraulic machine [1]
стенками спиральных частей винта 6. Так как обойма 4 выполнена в виде спиральной пружины, концентрично размещенной в расточке 7 корпуса 1, то между спиральной пружиной 4 и расточкой 7 в корпусе 1 также образуется спиральное щелевое уплотнение 8. Винт 6 размещен вблизи от поверхности расточки 7 корпуса 1 с образованием дополнительного щелевого уплотнения 9, обусловленного наличием зазора между наружной поверхностью винта 6 и поверхностью расточки 7 в корпусе 1. Наличием спиральных щелевых уплотнений и дополнительного щелевого уплотнения обусловлена возможность для образования внутри корпуса 1 следующих друг за другом спиральных камер 10, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями 8 и 9. Винт 6 оснащен стопорными элементами
Рис. 3. Схема гидравлической машины [2] Fig. 3. Hydraulic machine layout [2]
Ссылка для цитирования (for references):
Сазонов Ю.А., Рыбанов И.Н. Разработка гибридных роторных насосов // Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2015. - № 3. - С. 94-97.
Sazonov Yu.A., Rybanov I.N. Razrabotka gibridnyh rotornyh nasosov [Development of hybrid rotary pumps]. Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2015, No 3. P. 94-97.
НАСОСЫ
Рис. 4. Трехмерная модель гидравлической машины [2] Fig. 4. Three-dimensional model of hydraulic machine [2]
11 (выполненными, например, в виде штифтов или винтов), ограничивающими перемещение спиральной пружины - обоймы 4 вдоль винтовой канавки в винте 6. Винт 6 установлен на подшипниках 12.
На рисунке 2 представлен ротор экспериментального образца насоса. При вращении винта 6 спиральные камеры 10 перемещаются в направлении от входного патрубка 2 к выходному патрубку 3, в камерах 10 на перекачиваемую среду оказывается силовое воздействие. Под силовым воздействием
Рис. 5. Экспериментальный образец гидравлической машины [2] Fig. 5. Experimental sample of hydraulic machine [2]
перекачиваемая среда перемещается к выходному патрубку 3. Таким образом формируется поток перекачиваемой среды в направлении от входного патрубка 2 к выходному патрубку 3 и реализуется рабочий процесс насоса как машины для создания потока жидкой среды. Помимо жидкой среды заявляемая машина может обеспечить перекачку газов, газожидкостных смесей и других многофазных сред. Гидравлическая машина [2], представленная на рисунке 3, содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, обойму 4 с винтообразными каналами и винтообразный ротор 5, эксцентрично размещенный в обойме 4 с возможностью радиального смещения обоймы 4 относительно ротора 5. Обойма 4 концентрично размещена в расточке 6 корпуса 1 с образованием щелевых уплотнений 7 в зазоре между обоймой 4 и корпусом 1. Ротор 5 размещен вблизи от поверхности расточки 6 корпуса 1 с образованием щелевого уплотнения 8 в зазоре между наружной поверхностью ротора 5 и поверхностью расточки 6 в корпусе 1 с возможностью образования внутри корпуса 1 следующих друг за другом спиралевидных камер 9, отделенных друг от друга щелевыми уплотнениями 7 и 8. Ротор 5 оснащен стопорными элементами, ограничивающими перемещение обоймы 4 относительно ротора 5. Обойма 4 выполнена из отдельных секций, следующих друг за другом, с возмож-
ностью углового смещения отдельных секций относительно друг друга. Секции в обойме 4 расположены вдоль винтовой линии с образованием ступенчатой (каскадной) структуры, подобно ступеням на винтовой лестнице. Ротор 5 установлен на подшипниках 18, которые обеспечивают условия, чтобы ротор 5 был эксцентрично размещен в обойме 4 и, соответственно, эксцентрично размещен внутри расточки 6 в корпусе 1. При этом обойма 4 концентрично размещена в расточке 6 корпуса 1. Рассмотрен вариант, когда обойма 4 состоит из отдельных вкладышей, каждый из которых перекрывает сектор в 120 градусов. Трехмерная модель гидравлической машины, оснащенной набором вкладышей, представлена на рисунке 4. Трехмерное моделирование позволило подробнее рассмотреть вопросы о возможностях применения угловых вкладышей, показанных на рисунках 6 и 7. Разработана новая конструкция гибридного насоса, объединяющего в себе положительные качества роторных насосов, таких как одновинтовой и шиберный насосы, устранены недостатки, характерные для известных технических решений. Разработаны теоретические основы и расчетные методики для проектирования новых насосов. Созданы и исследованы экспериментальные образцы новых насосов. Конструктивные особенности новой гидравлической ма-
Рис. 6. Трехмерная модель углового вкладыша для гидравлической машины [2] Fig. 6. Three-dimensional model of corner insert for hydraulic machine [2]
96
№ 3 март 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
Рис. 7. Трехмерная модель ротора с угловыми вкладышами для гидравлической машины [2] Fig. 7. Three-dimensional model of the rotor with corner inserts for hydraulic machine [2]
шины запатентованы. Решена задача по обеспечению работоспособности при высокой температуре перекачиваемой среды (до 400 0С и выше), поскольку из конструкции насоса в этом исполнении исключены детали из эластомеров. Решена характерная для объемных машин проблема вибрационной активности ротора насоса (в частности, при сравнении с одновинтовыми насосами). Повышена технологичность производства и ремонта гидравлических машин, т.к. все рабочие камеры в гидравлической машине сформированы простыми и технологичными цилиндрическими и плоскими поверхностями. Из конструкции исключены технологически сложные винтовые поверхности. На базе ООО «Технология» создана стендовая установка для исследований новых роторных насосов с давлением до 20 МПа и мощностью до 20 кВт при вязкости перекачиваемой жидкости до 1500 сСт. Разработаны методики расче-
та и компьютерные программы для проектирования новых роторных насосов. В ходе стендовых исследований изучены особенности рабочего процесса новой гидравлической машины при перекачке высоковязких жидкостей и газожидкостных смесей. Обоснованы возможности
для расширения области применения нового насоса, включая его использование в других отраслях производства. Теоретически обоснованы возможности для создания новых гидравлических двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, включая морские скважины.
References:
1. Sazonov Yu.A., Zayakin V.I., Balaka A.Yu. Vintovajamashina [Screw-rotor machine]. Patent RF, No. 106678; utility model application No. 2011111325; published on 20.07.2011, bul. No. 20.
2. Sazonov Yu.A., Kazakova Ye.S., Klimenko K.I., Balaka A.Yu. Vintovaja mashina [Screw-rotor machine]. Patent RF, No. 116188; utility model application No. 2012102093; published on 20.05.2012, bul. No. 14.
3. Sazonov Yu.A., Zayakin V.I., Mulenko V.V., Kazakova Ye.S., Dimayev T.N., Klimenko K.I., Balaka A.Yu. Vintovaja mashina [Screw-rotor machine]. Patent RF, No. 119042; utility model application No. 2012113279; published on 10.08.2012, bul. No. 22.
4. Sazonov Yu.A. Vintovaja mashina [Screw-rotor machine]. Patent RF, No. 124931; utility model application No. 2012137849; applied on 05.09.2012; published on 20.02.2013, bul. No. 5.
5. Sazonov Yu.A., Zayakin V.I., Mulenko V.V., Dimayev T.N., Klimenko K.I., Balaka A.Yu. Vintovaja mashina [Screw-rotor machine]. Patent RF, No. 128678; utility model application No. 2012146949; applied on 06.11.2012; published on 27.05.2013, bul. No. 15.
6. Sazonov Yu.A., Mulenko V.V., Balaka A.Yu. Nasosy i gidravlicheskie dvigateli ob'emno-dinamicheskogo tipa dlja neftjanoj promyshlennosti [Pumps and hydraulic motors of positive displacement and dynamic type for the oil industry]. Territorija «NEFTEGAZ.» = NEFTEGAS Territory, 2011, No. 12. P. 12-14.
7. Sazonov Yu.A., Mulenko V.V., Balaka A.Yu. Voprosy proektirovanija gidravlicheskih mashin ob'emno-dinamicheskogo tipa [Issues of designing hydraulic machines of positive displacement type]. Territorija «NEFTEGAZ.» = NEFTEGAS Territory, 2012, No. 8. P. 44-46.
8. Mokhov M., Sazonov Yu., Shakirov A., Koropetskiy V. Koropeckij V. Novye nasosy dlja dobychi vysokovjazkoj nefti [New pumps for high-viscosity oil production]. OH & Gas Eurasia, 2014, No. 8-9. P. 36-38.
Литература:
1. Винтовая машина: пат. 106678 Российская Федерация / Ю.А. Сазонов, В.И. Заякин, А.Ю. Балака; заявка на полезную модель № 2011111325; опубл. 20.07.2011, бюл. № 20.
2. Винтовая машина: пат. 116188 Российская Федерация / Ю.А. Сазонов, Е.С. Казакова, К.И. Клименко, А.Ю. Балака; заявка на полезную модель № 2012102093; опубл. 20.05.2012, бюл. № 14.
3. Винтовая машина: пат. 119042 Российская Федерация / Ю.А. Сазонов, В.И. Заякин, В.В. Муленко, Е.С. Казакова, Т.Н. Димаев, К.И. Клименко, А.Ю. Балака; заявка на полезную модель № 2012113279; опубл. 10.08.2012, бюл. № 22.
4. Винтовая машина: пат. 124931 Российская Федерация / Ю.А. Сазонов; заявка на полезную модель № 2012137849; заявл. 05.09.2012; опубл. 20.02.2013, бюл. № 5.
5. Винтовая машина: пат. 128678 Российская Федерация / Ю.А. Сазонов, В.И. Заякин, В.В. Муленко, Т.Н. Димаев, К.И. Клименко, А.Ю. Балака; заявка на полезную модель № 2012146949; заявл. 06.11.2012; опубл. 27.05.2013, бюл. № 15.
6. Сазонов Ю.А., Муленко В.В., Балака А.Ю. Насосы и гидравлические двигатели объемно-динамического типа для нефтяной промышленности // Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2011. - № 12. - С. 12-14.
7. Сазонов Ю.А., Муленко В.В., Балака А.Ю. Вопросы проектирования гидравлических машин объемно-динамического типа // Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2012. - № 8. - С. 44-46.
8. Мохов М., Сазонов Ю., Шакиров А., Коропецкий В. Новые насосы для добычи высоковязкой нефти // Oil & Gas Eurasia. - 2014. - № 8-9. - С. 36-38.
