4.5.3. Скважинный штанговый винтовой насос

Скважинный винтовой насос является основным элементом ВШНУ. От правильного выбора геометрических параметров рабочих органов насоса и материалов пары в значительной степени зависят эффективность использования и надежность ВШНУ.

Рабочим органом одновинтового насоса является винтовой героторный механизм - зубчатая косозубая пара внутреннего циклоидального зацепления, состоящая из Z2-заходного металлического ротора (винта) и Z1-заходного статора (обоймы с эластичной обкладкой), между винтовыми поверхностями которых образуются рабочие камеры.

Ротор ВГМ, обкатываясь по зубьям статора, совершает планетарное движение: при повороте ротора на угол  относительно неподвижной системы координат (абсолютное движение) его ось поворачивается по круговой траектории с радиусом е в противоположном направлении (переносное движение) на угол  п = - Z2 < .

Отличительным параметром ВГМ, во многом определяющим его характеристики, является кинематическое отношение рабочих органов:

i = Z2:Z1, (4.109)

В качестве рабочих органов штанговых винтовых насосов зару-бежные фирмы преимущественно используют винтовые пары Муано с кинематическим отношением 1:2. Однако фирмы Netzsch, R&M и Baker Hughes выпускают и винтовые насосы по схеме с кинематическим отношением 2:3.

Преимущества насосов с однозаходным ротором:

- относительно простая технология изготовления ротора;

- пониженная вибрация вследствие минимальной переносной угловой скорости ротора;

- повышенная допустимая частота вращения (несущественно ограниченная инерционной силой), что в определенных условиях упрощает схему привода насоса;

- минимальная скорость жидкости в каналах рабочих органов, что уменьшает их гидроабразивный износ;

- оптимальная кривизна винтовых поверхностей рабочих органов, что обеспечивает минимальные контактные напряжения.

Основной недостаток насосов с однозаходным ротором - необходимость существенного удлинения рабочих органов при пониженной частоте вращения (500 об/мин и ниже), что значительно усложняет технологию изготовления таких узлов и повышает их стоимость.

Многозаходные винтовые насосы (МВН), имеют существенные конструктивные и эксплуатационные преимущества по сравнению с традиционной схемой, обусловленные кратностью действия и повышенным числом контактных линий, отделяющих вход и выход многозаходного насоса:

- увеличенную подачу (в 2-3 раза) при одинаковой частоте вращения и наружном диаметре насоса;

- уменьшенный осевой габарит при одинаковых давлениях;

- уменьшенный диаметр при одинаковых подачах и частоте вращения, что позволяет сконструировать вставной насос для НКТ диаметром 73 мм;

- пониженная скорость скольжения рабочих органов, что уменьшает фрикционный износ.

Как известно, подача винтового насоса определяется формулой

Q=Vn o, (4.110)

где V — рабочий объем насоса ; о— объемный КПД насоса.

Рабочий объем насоса

V=Z2ST, (4.111)

где S - площадь живого сечения рабочих органов насоса:

S = 4 е d- для насосов с однозаходным ротором;

S е (DK — 3 е) — для многозаходных роторов;

е - эксцентриситет зацепления; d— диаметр сечения ротора.

Крутящий момент насоса (в нижнем сечении колонны штанг) зависит от давления Р и рабочего объема V насоса

M = PV/ гм  (4.112)

где гм — гидромеханический КПД насоса.

Характеристики насоса, представляющие собой зависимости подачи, крутящего момента, мощности (N =2  n М) и КПД (=0гм) от давления при заданной частоте вращения, зависят от:

1) геометрических параметров рабочих органов (i, е, Т, к, δ);

2) физических свойств жидкости (плотности, вязкости, газосодержания и т.д.);

3) физических свойств эластомера обкладки статора.

Возможный диапазон изменения частоты вращения штанговых

насосов:

для насосов с однозаходным ротором - 50-600 об/мин;

для МВН - 50-300 об/мин.

В качестве материала ротора в большинстве случаев используется сталь (20X13 или 40X13). Наружная винтовая поверхность ротора, нарезаемая по методу обкатки циклоидальной рейки, подвергается поверхностному упрочнению или хромируется (толщина слоя 0,1- 0,2 мм) с последующим полированием.

Одним из резервов повышения долговечности рабочих органов является обоснованный выбор эластомеров обкладки статора для заданных условий эксплуатации насоса. Зарубежные фирмы предлагают потребителю широкую гамму эластомеров в зависимости от характеристик пластовых жидкостей (содержания песка, H2S, С02, ароматических веществ), температуры и требуемых напоров.

При выборе натяга в паре необходимо учитывать вязкость и температуру откачиваемой жидкости на приеме насоса. Так, например, фирма Baker Hughes при температурах выше 100°С комплектует насосы рабочими парами с зазором, и, наоборот, при температурах до 60°С рабочие органы выполняются с натягом. В интервале температур 60-100°С натяги в паре близки к нулю.

Эффективным способом повышения надежности насосной пары является переход на конструкцию статора с постоянной толщиной эластичной обкладки. Однако такая конструкция является довольно сложной и требует специальной технологии изготовления.

Винтовые насосы вследствие эластичности обкладки статора и действия радиальных сил и перекашивающих моментов имеют переменные зазоры по длине контактной линии, через которые происходят утечки жидкости. В результате этого винтовые насосы обладают нетипичными для объемных гидромашин «нежесткими» напорными характеристиками (рис. 4.131).

Предельное давление насоса при прочих равных условиях зависит от межвиткового перепада давления

Рк = Р/, (4.113)

где  - число контактных линий, отделяющих вход и выход рабочих органов:

=(k-l)Z, + l

Зарубежные фирмы выпускают винтовые штанговые насосы (табл. 4.45) с подачами от 0,5 до 1000 м2/сут и давлениями до 30 МПа. Широкий диапазон подач осуществляется за счет изменения диаметра рабочих органов и шагов их винтовых поверхностей. В зависимости от требуемого давления выпускаются модификации насосов с различной длиной рабочих органов (от 0,5 до 15 м). В шифре насоса указывается наружный диаметр статора (как правило, совпадающий с одним из размеров НКТ), подача и давление насоса при номинальной частоте вращения. Кроме того, в шифре есть сведения о конструкции насоса

Таблица 4.45- Технические характеристики винтовых штанговых насосов зарубежных фирм

Фирма-изготовитель	Наружный диаметр, мм	Длина статора, мм	Диапазон подач, м3/сут	Максимальное давление, МПа
Baker Hughes (США)	60-127	1100-15600	4-1000	20
BPMF (Китай)	89-116	1700-9000	5-40	15
Griffin (Канада)	89-114	1500-9500	4-100	18
Kudu (Канада)	60-127	—	3-200	26
Mono Pump (Великобри­тания)			1-540	18
R&M (США)	60-89	1120-12 200	1-500	12
Netzsch (ФРГ)	60-102	1200-12 000	20-700	23
РСМ (Франция)	60-102	1300-5500	15-900	30
Schoeller- Bleckmarai (Австрия)	73-114	1120-5000	0,5-420	30
Weatherford (США)	60-102	800-10 300	4-400	28

Например, фирма Netzsch выпускает насосы с шифром NTZ 278- 650ST10, NTZ 350-120DT33, NTZ 350120DiT33 в которых первые три буквы обозначают фирму-изготовитель, 278 - условный диаметр колонны НКТ (2 7/8 дюйма - 73 мм), цифры после тире - давление насоса в атмосферах, ST - однозаходный винт , DT - многозаходный винт, DIT - многозаходный винтовой вставной насос, цифры после обозначения типа насоса обозначают теоретическую подачу насоса при частоте вращения винта, равной 100 об/мин.

Отечественными разработчиками создано несколько параметрических рядов МВН (Q =1-100 м3/сут), в основу которых положено варьирование диаметральными размерами рабочих органов и их кинематическим отношением при сохранении оптимальной (нормализованной) плоской и пространственной геометрии [11 ]:

- серии МВН в диаметральном габарите 42-89 мм, спроектированной ВНИИБТ и РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина;

- серии НВП в габарите 90-106 мм Пермского филиала ВНИ¬ИБТ. Длина рабочих органов не превышает 2 м. КПД МВН находится в пределах 40-60%; объемный КПД - 70-85%.

Рабочие органы МВН производятся ПФ ВНИИБТ НПО «Буровая техника» и Павловским машиностроительным заводом.

Фирмы «Ливгидромаш» и ПКНМ освоили производство винтовых штанговых насосов с однозаходным винтом с подачами от 1 до 50 м3/сутки.