2.3.3. 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 φ относитель­но неподвижной системы координат (абсолютное движение) его ось поворачивается по круговой траектории с радиусом е в противоположном направлении (переносное движение) на угол φ_п = -Z₂ φ.

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

(2.168)

В качестве рабочих органов штанговых винтовых насосов за­рубежные 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 [45—50].

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 [51]:

— 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

(2.169)

где V — рабочий объем насоса; η — объемный КПД насоса.

Рабочий объем насоса

(2.170)

где S — площадь живого сечения рабочих органов насоса:

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

S =π e (D_k — 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

(2.171)

где η_гм — гидромеханический КПД насоса.

Характеристики насоса, представляющие собой зависимос­ти подачи, крутящего момента, мощности (N= 2 π п М) и КПД (η = η₀η_гм )от давления при заданной частоте вращения, зависят от:

1) геометрических параметров рабочих органов (i, е, Т, k, 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, CO₂, 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 ºС 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. 2.129).

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

(2.172)

где λ — число контактных линий, отделяющих вход и выход рабочих органов: λ = (к - 1) Z₁ + 1.

Рис. 2.129. Характеристика винтовых насосов с поверхностным приводом фирмы Emip (Франция)

Зарубежные фирмы выпускают винтовые штанговые насо­сы (табл. 2.47) 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.

Таблица 2.47