Обойма одновинтового насоса и способ ее изготовления

 

Использование: в области насосостроения для использования в винтовых насосах и забойных двигателях. Сущность изобретения: обойма одновинтового насоса включает уплотнительную часть в виде эластичного полого цилиндра, имеющего наружную поверхность вращения в основном цилиндрической формы и внутреннюю винтовую многозаходную поверхность, причем обе поверхности имеют общую ось. Уплотнительная часть выполнена из резиноткани, слои которой расположены перпендикулярно оси, а каждая нить ткани прилегает одним концом к наружной, другим к внутренней поверхности. Соседние слои резиноткани имеют различные физико-механические показатели материала. Способ изготовления обоймы одновинтового насоса включает раскрой резиноткани прямого перекрестного плетения по диагонали на ленты, намотку лент по спирали в кольцо, которое затем выворачивают по периметру до получения навитого по винтовой линии кольцевого многослойного пакета, устанавливают в пресс-форму с последующей вулканизацией обоймы, причем резиноткань раскраивают на ленты шириной, обеспечивающей одновременное изготовление нескольких колец путем резки намотанного по спирали викеля, кольца выполняют переменной ширины, изменяющейся идентично изменению толщины уплотнительной части обоймы, а затем кольца собирают в пакет-обойму вокруг пресс-формы. 4с. и 2 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано при разработке и изготовлении винтовых насосов и винтовых забойных двигателей, преимущественно применяемых при нефтедобыче и глубоком бурении скважин на нефть и газ.

Известны одновинтовые насосы, винтовые забойные двигатели с обоймой (статором), включающей уплотнительную часть в виде эластичного, преимущественно резинового, полого цилиндра, имеющего наружную поверхность вращения цилиндрической формы, закрепленной в металлоарматуре с помощью выступов, шлицевых канавок и др. средств крепления или привулканизированной к ней. Соосная ей внутренняя поверхность уплотнительной части является многозаходной винтовой поверхностью, число заходов которой на единицу больше числа заходов контрдетали винта (ротора) (Буренин В.В. Конструкции винтовых насосов. Обзорная информация. Насосостроение. Сеp. ХМ-4. ЦИНТИхимнефтемаш, М. 1990).

Известные обоймы изготавливают компрессионным или компрессионно-литьевым способом в пресс-форме (Лепетов В.А. Расчеты и конструирование резиновых технических изделий и форм, "Химия", Л. 1972, с.294, рис. 11.7). Обойма может вулканизироваться совместно с металлоарматурой, охватывающей ее наружную поверхность. Внутренняя винтовая поверхность формируется с помощью сердечника, который вывинчивается по окончании вулканизации.

Известны манжеты буровых насосов с резиновой уплотнительной частью и опорой из резиноткани. Слои резиноткани в опоре расположены перпендикулярно оси манжеты, а каждая нить ткани расположена одним концом на наружной, другим на внутренней цилиндрической поверхности опорной части (Авт. св. СССР N 1237848, 1982, кл. F 16 J 15/32).

Манжеты буровых насосов получают намоткой косораскроенных лент по спирали в кольцо, которое затем выворачивают по периметру до получения навитого по винтовой линии кольцевого многослойного пакета, или навивкой лент по винтовой линии непосредственно в кольцевой многослойный пакет. Полученный пакет устанавливают в пресс-форму как закладную деталь, заливают резиновой смесью и вулканизируют до получения готового изделия (Орлов З.Д. Орлова Г.С. Чайская Л.П. Семенок Е.И. Лемакина Т.А. Резинотканевые уплотнения, Тематический обзор, Сер. "Производство РТИ и АТИ", ЦНИИТЭнефтехим, М. 1979, с.48-49, рис. 25).

Существующие обоймы имеют недостаточный ресурс: получение длинномерной уплотнительной части связано с затруднениями при ее отливке и предопределяет использование довольно мягких, недостаточно износостойких резиновых смесей, практически исключая применение наполнителей и, тем более, какое-либо армирование. Между тем, высокая цикличность при значительных удельных нагрузках на уплотнительную часть, воздействие повышенной температуры, химическое и абразивное воздействие жидкой среды ведут к интенсивному изнашиванию уплотнения и, прежде всего, эластичных выступов, с возникновением перетоков жидкости и последующим разрушением обоймы винта (Ганелина С.А. Резинометаллические детали гидравлических забойных двигателей, "Недра", М. 1981).

Для повышения ресурса обоймы заманчиво использование армированных конструкций по типу опор резинотканевых манжет. Однако они не имеют профильной внутренней поверхности, их длина незначительна, что исключает применение в качестве уплотнения обоймы.

Прототипом изобретения является обойма (статор) одновиткового насоса (двигателя) фирмы "Дайна дрилл". Обойма включает уплотнительную часть в виде резинового полого цилиндра, наружная поверхность которого привулканизирована к металлической трубе. Внутренняя часть обоймы представляет собой двухзаходную винтовую поверхность (Гусман М.Т. Балденко Д.Ф. Винтовые забойные двигатели, Обзоры зарубежной литературы ВНИИОЭНГ, М. 1972, с.31, рис.16).

Обойму получают путем формования в пресс-форме с установкой трубы статора в качестве закладной детали. По рекламным данным, используют специальную резиновую смесь на основе синтетического каучука, рассчитанную на высокое сопротивление абразивному изнашиванию, температурному и химическому воздействию. Имеются рекламные данные о заливке полиуретаном, о вакуумировании форм для получения высокого качества изделия.

Технический результат достигается тем, что в обойме винтового насоса, которая включает уплотнительную часть в виде эластичного полого цилиндра с наружной поверхностью вращения и соосной ей внутренней винтовой многозаходной поверхностью, уплотнительная часть обоймы выполнена из резиноткани, слои которой располагаются практически перпендикулярно ее оси. При этом каждая нить ткани расположена одним концом на наружной цилиндрической поверхности, другим на внутренней винтовой поверхности. Соседние слои резиноткани в уплотнительной части могут принципиально отличаться друг от друга физико-механическими показателями.

Такое исполнение обоймы придает ее уплотнительной части анизотропные свойства композиционного материала: жесткость в осевом направлении, то есть способность выдерживать повышенные нагрузки, с одновременной эластичностью в радиальном направлении, что обеспечивает хорошее уплотнение и компенсирует износ винтовой пары. Выходящие на поверхность трения винтового насоса торцы армирующих нитей снижают коэффициент трения, а принципиальное отличие свойств соседних слоев придает матричный характер поверхности трения, что дополнительно увеличивает ее несущую способность.

Технический результат способа изготовления достигается тем, что устройство изготовляют из косораскроенных лент резиноткани следующим способом. Ленты наматывают по спирали в кольцо, которое затем выворачивают по периметру с получением кольцевого винтового многослойного пакета. Резиноткань раскраивают на ленты шириной для одновременного изготовления нескольких колец путем резки намотанного по спирали викеля. При этом производят нарезание викеля на кольца переменной ширины, изменяющейся идентично изменению толщины уплотнительной части обоймы. Викель могут нарезать на винтовые кольца. Полученные пакеты устанавливают в пресс-форму с последующей вулканизацией обоймы.

Вариант способа предусматривает навивку лент косораскроенной ткани по винтовой линии в кольцевой многослойный пакет, устанавливаемый в пресс-форму с последующей вулканизацией обоймы. Отличием этого варианта является раскрой резиноткани на ленты переменной ширины, изменяющейся идентично изменению толщины уплотнительной части обоймы, при которой навивка обеспечивает профиль внутренней винтовой поверхности обоймы.

Еще один вариант способа включает дублирование косораскроенных полос резиноткани с получением пластины, нарезку последней на жгуты, свертывание из жгутов кольцевых заготовок, устанавливаемых в пресс-форму. Отличие этого способа нарезка пластины на жгуты переменной ширины, изменяющейся идентично изменению толщины уплотнительной части обоймы.

На фиг. 1 продольный разрез обоймы одновинтового насоса; на фиг. 2, 3, 4 и 5 поперечные сечения обоймы (прототип) А-А (2 места), Б-Б, В-В и Г-Г соответственно, отмеченных стрелками на фиг. 1; на фиг. 6 расположение нитей резиноткани в поперечном сечении обоймы (изобретение) А-А на фиг. 1; на фиг. 7 намотка викеля по спирали из косораскроенной ткани, нарезка викеля на кольца переменной ширины, выворачивание одного из колец по периметру в направлении сечения Д-Д; на фиг. 8 сборка на дорне пресс-формы навитых по винтовой линии кольцевых многослойных пакетов; на фиг. 9 установка обоймы в пресс-форму для завивки концевых участков резиной с последующей вулканизацией; на фиг. 10 - нарезка викеля на винтовые кольца переменной ширины; на фиг. 11 раскрой резиноткани по диагонали на ленты переменной ширины; на фиг. 12 навивка лент переменной ширины в кольцевой многослойный пакет с профилем внутренней винтовой поверхности обоймы; на фиг. 13 нарезка пластины косораскроенной резиноткани на жгуты.

Обойма винтового насоса (фиг. 1) включает уплотнительную часть 1 в виде эластичного полого цилиндра с наружной поверхностью 2 цилиндрической формы и внутренней винтовой многозаходной поверхностью 3 (также сечения А-А на фиг. 2, Б-Б на фиг. 3, В-В на фиг. 4, Г-Г на фиг. 5). Эти поверхности расположены на общей оси 4. Уплотнительная часть 1 закреплена в металлоарматуре 5 (фиг. 1) с помощью вулканизации.

Уплотнительная часть 1 выполнена из резиноткани, слои которой 6 (фиг. 6) расположены перпендикулярно оси 4, а каждая нить ткани 7 расположена одним концом 8 на наружной 2, другим 9 на внутренней 3 поверхности.

При работе винтового насоса уплотнительная часть 1 обоймы, устойчивая к действию осевых нагрузок за счет армирования тканью, слои 6 которой перпендикулярны оси 4, относительно легко деформируется в радиальном направлении благодаря растяжению нитей 7, ориентированных в направлении от наружной 2 ко внутренней 3 поверхности. Анизотропность материала уплотнительной части позволяет добиться хорошего уплотнения пары "обойма-винт" в широком диапазоне рабочих нагрузок, поддерживая предварительный натяг элементов пары и компенсируя износ. Наличие на внутренней поверхности 3 торцов 9 армирующих нитей 7 снижает коэффициент трения в паре. Результатом является увеличение ресурса изделия.

Вариант исполнения обоймы может отличаться различными физико-механическими показателями материала в соседних слоях резиноткани. При этом получается матричный характер винтовой поверхности обоймы, при котором более жесткие участки являются несущими нагрузку, а эластичные уплотняющими элементами. Такое исполнение обоймы дополнительно увеличивает ее ресурс.

Способ изготовления обоймы включает раскрой резиноткани прямого перекрестного плетения по диагонали на ленты, намотку лент по спирали в кольцо 10 (фиг. 7), которое затем выворачивают по периметру в направлении стрелок Д до получения навитого по винтовой линии кольцевого многослойного пакета. При этом резиноткань целесообразно раскроить на ленты шириной, которая дает возможность одновременно изготовить несколько колец (10, 11, 12 и т.д.) путем резки намотанного по спирали викеля 13. Последний нарезают на кольца переменной ширины, изменяющейся идентично изменению толщины уплотнительной части обоймы, и при их выворачивании образуется профиль внутренней винтовой поверхности 3 (фиг. 6).

Указанные пакеты 14 (фиг. 8) набирают на дорне 15 пресс-формы и затем вместе с ним устанавливаются для последующей вулканизации в пресс-форму, например, для изготовления деталей компрессионно-литьевым способом, как показано на фиг. 9. При этом металлоарматура 5 фиксируется в разъемном корпусе 16 пресс-формы, а дорн 15 в ее крышках 17 и 18. Крышки собирают с разъемным корпусом в единое целое с помощью съемных замков 19 и 20.

В такой пресс-форме давление, сжимающее отдельные пакеты между собой, может создаваться литьевым цилиндром 21, присоединяемым к пресс-форме через литьевую шайбу 22, или иным устройством. После сжатия пакетов давлением сырой резиновой смеси, подаваемой литьевым цилиндром 21 с двух сторон при переворачивании пресс-формы через отверстия 23 и 24 в крышках 17 и 18, цилиндра 21 и шайбу 22 снимают, и пресс-форму оставляют в обогреваемых плитах 25, 26 пресса или устанавливают в автоклав для вулканизации обоймы.

Способ предусматривает нарезку викеля на винтовые кольца 27, как показано на фиг. 10. В этом случае каждое предыдущее кольцо 27 непрерывно переходит в последующее 28, поскольку при нарезке получают единую винтовую заготовку. Переменная ширина винтовой заготовки, изменяющаяся идентично изменению толщины уплотнительной части обоймы, точно так же при выворачивании приводит к образованию профиля внутренней винтовой поверхности обоймы, а выворачивание по периметру сводится к поворачиванию каждого сечения винтовой заготовки на 90^o; эту заготовку затем непрерывно набирают на дорне пресс-формы.

Способ наиболее подходит для автоматизации процесса изготовления обоймы. В получаемой обойме вулканизируемым стыком, то есть наиболее слабым участком, является винтовая линия, а не ряд поперечных сечений, как в предыдущем случае, что также повышает ресурс изделия.

Вариант способа изготовления включаем раскрой резиноткани прямого перекрестного плетения по диагонали на ленты 29 (фиг. 11) и навивку этих лент по винтовой линии вокруг дорна в кольцевой многослойный пакет 14 (фиг. 12), устанавливаемый в пресс-форму для вулканизации. Ткань раскраивают на ленты переменной ширины с образованием при навивке профиля внутренней винтовой поверхности 3.

Способ также подходит для автоматизации процесса изготовления, однако время навивки будет существенно больше, чем в предыдущем случае, а обойма - более дорогой. Полученное изделие не имеет вулканизационных стыков, что крайне важно для наиболее ответственных случаев его применения.

Вариант способа изготовления включает раскрой резиноткани прямого перекрестного плетения по диагонали на полосы, дублирование полос до получения пластины 30 (фиг. 13) косораскроенной резиноткани, нарезку пластины на жгуты 31, свертывание из жгутов кольцевых заготовок, набираемых на дорне с установкой последнего в пресс-форму. При этом пластину 30 нарезают на жгуты 31 переменной ширины, что образует при свертывании жгута в кольцевую заготовку профиль внутренней поверхности обоймы. Кольцевые заготовки набирают на дорне с несовпадением стыков соседних заготовок.

Способ отличается минимальной механизацией операций и наиболее подходит для изготовления опытных образцов и небольших объемов производства при высоком качестве изделий.

Формула изобретения

1. Обойма одновинтового насоса, содержащая уплотнительную часть в виде эластичного полого цилиндра, имеющего наружную поверхность вращения в основном цилиндрической формы и внутреннюю винтовую многозаходную поверхность, причем обе поверхности имеют общую ось, отличающаяся тем, что уплотнительная часть выполнена из резиноткани, слои которой расположены перпендикулярно оси, а каждая нить ткани расположена одним концом на наружной, другим на внутренней поверхности.

2. Обойма по п.1, отличающаяся тем, что соседние слои резиноткани имеют различные показатели прочности, эластичности, износостойкости в их совокупности, произвольном сочетании или в отдельности.

3. Способ изготовления обоймы одновинтового насоса, включающий раскрой резиноткани прямого перекрестного плетения по диагонали на ленты, намотку лент по спирали в кольцо, которое затем выворачивают по периметру до получения навитого по винтовой линии кольцевого многослойного пакета, устанавливают его в пресс-форму с последующей вулканизацией уплотнительной части обоймы, причем резиноткань раскраивают на ленты шириной для одновременного изготовления нескольких колец путем резки намотанного по спирали викеля, отличающийся тем, что кольца выполняют переменной ширины, изменяющейся идентично изменению толщины уплотнительной части обоймы, а затем кольца собирают в пакет-обойму вокруг дорна пресс-формы.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что при одновременном изготовлении нескольких колец путем резки намотанного по спирали викеля последний нарезают по винтовой линии с получением единой винтовой заготовки, в которой каждое предыдущее кольцо непрерывно переходит в последующее.

5. Способ изготовления обоймы одновинтового насоса, включающий раскрой резиноткани прямого перекрестного плетения по диагонали на ленты, навивку лент по винтовой линии в кольцевой многослойный пакет, установку его в пресс-форму с последующей вулканизацией уплотнительной части обоймы, отличающийся тем, что ленты выполняют переменной ширины, изменяющейся идентично изменению толщины уплотнительной части обоймы, а затем ленты навивают в пакет-обойму вокруг дорна пресс-формы.

6. Способ изготовления обоймы одновинтового насоса, включающий раскрой резиноткани прямого перекрестного плетения по диагонали на полосы, дублирование полос до получения пластины косораскроенной резиноткани, нарезку пластины на жгуты и свертывание из жгутов кольцевых заготовок, установку их в пресс-форму с последующей вулканизацией уплотнительной части обоймы, отличающийся тем, что жгуты выполняют переменной ширины, изменяющейся идентично изменению толщины уплотнительной части обоймы, а затем кольцевые заготовки собирают в пакет-обойму вокруг дорна пресс-формы с обеспечением несовпадения стыков соседних заготовок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13