Насос диафрагменного типа для подачи жидкостей и способ его изготовления
Насос предназначен для использования в технике бурения и закачивания скважин для подачи в скважину грязевого раствора. Насос содержит цилиндр (2), поршень (5), установленный в цилиндре (2) с возможностью перемещения от привода, и трубчатую диафрагму (4), которая изолирует рабочую полость (10) насоса, сообщающуюся с входным и выходным отверстиями насоса, от гидроприводной полости (8), сообщающейся с внутренним объемом цилиндра, примыкающим к рабочей поверхности поршня (5). Для получения компактной и простой конструкции, позволяющей получить насос диафрагменного типа на базе обычного поршневого насоса, насос снабжают рубашкой (1), расположенной поверх цилиндра (2) с образованием кольцевой камеры, ограниченной, по меньшей мере, внутренней поверхностью рубашки (1) и наружной поверхностью цилиндра (2), причем рабочая (10) и гидроприводная (8) полости, а также разделяющая их трубчатая диафрагма (4) расположены в кольцевой камере. Предложен также способ изготовления подобного насоса для подачи жидкостей на основе поршневого насоса путем модификации последнего. Отпадает необходимость использования сложных литьевых форм, уменьшаются затраты на изготовление. 2 н. и 18 з.п.ф-лы, 3 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к объемным насосам для подачи жидкостей, в частности к насосам, используемым в технике бурения и заканчивания скважин для подачи в скважину грязевого раствора.
Уровень техники
Для подачи грязевых (промывочных или тампонажных) растворов в скважину применяются поршневые насосы, в частности двухпоршневые насосы двойного действия или трехпоршневые насосы одинарного действия (см. А.И.Булатов и др. Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин. - М.: OOO "Недра-Бизнесцентр", 2003, стр.539-562). Основной недостаток данных насосов заключается в том, что их применение для перекачки абразивных жидкостей, каковыми и являются грязевые растворы, приводит к интенсивному износу поршневой группы.
Для уменьшения износа существует несколько способов, таких как очистка раствора на очистных машинах, добавление в раствор органических присадок или применение для изготовления поршневой группы особых сталей сплавов и соответствующей их обработки, например азотирование цилиндров. И все же эти способы дают лишь частичное решение задачи. Во-первых, полностью очистить раствор от абразивных частиц невозможно, а если учесть, что на глубоких скважинах насосы могут перекачивать сотни кубометров раствора в час, то очистка раствора оказывается непростой и дорогостоящей процедурой. Во-вторых, применение присадок и добавок также является недешевым решением. В случае же тампонирования скважины присутствие в растворе частиц цемента необходимо по определению.
Известны конструкции объемных насосов диафрагменного типа с гидравлическим приводом эластичного рабочего органа (диафрагмы). Пример такой конструкции раскрыт в публикации DE 1528392. Применение насосов диафрагменного типа явилось альтернативным решением задачи уменьшения износа и повышения долговечности насоса при перекачке абразивных и агрессивных текучих сред (см. авторское свидетельство SU 826074). В патенте RU 2212563 раскрыто решение, наиболее близкое к изобретению по своей технической сущности, а именно насос для подачи агрессивных жидкостей, содержащий цилиндр, поршень, установленный в цилиндре с возможностью перемещения от привода, и трубчатую диафрагму, которая изолирует рабочую полость насоса, сообщающуюся с входным и выходным отверстиями насоса, от гидроприводной полости, сообщающейся с внутренним объемом цилиндра, примыкающим к рабочей поверхности поршня. В насосе, выполненном по патенту RU 2212563, поршневая группа изолирована от подаваемой жидкости и контактирует лишь с относительно чистой рабочей жидкостью, однако взаимно перпендикулярная компоновка поршневой группы и трубчатой диафрагмы является недостатком, поскольку известный насос имеет увеличенные габаритные размеры и сложную конструкцию. В силу такой компоновки диаметр трубчатой диафрагмы в известном насосе сравнительно невелик, что обусловливает необходимость сжатия-растяжения диафрагмы с большой амплитудой для достижения приемлемого рабочего объема, т.е. объема жидкости, вытесняемой насосом за один такт.
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является преодоление недостатков ближайшего аналога, создание компактной, долговечной простой и недорогой конструкции насоса диафрагменного типа и разработка простого и недорогого в осуществлении способа изготовления подобного насоса на основе существующих поршневых насосов.
Для достижения этих целей предлагается насос для подачи жидкостей, преимущественно абразивных и/или агрессивных, содержащий цилиндр, поршень, установленный в цилиндре с возможностью перемещения от привода, и трубчатую диафрагму, которая изолирует рабочую полость насоса, сообщающуюся с входным и выходным отверстиями насоса, от гидроприводной полости, сообщающейся с внутренним объемом цилиндра, примыкающим к рабочей поверхности поршня.
Отличия предлагаемого насоса от его ближайшего аналога состоят в том, что он снабжен рубашкой, расположенной поверх цилиндра с образованием кольцевой камеры, ограниченной, по меньшей мере, внутренней поверхностью рубашки и наружной поверхностью цилиндра, причем рабочая и гидроприводная полости, а также разделяющая их трубчатая диафрагма расположены в кольцевой камере. В такой конструкции собственно цилиндр играет роль гильзы цилиндра в сборе с рубашкой.
Благодаря полученной таким образом соосной компоновке поршневой (гидроприводной) и грязевой (рабочей) частей насос становится более компактным и простым. Конструкция такого насоса подходит для переделки поршневых насосов, недостатки которых рассмотрены выше, в насосы диафрагменного типа при затратах, которые в промышленных масштабах несопоставимо малы по сравнению с затратами на оснащение скважин установки очистки буровых растворов или на применение добавок к буровым растворам.
В плане компактности вынос рабочей полости, непосредственно перекачивающей подаваемую жидкость, на периферию цилиндра выгоден с точки зрения возможности использования под рабочую полость значительной части осевой длины цилиндра, а также возможности получения сопоставимого с ближайшим аналогом объема рабочей полости при ее меньшей толщине в радиальном направлении, поскольку объем цилиндрической полости в общем случае пропорционален квадрату радиуса. При одном и том же объеме рабочей полости большая площадь трубчатой диафрагмы позволяет уменьшить амплитуду ее движения, что дает выигрыш в долговечности диафрагмы.
Что касается упрощения конструкции, отпадает необходимость использования сложных литьевых форм, которые требуются для изготовления корпуса перпендикулярной компоновки, характерной для ближайшего аналога.
Кольцевую камеру целесообразно выполнить осесимметричной, предпочтительно с контуром двояковыпуклой линзы в продольном сечении.
Плавное уменьшение радиуса линий контура двояковыпуклой линзы на концах этих линий снижает вероятность забивания твердых частиц, присутствующих в перекачиваемой жидкости или случайно попавших в рабочую жидкость, между подвижной диафрагмой и соответственно стенкой рубашки или стенкой цилиндра.
Гидроприводная полость может сообщаться с внутренним объемом цилиндра через несколько перепускных отверстий, выполненных в цилиндре и в предпочтительном варианте равномерно распределенных по окружности цилиндра, а цилиндр вместе с рубашкой может быть закрыт торцовой крышкой со стороны, обращенной к рабочей поверхности поршня, т.е. поверхности, которой поршень воздействует на рабочую жидкость (масло).
В торцовой крышке может быть выполнено отверстие для слива рабочей жидкости в перерывах между включениями насоса или для обеспечения ее циркуляции через очистной фильтр в процессе работы насоса. При использовании торцовой крышки один край трубчатой диафрагмы дополнительно может быть зажат между цилиндром и торцовой крышкой для более надежного крепления трубчатой диафрагмы.
В предлагаемом насосе объем гидроприводной полости в конце такта выпуска подаваемой жидкости может составлять примерно две трети объема кольцевой камеры, что исключает неблагоприятное воздействие крупных частиц, содержащихся в подаваемой жидкости, на материал трубчатой мембраны.
Сама трубчатая мембрана может быть выполнена как из неэластичного, так и из эластичного материала. Поскольку в предпочтительном варианте насоса рабочей жидкостью является гидравлическое масло, материал трубчатой мембраны в этом случае должен быть маслонепроницаемым и маслостойким.
Для реализации наиболее простого способа регулирования впуска-выпуска подаваемой жидкости во входном отверстии насоса может быть установлен обратный клапан, открывающийся в начале такта впуска подаваемой жидкости. Соответственно в выходном отверстии насоса может быть установлен обратный клапан, открывающийся в начале такта выпуска подаваемой жидкости. Естественно, что можно использовать и более сложные системы управления, в которых движение запорных органов клапанов синхронизировано с движением поршня.
Простым способом сопряжения рубашки с цилиндром является посадка рубашки на конус спереди и сзади от кольцевой камеры (по оси цилиндра), обеспечивающая автоматическое центрирование рубашки и плотный контакт в сопряжении.
Выгодным отличием предлагаемого насоса является то, что он может представлять собой составную часть двухпоршневого бурового насоса двойного действия.
Рассмотренные выше особенности конструкции предлагаемого насоса обусловливают возможность его изготовления не только в заводских условиях, но и в эксплуатации, путем модификации поршневых насосов, упомянутых в начале описания.
Соответственно объектом изобретения является также способ изготовления насоса диафрагменного типа для подачи жидкостей, преимущественно абразивных, на основе поршневого насоса, содержащего цилиндр и поршень, установленный в цилиндре с возможностью перемещения от привода, заключающийся в том, что:
- изготавливают рубашку, предназначенную для установки поверх цилиндра, снабженную входным и выходным отверстиями и имеющую такую форму, чтобы после установки рубашки ее внутренняя поверхность вместе с наружной поверхностью цилиндра ограничивала кольцевую камеру,
- выполняют в цилиндре несколько перепускных отверстий, соединяющих внутренний объем цилиндра, примыкающий к рабочей поверхности поршня, с поверхностью, ограничивающей кольцевую камеру,
- устанавливают рубашку поверх цилиндра, поместив между ними трубчатую диафрагму таким образом, чтобы трубчатая диафрагма разделила кольцевую камеру на рабочую полость, расположенную со стороны рубашки, и гидроприводную полость, расположенную со стороны цилиндра.
Перед установкой рубашки цилиндр может быть соответствующим образом подготовлен. В частности, в стенке цилиндра с наружной стороны может быть выполнена выемка, проходящая по окружности цилиндра. В дополнение к этому решению или вместо него стенку цилиндра можно избирательно нарастить (по толщине) с образованием выемки, проходящей по окружности цилиндра.
Краткое описание чертежей
Предлагаемый насос в одном из вариантов его выполнения схематически представлен в разрезе на следующих чертежах:
фиг.1 - схема, иллюстрирующая пример конструкции насоса,
фиг.2 - насос, показанный на фиг.1, в конце такта впуска (всасывания),
фиг.3 - насос, показанный на фиг.1, в конце такта выпуска (нагнетания).
Осуществление изобретения
Предлагаемый насос содержит, как показано на фиг.1, цилиндр 1, поршень 2 со штоком, установленный в цилиндре 1 с возможностью перемещения от привода, и трубчатую диафрагму 3. Диафрагма 3 изолирует рабочую полость 4 насоса, сообщающуюся с входным отверстием и выходным отверстием насоса, от гидроприводной полости 5, сообщающейся с внутренним объемом цилиндра, примыкающим к рабочей поверхности поршня 2. Цилиндр 1 окружен снаружи рубашкой 6, установленной поверх него с образованием кольцевой камеры, которая ограниченна внутренней поверхностью рубашки 6 и наружной поверхностью цилиндра 1 и в которой находятся как рабочая 4, так и гидроприводная 5 полости, а также разделяющая эти полости трубчатая диафрагма 3.
Кольцевая камера выполнена осесимметричной и имеет в продольном сечении контур двояковыпуклой линзы. В показанном на фиг.1 исполнении радиус линий контура двояковыпуклой линзы практически постоянен, но в другом варианте радиус на концах этих линий может быть переменным, в частности может плавно уменьшаться.
Гидроприводная полость 5 сообщается с внутренним объемом цилиндра через несколько перепускных отверстий 7, выполненных в цилиндре 1 и равномерно распределенных по окружности последнего.
Трубчатая диафрагма представляет собой оболочку - отрезок тонкостенной трубы, которая может быть эластичной или неэластичной, но в любом случае достаточно гибкой, прочной, непроницаемой для жидкостей и маслостойкой.
Цилиндр 1 вместе с рубашкой 6 закрыт торцовой крышкой 8 со стороны, обращенной к рабочей поверхности поршня 2, т.е. к поверхности, контактирующей с рабочей жидкостью. В торцовой крышке 8 выполнено отверстие 9 для слива рабочей жидкости. Для более надежного крепления трубчатой диафрагмы 3 один ее край зажат между цилиндром 1 и торцовой крышкой 8. Крепежные винты и заглушки на фиг.1 условно не показаны.
Во входном отверстии насоса установлен обратный клапан 11, открывающийся в начале такта впуска подаваемой жидкости, а в выходном отверстии насоса установлен обратный клапан 12, открывающийся в начале такта выпуска подаваемой жидкости.
На фиг.1 также видно, что рубашка 6 сопряжена с цилиндром 1 посадкой на конус спереди и сзади от кольцевой камеры.
Предлагаемый насос работает следующим образом.
В положении поршня 2, показанном на фиг.1, через отверстие 10 в крышке 8 в качестве рабочей жидкости в насос заливается масло. Масло заполняет левую часть цилиндра и по перепускным отверстиям 7 начинает поступать в гидроприводную полость 5. Предположим, условно, что масло заняло такой объем, как на фиг.1 (масло показано горизонтальными штрихами). Теперь поршень перемещают вправо, и он занимает положение, показанное на фиг.2. Масло из гидроприводной полости 5 через отверстия 7 поступит внутрь цилиндра, объем гидроприводной полости 5 уменьшится, а рабочей полости 4 - увеличится, оболочка 3 займет другое положение. Одновременно в рабочую полость 4 через обратный клапан 11 поступит перекачиваемая жидкость, например буровой раствор. При перемещении поршня 2 влево, в положение, показанное на фиг.3, масло из цилиндра поступает в гидроприводную полость 5, увеличивая ее объем и через оболочку 3 выдавливая буровой раствор из рабочей полости 4 через обратный клапан 12.
Таким образом, перемещение поршня 2 из положения, показанного на фиг.2, в положение, показанное на фиг.3, представляет собой рабочий ход поршня, при этом буровой раствор в цилиндр 1 не попадает, а поршень 2 работает в масле.
При данной схеме мелкие частицы цилиндру 1 не страшны, а крупные, пройдя через систему отстойников, осядут. Отпадает необходимость в машине очистки и органических присадках. При необходимости отработанное масло сливается через отверстие 9.
Очистку масла можно производить при необходимости в ходе работы или в перерывах.
При соотношении размеров элементов насоса, показанных на чертежах, объем масла, вытесненного из цилиндра поршнем из правого положения в левое, займет приблизительно 2/3 объема кольцевой камеры. Толщина оболочки в нашем случае не имеет особого значения.
Существующие поршневые насосы с цилиндром 1 и поршнем 2 можно модифицировать следующим образом.
Сначала изготавливают рубашку 6, предназначенную для установки поверх цилиндра 1, снабженную входным и выходным отверстиями и имеющую такую форму, чтобы после установки рубашки ее внутренняя поверхность вместе с наружной поверхностью цилиндра ограничивала кольцевую камеру. Рубашка может быть отлита сразу кольцевой формы, либо собрана из нескольких сегментов, например из двух половин.
Далее в цилиндре 1 выполняют несколько перепускных отверстий 7, соединяющих внутренний объем цилиндра, примыкающий к рабочей поверхности поршня 2, с поверхностью, ограничивающей кольцевую камеру.
Затем устанавливают рубашку 6 поверх цилиндра 1, поместив между ними трубчатую диафрагму 3 таким образом, чтобы трубчатая диафрагма 3 разделила кольцевую камеру на рабочую полость 4, расположенную со стороны рубашки 6, и гидроприводную полость 5, расположенную со стороны цилиндра 1.
Перед установкой рубашки 6 в стенке цилиндра 1 с наружной стороны может быть выполнена выемка, проходящая по окружности цилиндра. Кроме того, стенку цилиндра 1 можно избирательно, т.е. для достижения толщины, изменяющейся по длине цилиндра, нарастить с образованием выемки, проходящей по окружности цилиндра.
Рубашку 6 удобно устанавливать поверх цилиндра 1 с посадкой на конус спереди и сзади кольцевой камеры.
Таким образом, модификация затрагивает в основном грязевую часть насоса.
Изготовлена работающая модель насоса диафрагменного типа на базе двухпоршневого насоса двойного действия, которая развила давление более 60 атм. С приводом от двигателя мощностью 270 Вт модель создает давление приблизительно 30 атм.
1. Насос для подачи жидкостей, преимущественно абразивных и/или агрессивных, содержащий цилиндр (1), поршень (2), установленный в цилиндре (1) с возможностью перемещения от привода, и трубчатую диафрагму (3), которая изолирует рабочую полость (4) насоса, сообщающуюся с входным отверстием и выходным отверстием насоса, от гидроприводной полости (5), сообщающейся с внутренним объемом цилиндра, примыкающим к рабочей поверхности поршня (2), отличающийся тем, что он снабжен рубашкой (6), расположенной поверх цилиндра (1) с образованием кольцевой камеры, ограниченной внутренней поверхностью рубашки (6) и наружной поверхностью цилиндра (1), причем рабочая (4) и гидроприводная (5) полости, а также разделяющая их трубчатая диафрагма (3) расположены в кольцевой камере.
2. Насос по п.1, отличающийся тем, что кольцевая камера выполнена осесимметричной.
3. Насос по п.1, отличающийся тем, что кольцевая камера имеет в продольном сечении контур двояковыпуклой линзы.
4. Насос по п.3, отличающийся тем, что радиус линий контура двояковыпуклой линзы на концах этих линий плавно уменьшается.
5. Насос по п.1, отличающийся тем, что гидроприводная полость (5) сообщается с внутренним объемом цилиндра через несколько перепускных отверстий (7), выполненных в цилиндре (1).
6. Насос по п.1, отличающийся тем, что цилиндр (1) вместе с рубашкой (6) закрыт торцовой крышкой (8) со стороны, обращенной к рабочей поверхности поршня (2).
7. Насос по п.6, отличающийся тем, что в торцовой крышке (8) выполнено отверстие (9) для слива рабочей жидкости.
8. Насос по п.6, отличающийся тем, что один край трубчатой диафрагмы (3) зажат между цилиндром (1) и торцовой крышкой (8).
9. Насос по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что рабочий объем цилиндра, находящийся между двумя крайними положениями поршня (2), составляет примерно две трети объема кольцевой камеры.
10. Насос по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что во входном отверстии насоса установлен обратный клапан (11), открывающийся в начале такта впуска подаваемой жидкости, а в выходном отверстии насоса установлен обратный клапан (12), открывающийся в начале такта выпуска подаваемой жидкости.
11. Насос по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что трубчатая диафрагма (3) выполнена из неэластичного материала.
12. Насос по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что трубчатая диафрагма (3) выполнена из эластичного материала.
13. Насос по п.11, отличающийся тем, что трубчатая диафрагма выполнена из материала, обладающего маслонепроницаемостью и/или маслостойкостью.
14. Насос по п.12, отличающийся тем, что трубчатая диафрагма выполнена из материала, обладающего маслонепроницаемостью и/или маслостойкостью.
15. Насос по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что рубашка (6) сопряжена с цилиндром (1) посадкой на конус спереди и сзади от кольцевой камеры.
16. Насос по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что он представляет собой составную часть двухпоршневого бурового насоса двойного действия.
17. Насос по п.5, отличающийся тем, что перепускные отверстия (7) равномерно распределены по окружности цилиндра (1).
18. Способ изготовления насоса диафрагменного типа для подачи жидкостей, преимущественно абразивных и/или агрессивных, на основе поршневого насоса, содержащего цилиндр (1) и поршень (2), установленный в цилиндре (1) с возможностью перемещения от привода, заключающийся в том, что
изготавливают рубашку (6), предназначенную для установки поверх цилиндра (1), снабженную входным и выходным отверстиями и имеющую такую форму, чтобы после установки рубашки (6) ее внутренняя поверхность вместе с наружной поверхностью цилиндра (1) ограничивала кольцевую камеру,
выполняют в цилиндре (1) несколько перепускных отверстий (7), соединяющих внутренний объем цилиндра, примыкающий к рабочей поверхности поршня (2), с поверхностью, ограничивающей кольцевую камеру,
устанавливают рубашку (6) поверх цилиндра (1), поместив между ними трубчатую диафрагму (3) таким образом, чтобы трубчатая диафрагма (3) разделила кольцевую камеру на рабочую полость (4), расположенную со стороны рубашки (6), и гидроприводную полость (5), расположенную со стороны цилиндра (1).
19. Способ по п.18, в котором перед установкой рубашки (6) в стенке цилиндра (1) с наружной стороны выполняют выемку, проходящую по окружности цилиндра, и/или стенку цилиндра (1) избирательно наращивают с образованием выемки, проходящей по окружности цилиндра.
20. Способ по п.18 или 19, в котором рубашку (6) устанавливают поверх цилиндра (1) с посадкой на конус спереди и сзади от кольцевой камеры.
