Многофазный роторно-лопастной насос и способ его эксплуатации

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в конструкциях многофазных роторно-лопастных насосов для перекачки рабочей среды, состоящей из смеси газовой и жидкостной среды, а также и в отношении способа их эксплуатации. Насос содержит ротор 1 с внутренней полостью и подающими лопатками. Корпус 4 состоит из статора с эксцентричной рабочей камерой, внутри которой эксцентрично размещен ротор 1, и распределительно-компенсационных камер всасывания 7 и нагнетания 8 с внешней стороны статора. Корпус 4 размещен в корпусе-отстойнике 10, имеющем всасывающий 11 и напорный патрубок 12 с прилегающими к ним полостями всасывания 13 и нагнетания 14 соответственно. Патрубок 11 сообщен с камерой 7, расположенной перед ротором 1, а напорный патрубок 12 сообщен с камерой 8, расположенной за ротором 1. Насос имеет линию всасывания 19 для жидкости, расположенную в средней части полости корпуса-отстойника 10, в котором скорость потока жидкой фазы рабочего тела приближена к нулю, снабженную динамическим насосом 20, рабочий орган 21 которого или связан с приводным валом 17, или снабжен самостоятельным приводным валом, и выполненным соединяющим линию всасывания 19 с полостями ротора 1 и статора через свой рабочий орган с возможностью создания замкнутой циркуляции для количества жидкости, необходимого для обеспечения уплотнения зазоров механизма. Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей роторно-лопастного насоса и повышение надежности его работы. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в конструкциях многофазных роторно-лопастных насосов для перекачки рабочей среды, состоящей из смеси газовой и жидкостной среды, а также и в отношении способа их эксплуатации.

Из существующего уровня техники известен многофазный винтовой насос с по меньшей мере одним подающим винтом, заключенным в корпусе, имеющем по меньшей мере один всасывающий и по меньшей мере один напорный патрубок. Всасывающий патрубок сообщен с полостью всасывания, расположенной перед подающим винтом, а напорный патрубок - с полостью нагнетания, расположенной за подающим винтом. Полость нагнетания снабжена устройством для отделения соответствующей жидкой фазы от газовой фазы потока среды, выходящего из подающего винта, а также нижним участком для приема по меньшей мере одной дозы отделенной жидкой фазы.

Из того же источника информации известен также и способ эксплуатации многофазного винтового насоса с по меньшей мере одним подающим винтом, заключенным в корпус, имеющий по меньшей мере один всасывающий и по меньшей мере один напорный патрубок. Всасываемая среда малопульсирующим непрерывно подаваемым потоком перемещается параллельно винтовому валу и непрерывно выводится через напорный патрубок. С напорной стороны соответствующую жидкую фазу отделяют от газовой фазы за счет того, что уменьшают скорость выходящего из подающего винта потока среды и/или целенаправленно изменяют его направление (см. патент РФ №2101571, F04C 2/16, 1994 г.).

Под понятием «многофазной» понимается газожидкостная смесь - смесь рабочей среды, состоящей из жидкой и газовой фаз.

При многофазном транспортировании, в частности с высокой долей газа или при сухом ходе, жидкость обычно выносится полностью. Подающие органы вращаются в таком случае без жидкости, уплотняющей зазоры, насос уже не обеспечивает полного давления, что ведет к прекращению подачи. Тепло, обращающееся в результате сжатия газовой фазы, отводится недостаточно. Это приводит к перегреву подающих органов и их тепловому расширению, что может повлечь за собой поломку насоса вследствие задевания корпуса.

Кроме того, при высокой доле газа и сухом ходе на уплотнениях валов наблюдается недостаточная смазка, которая может вызвать перегрев уплотнений валов и их разрушение.

И, если уровень остаточной жидкости со стороны впуска установится на нижней кромке подающих винтов, уплотнения валов не смачиваются, смазка, образованная перекачиваемой средой, испаряется, теплота трения не отводится, разрушая уплотнение валов.

Эту проблему, в частности, пытаются решить постоянной смазкой и постоянным охлаждением с помощью внешнего агрегата масляного уплотнения. Однако подобные агрегаты являются дорогостоящими и восприимчивыми к повреждениям, что ухудшает экономичность рассматриваемых насосов.

В известном техническом решении, выбранном за прототип, достижению заявленного технического результата препятствует существенный недостаток конструкции, выраженный в том, что при работе по перекачиванию нефтегазовой смеси винтовые многофазные насосы крайне «чувствительны» к сгусткам асфальто-смоло-парафиновых включений, которые, попадая в зазор между винтами или винтом и корпусом, мнутся, вызывают остановку механизма с возможностью его повреждения и/или существенного снижения ресурса.

При эксплуатации таких насосов применяют механические фильтры, что делает невозможным их использование на нефти с большим количеством сгустков асфальто-смоло-парафиновых включений, так как фильтры забиваются и требуют постоянной очистки.

Роторно-лопастные насосы, один из которых является предметом настоящего изобретения, перерезают подобные мягкие включения подающими лопатками и могут функционировать фактически при любом их количестве, что допускает их эксплуатацию без механического фильтра, существенно расширяя область их применения по перекачиванию нефтегазовой смеси.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание роторно-лопатного насоса, эксплуатирующегося без механического фильтра и работающего практически при любом количестве асфальто-смоло-парафиновых включений в перекачиваемую газожидкостную рабочую среду.

К техническим результатам, получаемым от реализации заявленного изобретения, можно отнести расширение функциональных возможностей роторно-лопастного насоса и повышение надежности его работы.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается по первому объекту изобретения тем, что в многофазном роторно-лопастной насосе, содержащем, по крайней мере, один ротор, имеющий, по меньшей мере, одну внутреннюю полость и снабженный подающими лопатками, корпус, состоящий из статора с, по крайней мере, одной эксцентричной рабочей камерой, внутри которой эксцентрично размещен ротор, и распределительно-компенсационных камер всасывания и нагнетания с внешней стороны статора, при этом корпус размещен в корпусе-отстойнике, имеющем, в свою очередь, по меньшей мере, один всасывающий и, по меньшей мере, один напорный патрубок с прилегающими к ним полостями всасывания и нагнетания соответственно, причем всасывающий патрубок сообщен с, по меньшей мере, одной распределительно-компенсационной камерой всасывания, расположенной перед ротором, а напорный патрубок сообщен с, по меньшей мере, с одной распределительно-компенсационной камерой нагнетания, расположенной за ротором, причем насос имеет линию всасывания для жидкости, расположенную в средней части полости корпуса-отстойника, в котором скорость потока жидкой фазы рабочего тела приближена к нулю, снабженную динамическим насосом, рабочий орган которого или связан с приводным валом, или снабжен самостоятельным приводным валом, и выполненным соединяющим линию всасывания с полостями ротора и статора через свой рабочий орган с возможностью создания замкнутой циркуляции для количества жидкости, необходимого для обеспечения уплотнения зазоров механизма.

Полость нагнетания корпуса-отстойника может быть снабжена, по крайней мере, одним устройством для разделения рабочей среды на жидкую и газовую фазы, и/или подвода жидкой фазы рабочей среды, выходящей из-под ротора, к линии всасывания динамического насоса и уплотнения зазоров механизма и приводного вала, и/или изменения направления движения потока рабочей среды и выполнена имеющей участок для приема количественного объема отделенной жидкой фазы рабочей среды.

Полость нагнетания корпуса-отстойника может быть изолирована от окружающей среды в осевом направлении.

Участок для приема количественного объема отделенной жидкой фазы рабочей среды многофазного роторно-лопастного насоса может быть расположен в нижней части полости нагнетания, а для уменьшения скорости потока рабочей среды полость нагнетания может быть выполнена с поперечным сечением, увеличивающимся в направлении протекания рабочей среды.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается по второму объекту изобретения тем, что в способе эксплуатации многофазного роторно-лопастного насоса с, по крайней мере, одним ротором, имеющим, по меньшей мере, одну внутреннюю полость, снабженным подающими лопатками, размещенным в корпусе, состоящем из статора с, по крайней мере, одной эксцентричной рабочей камерой, внутри которой эксцентрично установлен ротор, и распределительно-компенсационными камерами на внешней стороне статора, и размещенным в корпусе-отстойнике, имеющем, в свою очередь, по меньшей мере, один всасывающий и, по меньшей мере, один напорный патрубок с прилегающими к ним полостями всасывания и нагнетания соответственно, всасываемую рабочую среду малопульсирующим непрерывно подаваемым потоком перемещают по касательной к ротору и непрерывно выводят через напорный патрубок, со стороны напорного патрубка отделяют жидкую фазу рабочей среды от ее газовой фазы, из отделенной жидкой фазы рабочей среды отбирают часть объемного расхода жидкости, принудительно под давлением нагнетают отобранную часть объемного расхода жидкости в полость ротора и полость статора для обеспечения уплотнения зазоров механизма, поддерживая постоянную циркуляцию жидкой фазы рабочей среды в полости насоса, а излишний объемный расход жидкости снова объединяют с газовой фазой рабочей среды в зоне напорного патрубка.

Разделение рабочей среды на жидкую и газовую фазы и/или подвод жидкой фазы рабочей среды, выходящей из-под ротора, к линии всасывания динамического насоса и уплотнения зазоров механизма и приводного вала в способе эксплуатации многофазного роторно-лопастного насоса осуществляют, например, с использованием устройств для направления потока, размещенных в полости нагнетания.

Жидкую же фазу рабочей среды от ее газовой фазы отделяют, например, за счет уменьшения скорости выходящего из ротора потока рабочей среды, а саму скорость выходящего из ротора потока рабочей среды уменьшают, например, за счет выполнения полости нагнетания с поперечным сечением, увеличивающимся в направлении протекания рабочей среды.

Или же жидкую фазу рабочей среды от ее газовой фазы отделяют, например, за счет изменения направления движения потока рабочей среды, а само направление движения потока рабочей среды изменяют с использованием устройств для направления потока, размещенных в полости нагнетания.

Давление же подачи циркулирующей жидкости в способе эксплуатации многофазного роторно-лопастного насоса изменяют, например, в зависимости от скорости вращения ротора.

Изобретение поясняется чертежами, где

на Фиг.1 изображена роторно-лопастная машина в боковом разрезе;

на Фиг.2 - сечение А-А Фиг.1.

Многофазный роторно-лопастной насос содержит ротор 1, имеющий внутреннюю полость 2, снабженный подающими лопатками 3.

Корпус 4 состоит из статора 5 с эксцентричной рабочей камерой 6, внутри которой эксцентрично установлен ротор 1, и распределительно-компенсационных камер всасывания 7 и нагнетания 8 с внешней стороны статора 5, также имеющим внутренние полость 9.

Статор 5 размещен в корпусе-отстойнике 10, имеющем всасывающий патрубок 11 и напорный патрубок 12 с прилегающими к ним полостями всасывания 13 и нагнетания 14 соответственно.

Напорный патрубок 12 предпочтительно устанавливается на верхней стороне корпуса-отстойника 10.

Всасывающий патрубок 11 сообщен с полостью всасывания 13, расположенной перед ротором 1, а напорный патрубок 12 сообщен с полостью нагнетания 14, расположенной за ротором 1 (обеспечиваемый здесь и в других местах поток рабочей среды показан стрелками 15).

За подающими лопатками 3 размещена соответствующая распределительно-компенсационная камера нагнетания 8, сообщающаяся с полостью нагнетания 13 корпуса-отстойника 10.

Полость нагнетания 14 изолирована от окружающей среды в осевом направлении соответствующим уплотнением 16 приводного вала 17, которое служит для уплотнения внешней подшипниковой опоры 18. Полость нагнетания 14 имеет поперечное сечение, увеличивающееся в направлении протекания рабочей среды.

Многофазный роторно-лопастной насос имеет линию всасывания 19 для жидкости, расположенную в средней части полости корпуса-отстойника 10, в котором скорость потока жидкой фазы рабочего тела приближена к нулю.

Линия всасывания 19 снабжена динамическим насосом 20, рабочий орган 21 которого или связан с приводным валом 17, или снабжен самостоятельным приводным валом (не показано).

Рабочий орган 21 динамического насоса 20 выполнен соединяющим линию всасывания 19 с полостями 2 и 9 ротора 1 и статора 5 соответственно через свой рабочий орган 21 с возможностью создания замкнутой циркуляции для количества жидкости, необходимого для обеспечения уплотнения зазоров механизма.

Полость нагнетания 14 может быть снабжена устройством 22 для разделения рабочей среды на жидкую и газовую фазы. Устройство 22 может служить также для подвода жидкой фазы рабочей среды, выходящей из-под ротора 1, к линии всасывания 19 динамического насоса 20 и уплотнения зазоров механизма и приводного вала 17. Устройство 22 может служить также для изменения направления движения потока рабочей среды. Полость нагнетания 14 может быть выполнена имеющей участок 23 для приема количественного объема отделенной жидкой фазы рабочей среды.

Участок 23 для приема количественного объема отделенной жидкой фазы рабочей среды может быть расположен в нижней части полости нагнетания 14.

Для уменьшения скорости потока рабочей среды полость нагнетания 14 может быть выполнена с поперечным сечением, увеличивающимся в направлении протекания рабочей среды.

Способ эксплуатации многофазного роторно-лопастного насоса можно проиллюстрировать следующим образом.

Как было показано выше, многофазный роторно-лопастной насос имеет, по крайней мере, один ротор 1 с внутренней полостью 2, снабженный подающими лопатками 3 и эксцентрично размещенный в эксцентричной рабочей камере 6 статора 5 корпуса 4.

Всасываемая рабочая среда малопульсирующим непрерывно подаваемым потоком перемещается по касательной к ротору 1 и непрерывно выводится через напорный патрубок 12.

Со стороны напорного патрубка 12 отделяют жидкую фазу рабочей среды от ее газовой фазы. Из отделенной жидкой фазы рабочей среды отбирают часть объемного расхода жидкости и принудительно под давлением нагнетают отобранную часть объемного расхода жидкости в полость 2 ротора 1 и полость 9 статора 5 для обеспечения уплотнения зазоров механизма. При этом поддерживается постоянная циркуляция жидкой фазы рабочей среды в указанных полостях, а излишний объемный расход жидкости снова объединяется с газовой фазой рабочей среды в зоне напорного патрубка 12.

Разделение рабочей среды на жидкую и газовую фазы, а также подвод жидкой фазы рабочей среды, выходящей из-под ротора 1, к линии всасывания 19 динамического насоса 20 и уплотнения зазоров механизма и приводного вала 17 осуществляют с использованием устройств 22 для разделения и направления потока, размещенных в полости нагнетания 14.

Жидкую фазу рабочей среды от ее газовой фазы могут отделять, в частности, за счет уменьшения скорости выходящего из ротора 1 потока рабочей среды, например за счет выполнения полости нагнетания 14 с поперечным сечением, увеличивающимся в направлении протекания рабочей среды.

Жидкую фазу рабочей среды от ее газовой фазы могут отделять также и за счет изменения направления движения потока рабочей среды, например, с использованием устройств 22 для разделения и направления потока, размещенных в полости нагнетания 14.

Конструкция многофазного роторно-лопастного насоса позволяет при его работе изменять давление подачи циркулирующей жидкости в зависимости от скорости вращения ротора 1.

Рабочая среда, поступающая в насос через всасывающий патрубок 11, в корпусе-отстойнике 10 насоса подается в соответствующую распределительно-компенсационную камеру всасывания 7 и далее ротором 1 с подающими лопатками 3 подается в распределительно-компенсационную камеру нагнетания 8 и далее в полость нагнетания 14.

Часть объемного расхода жидкости, отделяемая с напорной стороны из перекачиваемой газожидкостной смеси, принудительно под давлением направляется в полости 2 ротора 1 и полости 9 статора 5 и через них к уплотняемым щелям насоса.

Подаче жидкой фазы в зону уплотнения приводного вала 17 и всасывания динамического насоса 20 можно содействовать с помощью устройств 22 для разделения и направления потока, которые могут также служить для поддержания процесса разделения фаз и регулирования уровня жидкости в полости нагнетания 14 корпуса-отстойника 10.

В роторно-лопастном насосе использованы традиционные конструкционные материалы, и он может быть изготовлен в условиях серийного или экспериментального производства.

1. Многофазный роторно-лопастной насос, содержащий, по крайней мере, один ротор, имеющий, по меньшей мере, одну внутреннюю полость и снабженный подающими лопатками, корпус, состоящий из статора с, по крайней мере, одной эксцентричной рабочей камерой, внутри которой эксцентрично размещен ротор, и распределительно-компенсационных камер всасывания и нагнетания с внешней стороны статора, при этом корпус размещен в корпусе-отстойнике, имеющем, в свою очередь, по меньшей мере, один всасывающий и, по меньшей мере, один напорный патрубки с прилегающими к ним полостями всасывания и нагнетания соответственно, причем всасывающий патрубок сообщен с, по меньшей мере, одной распределительно-компенсационной камерой всасывания, расположенной перед ротором, а напорный патрубок сообщен с, по меньшей мере, одной распределительно-компенсационной камерой нагнетания, расположенной за ротором, при этом насос имеет линию всасывания для жидкости, расположенную в средней части полости корпуса-отстойника, в котором скорость потока жидкой фазы рабочего тела приближена к нулю, снабженную динамическим насосом, рабочий орган которого или связан с приводным валом, или снабжен самостоятельным приводным валом, выполненным соединяющим линию всасывания с полостями ротора и статора через свой рабочий орган с возможностью создания замкнутой циркуляции для количества жидкости, необходимого для обеспечения уплотнения зазоров механизма.

2. Многофазный роторно-лопастной насос по п.1, отличающийся тем, что полость нагнетания корпуса-отстойника снабжена, по крайней мере, одним устройством для разделения рабочей среды на жидкую и газовую фазы и/или подвода жидкой фазы рабочей среды, выходящей из-под ротора, к линии всасывания динамического насоса и уплотнения зазоров механизма и приводного вала, и/или изменения направления движения потока рабочей среды и выполнена имеющей участок для приема количественного объема отделенной жидкой фазы рабочей среды.

3. Многофазный роторно-лопастной насос по п.1, отличающийся тем, что полость нагнетания корпуса-отстойника изолирована от окружающей среды в осевом направлении.

4. Многофазный роторно-лопастной насос по п.2, отличающийся тем, что участок для приема количественного объема отделенной жидкой фазы рабочей среды расположен в нижней части полости нагнетания.

5. Многофазный роторно-лопастной насос по п.1, отличающийся тем, что для уменьшения скорости потока рабочей среды полость нагнетания выполнена с поперечным сечением, увеличивающимся в направлении протекания рабочей среды.

6. Способ эксплуатации многофазного роторно-лопастного насоса с, по крайней мере, одним ротором, имеющим, по меньшей мере, одну внутреннюю полость, снабженным подающими лопатками и размещенным в корпусе, состоящем из статора с, по крайней мере, одной эксцентричной рабочей камерой, внутри которой эксцентрично установлен ротор, и распределительно-компенсационными камерами с внешней стороны статора, и размещенным в корпусе-отстойнике, имеющем, в свою очередь, по меньшей мере, один всасывающий и, по меньшей мере, один напорный патрубки с прилегающими к ним полостями всасывания и нагнетания соответственно, заключающийся в том, что всасываемую рабочую среду малопульсирующим непрерывно подаваемым потоком перемещают по касательной к ротору и непрерывно выводят через напорный патрубок, со стороны напорного патрубка отделяют жидкую фазу рабочей среды от ее газовой фазы, из отделенной жидкой фазы рабочей среды отбирают часть объемного расхода жидкости, принудительно под давлением нагнетают отобранную часть объемного расхода жидкости в полость ротора и полость статора для обеспечения уплотнения зазоров механизма, поддерживая постоянную циркуляцию жидкой фазы рабочей среды в полости насоса, а излишний объемный расход жидкости снова объединяют с газовой фазой рабочей среды в зоне напорного патрубка.

7. Способ эксплуатации многофазного роторно-лопастного насоса по п.1, отличающийся тем, что разделение рабочей среды на жидкую и газовую фазы и/или подвод жидкой фазы рабочей среды, выходящей из-под ротора, к линии всасывания динамического насоса и уплотнения зазоров механизма и приводного вала осуществляют с использованием устройств для направления потока, размещенных в полости нагнетания.

8. Способ эксплуатации многофазного роторно-лопастного насоса по п.1, отличающийся тем, что жидкую фазу рабочей среды от ее газовой фазы отделяют за счет уменьшения скорости выходящего из ротора потока рабочей среды.

9. Способ эксплуатации многофазного роторно-лопастного насоса по п.7, отличающийся тем, что скорость выходящего из ротора потока рабочей среды уменьшают за счет выполнения полости нагнетания с поперечным сечением, увеличивающимся в направлении протекания рабочей среды.

10. Способ эксплуатации многофазного роторно-лопастного насоса по п.1, отличающийся тем, что жидкую фазу рабочей среды от ее газовой фазы отделяют за счет изменения направления движения потока рабочей среды.

11. Способ эксплуатации многофазного роторно-лопастного насоса по п.9, отличающийся тем, что направление движения потока рабочей среды изменяют с использованием устройств для направления потока, размещенных в полости нагнетания.

12. Способ эксплуатации многофазного роторно-лопастного насоса по п.1, отличающийся тем, что давление подачи циркулирующей жидкости изменяют в зависимости от скорости вращения ротора.