7.5.3. 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 - зaxoднoro 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

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

(7.16) 

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.

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

(7.17) 

гдеV — рабочий объем насоса; η₀ — объемный КПД насоса.

Рабочий объем насоса

где S - площадь живого сечения рабочих органов насоса: S = 4еd - для насосов с однозаходным ротором; S = πе(D_к - 3е) - 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

(7.18) 

где η_гм — гидромеханический КПД насоса.

Характеристики насоса, представляющие собой зависимости подачи, крутящего момента, мощности и КПД (η⁼ η₀ η_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.

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.