Пилипец В.И. - Сoвершенствование конструкции погружных гидронасосов дляоткачки жидкости из скважины с глубоким залеганием динамического уровня.

Одним из недостатков гидродвигателей погружных насосов, является сложность запуска двигателя после его остановки в процессе проведения откачек из скважин. Это объясняется значительными усилиями на клапанную пружину, жесткость которой зависит от разности между глубиной погружения насоса ниже динамического уровня и глубиной залегания уровня жидкости в скважине, а также от величины рабочей площади впускного и выпускного клапанов в гидродвигателе.

Особенно это актуально при проведении откачек жидкости (воды или нефти) из скважин малого диаметра с глубиной залегания динамического уровня более 100–200 м.Надежность запуска можно повысить путем разгрузки клапанов двигателя, изменяя их рабочую площадь или облегчая работу клапанной пружины.

Рис. 1—погружной насос с клапанами ступенчатой формы:

1 — выпускное окно; 2 — впускной клапан; 3 — выпускной клапан; 4 — тяга; 5 — поршень гидро двигателя; 6 — клапанная пружина; 7 — клапанная коробка

Для повышения надежности запуска можно над жесткой основной клапанной пружиной установить более слабую пружину запуска, жесткость которой определяется из выражения:

Zзап=Zосн(Н1/ Н)

где Zзап и Zосн — соответственно жесткость пружин: запуска и основной, Н/м; Н и Н1 — соответственно глубина залегания динамического уровня и уровня жидкости в скважине, м.
При небольшой нагрузке работает слабая пружина запуска, при увеличении нагрузки перестановка клапанов осуществляется жесткой основной пружиной.
В качестве другого варианта повышения надежности запуска необходимо максимально уменьшить площадь клапанов или разгрузить их в момент перестановки.
На рисунке 1 приведена конструкция погружного насоса в котором разгрузка клапанов гидродвигателя осуществляется за счет их ступенчатого исполнения.
При верхнем положении поршня гидродвигателя 5 он переставляет впускной клапан 2 и выпускной клапан 3 в верхнее положение. Открывается доступ рабочего агента через окна Л, Б, канал В и окно Д в верхнюю полость цилиндра гидродвигателя. Поршень гидродвигателя 5 под давлением рабочего агента со стороны верхней полости цилиндра движется вниз и посредством тяги 4 переставляет клапаны 2 и 3 в нижнее, исходное положение.
Клапаны 2 и 3 имеют ступенчатую форму. Ступени клапана 2 обозначены буквами а1,в1,с1, а ступени клапана 3 обозначены буквами а2, в2, с2. При закрытом положении клапана 2 рабочий агент действует на площадь F1, равную:
                                    F1=Fв1–Fа1,
где Fв1Fа1 — площади сечения ступеней клапана, соответственно а1 и в1, м2
Клапан 2 будет прижат к своему седлу давлением рабочего агента с силой S1
                                S=(Pc+Pk)F1
де Рс — давление рабочего агента до начала открытия клапанов гидродвигателя, Па; Рк — повышение давления рабочего агента в момент открытия клапанов, Па.
Отрыв клапан 2 от седла может осуществиться за счет толчка поршня гидродвигателя 5 через верхний ограничитель при полном сжатии клапанной пружины 6. После отрыва клапана 2, но когда ступень с1 будет еще закрывать проходное отверстие в распределительной коробке 7, площадь клапана 2 будет равна F1.
                                F2=Fc1–Fa1
где FC1 — площадь сечения клапана C, м2.
В этот момент сила действия рабочего агента на клапан будет равна S2
        S2=(Pc+Pk)F2.
Полное открытие клапана возможно только за счет силы клапанной пружины 6, поэтому:
       Z(h0+h)>= S2+Tk
где Z — жесткость пружины, Н/м; h0 и h — предварительное и рабочее сжатие пружины, м; Тк — сила трения клапанов 2—3 в момент их перестановки, Н.

Видно, что сила S2 зависит от давления рабочего агента и площади сечения клапана F2. При Fс1=Fа1 площадь клапана F2 станет равной нулю и сила клапанной пружины 6 независимо от давления рабочего агента будет определяться трением, т.е.:
   Z(h0+h) >=Tk.
Аналогичным образом можно сделать расчеты для момента открытия выпускного клапана 3 и прийти к выводу, что при условии равенства площади сечения ступени
с2=Fс2
сила пружины Z(ho+h) будет определяться трением Fk.
С точки зрения надежности работы клапанов гидродвигателя и для предотвращения их зависания при ходе поршня вниз необходимо условие:
   F3=Fc2 – Fa2 >0
Достаточно, если Fc2 –Fa2 =1 – 3 см2 в зависимости от диаметра гидронасоса.
Для уравновешенной работы гидродвигателя необходимо соблюдение равенства:

      Fв1–Fа1=Fв2–Fа2
   Fс1–Fа1=Fс2–Fа2= 1—3 см2

При такой конструкции клапанов жесткость пружины снижается в 12 раз и более по сравнению с обычной конструкцией насосов с гидроприводом. Кроме того уменьшение мощности пружины способствует снижению ударной нагрузки на клапаны и, следовательно, повышению их долговечности. Дополнительно ударную нагрузку на клапаны можно уменьшить за счет снижения скорости их перестановки. Это достигается путем уменьшения сечения проходного отверстия в клапане 3. Одним из вариантов разгрузки выпускного клапана двигателя является установка в клапане дополнительного поршня.
Приведена схема гидропоршневого агрегата,снабженного устройством для разгрузки выпускного клапана 7 двигателя. Выпускной клапан снабжен камерой 3 с размещенным в ней дополнительным поршнем 4 и каналами, соединяющими выпускное окно 1 с надпоршневой полостью 5 двигателя.

Рисунок. 2—гидродвигатель с устройством для разгрузки выпускного клапана

1 — выпускное окно; 2 — впускной клапан; 3 — камера; 4 — дополнительный поршень; 5 — надпоршневая полость; 6 — поршень двигателя; 7 — выпускной клапан; 8 — клапанная пружина
При перестановке клапанов из одного положения в другое, клапанная пружина, сжимаясь (до определенного усилия) вначале перемещает дополнительный поршень 4, который закрывает или открывает (в зависимости от направления движения поршней) канал, соединяющий камеру 3 с выпускным окном 1. После этого, накопив определенный запас энергии, пружина осуществляет перестановку клапанов.
Такое конструктивное решение позволяет уменьшить радиальный размер клапанной пружины и тем самым появляется возможность снизить диаметральный габарит погружного агрегата.
На рисунке 2 приведена схема гидропоршневого агрегата,снабженного устройством для разгрузки выпускного клапана 7 двигателя. Выпускной клапан снабжен камерой 3 с размещенным в ней дополнительным поршнем 4 и каналами, соединяющими выпускное окно 1 с надпоршневой полостью 5 двигателя.
В период запуска, т.е. при перестановке клапанов 2 и 3 из нижнего положения в верхнее, клапанная пружина 5, сжимаясь до определенного предела, приподнимает один клапан 2 с удлиненным хвостовиком. Происходит резкое падение давления над впускными клапанами, так как рабочий трубопровод в этот момент соединяется с выпускным.
После этого клапанная пружина осуществляет окончательную перестановку клапанной группы в значительно легких условиях.
После этого клапанная пружина осуществляет окончательную перестановку клапанной группы в значительно легких условиях.
При таком конструктивном исполнении отпадает необходимость установки двух пружин.
Для обеспечения возможности исследования зависимостей рабочих параметров от конструктивных и эксплуатационных, разработана программа для ПЭВМ «Hydro Pump v 1.01».
Проведенные исследования дают возможность создавать механизмы с уменьшенными габаритными размерами клапанной пружины, что позволяет изготовить погружные гидронасосы с небольшими радиальными размерами для скважин малого диаметра.

Сoвершенствование конструкции погружных гидронасосов для откачки жидкости из скважины с глубоким залеганием динамического уровня