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
Автор: Пилипец В. И.
Источник: Наукові праці Донецького державного технічного університету. Випуск 1
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:
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 а, в, с. При закрытом положении клапана 2 рабочий агент действует на площадь F1, равную:
где Fв1Fа1 — площади сечения ступеней клапана, соответственно а1 и в1, м2
Клапан 2 будет прижат к своему седлу давлением рабочего агента с силой S1
где 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.
где FC1 — площадь сечения клапана C, м2. В этот момент сила действия рабочего агента на клапан будет равна S2
Полное открытие клапана возможно только за счет силы клапанной пружины 6, поэтому:
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 Fс=Fа площадь клапана F2 станет равной нулю и сила клапанной пружины 6 независимо от давления рабочего агента будет определяться трением, т.е.:
Аналогичным образом можно сделать расчеты для момента открытия выпускного клапана 3 и прийти к выводу, что при условии равенства площади сечения ступени
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:
Достаточно, если Fc2-Fa2=1 – 3 см в зависимости от диаметра гидронасоса. Для уравновешенной работы гидродвигателя необходимо соблюдение равенства:
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.