EA043954B1

EA043954B1 - MULTISTAGE TROCHOID PUMP AND PUMP STAGE

Info

Publication number: EA043954B1
Application number: EA202390108
Authority: EA
Inventors: Иван Соломонович Пятов; Сергей Евгеньевич КОЛЕСОВ; Владимир Николаевич Ивановский
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "РЕАМ-РТИ"
Filing date: 2022-12-22
Publication date: 2023-07-10

Description

Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к многоступенчатым погружным насосам для откачки пластовой жидкости из скважин.The invention relates to petroleum engineering, in particular to multi-stage submersible pumps for pumping formation fluid from wells.

Известна роторная объемная машина, которая содержит корпус, внешний ротор с внутренними зубьями, внутренний ротор с внешними зубьями, кольцевые торцевые диски. По меньшей мере один из кольцевых торцевых дисков выполнен заодно с внешним ротором, выполненным разъемным на две противолежащие соосные составные части, установленные с примыканием друг к другу и образованием единой детали вращения, каждая из которых включает кольцевой торцевой диск, выполненный за одно целое с частью зубьев внешнего ротора. Зубья одной составной части внешнего ротора размещены между зубьями другой составной части этого ротора и чередуются с ними. Торцы зубьев обеих составных частей внешнего ротора, противолежащие соответствующим кольцевым торцевым дискам, выполнены консольными и встречно ориентированными (по патенту RU2319014, МПК F01C 1/10, опубл. 10.03.08).A rotary volumetric machine is known, which contains a housing, an external rotor with internal teeth, an internal rotor with external teeth, and annular end disks. At least one of the annular end disks is made integral with the outer rotor, made detachable into two opposite coaxial components installed adjacent to each other and forming a single rotation part, each of which includes an annular end disk made integral with a part of the teeth external rotor. The teeth of one component of the outer rotor are placed between the teeth of another component of this rotor and alternate with them. The ends of the teeth of both components of the outer rotor, opposite the corresponding annular end disks, are made cantilever and counter-oriented (according to patent RU2319014, IPC F01C 1/10, publ. 03/10/08).

Недостатком данной роторной объемной машины являются перетечки жидкости из зоны нагнетания в зону всасывания, связанные с конструкцией внешнего ротора, из-за которого вход и выход жидкости осуществляется в радиальном направлении, для чего во внешнем роторе необходимы отверстия с поперечным сечением достаточным для обеспечения требуемого расхода. Также недостаткам следует отнести неравномерность действия радиальных сил на роторы.The disadvantage of this rotary volumetric machine is the flow of liquid from the discharge zone to the suction zone, associated with the design of the external rotor, due to which the liquid enters and exits in the radial direction, for which holes in the external rotor are necessary with a cross section sufficient to ensure the required flow rate. Also disadvantages include the uneven action of radial forces on the rotors.

Известен скважинный многоступенчатый трохоидный насос, который состоит из двух и более трохоидных ступеней, включающих в себя статор и внутренний и внешний роторы, установленные с внутренним зацеплением и возможностью взаимного вращения. Роторы установлены на валу с фиксацией в окружном направлении и без фиксации в осевом направлении. Роторы установлены с эксцентриситетом в статорах в осевом подшипнике скольжения. В смежных ступенях роторы смещены в окружном направлении на угол, равный 180°. Вал установлен в подшипниковые опоры. Ступени разделены направляющим аппаратом, в котором выполнено одно сквозное отверстие и два глухих отверстия, разделенных перегородкой. Отверстие соединяет выход ниже установленной ступени с входом выше установленной ступени. В статоре ступени выполнены два байпасных канала, один из которых соединяет выход ступени с отверстием ниже установленного аппарата, а другой соединяет вход ступени с отверстием выше установленного аппарата (по патенту RU2739932, МПК F04C 11/00, F04C 2/10, опубл. 29.12.20).A well-known multistage trochoid pump is known, which consists of two or more trochoid stages, including a stator and internal and external rotors installed with internal gearing and the possibility of mutual rotation. The rotors are mounted on the shaft with fixation in the circumferential direction and without fixation in the axial direction. The rotors are mounted with eccentricity in the stators in an axial plain bearing. In adjacent stages, the rotors are offset in the circumferential direction by an angle of 180°. The shaft is installed in bearing supports. The steps are separated by a guide vane, which has one through hole and two blind holes separated by a partition. The hole connects the outlet below the installed stage to the input above the installed stage. The stage stator has two bypass channels, one of which connects the stage output to the hole below the installed device, and the other connects the stage input to the hole above the installed device (according to patent RU2739932, IPC F04C 11/00, F04C 2/10, publ. 12/29. 20).

Конструктивные решения данного насоса позволяют компенсировать неравномерность осевых сил, действующих на ступень насоса и, тем самым, снизить износ торцевых поверхностей направляющих аппаратов. Но к недостаткам этого насоса следует отнести то, что из-за разницы давлений на входе и выходе ступени возникает радиальная сила, действующая на роторы, которая создает изгибающий момент на валу, снижая его ресурс, и увеличивает износ статора.The design solutions of this pump make it possible to compensate for the unevenness of the axial forces acting on the pump stage and, thereby, reduce wear on the end surfaces of the guide vanes. But the disadvantages of this pump include the fact that due to the difference in pressure at the inlet and outlet of the stage, a radial force appears on the rotors, which creates a bending moment on the shaft, reducing its service life, and increases stator wear.

Наиболее близким техническим решением является скважинный героторный насос, который включает внутренний ротор, содержащий множество зубьев, выполненный с возможностью вращения вокруг первой продольной оси героторного насоса. Героторный насос также включает в себя полый наружный ротор, включающий наружную поверхность и внутреннюю поверхность, имеющие по существу идентичные контуры, внутренняя поверхность выполнена с возможностью взаимодействия с множеством зубьев и вращения вокруг второй продольной оси героторного насоса. Насос включает корпус насоса, внутри которого расположены внутренний ротор и внешний ротор, причем внешняя поверхность внешнего ротора определяет зазоры между корпусом насоса и внешним ротором. Причем во внешнем роторе выполнены сопла, которые имеют входной конец в зазоре между корпусом насоса и внешним ротором и выходной конец в области между внутренней поверхностью внешнего ротора и внешней поверхностью внутреннего ротора. Каждое сопло выполнено с возможностью распыления охлаждающей жидкости из множества зазоров в область между внутренней поверхностью внешнего ротора и внешней поверхностью внутреннего ротора (по патенту US 10584702, МПК F04C 13/00, F04C 15/00, опубл. 10.03.20).The closest technical solution is a downhole gerotor pump, which includes an internal rotor containing a plurality of teeth, configured to rotate around the first longitudinal axis of the gerotor pump. The gerotor pump also includes a hollow outer rotor including an outer surface and an inner surface having substantially identical contours, the inner surface being configured to engage a plurality of teeth and rotate about a second longitudinal axis of the gerotor pump. The pump includes a pump housing within which an inner rotor and an outer rotor are located, wherein the outer surface of the outer rotor defines clearances between the pump housing and the outer rotor. Moreover, the outer rotor contains nozzles that have an inlet end in the gap between the pump housing and the outer rotor and an outlet end in the area between the inner surface of the outer rotor and the outer surface of the inner rotor. Each nozzle is configured to spray coolant from a plurality of gaps into the area between the inner surface of the outer rotor and the outer surface of the inner rotor (according to US patent 10584702, IPC F04C 13/00, F04C 15/00, publ. 03/10/20).

В данном насосе сопла, расположенные радиально во внутренних выступах, осуществляют подачу охлаждающей жидкости внутрь ступени в пространство между роторами. Данный насос имеет те же недостатки, что и аналоги, а именно неравномерное действие радиальных сил, возникающих из-за разницы давления внутри ступени, вызванной разделением зон всасывания и нагнетания. В результате статоры, в которых вращаются внешние роторы, изнашиваются неравномерно. На валу создается изгибающий момент, который растет с увеличением износа статора. Данная проблема характерна для всех трохоидных (героторных) насосов.In this pump, nozzles located radially in the internal projections supply coolant inside the stage into the space between the rotors. This pump has the same disadvantages as its analogues, namely the uneven action of radial forces arising from the difference in pressure inside the stage caused by the separation of the suction and discharge zones. As a result, the stators in which the outer rotors rotate wear unevenly. A bending moment is created on the shaft, which increases with increasing stator wear. This problem is typical for all trochoid (gerotor) pumps.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в повышении надежности работы и ресурса многоступенчатого трохоидного насоса за счет применяемых конструктивных решений.The technical result achieved by using the invention is to increase the reliability and service life of a multi-stage trochoid pump due to the design solutions used.

Указанный технический результат достигается тем, что скважинный многоступенчатый трохоидный насос состоит из двух и более трохоидных ступеней, включающих в себя статор с установленными с торцов крышками с входным и выходным отверстиями на каждой, внутренний и внешний роторы, установленные с внутренним зацеплением и возможностью взаимного вращения, внутренние роторы установлены на валу с фиксацией в окружном направлении, а внешние роторы установлены с эксцентриситетом в статорах ступеней в осевом подшипнике скольжения, в смежных ступенях внешние роторы смещены в окружном направлении на угол, равный 180°, вал установлен в подшипниковые опоры, трохоидные ступени разделены направляющим аппаратом, и отличается тем,The specified technical result is achieved by the fact that a downhole multistage trochoid pump consists of two or more trochoid stages, including a stator with end-mounted covers with inlet and outlet openings on each, internal and external rotors installed with internal gearing and the possibility of mutual rotation, the internal rotors are mounted on the shaft with fixation in the circumferential direction, and the external rotors are installed with eccentricity in the stators of the stages in an axial plain bearing; in adjacent stages, the external rotors are displaced in the circumferential direction by an angle equal to 180°, the shaft is installed in bearing supports, the trochoid stages are separated guide vane, and differs in that

--

Claims

that in the cavities of the outer rotor there are radial holes connecting the internal cavities between the outer and inner rotors with the gap between the outer rotor and the plain bearing.

In addition, the pump may additionally contain upstream devices: an inlet module, a gas separator, a filter module, which can be equipped with filter elements, including those made of wire-permeable material.

Also, the technical result is achieved by the fact that the trochoid pump stage consists of a stator with end-mounted covers with inlet and outlet openings on each, internal and external rotors installed with eccentricity relative to each other and internal engagement with the possibility of mutual rotation, the inner rotor has a hole for fixation in the circumferential direction on the shaft, and the outer rotor is installed in the stator in an axial plain bearing, and is characterized in that in the cavities of the outer rotor there are radial holes connecting the internal cavities between the outer and inner rotors with a gap between the outer rotor and the plain bearing.

The present invention is illustrated by the following drawings, which show:

fig. 1 - borehole multistage trochoid pump, longitudinal section;

fig. 2 - assembled design of the trochoid stage;

fig. 3 - disassembled design of the trochoid stage;

fig. 4 - design of the trochoid stage, front view;

fig. 5 - downhole multistage trochoidal pump in a well.

The multistage trochoid pump (Fig. 1) consists of trochoid stages 1, each of which consists of a stator 2, an internal rotor 3, an external rotor 4. The external rotor 4 is installed with eccentricity relative to the stator 2 in an axial plain bearing 5. The internal rotor 3 is mounted on shaft 6 with fixation in the circumferential direction using flats 7. Shaft 6 is installed in bearing supports 8. Trochoid stages 1 are separated by a guide vane 9, connecting through a through hole 10 output 11 below the installed stage with input 12 above the installed stage, which are made in covers 13 .

In the depressions of the outer rotor 4 (Fig. 2-4) there are radial holes 14 connecting the internal cavities 15 between the outer rotor 4 and the inner rotor 3 with a gap 16 between the outer rotor 4 and the plain bearing 5 of the stator 2.

Downhole multistage trochoidal pump 17 (Fig. 5) is part of a downhole pump installation, which, in addition to pump 17, consists of a submersible electric motor 18, hydraulic protection 19, and inlet module 20. The installation is connected to a string of tubing (tubing) 21, fixed to the wellhead wells. The power supply to the submersible electric motor 19 is carried out via cable 22. The input module 20 can be equipped with filter elements 23.

A borehole multistage pump operates as follows. Pump 17 as part of the installation is lowered into the well on tubing string 21. Power is supplied via cable 23 to electric motor 18, which transmits torque to shaft 6 of pump 17. Internal rotor 3 rotates with shaft 6 and, due to engagement with external rotor 4, transmits rotation and on him. As a result, the liquid is transferred from the inlet 12 to the outlet 11 of the stage and enters through the through hole 10 of the guide vane 9 to the inlet 12 of the next stage, where the process is repeated. The liquid enters the input 12 of the lower stage of the pump through the input module 20. After passing through all stages, the liquid enters the tubing column 21 and is pumped to the surface.

Thanks to the presence of radial holes 14, liquid from the internal cavity 15 enters the gap 16 between the outer rotor 4 and the sliding bearing 5 of the stator 2. The pressure inside and outside the outer rotor 4 is equalized, and the effect of radial forces on it is reduced. As a result, the wear of the sliding bearing 5 is reduced and, as a result, the bending moments on the shaft 6 are reduced, which increases the reliability and service life of the pump. In addition, the presence of radial holes 14 improves oil circulation between the rubbing surfaces, which also reduces friction, reduces wear and ensures the removal of heat generated by friction between the outer stator 4 and the sliding bearing 5 of the stator 2, thereby ensuring their cooling.

The use of the input module 20 with a filter element 23 allows the liquid to be purified from mechanical impurities, which provides protection against wear of parts of the trochoid stage and other elements of the pump.

Thus, the technical solutions proposed in the invention increase the reliability and service life of a downhole multistage trochoid pump and contribute to the achievement of a technical result.

CLAIM

1. Downhole multi-stage trochoid pump, consisting of two or more trochoid stages, including a stator with covers installed at the ends, one of which has an inlet hole, and the other has an outlet hole, internal and external rotors installed with internal gearing and the possibility of mutual rotation, the internal rotors are installed on the shaft with fixation in the circumferential direction, and the external rotors are installed with eccentricity in the stators of the stages in an axial plain bearing; in adjacent stages the external rotors are displaced in the circumferential direction

-