RU105660U1

RU105660U1 - START-UP COUPLING

Info

Publication number: RU105660U1
Application number: RU2011104796/03U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Фёдорович Балденко; Федор Дмитриевич Балденко; Владимир Григорьевич Воробьев; Александр Вячеславович Лунев
Original assignee: ОАО "Пермнефтемашремонт"
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2011-06-20

Abstract

1. Пусковая муфта, содержащая соосно-расположенные и сопряженные в поперечном сечении ведущую и ведомую полумуфты, составляющие винтовую пару и установленные соответственно на приводном валу и валу исполнительного механизма, отличающаяся возможностью поступательного перемещения (холостого хода) ведущей полумуфты при ее начальном движении в момент разгона приводного вала, для чего ведущая полумуфта крепится на валу посредством подвижного в осевом направлении скользящего соединения, а внутри винтовой пары предусмотрен осевой зазор, равный длине холостого хода ведущей полумуфты. ! 2. Пусковая муфта п.1, отличающаяся тем, что ведущая полумуфта выполнена подпружиненной, для чего внутри цилиндрической расточки ведомой полумуфты расположена пружина сжатия. ! 3. Пусковая муфта по п.1, отличающаяся тем, что винтовая пара выполнена в виде многозаходного винтового механизма с циклоидальным профилем, число заходов которого выбирается в зависимости от требуемой длины хода ведущей полумуфты за один оборот вала. ! 4. Пусковая муфта по п.3, отличающаяся тем, что обойма винтовой пары выполнена обрезиненной (с эластичной внутренней обкладкой). ! 5. Пусковая муфта по пп.3 и 4, отличающаяся тем, что винтовая пара состоит из обоймы (статора) одновинтовой гидромашины и сердечника пресс-формы, используемой при изготовлении обоймы. 1. The starting clutch containing coaxially located and conjugated in the cross section of the leading and driven coupling halves, comprising a screw pair and mounted respectively on the drive shaft and the shaft of the actuator, characterized by the possibility of translational movement (idling) of the leading coupling half when it initially moves at the time of acceleration drive shaft, for which the leading coupling half is mounted on the shaft by means of an axially sliding sliding joint, and an axial clearance is provided inside the screw pair, the idle length of the drive coupling half. ! 2. The starting clutch of claim 1, characterized in that the leading coupling half is spring-loaded, for which purpose a compression spring is located inside the cylindrical bore of the driven coupling half. ! 3. The start-up clutch according to claim 1, characterized in that the screw pair is made in the form of a multi-start screw mechanism with a cycloidal profile, the number of starts of which is selected depending on the required stroke length of the drive coupling half per shaft revolution. ! 4. The starter clutch according to claim 3, characterized in that the ferrule of the screw pair is made rubberized (with an elastic inner lining). ! 5. The starter clutch according to claims 3 and 4, characterized in that the screw pair consists of a cage (stator) of a single-screw hydraulic machine and the core of the mold used in the manufacture of the cage.

Description

Полезная модель относится к нефтяной промышленности, а именно к механизированному способу добычи нефти из скважин, в частности с использованием электропогружного винтового насоса [1]. Полезная модель также может быть использована в машиностроении как элемент привода машин и механизмов.The utility model relates to the oil industry, namely to a mechanized method of oil production from wells, in particular using an electric submersible screw pump [1]. The utility model can also be used in mechanical engineering as an element of the drive of machines and mechanisms.

При эксплуатации электропогружных винтовых насосов возникает проблема пуска насоса в скважине, обусловленная повышенным трением покоя в рабочих органах, состоящих из обрезиненного статора и расположенного внутри него металлического ротора. Особенно остро данная проблема стоит при повторных пусках винтовых насосов вследствие нарушения геометрии зацепления рабочих органов под действием радиальных сил и перекашивающих моментов, деформирования эластичной обкладки статора и набухания эластомера в среде нефтегазовой смеси пластового флюида. Не запуск скважинной насосной установки сопровождается значительными экономическими потерями в связи с необходимостью извлечения на поверхность скважинного насоса и электродвигателя, включая трудоемкие операции по подъему колонны насосно-компрессорных труб.When operating electric submersible screw pumps, the problem of starting the pump in the well arises due to increased rest friction in the working bodies, consisting of a rubberized stator and a metal rotor located inside it. This problem is especially acute when restarting screw pumps due to a violation of the geometry of the engagement of the working bodies under the action of radial forces and distortion moments, deformation of the elastic lining of the stator and swelling of the elastomer in the environment of the oil and gas mixture of the formation fluid. Failure to start a well pump installation is accompanied by significant economic losses due to the need to remove the well pump and electric motor to the surface, including laborious operations to lift the tubing string.

Для обеспечения условий надежного пуска погружной насос комплектуется приводным асинхронным электродвигателем повышенной мощности или дорогостоящим вентильным электродвигателем.To ensure conditions for reliable start-up, the submersible pump is equipped with a high-power asynchronous electric motor or an expensive valve motor.

Альтернативным решением проблемы является применение специальной пусковой муфты, устанавливаемой между валами электродвигателя и исполнительного механизма и обеспечивающей возможность разгона электродвигателя до определенной скорости без нагрузки со стороны исполнительного механизма (насоса) или передачи крутящего момента, превышающего момент на валу двигателя во время пуска.An alternative solution to the problem is the use of a special starting clutch installed between the shafts of the electric motor and the actuator and providing the possibility of accelerating the electric motor to a certain speed without load from the side of the actuator (pump) or transmitting a torque exceeding the moment on the motor shaft during start-up.

Известны различные конструкции пусковых муфт, используемых в скважинных насосных установках.Various designs of starting couplings used in downhole pumping units are known.

Ближайшим техническим решением, принятым за прототип, является кулачково-центробежная муфта ОКБ БН для винтовых погружных насосов серии ЭВН, описанная в [2]. Она состоит из ведущей муфты с подпружиненными кулачками и ведомой полумуфты, установленной на валу насоса, и обеспечивает включение насоса при максимальном крутящем моменте электродвигателя в соответствии с его механической характеристикой. Достигается это за счет выдвижения кулачков, стянутых пружиной, под действием центробежной силы, соответствующей определенной частоте вращения и зацепление кулачков с сопряженной поверхностью окон ведомой полумуфты. При этом зацепление кулачков происходит только в заданном направлении вращения, что позволяет использовать такое пусковое устройство также в качестве обгонной муфты.The closest technical solution adopted for the prototype is a cam-centrifugal coupling OKB BN for screw submersible pumps of the EVN series, described in [2]. It consists of a drive clutch with spring-loaded cams and a driven coupling half mounted on the pump shaft, and ensures that the pump is turned on at the maximum torque of the electric motor in accordance with its mechanical characteristic. This is achieved due to the extension of the cams, tightened by a spring, under the action of centrifugal force corresponding to a certain rotation frequency and engagement of the cams with the mating surface of the windows of the driven coupling half. In this case, the cam engagement occurs only in a given direction of rotation, which allows the use of such a starting device also as an overrunning clutch.

Недостатком данной конструкции пусковой муфты является зависимость ее работоспособности от центробежной силы (угловой скорости приводного двигателя), т.к. сцепление ведущей и ведомой полумуфт происходит только при достижении расчетной частоты вращения (порядка 1000 об/мин), что не позволяет применять муфту подобного типа в системах с регулируемым электроприводом в широком диапазоне изменения режимных параметров.The disadvantage of this design of the starting clutch is the dependence of its performance on centrifugal force (angular speed of the drive motor), because coupling of the leading and driven half-couplings occurs only when the calculated rotational speed (about 1000 rpm) is reached, which does not allow the use of this type of coupling in systems with an adjustable electric drive in a wide range of operating parameters.

Другим известным устройством является пусковая муфта винто-клинового типа ЗАО «Электон», предназначенная для скважинных насосов для добычи нефти [3]. Принцип работы такой муфты основан на поступательном перемещении гайки (ползуна с подвижными упорами) по винтовой поверхности вращающегося ведущего вала в момент пуска электродвигателя. Подвижные упоры, находящиеся в зацеплении с прорезями и продольными неподвижными упорами ведомой полумуфты, образуют клиновой механизм, который увеличивает крутящий момент на ведомом валу на величину обратно пропорциональную углу наклона прорези.Another well-known device is the start-up screw-wedge coupling of ZAO “Electon”, designed for borehole pumps for oil production [3]. The principle of operation of such a coupling is based on the translational movement of the nut (slide with movable stops) along the helical surface of the rotating drive shaft at the time of starting the motor. The movable stops engaged with the slots and the longitudinal fixed stops of the driven half-coupling form a wedge mechanism that increases the torque on the driven shaft by an amount inversely proportional to the angle of inclination of the slot.

Недостатком винто-клиновой пусковой муфты является сложность и многодетальность ее конструкции, что увеличивает затраты на изготовление и эксплуатацию данного узла насосной установки.The disadvantage of a screw-wedge starting clutch is the complexity and many-sidedness of its design, which increases the cost of manufacturing and operating this unit of the pump installation.

Задачей конструктивного решения полезной модели является расширение функциональных возможностей и упрощение конструкции пусковой муфты.The objective of the constructive solution of the utility model is to expand the functionality and simplify the design of the starting clutch.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном устройстве пусковая муфта выполнена в виде подпружиненной многозаходной винтовой пары с поступательно-вращательным движением ротора (ведущей полумуфты, установленной на скользящем соединении на ведущем приводном валу) в период разгона при включении электродвигателя. При этом внутри винтового механизма предусмотрен осевой зазор равный длине холостого хода ведущей полумуфты до ее контакта с упором ведомой полумуфты, установленной на валу насоса и связанной со статором винтовой пары, который в период пуска остается неподвижным.The specified technical result is achieved by the fact that in the claimed device, the starting clutch is made in the form of a spring-loaded multi-start screw pair with translational-rotational movement of the rotor (the leading coupling half mounted on a sliding joint on the drive drive shaft) during the acceleration period when the motor is turned on. In this case, an axial clearance is provided inside the screw mechanism equal to the idle length of the driving coupling half until it contacts the focus of the driven coupling half mounted on the pump shaft and connected to the stator of the screw pair, which remains stationary during the start-up period.

Принцип действия заявляемой пусковой муфты поясняется рисунками.The principle of operation of the claimed starting clutch is illustrated by drawings.

На фиг.1 приведена компоновочная схема насоса типа ЭВН с пусковой муфтой. На фиг.2а представлен продольный (в исходном положении деталей муфты) и поперечный на 2б (на примере двухзаходной винтовой пары) разрезы пусковой муфты.Figure 1 shows the layout of the pump type EVN with a starting clutch. On figa presents a longitudinal (in the initial position of the parts of the coupling) and transverse to 2b (for example, two-way screw pair) sections of the starting clutch.

Пусковая муфта состоит из соосно расположенных и сопряженных в поперечном сечении ведущей и ведомой полумуфт, составляющих винтовую пару и установленных соответственно на приводном валу и валу исполнительного механизма. Для возможности поступательного перемещения (прямого холостого хода) ведущей полумуфты при ее начальном движении в момент разгона приводного вала ведущая полумуфта крепится на валу посредством подвижного в осевом направлении скользящего соединения, а внутри винтовой пары предусмотрен осевой зазор равный длине хода ведущей полумуфты. Для автоматического осуществления обратного хода подвижных деталей муфты при остановке электродвигателя ведущая полумуфта выполнена подпружиненной, для чего внутри цилиндрической расточки ведомой полумуфты расположена пружина сжатия.The starter clutch consists of coaxially located and mated in the cross section of the leading and driven half-couplings, comprising a screw pair and mounted respectively on the drive shaft and the shaft of the actuator. To enable translational movement (direct idle) of the drive coupling half during its initial movement at the time of acceleration of the drive shaft, the drive coupling coupling is mounted on the shaft by means of an axially movable sliding joint, and an axial clearance equal to the stroke length of the drive coupling coupling is provided inside the screw pair. To automatically reverse the moving parts of the coupling when the motor stops, the leading coupling half is spring-loaded, for which purpose a compression spring is located inside the cylindrical bore of the driven coupling half.

При включении погружного электродвигателя крутящий момент на валу 1 через шпонку 2 передается на втулку 4, которая через скользящую шпонку 3 передает движение ротору 5. Так как находящийся с ним в сопряжении статор 6 жестко соединен с валом насоса 9, который в свою очередь соединен с заторможенным винтом насоса (на эскизе не показан), то ротор 5 в начальной фазе совершает поступательное движение внутри статора 6 (подобно движению ходового винта в токарном станке).When the submersible motor is turned on, the torque on the shaft 1 is transmitted through the key 2 to the sleeve 4, which, through the sliding key 3, transmits the motion to the rotor 5. Since the stator 6 which is in conjunction with it is rigidly connected to the pump shaft 9, which in turn is connected to the braked pump screw (not shown in the sketch), then the rotor 5 in the initial phase performs a translational motion inside the stator 6 (similar to the movement of the lead screw in a lathe).

Преодолевая сопротивление пружины 7, ротор 5, хвостовик которого находится в контакте со скользящей шпонкой 3, совершает ход S до тех пор, пока его верхний торец не войдет в соприкосновение с внутренним упором статора 6. После чего крутящий момент, вырабатываемый погружным электродвигателем, набравшим определенную скорость, передается на статор 6 и через шпонку 8 - на вал насоса 9, преодолевая момент сил трения в винте насоса.Overcoming the resistance of the spring 7, the rotor 5, the shank of which is in contact with the sliding key 3, makes the stroke S until its upper end comes into contact with the internal stop of the stator 6. After that, the torque generated by the submersible motor, having gained a certain speed is transmitted to the stator 6 and through the key 8 - to the pump shaft 9, overcoming the moment of friction in the pump screw.

После отключения погружного электродвигателя пружина 7 возвращает ротор 5 в исходное положение, и система автоматически переходит в состояние готовности к пуску.After turning off the submersible motor, the spring 7 returns the rotor 5 to its original position, and the system automatically enters a state of readiness for launch.

Винтовая пара может быть представлена в виде многозаходного винтового механизма с циклоидальным профилем, число заходов z которого выбирается в зависимости от требуемой длины хода ведущей полумуфты за один оборот валаA screw pair can be presented in the form of a multi-start screw mechanism with a cycloidal profile, the number of starts z of which is selected depending on the required stroke length of the drive coupling half in one revolution of the shaft

S₁=zt,S ₁ = zt,

где t - ход винта (расстояния между соседними вершинами винтовой поверхности).where t is the screw stroke (the distance between adjacent vertices of the screw surface).

Для снижения затрат на разработку и изготовление муфты винтовая пара может быть выполнена в виде обоймы (обрезиненного статора) одновинтовой гидромашины и сердечника пресс-формы, используемой при изготовлении данной обоймы.To reduce the cost of developing and manufacturing the coupling, a screw pair can be made in the form of a ferrule (rubberized stator) of a single-screw hydraulic machine and the core of the mold used in the manufacture of this ferrule.

Источники информацииInformation sources

1. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины. Том 1. М., ИРЦ «Газпром», 2005.1. Baldenko D.F., Baldenko F.D., Gnoev A.N. Single screw hydraulic machines. Volume 1. M., RPI "Gazprom", 2005.

2. Ратов А.М., Хейфец Я.С. Одновинтовые скважинные электронасосы в Советском Союзе и за рубежом. М., ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1979.2. Ratov A.M., Kheifets Ya.S. Single-screw borehole electric pumps in the Soviet Union and abroad. M., TSINTIHIMNEFTEMASH, 1979.

3. Кузнецов В.А. и др. Муфта пусковая погружного насоса. Патент РФ №2292496 с приоритетом от 18.05.2005.3. Kuznetsov V.A. and others. Clutch starting submersible pump. RF patent No. 2292496 with priority dated 05/18/2005.

Claims

1. The starting clutch containing coaxially located and conjugated in the cross section of the leading and driven coupling halves, comprising a screw pair and mounted respectively on the drive shaft and the shaft of the actuator, characterized by the possibility of translational movement (idling) of the leading coupling half when it initially moves at the time of acceleration drive shaft, for which the leading coupling half is mounted on the shaft by means of an axially sliding sliding joint, and an axial clearance is provided inside the screw pair, the idle length of the drive coupling half.

2. The starting clutch of claim 1, characterized in that the leading coupling half is spring-loaded, for which purpose a compression spring is located inside the cylindrical bore of the driven coupling half.

3. The start-up clutch according to claim 1, characterized in that the screw pair is made in the form of a multi-start screw mechanism with a cycloidal profile, the number of starts of which is selected depending on the required stroke length of the drive coupling half per shaft revolution.

4. The starter clutch according to claim 3, characterized in that the ferrule of the screw pair is made rubberized (with an elastic inner lining).

5. The starter clutch according to claims 3 and 4, characterized in that the screw pair consists of a cage (stator) of a single-screw hydraulic machine and the core of the mold used in the manufacture of the cage.