Модернизация волнового редуктора Установки электроприводного винтового насоса 2ЭВН5-12-1000-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа-Дипломная работа

Модернизация волнового редуктора Установки электроприводного винтового насоса 2ЭВН5-12-1000-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа-Дипломная работа-Модернизация: Разработана конструкция волнового редуктора, который позволяет получить значительное увеличение срока службы насоса
На основании анализа, проведенного в разделе 2, представляется наиболее перспективной разработка новой модели погружного многозаходного винтового насоса с приводом от погружного вентильного электродвигателя через волновой редуктор. Данная схема выгодно отличается сочетанием относительной простоты конструкции и высоких эксплуатационных характеристик.
Такая установка способна перекачивать жидкость с содержанием воды до 99%, свободного газа на приеме – до 60%. Содержание механических примесей при надлежащем подборе материалов и посадок может доходить до 0,8 г/л. Наиболее перспективно применение подобных установок для перекачки высоковязких жидкостей с вязкостью до 10 сСт. Поле их подач может лежать в пределах от нескольких литров в час до сотен кубометров в час, а поле давлений – от 0,1 до 10 и более МПа. При этом все установки винтовых насосов обладают сравнительно высоким КПД, который составляет 55..60%, что выше, чем у центробежных и плунжерных насосов при работе в перечисленных выше условиях [2].
В качестве прототипа своей разработки наиболее рационально, на мой взгляд, будет принять установку погружного винтового насоса УЭВН5. Такой выбор обоснован тем, что данная установка обладает рядом положительных качеств:
- унифицированная база запасных частей и комплектующих изделий отечественного производства;
- значительный опыт эксплуатации установок на месторождениях нашей страны;
- относительная простота и дешевизна конструкции по сравнению с зарубежными аналогами;

Установки выпускают для скважин с минимальным диаметром эксплуатационной колонны 121,7 мм. Основные параметры установок винтовых насосов с погружным электродвигателем УЭВН5 приведены в табл.2.4.
Диаметр поперечного сечения погружного агрегата установок 117 мм.
Согласно заданию подбираю установку с наиболее близкими параметрами (в дальнейшем она будет являться базовым вариантом для всех расчетов и изменений).
По заданию дебет пластовой жидкости равен 6 м3/сут. Простое сравнение с известными серийно выпускаемыми установками невозможно, так как в настоящее время серийно не выпускаются установки с подачей менее 12 м3/сут. Поэтому для выбора прототипа я воспользовался программой автоматического подбора оборудования к скважине «Автотехнолог». В результате подбора был отобран насос с наибольшим КПД. Результаты подбора см. в главе 6.1.1

2ЭВН5-12-1000
 
Основные характеристики установки применительно к выбранному месторождению:
Подача, м3/сут       6 14
Напор, м        1000

В состав погружного агрегата помимо насоса входит погружной электродвигатель марки ПЭДУ5,5-1174В5 с гидрозащитой 1Г51.
Параметры двигателя:
Мощность    – 6 кВт;
Напряжение питания  – 350 В;
Ток обмотки   – 15,5 А;
Частота вращения  – 1380 мин-1 (с учетом скольжения);
КПД     – 45%.

Завершив выбор прототипа перехожу к описанию изменений, внесенных мною в базовую установку.


4.КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ УСТАНОВКИ.

Разрабатываемая в ходе выполнения дипломного проекта установка погружного винтового насоса обладает следующими параметрами (техническими характеристиками):

Подача установки        6 м3/сут;
Напор          1200 м;
Частота вращения насоса       100 мин-1;
Двигатель          ВВД5,5-117;
Длина установки         6 443 мм.

Установка имеет по сравнению с прототипом (2ЭВН5-12-1000) ряд отличительных особенностей. Изменения касаются погружной части (рис.4.1) и их можно разделить на следующие категории:















Погружной винтовой насос.

 Погружной винтовой насос выполнен, как и ЭВН5 по одновинтовой сдвоенной схеме расположения рабочих органов. Однако в отличие от ЭВН5 рабочие органы вновь разрабатываемого насоса изготавливаются многозаходными (с кинематическим отношением 3:4 в отличие от 1:2 у ЭВН5). Как показывают графические характеристики, построенные на основе расчетов раздела 6.1.3, а также согласно рекомендациям, приводимым в литературе [1,2], насосы с таким исполнением рабочих органов наиболее удачно сочетают в себе высокие технические параметры с относительно низкими затратами на изготовление и ремонт.
В результате расчета (см. рис.6.9) показано, что при одинаковых геометрических размерах и частотах вращения насос, выполненный с i = 3:4 обладает втрое большей подачей и создает в три раза большее давление по сравнению с насосом с i = 1:2.
Помимо этого важно и то, что применение многозаходных рабочих органов позволяет существенно снизить скорость вращения винта насоса при обеспечении той же подачи, что приводит к снижению скорости скольжения поверхностей рабочих органов и скорости течения жидкости в каналах рабочих органов. Благодаря этому значительно снижается механический и гидроабразивный износ поверхностей рабочих органов, а также улучшаются условия течения жидкости, что повышает предельно допустимое содержание растворенного в перекачиваемой жидкости газа по условию возникновения кавитации. Также улучшаются режимы работы всех узлов трения, что положительно сказывается на сроке их службы.
Ниже приводятся основные параметры погружного винтового насоса:
Давление на выходе насоса        12 МПа;
Подача насоса (номинальная)       6 м3/сут;
Частота вращения вала насоса       100 мин-1;
Число пар рабочих органов        2;
Кинематическое отношение рабочих органов     3:4.
Волновой редуктор.
Для снижения частоты вращения в проектируемой установке применен одноступенчатый волновой редуктор с цилиндрическими прямозубыми колесами. Основные параметры редуктора приведены ниже:
Наибольший крутящий момент
на тихоходном валу        330 Нм;
Общее передаточное отношение       70;
КПД            91%;
Наружный диаметр корпуса        103 мм.
Редуктор устанавливается между погружным электродвигателем и гидрозащитой. Подробное обоснование применения данного типа и конкретной схемы редуктора приведено в разделах 2.4.1 и 6.2.1.

Погружной электродвигатель.

В проектируемой установке применен серийный погружной вентильный электродвигатель ВВД5,5-117. Основные параметры двигателя приведены ниже:
Мощность           5,5 кВт;
Напряжение питания         624 В;
Ток обмотки          14 А;
Частота вращения      7000 мин-1;
КПД            92%.

Применение погружного вентильного электродвигателя обосновано тем, что помимо более высоких функциональных и энергетических характеристик (низкая температура перегрева обмоток статора, скорость охлаждающей жидкости, пусковые и рабочие токи, высокий КПД и , меньшие масса и осевой габарит) вентильный привод позволяет регулировать частоту вращения в широких пределах, что является решающим фактором при выборе привода установки, оснащённой волновым редуктором.

Одноступенчатые цилиндрические и конические редукторы.

Основным недостатком одноступенчатых цилиндрических редуктором является то, что максимальное передаточное число составляет для них 12,5 (ГОСТ 2185-86), но при таком его значении редуктор имеет гораздо большие габариты, чем двухступенчатый. По этой причине, чаще всего передаточное число одноступенчатого цилиндрического редуктора колеблется в пределах 2,5...8,0. Для конических редукторов максимальным является передаточное число порядка 5...6, но обычно оно не превышает 3...4 [12].
Это, а также то, что оси ведомого и ведущего валов одноступенчатых редукторов не совпадают, является основным препятствие для использования данной схемы в приводе погружного винтового насоса для добычи нефти.

Коническо-цилиндрические и червячные редукторы.

Хотя редукторы, построенные по этим схемам, имеют достаточно широкий диапазон передаточных чисел (8...35 для коническо-цилиндрических и 8...80 – для червячных), но валы их невозможно расположить в пространстве соосно, поэтому такие редукторы не вписываются в компоновку скважины и не проходят по радиальным габаритам.

Двухступенчатые цилиндрические редукторы.
 
Отличием этой схемы от описанных выше является то, что ведомый и ведущий валы могут быть выполнены по соосной схеме, что является важным условием для компоновки редуктора со скважинным оборудованием. Диапазон передаточных отношений достаточно широк (6,3...63 – по ГОСТ 2185-86). Таким образом, двухступенчатые цилиндрические редукторы удовлетворяют практически всем требованиям, предъявляемым к скважинному оборудованию за исключением того, что габаритные размеры, хотя и позволяют применять данные редукторы, но при этом значительно возрастает стоимость материалов элементов зубчатого зацепления и усложняется конструкция редуктора в целом. Поэтому следует обратить внимание на два оставшихся типа передач: волновые и планетарные.

Планетарные редукторы.

На рис.2.9 показана простая – с одной степенью свободы – планетарная передача, состоящая из солнечного колеса 1, сателлитов 2 и корончатого колеса 3, неподвижно закрепленного в корпусе. Сателлиты совершают сложное движение: они обкатываются вокруг солнечного колеса и вращаются внутри неподвижного корончатого колеса. Оси сателлитов установлены в водиле H, геометрическая ось которого совпадает с геометрическими осями центральных колес – солнечного и корончатого [13].

Рис. 2.9. Кинематическая схема одноступенчатого планетарного редуктора.

Планетарные передачи, помимо радиально-осевой симметрии обладают еще и тем достоинством, что крутящий момент передается не одним, а несколькими потоками (через сателлиты), благодаря чему они компактнее обычных зубчатых.
Диапазон передаточных отношений планетарных передач в зависимости от выбранной схемы перекрывает значения от 3...12 до 100...500 на одну ступень. Коэффициент полезного действия достигает величины 99%.


Волновые редукторы.
Волновые передачи являются разновидностью планетарных. Волновая передача основана на принципе преобразования параметров движения за счет волнового деформирования гибкого звена механизма.
Обладая рядом положительных качеств, волновая передача получила широкое распространение. В России запатентовано много различных конструктивных модификаций волновой передачи. Основное распространение получили зубчатые волновые передачи [12].
Схема волновой передачи изображена на (рис. 2.10). Передача состоит из трех основных элементов: гибкого колеса g; жесткого колеса b; волнового генератора h.

Рис. 2.10. Схема волновой передачи.

Наружный диаметр dg недеформированного гибкого колеса меньше внутреннего диаметра db жесткого колеса:

dg- db=2w0 , (2.4)

В конструкциях по рис. 2.10 гибкое колесо выполняют в виде гибкого цилиндра. В передаче по варианту I с ведомым валом соединено жесткое колесо, по варианту II — гибкое колесо. В варианте I левый недеформированный конец гибкого цилиндра присоединен к корпусу. С правого конца в цилиндр вставлен генератор, который в данном примере представлен водилом с двумя роликами. Наружный размер по роликам больше внутреннего диаметра цилиндра на 2w0, поэтому с правого конца цилиндр деформирован. Генератор устроен так, чтобы деформированное гибкое колесо прижималось к жесткому колесу с силой, достаточной для передачи нагрузки силами трения.
На (рис. 2.11) изображен график радиальных перемещений w различных точек гибкого цилиндра, вызванных его деформированием. За координату по оси абсцисс принят угол φ (см. рис. 2.10). Перемещения отсчитываем от начального положения точки на недеформированном цилиндре. График подобен мгновенной фотографии поперечной волны. При вращении генератора волна перемещений бежит по окружности гибкого колеса. Поэтому передачу назвали волновой, а водило h — волновым генератором.






Рис. 2.11. График радиальных перемещений w различных точек гибкого колеса.

На развертке окружности укладывается две волны. Такую передачу называют двухволновой. Известны передачи с большим числом волн. Например, при трех роликах, расположенных под углом 120°, получим трехволновую передачу.
Вращение генератора вызывает вращение жесткого колеса с угловой скоростью wb (вариант I) или гибкого колеса с wg (вариант II).
Проанализировав патенты [14-18] на различные типы волновых передач, ознакомившись с методиками расчёта передаточных отношений, критериями работоспособности передач выбираю в качестве аналога зубчатый волновой редуктор, так как он обладает рядом преимуществ, удовлетворяющих условиям работы в составе установки винтовых электроприводных насосов:
- большое передаточное отношение (диапазон передаточных отношений волновых передач в зависимости от выбранной схемы составляет 70...300 на одну ступень);
- большое число зубьев в одновременном зацеплении (до 25...30% пар зубьев). Как следствие, высокая нагрузочная способность при малых габаритах и массе;
- малые нагрузки на валы и опоры вследствие симметричности конструкции;
- при одинаковых передаточных отношениях к.п.д. волновых передач близок к к.п.д. планетарных и многоступенчатых простых передач.
Наряду с достоинствами волновых передач не следует забывать и о недостатках. При патентном анализе было выявлено, что основными составляющими потерь мощности в волновой передаче являются потери в зубчатом зацеплении и генераторе волн. Причём, значительная доля потерь приходиться на генератор, так как этот элемент конструкции вращается с высокой скоростью.
В качестве наиболее подходящих для моей работы выбирались решения, удовлетворяющие условиям прохождения конструкции по радиальным габаритам и удовлетворительным показателям долговечности и к.п.д. Для дальнейшего изучения считаю наиболее целесообразным взять конструкцию передачи, включающую кулачковый генератор волн, гибкий подшипник и подшипниковую опору валов, состоящую из подшипников скольжения.