Насосы с перемещаемой вперёд полостью, в которых используются композиционные материалы

1 Родственные патенты и заявки Эта заявка является выделенной заявкой и частичным продолжением заявкиS.N. 08/447122, поданной 22 мая 1995 года, которая является частичным продолжением заявки S.N. 08/194835, поданной 14 февраля 1994 года (теперь патент США 5417281), которые включены в эту заявку ссылкой. Область техники, к которой относится настоящее изобретение Настоящее изобретение относится к усовершенствованиям насосов с перемещаемой вперед полостью, содержащих геликоидальный ротор с комплементарным геликоидальным статором, хорошо известных также как "насос Моню". Такие насосы находят широкое применение во многих областях техники. Предпосылки создания настоящего изобретения Насосы с перемещаемой вперед полостью были известны, поскольку их изобретение было описано в патенте США 1892217, выданном Моню, под названием "Зубчатая передача". Геликоидальные ротор и статор имеют взаимное зацепление вдоль линии уплотнения для создания полостей, которые перемещаются вперед в осевом направлении, когда ротор вращается относительно статора. Вследствие того, что концепция насоса Моню требует уплотнения и скользящего контакта, статор и ротор становятся объектами интенсивного износа, который вызывает необходимость частой замены статора и/или ротора. Выпускаемые на промышленной основе насосы Моню, а также насосы, описанные на известном уровне техники, требуют основательной разборки насоса для замены изношенного статора и/или ротора помимо потери времени в результате простоя насоса. В случае применения нисходящего отверстия в скважинах либо для бурения скважины, либо для добычи из нее жидкости, необходимо уменьшить частоту простоев и увеличить эксплуатационную долговечность насоса. В соответствии с основными принципами работы насоса Моню другие части подвергаются агрессивному воздействию, поскольку для движения по кругу или по спирали относительно осевой линии статора или наоборот требуется аксиальная осевая линия. Таким образом для обеспечения долговечности деталей они должны обладать значительной гибкостью. В технике имеется много различных типов универсальных соединений, гибких валов и механических соединений для компенсации движения по кругу или по спирали. Многие из них описаны в патенте США 4923376. До настоящего времени в обычных насосах Моню применяли каучуковые или эластомерные материалы, соединенные со сталью для контактной поверхности статора. Такие эластомеры включают в себя не только натуральный каучук,но также синтетические материалы, например, 000478 2 каучук на основе сополимера стирола и бутадиена, бутил- и нитрилкаучуки, хотя нашли применение также другие типы синтетических материалов, например, поливинилхлорид. Главное, безусловно, заключается в том, чтобы сделать эластомерный материал достаточно мягким для сохранения уплотненной полости, но достаточно твердым, чтобы оказывать сопротивление абразивному износу из-за рабочего контактного взаимодействия между ротором и статором. Ротор в таких случаях делают из стали. Некоторая эффективность насоса теряется, поскольку эластомерная отливка должна быть толще на вершинах геликоида для создания перемещаемой вперед полости. Такая неравномерность толщины создает разные возможности сжатия, которые при увеличивающихся давлениях вызывают утечку нагнетаемых жидкостей. Таким образом насос достигает точки, в которой он менее эффективен при увеличивающемся давлении. Вследствие разности толщин имеет место разное расширение, разные скорости и насос не может работать и нагревается от трения. Каучук, используемый на контактной поверхности статора, не является предпочтительным материалом в высокотемпературных средах вследствие его низкой теплопроводности. Кроме того, при увеличении диаметра насосов с перемещаемой вперед полостью становится трудно успешно поддерживать длину и характеристики потока и долговременное соединение каучука со стальным корпусом. В тех случаях,когда в состав откачиваемого материала входят углеводороды, например в скважинах для добычи нефти, известно разрушение каучука. Одна из попыток преодоления этих проблем описана в патенте США 3912426 посредством применения множества статоров, соединенных последовательно, с отдельными, но соединенными роторами для каждого статора. Однако статоры еще содержат каучук. Композитные материалы на основе волокон нашли применение в множестве изделий вследствие их высокой прочности, жесткости,малого веса и так далее, но не были успешно использованы в конструкциях насоса Моню. Краткое описание сущности настоящего изобретения Общей задачей настоящего изобретения является описание новых видов статоров, роторов и гибких валов для увеличения эффективности эксплуатационной долговечности насосов с перемещаемой вперед полостью. В конечном счете первостепенной задачей настоящего изобретения является обеспечение применения композиционных материалов или различных композиционных материалов по отдельности или в комбинации с эластомерами в составе статора и/или ротора и/или гибкого вала насосов с перемещаемой вперед полостью. Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение применения насосов с 3 перемещаемой вперед полостью, изготовленных в соответствии с настоящим изобретением, которые могут быть использованы при добыче жидкостей из скважин, например, так, как это описано в вышеуказанной заявке, находящейся в процессе одновременного рассмотрения, и в патенте США 5417281, и для других указанных наземных применений. Краткое описание чертежей Фиг. 1 - сечение типового насоса с перемещаемой вперед полостью; фиг. 2 - сечение, сделанное по линии 2-2,показанной на фиг. 1; фиг. 3 - сечение другого вида насоса с перемещаемой вперед полостью; фиг. 4 - вертикальный вид спереди комбинации гибкого вала и ротора из композиционного материала, изготовленной как один компонент; фиг. 5 - вертикальный вид спереди ротора,выполненного из композиционного материала,который изготовлен отдельно от гибкого вала; фиг. 6 - вид, иллюстрирующий один способ образования гибкого вала и/или ротора для насоса с перемещаемой вперед полостью; фиг. 7 - вертикальный вид спереди альтернативного вида гибкого вала с образованной гибкой секцией. Подробное описание предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения Хотя настоящее изобретение описано до некоторой степени конкретно, очевидно, что многие изменения в деталях конструкции и расположении компонентов могут быть сделаны без отклонения от сущности и объема этого описания. Очевидно, что настоящее изобретение ограничено не вариантом осуществления, описанным в этой заявке в качестве примера, а только объемом прилагаемой формулы изобретения, включающей в себя полный диапазон эквивалентов, к которым каждый элемент имеет отношение. На фиг. 1 приведен простой характерный пример типового насоса с перемещаемой вперед полостью (или насоса Моню). Такие насосы включают в себя основной корпус 10, через который откачиваемые материалы подаются через трубопровод 12 к выпускному отверстию насоса 14. Как хорошо известно из предшествующего уровня техники, насос состоит из геликоидального статора, указанного общим ссылочным номером 20, и соответствующего геликоидального ротора, указанного общим ссылочным номером 30. Ротор соединен с гибким валом, указанным общим ссылочным номером 40, который, в свою очередь, соединен с источником 50 энергии вращения через адекватную и уплотненную силовую передачу 52. Однако должно быть очевидно, что настоящее изобретение применимо также к другим видам насосов с движущейся полостью, описанным, например, в 4 патенте США 5417281 и в находящейся в процессе одновременного рассмотрения заявкеS.N. 08/447122, поданной 22 мая 1995 года. То есть описываемое в этой заявке изобретение предназначено для применения во всех видах насоса с движущейся полостью, причем при изготовлении статора и/или ротора и/или гибкого вала в соответствии с настоящим изобретением используются композиционные материалы. Композиционные материалы, как правило,включают в себя углеродные волокна, волокна бора, керамические волокна, стекловолокно,термопластичные волокна, натуральные волокна, металлические волокна, волокнистые армированные ткани, ленты и синтетические волокна, причем каждый из этих материалов, как правило, пропитывают термореактивными смолами. При этом, как правило, применяют такие термореактивные смолы, как алкидные полиэфиры, эпоксидные смолы общего назначения,фенольно-альдегидные смолы общего назначения и мочевино-формальдегидные композиции. Статор Конструкции статора, соответствующие настоящему изобретению, в этой заявке лучше всего описаны со ссылкой на поперечные сечения, показанные на фиг. 2 и 3, которые приведены в этой заявке для описания альтернативных вариантов осуществления посредством ссылки на части статора, указанные ссылочными номерами 22, 24 и 26, причем последний относится к поверхности, в контакте с которой ротор 30 будет работать с возможностью уплотнения в полости 28. Различные варианты осуществления могу быть получены с помощью множества различных способов, включая формование и/или механическую обработку, и, таким образом,обеспечивать конструкции, которые могут быть использованы во множестве случаев применения насоса и окружающих сред. Хотя на чертежах показано применение внешнего корпуса 10,должно быть очевидным, что описываемое в этой заявке изобретение может быть осуществлено при использовании области статора без внешнего корпуса 10. Вариант осуществления A В этом варианте осуществления области 22 и 24 выполнены из композиционного материала и действуют как опорная конструкция для контактной поверхности 26 геликоида из каучукового эластомера. Ротор, указанный общим ссылочным номером 30, выполнен из стали или композиционного материала, как описано в этой заявке ниже. Вариант осуществления B В этом варианте осуществления области 22 и 24 выполнены из композиционного материала,тогда как облицовка 26 геликоида - из термопластичной смолы. 5 Вариант осуществления C В этом варианте осуществления весь статор, включая области 22, 24 и 26, выполнены из композиционного материала. Вариант осуществления D В этом варианте осуществления области 22 и 24 выполнены из твердых материалов, поддающихся механической обработке или формованию, например, из стали или керамики, с присоединенной внутренней облицовкой 26 из композиционного материала. Вариант осуществления E Опорная конструкция, состоящая из областей 22 и 24, выполнена из композиционного материала, в котором каучук обладает эластомерными свойствами, причем внутренняя, находящаяся в контактном взаимодействии с ротором, поверхность 26 выполнена из композиционного материала, обладающего небольшими или не обладающего эластомерными свойствами вообще. Такой статор этого варианта осуществления обеспечит улучшенную уплотнительную поверхность между поверхностями ротора и статора, увеличивая в соответствии с этим механическую эффективность, а также уменьшая нагрев в процессе работы насоса. Эта конструкция позволяет расширение и сжатие частей статора вместе, поскольку коэффициент теплопередачи композиционного материала выше и обеспечивает отвод результирующего фрикционного тепла, выделяемого в процессе роботы насоса. Вариант осуществления F Области 22 и 24 будут выполнены из каучукового эластомера, причем внутренняя поверхность 26, находящаяся в контактном взаимодействии с ротором, соединена с композиционным материалом. В этом варианте осуществления эластомер становится защищенным от какого-либо разрушения или абразивного износа жидкостями и твердыми частицами и разрушительного трения между ротором и статором. Как следует из фиг. 3, комбинация статора и ротора может быть реализована множеством способов. В одном варианте осуществления внутренняя поверхность 26 статора выполнена из композиционного материала, обладающего эластомерными свойствами, причем опорные наружные области 22/24 выполнены из неподдающегося сжатию композиционного материала для применения с роторами из стали или из неподдающегося сжатию композиционного материала. Различные комбинации возможны, если ротор 30 имеет конструкцию, состоящую из двух частей (внутреннего сердечника 98 и наружной поверхности 100). Например, если внутренний сердечник 98 выполнен из неподдающегося сжатию композиционного материала, а наружная поверхность 100 - из эластомерного композиционного материала или каучука,то предпочтительный статор имеет области 22,24 и 26, выполненные из неподдающегося сжа 000478 6 тию материала. И наоборот, если сердечник 98 выполнен из эластомерного композиционного материала, а наружная поверхность 100 - из неэластомерного композиционного материала, то элементы 22, 24 и 26 статора 20 будут выполнены из неэластомерного, неподдающегося сжатию композиционного материала или поверхность 26 будет выполнена из эластомерного композиционного материала, тогда как области 22 и 24 будут выполнены из неподдающихся сжатию композиционных материалов. Ротор и гибкий вал В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения для применения с любым вариантом осуществления статора ротор полностью выполнен из композиционного материала. В дополнительном варианте осуществления ротор, указанный общим ссылочным номером 30, и гибкий вал, указанный общим ссылочным номером 40, как показано на фиг. 4,выполнены как один унитарный элемент или как отдельный ротор, как показано на фиг. 5,который может быть соединен с изготовленным отдельно гибким валом, показанным, например,на фиг. 6. Ротор и гибкий вал могут быть получены множеством способов, например, при использовании пресс-формы для литьевого прессования пластмасс, предназначенной для формования сложных конфигураций. На фиг. 6 показан один способ получения гибкого вала или ротора. Применяют концевые соединения 60 и 62, выполненные из металла или из композиционного материала, которые содержат полученные литьем или механической обработкой имеющие резьбу части 64 и 66, соответственно,для соединения на одном конце с ротором, а на другом - с источником энергии вращения. Концевые соединения имеют внутренние буртики 68 и 70 для удержания волокон композиционного материала в осевом направлении для обеспечения прочности на разрыв и срез. Смежно внутренним буртикам находятся многоугольные, как правило, шестиугольные поверхности 72 и 74 соответственно. Внутренние цилиндрические части 76 и 78 обеспечивают поверхность для удержания оправки 80. Оправка 80 может быть выполнена из любого материала (пластмассы или металла) и использована для сборки частей и для обеспечения поддержания в процессе формирования структуры композиционного материала гибкого вала. Оправка 80 должна обладать гибкостью. После сборки частей 60,62 и 80 осуществляют намотку пропитанных смолой волокон композиционного материала путем вращения узла относительно пропитанных смолой волокон 86 композиционного материала, как показано, в одном угловом направлении и волокон 88 в противоположном направлении, расположенных под углом, как правило,45 к оправке, или путем вращения волокон вокруг оправки до тех пор, пока общая толщина слоев, полученных намоткой, не будет соответ 7 ствовать диаметру фланцев 60 и 62. Толщина каждого слоя составляет приблизительно 0,0250,040 дюйма (0,64-1,0 мм). Смола составляет приблизительно 40% результирующей композиции и вследствие намотки слоев волокон 86 и 88 композиционного материала показанным способом волокна ориентированы под углом к плоскости сдвига гибкого вала. Таким образом описанная конструкция позволяет движение по кругу и эксцентричное движение гибкого вала относительно источника энергии вращения, требуемые для работы насоса с перемещаемой вперед полостью. Как правило, гибкий вал и ротор, используемые в насосах с перемещаемой вперед полостью, выполняют из стали. Применение гибкого вала из композиционного материала позволяет использовать материалы, которые являются антиизотропными. Чтобы сделать стальной гибкий вал более гибким, необходимо либо уменьшить толщину стенки, либо сделать меньше его диаметр. В первом и втором случае уменьшается прочность гибкого вала, особенно на износ. Применение композиционного материала на основе волокна и совмещения этих волокон позволяет увеличить толщину стенки при обеспечении максимальной прочности и максимальной гибкости, требуемых для эксцентричного движения по кругу. Композиционные материалы от природы лучше работают на износ, чем металлы, при этом они не ржавеют, корродируют или реагируют с химическими веществами, находящимися в окружающей среде, однако эти материалы могут быть использованы в средах,имеющих температуру более 600F (315 С). В общем, установлено, что прочность композиционных материалов на разрыв, на усталость и их жесткость равны, а в большинстве случаев превышают соответствующие характеристики металлов, включающих в себя титан, сталь, алюминий и т.д. Выбранный в качестве примера насос с перемещаемой вперед полостью выполнен с применением композиционного материала, в состав которого входят стекловолокно типа Е из компании Owens Coming, эпоксидная смола типаDPL, поставляемая из компании Shell CemicalCo., отвердитель типа Lindride 6K, поставляемый из компании Lindtau Co. Невулканизированный лист каучука толщиной 0,075 дюйма (1,9 мм) был насыщен тефлоном и смазкой, поставляемыми из компанииKirkhill Rubber Co. Статор был образован нанесением полос каучука на геликоидальную оправку. Затем поверх композиционного материала из стекловолокна, смолы плюс отвердителя в пропорции 100/88 поверх каучука было намотано стекловолокно. После этого узел отверждали в печи при температуре приблизительно 300F(150 С). Композиционный материал становился по существу неподдающимся сжатию. Ротор геликоида был стальным. Первоначальные ис 000478 8 пытания показали более длительную работу до отказа, чем в случае применения обычного эластомерного каучукового статора. В конструкции гибкого вала, показанной на фиг. 6, был использован композиционный материал стекловолокно типа Е, эпоксидная смола типа DPL, отвердитель типа Lindride 6K и механически обработанные концевые соединения. Тонкая гибкая трубка 80 из полиолефина,продаваемого компанией Phillips Petroleum и имеющего торговое название DRISCOLL, работает как оправка, которая соединяется на конце и поддерживает концевые соединения 60 и 62 в пространстве. После этого стекловолокно и эпоксидную смолу наматывают, как показано,под углом 45 (88 и 86) до тех пор, пока общая толщина слоев не достигнет величины, равной требуемой величине наружного диаметра. На фиг. 7 иллюстрируется другой вариант осуществления гибкого вала, в конструкции которого предусмотрена гибкая секция 94, образованная как вогнутое углубление, диаметр которого меньше D. Местоположение гибкой секции будет изменяться в зависимости от характеристик насоса, включая размер насоса, откачиваемого материала и так далее. Гибкая секция может быть образована путем изменения с помощью управляемого компьютером средства углового направления волокон и/или смолы композиционных материалов в точке или области, в которой требуется получить гибкость. Например, в процессе намотки волокна под углом+45 и 45 на секцию 96 (фиг. 7) угловое направление будет меняться до углов менее 45 для создания гибкой секции без уменьшения общего диаметра D. Эластомерные или упругие свойства композиционных материалов изменяют посредством изменения волокон и/или состава смол композиционных материалов для достижения требуемых характеристик. Например, придающее гибкость вещество HELOXY, поставляемое компанией Shell Chemical Co., добавляют в эпоксидную смолу типа DPL-862 в количестве,находящемся в диапазоне 20-40 мас.%. Затем смолу смешивают с отвердителем и порошком тефлона в количестве, обеспечивающем сохранение текучести смеси, которую затем наносят на волокно при образовании статора и/или ротора. Полученный в результате композиционный материал отверждают в печи при температуре 300-400F (150-200 С) в течение приблизительно 4 ч. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Насос с перемещаемой вперед полостью,содержащий статор, причем указанный статор,образованный из унитарной опорной секции,имеет наружную цилиндрическую поверхность и присоединенную внутреннюю геликоидаль 9 ную поверхностную секцию, при этом указанная опорная секция выполнена, по существу, из неупругого композиционного материала, образованного из волокна, выбранного из группы,включающей в себя углеродные волокна, волокна бора, керамические волокна, стекловолокно, термопластичные волокна, натуральные волокна, металлические волокна и синтетические волокна, которые пропитаны термореактивной смолой, указанная геликоидальная поверхностная секция состоит из присоединенного упругого эластомерного материала; геликоидальный ротор, работающий в указанном статоре, и средство для вращения указанного ротора. 2. Насос по п.1, в котором указанный ротор выполнен из жесткого композиционного материала. 3. Насос по п.1, в котором указанное средство для вращения указанного ротора содержит гибкий вал, выполненный из композиционного материала, причем указанный гибкий вал имеет корпус, образованный из разнесенных металлических концевых соединений, предназначенных для соединения с указанным средством для вращения ротора и с указанным ротором, гибкую и аксиальную оправку, соединенную с каждым из указанных концевых соединений, и обмотки волокна и смолы композиционного материала вокруг указанной оправки для создания указанного корпуса. 4. Насос по п.3, в котором указанные волоконные обмотки и смола намотаны под чередующимися углами +45 градусов и -45 градусов к оси указанной оправки. 5. Насос по п.3, в котором в указанном гибком валу создана гибкая секция. 6. Насос по п.5, в котором указанные части указанных волоконных обмоток и смола намотаны под углами 45 градусов к указанной оси,тогда как другая часть намотана под углом менее 45 градусов для создания указанной гибкой секции. 7. Насос по п.3, в котором указанная гибкая секция образована из обращенного внутрь углубления. 8. Насос по п.7, в котором указанное углубление является криволинейным. 10 9. Насос по п.8, в котором указанная кривая является впадиной в осевом сечении. 10. Насос по п.1, в котором указанный гибкий вал имеет корпус, образованный из разнесенных концевых соединений, выполненных из композиционного материала, предназначенных для соединения с указанным средством для вращения и с указанным ротором, гибкую и аксиальную оправку, соединенную с каждым из указанных концевых соединений, и обмотки волокна и смолы композиционного материала вокруг указанной оправки для создания указанного корпуса. 11. Насос по п.10, в котором указанные волоконные обмотки и смола намотаны под чередующимися углами +45 градусов и -45 градусов к оси указанной оправки. 12. Насос по п.10, в котором в указанном гибком валу создана указанная гибкая секция. 13. Насос по п.12, в котором указанные части указанных волоконных обмоток и смола намотаны под углами 45 градусов к указанной оси, тогда как другая часть намотана под углом менее 45 градусов для создания указанной гибкой секции. 14. Насос по п.12, в котором указанная гибкая секция образована из обращенного внутрь углубления. 15. Насос по п.14, в котором указанное углубление является криволинейным. 16. Насос по п.15, в котором указанная кривая является впадиной в осевом сечении. 17. Насос с перемещаемой вперед полостью, содержащий статор, причем указанный статор, образованный из унитарной опорной секции, имеет наружную цилиндрическую поверхность и присоединенную внутреннюю геликоидальную поверхностную секцию, при этом указанная опорная секция имеет корпус, выполненный, по существу, из неупругого композиционного материала, образованного из волокна,пропитанного термореактивной смолой; а указанная геликоидальная поверхностная секция состоит из присоединенного упругого эластомерного материала.