Functionarea Pompelor Elicoidale

Introducere

Conceptul de funcționare al pompelor elicoidale a fost introdus pentru prima dată în teza de doctorat a lui Rene Moineau , care a fost prezentată la Universitatea din Paris în 1935. Moineau descria invenția sa ca fiind un nou sistem de pompare și se baza pe următorul principiu: se formau cavități în urma introducerii unui rotor în interiorul unui stator. Aria exterioară a rotorului este o suprafață elicoidală simplă , iar aria aria interioară a statorului este o suprafață elicoidală dublă. Procesul de rotire al rotorului determină deplasarea de la un capăt la celălalt a cavităților, ceea ce determină o curgere continuă.

Pompele elicoidale se fabrică încă din 1936. În Franța producătorul lor era firma EMIP și erau cunoscute sub numele de pompe de tip Moineau , iar în SUA erau produse de firma ROBBINS MEYERS sub numele de pompe Moyno.

În diferite domenii de activitate, pompele sunt folosite pentru vehicularea fluidelor ce au vâscozitatea mare.

La interval de câțiva ani de la începutul producției pompelor, a fost construită varianta constructivă de pompă elicoidală ce era folosită pentru extracția țițeiului.

Una din încercările de acționare a rotorului folosind un motor de pompă electrocentrifugală submersibilă cu turație mare a suferit eșec, deoarece a cauzat avarierea statorului. Același rezultat a avut și testarea unei pompe elicoidale introdusă la adâncime mare pentru extragerea țițeiului cu vâscozitate mică.

La sistemul actual de acționare al rotorului s-a trecut abia în anul 1979, bazandu-se pe rotirea prăjinilor de pompare, prima dată fiind experimentat de HIGHLAND/COROD , Canada.

Ameliorările făcute sistemului de extracție au determinat înlocuirea sistemelor tradiționale de extracție cu aceste sisteme. Înlocuirea lor a fost favorizată de următoarele lor caracteristici:

-debite de extracție de aproximativ 900 /zi;

-au capacitatea de a pompa țiței cu o cantitate mare de gaze și apă;

-pompele pot fi fixate la adâncimi de până la 3000 m;

-sunt insensibile la solidele din fluidele vehiculate;

-scad emulsionarea fluidelor;

-au o sensibilitate mică la coroziune;

-fluidele vehiculate pot avea vâscozități ridicate;

-evită pulsațiile în curgere (debitează continuu și constant).

Cu acest sistem de pompaj se pot obține debite mari , nefiind necesare pompe electrice submersibile sau unități de pompare de tonaj mare. De altfel, comparativ cu pompajul clasic sau cel centrifugal, aceste sisteme necesită investiții mici , deoarece prețul de cost este mic.

Instalația de la suprafață are dimensiuni mici, fiind ușor de transportat, montat și manevrat, iar pericolul de accidentare nu există, deoarece are toate părțile în mișcare protejate. Durata mare de funcționare, ajungandu-se la o funcționare continuă de doi, trei ani, este dată de sistemul de pompare și construcția instalației.

Pompele elicoidale solicită consum de energie numai în ridicarea fluidului . Tubingul și prăjinile de pompare nu sunt supuse la solicitări ciclice variabile, deoarece garnitura de prăjini de pompare execută doar o mișcare de rotație.

O dată cu rularea rotorului, ca și consecință a geometriei sale și a statorului, se produc cavități ce favorizeaza deplasarea fluidului prin ele, de la aspirația pompei până la refularea în țevile de extracție.

Sistemul de acționare ușurează modificarea vitezei de rotație în dependență de debitul produs de sondă. Viteza de rotație poate fi aleasă astfel încât debitul pompei să fie egal cu debitul maxim al stratului productiv.

Pompele elicoidale sunt perfecte pentru eliminarea apei din sondele ce extrag gaze, deoarece nu au supape care sa se blocheze, astfel pericolul blocării cu gaze este eliminat.

Examinarea și controlul pompelor elicoidale se pot face numai în baza nivelului de lichid din spațiul inelar și a datelor de producție. Oprirea instalației trebuie evitată atunci când vâscozitatea fluidului este mare și atunci când fluidul conține o cantitate mare de nisip.

Obiectivul acestei lucrări este proiectarea unui stand destinat testării unei pompe cu cavitate progresivă avînd debitul de 4 m3/zi și dotarea laboratorului de utilaj petrolier și petrochimice a U.P:G. Ploiești cu standul respectiv.

CAPITOLUL 1

CARACTERISTICI TEHNICE ȘI FUNCȚIONALE ALE POMPELOR CU CAVITĂȚI PROGRESIVE

Descrierea sistemului pompă cu cavități progresive (pompă elicoidală)

O pompă cu cavități progresive (pompă elicoidală) este alcătuită dintr-un mecanism cu două elice, una rotindu-se în interiorul celeilalte (fig. 1.1.1). Axele rotorului și statorului sunt paralele și echidistante. Elicea interioara (rotorul) are cu un filet mai puțin decît elicea exterioara (statorul). Aspirația și refularea sunt întotdeauna separate una de cealaltă, printr-o linie de etanșare de lungime constantă.

Rotorul este realizat din materiale anticorozive, cum e oțelul inoxidabil sau cel înalt aliat cromat, ceea ce determină o bună comportare în cazul circulării unor fluide abrazive. Rotorul, pe lungimea lui , are executate canale elicoidale. Un canal elicoidal este un filet exterior ce are unul sau mai multe începuturi. În cazul în care exista un singur canal elicoidal, rotorul este o elice simplă ( suprafața exterioară a rotorului este o suprafață elicoidală simplă) având secțiunea transversală circulară și un singur început. Când există două canale elicoidale, rotorul devine o elice dublă (suprafața exterioară a rotorului reprezintă o suprafață elicoidală dublă) , cu două începuturi si cu secțiunea transversală formată din doi lobi.

Fig. 1.1.1 Construcția pompei cu cavități progresive

unde: Pr = pasul rotorului;

Pst = pasul statorului;

E = excentricitatea;

Lr = lungimea rotorului;

Lst = lungimea statorului;

Dst = diametrul exterior al statorului;

Lungimea rotorului este mai mare decât lungimea statorului și poate ajunge până la 6 m. Rotorul este introdus și fixat în stator folosind prăjinile de pompare. Elementele constitutive ale rotorului sunt prezentate in figura 1.1.2.

Fig. 1.1.2 Elementele constitutive ale rotorului

Statorul este realizat din elastomer rezistent la abraziune și coroziune sau din cauciuc nitrilic, care este turnat în interiorul unei țevi de oțel cu peretele de grosime mare. În tabelul 1.1.3 sunt indicate principalele tipuri de elastomeri utilizați de către firma Flexon-All și caracteristicile acestora.

Când condițiile din sondă impun, țeava de oțel trebuie tratată prin nitrurare. Statorul este căptușit cu un elastomer care este format de obicei dintr-o singură bucată. Statorul pe interior are canale elicoidale, iar condiția obligatorie este ca statorul să aibă un canal în plus față de rotor. Statorul este dotat cu opritor în partea inferioară. Opritorul are rolul de a poziționa rotorul în stator , de a împiedica căderea rotorului sub pompă în cazul unei defecțiuni și de a stabili fereastra pompei.

Statorul este introdus în sondă cu țevile de extracție.

Tabelul 1.1.3 Tipuri de elastomeri utilizați de către firma Flexon-All și caracteristicile lor

Elementele constitutive ale statorului sunt prezentate în figura 1.1.4.

Fig. 1.1.4 Elementele constitutive ale statorului

Majoritatea pompelor sunt construite în ansamblul în care rotorul are un singur canal elicoidal și un singur început, iar statorul are două canale, deci două începuturi, lungimea pasului statorului fiind dublă față de lungimea pasului rotorului.

1.2 Principiul de funcționare

Principiul de funcționare al pompelor este simplu datorită configurației geometrice a elementelor pompei. Atunci când rotorul este introdus în stator, în pompă sunt formate cavități identice, etanșe și separate. Rotorul rotindu-se în interiorul statorului, determină ca ți cavitățile să se deplaseze de la partea inferioară a pompei spre cea superioară, vehiculând fluidul din strat prin pompă și mai departe prin țevi, aceasta fiind acțiunea de pompare.

Pentru ca între rotor și stator să se creeze volume de lucru avînd formă de portal (capsule), acestea fiind teoretic separate de camerele de refulare și cele de aspirație, este necesar să se realizeze următoarele situații:

Suprafețele elicoidale ale rotorului și statorului să se atingă pe toată linia de contact, astfel camerele de aspirație și de refulare fiind permanent separate;

În punctele de contact ale rotorului și statorului, normala să treaca prin polul de angrenaj al cercurilor inițiale.

Realizarea acestor situații, în cazul pompelor cu cavități progresive, se poate obține numai prin îndeplinirea a cinci condiții:

Deosebirea dintre numerele de începuturi ale rotorului și statorului trebuie să fie de o unitate: Zs = Zr + 1;

Direcțiile suprafețelor elicoidale ale rotorului și statorului trebuie să fie identice ( pe dreapta sau pe stânga) ;

Raportul dintre pașii suprațelor elicoidale ale statorului Ts si cei ai rotorului Tr, trebuie să fie direct proporțional cu raportul numerelor lor de dinți: Ts/Tr = Zs/Zr;

Setul trebuie să aibă o lungime de minimum un pas al statorului: L ≥ T;

Profilele statorului și rotorului trebuie să aibă o capacitate de completare reciprocă, iar în momentul angrenării lor, trebuie să fie intr-un contact permanent.

1.3 Geometria pompei cu cavități progresive

Din punct de vedere geometric, pompele cu cavități progresive se clasifică în doua clase:

monoelicoidale (simplu lob), pentru care rotorul are un număr de începuturi egal cu unitatea;

multielicoidale (multilob), pentru acestea rotorul are un număr de începuturi supraunitar.

Geometria generală a pompei cu cavități progresive se definește prin doua numere, primul este numărul lobilor (cavități) rotorului și al doilea fiind numărul lobilor statorului. De exemplu, o pompă elicoidală care are rotorul cu o singură elice (un început) și statorul cu două elici (două începuturi) se descrie ca pompa 1:2. Geometria pompei 1:2 este prezentată în figura 1.1.5.

Rotorul nu este concentric cu statorul. Din aceasta cauză, mișcarea de rotație a rotorului în interiorul statorului este o combinație de două mișcări:

o rotație în jurul axei proprii într-o singură direcție;

o rotație în direcția opusă a axei sale în jurul axei statorului.

Orbita capului rotorului este definită ca diametrul minim interior în care acesta se rotește.

Fig.1.3.1 Geometria pompei 1:2

Excentricitatea și diametrele nominale se definesc ca:

excentricitatea este distanța dintre axa statorului și axa rotorului, E;

diametrul rotorului cu un singur început este diametrul minim, dr;

diametrul elicei rotorului cu un singur început este diametrul maxim, Dr;

Dr = dr + 2E

grosimea elicei duble din statorul cu doua începuturi ds, lățimea este Ds,

unde:

ds = dr

Ds = dr + 4E

Geometria rotorului și statorului pompei elicoidale 1:2 este prezentată în figura 1.1.6.

Fig. 1.3.2 Geometria rotorului și statorului pompei elicoidale 1:2

Lungimea pasului se definește ca deplasarea unui semn de pe creasta (vârful) unui lob elicoidal (cavitate) pe perioada unei rotații de 360o și este simbolizată cu P.

Deci, lungimea pasului statorului și al rotorului se simbolizează astfel:

Pr – pasul rotorului;

Ps – pasul statorului.

Pentru o pompă cu raport cinematic 1:2 → Ps = 2Pr

CAPITOLUL 2

TESTAREA POMPELOR CU CAVITĂȚI PROGRESIVE

Testarea pompei se va efectua în conformitate cu cerințele specificate și criteriile de testare a pompelor așa cum sunt ele definite în aceasta instrucțiune de lucru ce urmeaza a fi prezentată. Testarea pompelor reprezintă testarea produsului final și funcțional cu scopul de a confirma funcționalitatea, performanțele și eficiențele produsului așa cum sunt specificate în cerințele de testare a pompelor, cerințele pot fi specificate în unul din următoarele moduri: definite de către client (clientul definește condițiile de operare, parametrii de testare și eficiența specifică cerută a pompei); în conformitate cu recomandările privind testarea pompelor, acestea oferă orientări generale pentru performanțele așteptate ale pompei luând în considerare diferiți parametrii operaționali: eficiența ideală și curba de performanța ideală care definesc parametrii de testare pentru produsele noi, atribuirea tipului de elastomer și implicit parametrilor de testare. Eficiența ideală precum și curbele de performanță ideale pot fi folosite pentru compararea tuturor rezultatelor efective de testare cu performanțele pompei ideale.

Testarea pompei este efectuată pentru a dimensiona și a alege o pompă pentru o aplicație specifică sau pentru a testa o pompa deja folosită în vederea stabilirii stării acesteia și pentru a decide daca mai poate fi folosită și pentru a determina motivul avariei.

2.1 Măsurarea rotorului înainte de testare

Înainte de a se testa pompa elicoidală, rotorul trebuie să fie măsurat și verificat pentru confirmarea standardelor impuse de fabricant.

Diametrul exterior maxim (D + 2E), valoarea minimă a excentricitătii (2E) și diametrul interior (D) sunt dimensiuni ale rotorului importante pentru stabilirea mărimii finale a acestuia și a performanței sale.

Secțiunile rotorului care urmează a fi măsurate sunt urmatoarele: "Vârful" – aproximativ o treime din lungimea rotorului începând de la capul rotorului; "Mijlocul" – aproximativ o treime din lungimea rotorului la mijloc; "Partea inferioară" – aproximativ o treime din lungimea rotorului la capătul opus capului rotorului.

Pentru a se măsura conform standardelor firmei KUDU Europe SRL, sunt folosite următoarele instrumente de măsurare pentru diferite tipuri de pompe :

micrometru cu fixare pentru masurarea diametrului exterior al rotorului (D+2E),

figura 2.1.1;

comparator cu cadran cu fixare pentru măsurarea adîncimii (2E) – pasul rotorului,

figura 2.1.2.

Fig. 2.1.1 Micrometru cu fixare pentru Fig. 2.1.2 Comparator cu cadran cu fixare pentru

măsurarea diametrului exterior al rotorului. măsurarea pasului.

2.2 Descrierea standului de testare

Un element deosebit de important în activitatea de cercetare îl constituie standrul de testare, care permite probe cu lichid, dar și probe cu amestec de gaz și lichid.

Standul de testare are scopul de a crea condițiile de funcționare similare cu cele din practică. Elementele constitutive ale standului de testare sunt prezentate în figura 2.2.1.

Fig. 2.2.1 Elementele constitutive ale standului de testare

1 – camera de refulare; 2,3- sitem de prindere și fixare a țevilor; 4,5- rotor și stator(pompa cu cavități progresive);

6-cameră de aspirație;7- motor electric; 8- suport pentru motor; 9- lagăr de transmisie; 10- sitem de transmisie.

2.2.1 Principiul de funcționare al standului

Principul de funcționare al acestui stand se bazează pe antrenarea cu ajutorul unei transmisii mecanice cu curele de la un motor electric la un lagăr de antrenare și mai departe printr-un cardan cu două articulații la rotorul elicoidal al pompei.

Rotorul elicoidal din oțel are un început, iar profilul elicoidal din cauciuc al statorului are două începuturi, astfel se formează printre acestea camere lenticulare. Camerele lenticulare formate prin angrenajul rotorului în stator se deplasează axial pe toată lungimea pompei și în deplasarea lor, antrenează fluidul din pompă cu debite proporționale cu mărimea camerelor și viteza de rotație a rotorului. Numărul camerelor progresive ce rezultă în urma angrenajului dintre rotor și stator determină mărimea presiunii de refulare.

Dacă se schimbă sensul de rotație al rotorului, se poate schimba și sensul în care circula fluidul în pompă. În acest fel camera de refulare devine camera de aspirație, iar cea de aspirație devine camera de refulare (figura 2.2.1.1).

Fig. 2.2.1.1 Schimbarea sensului de circulație al fluidului

2.2.2 Pompa cu cavități progresive (elicoidală)

Pompa cu cavități progresive, alcatuită din rotor (4) și stator (5) este partea principală a standului și este cea care dă performanțele grupului, respectiv debitul și presiunea. Pentru standul dat, s-a ales o pompă cu capacitatea de pompare egală cu 4m3/zi. Pompa elicoidală este conectată la camera de aspirație și de refulare cu ajutorul a două mecanisme de prindere și fixare a țevilor (2,3).

2.2.3 Camera de aspirație

Camera de aspirație (6) se realizează prin procesul de sudare și este prevazută cu un racord de aspirație cu flanșa de legatură. Flanșa se poate monta, în funcțiile de condițiile de amplasare, în trei poziții decalate cu 90◦ stînga/sus/dreapta. Camera de aspirație este prevazută cu racoarde de golire și de vizitare etanșate cu dopuri. Ea este conectată, printr-o conductă, la bazinul de aspirație care alimentează pompa cu lichid.

Camera de aspirație și pozițiile posibile de amplasare a flanșei sunt prezentate în figura 2.2.3.1.

a) b) c)

Fig. 2.2.3.1 Camera de aspirație și pozițiile de amplasare a flanșei

a) – 90◦ stînga; b) – 90◦ sus; c) – 90◦ dreapta.

2.2.4. Camera de refulare

Camera de refulare (1) prezentată în figura 2.2.4.1, ca și cea de aspirație, se realizeaza prin procesul de sudare și este pervazută cu un racord de refulare cu flanșa de legătură pentru mărimea și presiunea corespunzătoare mărimii și presiunii maxime refulate de pompă. Camera de refulare este conectată, printr-o conductă, la bazinul de refulare unde se refulează fluidul pompat de pompă. Bazinul de refulare este prevăzut cu o scară de citire a volumului, astfel se poate masura volumul vehiculat de pompă în intervalul de timp corespunzător.

Fig. 2.2.4.1 Camera de refulare

2.2.5 Motorul electric și sistemul de transmisie

Motorul electric (7) este în construcție cu talpa, trifazat pentru tensiuni cuprinse între 380 – 550V și turație pentru medii de lucru normale sau antiex pentru medii potențial explozive.

Sistemul de transmisie a rotației către pompă de la motor este cu curele de transmisie trapezoidale antistatice (cu alunecare). Acesta este un tip de transmisie mecanică, care realizează transmiterea de la o roată motoare la una sau mai multe roți conduse, a mișcării de rotație și a sarcinii, prin intermediul unui element numit curea. Transmiterea sarcinii are loc prin intermediul frecării între suprafețele curelei și roților de curea ce se află în contact.

Transmisia prin curele (10) este compusă din roțile de curea – roata conducătoare 1 și roata condusă 2, cureaua (elementul de legatură), apărători de protecție și sistemul de întindere (figura 2.2.5.1).

La montaj, prin întinderea curelei, se obține forța necesară cu care cureaua apasa pe roțile de curea.

Comparativ cu alte transmisii mecanice, sistemul de transmisie prin curele trapezoidale are o serie de avantaje: montare și întreținere ușoara; funcționare fără zgomot; necesită o precizie de execuție și de montaj relativ scăzute; amortizează șocurile și vibrațiile; posibilitatea de transmitere a sarcinii la distanțe relativ mari dintre arbori; posibilitatea de a antrena mai mulți arbori simultan; funcționarea la viteze mari; costuri de fabricație relativ reduse; asigură protecție împotriva suprasarcinilor.

Transmisia prin curele trapezoidale prezintă și anumite dezavantaje, cum ar fi: capacitatea de încărcare este limitată; dimensiunile de gabarit sunt mari, în comparație cu transmisia prin toți dințate; raportul de transmisie este variabl, din cauza alunecării curelei pe roți; are o sensibilitate mare la căldură și umiditate; forțele de pretensionare sunt mari, solicitînd arborii și reazemele; necesită anumite dispozitive de întindere a curelei; durabilitate limitată.

O parte din dezavantajele transmisiilor prin curele trapezoidale pot fi anulate de transmisiile prin curele dințate. În acest caz mișcarea este transmisă sincron, astfel realizîndu-se viteze unghiulare constante și ridicate ale roților; randamentul mecanic devine mai ridicat; la montaj este o pretensionare mai mică, deci solicitarea arborilor și lagărelor este mai mică.

Dezavantajele majore ale transmisiei prin curele dințate țin seama atît de tehnologia de fabricație, care este una mai dificilă, atît a roților dințate cît și a curelelor, dar și de costurile montajului.

Fig. 2.2.5.1 Transmisia prin curele

1 – roată conducătoare; 2 – roată condusă;

3 – curea; ω1,ω2 – viteze unghiulare.

2.2.6 Lagărul de transmisie și cardanul de antrenare a pompei

Lagărul de transmisie (9) este în construcție etansă alcătuit dintr-o carcasă cilindrică din oțel, etanșată la ambele capete cu simeringuri în care se montează doi rulmenți (axiali – radiali) imersați în unsoare. Axul principal se reazemă pe rulmenți și transmite mișcarea de rotație de la roata de transmisie cu curele trapezoidale la cardanul de antrenare a pompei.

Arborele modulului de antrenare are o mișcare de rotație în carcasă, cu axa fixă. Rotorul pompei este montat excentric în stator. Axa de rotație a rotorului se mișcă după un cilindru având raza egală cu excentricitatea rotorului. Astfel, arborele ce antrenează rotorul are pe o suprafață conică o mișcare de precesie. Această mișcare este realizată de doua articulații sferice, prima fiina cea între arborele principal și cardanul de antrenare a pomepi și a doua între cardanul de antrenare a pompei și capătul rotorului. Aceste doua articulații preiau forța axială neechilibrată pe rotor, care practic este egală cu produsul dintre presiunea de refulare și suprafața de refulare elicoidală a rotorului.

Articulațiile sunt constituite dintr-un braț fixat pe arborele principal, respectiv în rotor. Mișcarea relativă braț – cardan de antrenare este prinsă de gaurile sferice din bucșele de uzură, care sunt fixate în arborele intermediar. Articulațiile sunt unse permanent cu unsoare și etanșate de mansoane elastice strânse cu coliere auto.