ПОГРУЖНОЙ МАСЛОЗАПОЛНЕННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК H02K5/12 

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в погружных маслозаполненных электродвигателях, предназначенных для привода погружных вращающихся электронасосов для добычи жидкости из скважины, работы в резервуарах, водоемах и т.д.

Известна конструкция погружного маслозаполненного электродвигателя (ПЭД) фирмы "Байрон-Джексон" [1] выполненного в одном корпусе и включающего электродвигатель, ртутное уплотнение, располагаемое над электродвигателем, и камеру для выравнивания давления, располагаемую в нижней части корпуса. Диаметр устройства гидрозащиты меньше, чем диаметр двигателя, так как необходимо предусмотреть место для проводки проводов от обмотки двигателя к кабельному вводу, установленному на верхнем торце корпуса.

Основными недостатками такой конструкции можно считать недостаточную надежность, токсичность ртутного уплотнения и большие габариты по длине.

Известна конструкция ПЭД [2] устройство гидрозащиты которого выполнено в виде двух узлов: компенсатора, содержащего гибкую диафрагму в корпусе и предназначенного только для выравнивания давления внутри двигателя и компенсации изменений объема масла двигателя в процессе работы, и протектора, состоящего из корпуса, вала, торцового уплотнения и диафрагмы, разделяющей полость протектора на две камеры, заполненные маслом. Протектор передает крутящий момент с вала двигателя на вал насоса и предохраняет элементы двигателя от силовых воздействий статического давления окружающей жидкости.

Недостатком этой конструкции можно считать необходимость из-за значительной длины выполнения компенсатора, протектора и двигателя ПЭД в виде отдельных узлов. Монтаж их на скважине требует значительных затрат времени на сборку, предварительную разгерметизацию всех составных узлов, последующие операции прокачки масла и проверку герметичности. Особенно это нежелательно при неудовлетворительных погодных условиях (дождь, снег, мороз и т.д.). Другим недостатком конструкции можно считать низкую надежность диафрагмы. При спуске электронасоса в скважину возможен ее разрыв от гидравлических ударов, поэтому ограничивается скорость спуска электронасоса, что усложняет схему управления.

Известны конструкции ПЭД, включающего собственно электродвигатель и устройство гидравлической защиты, представляющее собой один узел протектор [3, 4 и 5] Устройство гидрозащиты ПЭД содержит корпус, вал, два торцовых уплотнения, закрепленных на внешнем фланце. Торцовые уплотнения образуют совместно со стенками центрального отверстия во фланце, сквозь которое проходит вал, полость. В двух внутренних камерах, установленных по длине последовательно и заполненных диэлектрической жидкостью, например маслом, на цилиндрах расположены диафрагмы, делящие камеры на две полости, при этом между каждой диафрагмой и фланцем установлен сбрасывающий клапан. Внутренние камеры связаны между собой гидравлически последовательно с помощью трубок, установленных во фланцах. В известных конструкциях кабельный ввод для подключения питания к обмотке ПЭД расположен в углублении корпуса электродвигателя.

Главный недостаток такой конструкции это ее большие габариты по длине, что требует выполнения двигателя и устройства гидрозащиты в виде отдельных узлов. Длина устройства гидрозащиты зависит от требуемого запаса масла, расходуемого при изменении температуры и работе торцовых уплотнений, и его поперечного сечения. В известной конструкции поперечное сечение корпуса гидрозащиты ограничено и не должно превышать в сечении ПЭД минус кабель токоввода, размещенный в скважине рядом с гидрозащитой. Таким образом, схема сложна в эксплуатации и не обеспечивает достаточную надежность ПЭД. Полевые условия эксплуатации ПЭД требуют технологию сборки, исключающую операции, связанные с разгерметизацией полости ПЭД.

Предпочтительным является вариант, когда ПЭД на скважину доставляется и монтируется без разгерметизации его отдельных узлов в процессе сборки. Это возможно, если габариты ПЭД с гидрозащитой в сборе позволяет производить их доставку и монтаж без использования специальных технических средств.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности к достигаемому результату можно считать ПЭД [6] устройство для гидравлической защиты которого содержит корпус, вал, два торцовых уплотнения, закрепленных на внешнем фланце, наружное из которых образует дно внешней камеры, сообщающейся с окружающей средой, и ограничивает полость во фланце между торцовыми уплотнениями, две внутренние камеры, соединенные между собой гидравлически последовательно, в каждой из которых имеется диафрагма и сбрасыващий клапан. Вал устройства снабжен защитным цилиндром и опорной пятой. Внутренние камеры с диафрагмами расположены коаксиально одна другой, полость первой камеры непосредственно соединена с полостью двигателя и состоит из двух частей, образованных соответственно корпусом и внешней диафрагмой, внутренней стенкой защитного цилиндра и валом и связанных между собой каналом. Полость первой камеры, заключенная между диафрагмами, соединена каналом с полостью между торцовыми уплотнениями, установленными последовательно. Полость второй камеры, заключенная между защитным цилиндром и внутренней диафрагмой, сообщена с окружающей средой. Каналы, связывающие полости внутренних камер между собой, с полостью между торцовыми уплотнениями и с окружающей средой, выполнены во внешнем фланце, один сбрасывающий клапан расположен на выходе канала в полость, сообщенную с окружающей средой, а другой на выходе канала в полость, заключенную между диафрагмами. Кабельный ввод для питания обмотки электродвигателя в такой конструкции может быть установлен в углублении корпуса электродвигателя, а кабель, связывающий кабельный ввод и источник питания, располагается снаружи между обсадной колонной и корпусом устройства гидрозащиты.

Известная конструкция ПЭД может быть выполнена как одно целое, однако запас масла, необходимый для расхода в процессе изменений температуры окружающей среды и внутри полости электродвигателя, а также в процессе работы торцовых уплотнений, недостаточен для надежной работы в течение заданного срока службы. Увеличение запаса масла в полости гидрозащиты ведет к увеличению габаритов по длине, так как диаметр ПЭД ограничен диаметром обсадной колонны и наличием кабеля, а также возможностью транспортирования ПЭД в собранном виде без использования специальных средств.

Для повышения надежности работы ПЭД путем увеличения запаса масла в устройстве гидрозащиты без изменения габарита по длине в ПЭД, содержащем кабельный ввод, а также расположенное в верхней части устройство гидрозащиты, включающее корпус, вал с защитным цилиндром, опорную пяту, торцовые уплотнения, наружное из которых образует дно внешней камеры, сообщающейся с окружающей средой, и ограничивает полость во фланце между торцовыми уплотнениями, коаксиально расположенные внутренние камеры, ограниченные фланцами, соединенные гидравлически последовательно, в каждой из которых имеются сбрасывающий клапан и диафрагма, при этом первая камера включает полость, образованную корпусом и внешней диафрагмой, заполненную диэлектрической жидкостью и связанную с полостью электродвигателя, в отличие от известного, предлагается провод, которым соединена обмотка электродвигателя с кабельным вводом, разместить в указанной полости первой внутренней камеры и сквозных каналах фланцев устройства гидрозащиты и при этом герметично установить во внешнем фланце.

Для обеспечения простоты сборки корпус гидрозащиты может быть соединен с фланцами при помощи встречной резьбы, а верхний подпятник опорной пяты закреплен на защитном цилиндре. При этом сбрасывающие клапаны внутренних камер могут быть неподвижно установлены в центральном канале вала, нижний из них по входу и выходу соединен радиальными каналами с первой и через полость между торцовыми уплотнениями с второй внутренними камерами, а верхний с выходом первого клапана и внешней камерой соответственно.

В предложенной конструкции обеспечивается выполнение ПЭД с устройством гидрозащиты, располагаемым только в верхней части, и кабельным вводом, установленным на верхнем торце гидрозащиты. При этом за счет установки провода, связывающего кабельный ввод с обмоткой электродвигателя, в маслозаполненной первой внутренней камере устройства гидрозащиты увеличивается поперечный габарит гидрозащиты до поперечного габарита электродвигателя, который ограничивается только габаритом обсадной колонны. Данная конструкция позволяет производить все подготовительные работы перед спуском ПЭД в скважину в цехе. На скважине только подключается муфта кабельного ввода, если ПЭД не сочленен с ним ранее.

Выполнение соединения фланцев устройства гидрозащиты с корпусом при помощи встречной резьбы позволяет обеспечить при сборке неподвижность фланцев. При вращении корпуса происходит навинчивание двух фланцев одновременно, что требуется для того, чтобы провод, соединяющий кабельный ввод и обмотку двигателя, не скручивался, так как это может привести к его повреждению и обеспечивает простоту сборки. В случае закрепления верхнего подпятника опорной пяты непосредственно на защитном цилиндре, при выполнении конструкции как указано выше, исключаются промежуточные элементы конструкции, что также упрощает процесс сборки, так как верхний подпятник устанавливается на вал одновременно с установкой защитного цилиндра, на котором предварительно уже установлены диафрагмы. Расположение сбрасывающих клапанов в центральном канале вала позволяет осуществить их сборку и проверку до сборки устройства гидрозащиты и создает предпосылки для получения упрощенной технологии сборки устройства гидрозащиты ПЭД.

На чертеже представлен ПЭД, продольный разрез.

ПЭД содержит выполненные как одно целое двигатель в корпусе 1 и располагаемое над ним устройство гидрозащиты, которое включает корпус 2, вал 3, торцовые уплотнения 4, 5, диафрагмы 6, 7, защитный цилиндр 8, а также верхний 9 и нижний 10 фланцы. Торцовые уплотнения 4, 5 вмонтированы во внешний фланец 9, установлены последовательно на валу 3, а неподвижно жестко связаны с фланцем 9. Фланцы 9 и 10 герметично соединены с корпусом 2, образуя полость, в которой размещены защитный цилиндр 8, охватывающий вал с зазором, а также первая 6 и вторая 7 диафрагмы. Первое торцовое уплотнение 4 образует дно внешней камеры 11, заполненной пластовой жидкостью, являющейся окружающей средой. Торцовое уплотнение 5 совместно со стенками центрального отверстия во фланце 9 образуют полость 12, заполненную той же диэлектрической жидкостью (маслом), что и двигатель. Фланец 10 имеет форму стакана.

Корпусом 2, диафрагмами 6, 7, защитным цилиндром 8, а также торцами фланцев 9, 10 и валом 3 образованы полости 13 16, которые являются внутренними камерами устройства для гидрозащиты. Первая внутренняя камера включает полости 13, 14, 16. Полость 13, ограниченная корпусом 2 и диафрагмой 6, связана каналом 17 во фланце 9 с полостью 16, ограниченной валом 3 и внутренней стенкой защитного цилиндра 8. Кроме того, полость 13 первой внутренней камеры связана каналом 18, выполненным во фланце 10, с полостью электродвигателя. Полость 16 первой внутренней камеры связана с помощью радиальных 19, 20 и центрального 21 каналов в валу 3 с полостью 12. При этом в канале 21 неподвижно установлен нижний сбрасывающий клапан 22, через который осуществляется сброс излишков масла из полости 16 в полость 12. В свою очередь полость 12 соединена каналом 23, выполненным во фланце 9, с полостью 14. Полости 12, 13, 14 и 16 как и полость двигателя заполнены диэлектрической жидкостью (маслом). Вторую внутреннюю камеру образует полость 15, заполняемая в процессе погружения ПЭД пластовой жидкостью по каналу 24 во фланце 9. Полость 15 ограничена наружной стенкой цилиндра 8 и диафрагмой 7.

Полости 13, 14, 15, 16 расположены коаксиально друг другу, обеспечивая последовательную гидравлическую связь с помощью диафрагм 6 и 7. Сброс излишнего количества масла из полостей 12 и 14 во внешнюю камеру 11, заполненную пластовой жидкостью, производится через верхний клапан 25. Клапан 25, как и клапан 22, для обеспечения простоты сборки ПЭД и удобства проверки располагается в центральном канале 21 вала 3 выше клапана 22. Его выход связан радиальными каналами 26 с внешней камерой 11. С помощью центрального канала 27, имеющегося в опоре 28, используемой для установки в центральном канале 21 клапанов 22, 25, последний связан с выходом клапана 22. Радиальные каналы 20 и 19 расположены в верхних точках связанных с ними камер, что исключает скопление в них воздуха при заполнении маслом. Фиксация клапанов 22 и 25 в заданном положении производится с помощью элементов 29, 30.

В каналах 18 и 31, выполненных соответственно во фланцах 10 и 9, а также в полости 13 располагается провод 32, с помощью которого подводится питание к обмотке 33 электродвигателя. В верхнем фланце 9 с наружного его торца герметично установлен кабельный ввод 34. Для обеспечения простоты сборки на фланцах 10 и 9 выполнены встречные резьбы, что позволяет при их неподвижности обеспечить одновременное навинчивание фланцев 9 и 10 на корпус при его вращении. Кроме того, верхний подпятник опорной пяты 35 закреплен на защитном цилиндре 8, который в нижней части имеет увеличенный поперечный габарит, образуя фланцевую часть. В верхней части защитный цилиндр 8 закреплен во фланце 9. Нижний подпятник пяты 35 закреплен на фланце 10.

Для обеспечения заполнения полостей 12, 13, 14 и 16, а также полости двигателя маслом во фланце 9 предусмотрены отверстия 36 и 37, которые по окончании заполнения закрываются пробками (не показаны). Вал 3 центрируется во фланцах 9, 10 и защитном цилиндре 8 с помощью подшипников 38, 39, 40. Для обеспечения сборки ПЭД стенка внешней камеры 11, в дне которой имеется торцевое уплотнение 4, образованы фланцем 41, неподвижно установленный в центральном отверстии фланца 9.

В процессе сборки ПЭД клапаны 22 и 25 устанавливаются в вал 3 и закрепляются элементами 29, 30 до сборки устройства гидрозащиты. В процессе сборки устройства гидрозащиты фланец 9, защитный цилиндр 8 и верхний подпятник опорной пяты 35 неподвижно скрепляются между собой. Далее на защитный цилиндр 8 устанавливаются и закрепляется диафрагма 7. Диафрагма 6 устанавливается и закрепляется аналогично диафрагме 7. Диафрагмы 7 и 6 в верхней части закрепляются на фланце 9, а в нижней части на фланцевой части защитного цилиндра 8. Фланец 10, имеющий форму стакана, на дне которого предварительно неподвижно устанавливается нижний подпятник опорной пяты 35, соединяется с корпусом 1 ранее собранного электродвигателя, например, с помощью резьбового соединения. На вал 3 устанавливаются подвижные части подшипников 38, 39, 40 и пята 35. В отверстие 18 фланца 9 протаскивается провод 32, соединенный с обмоткой 33 двигателя.

В горизонтальном положении ПЭД вдоль вала 3 к фланцу 10 подается корпус 2. Затем вдоль вала 3 подаются собранные вместе защитный цилиндр 8 и фланец 9, в которых установлены неподвижные части подшипников 38, 39 и диафрагмы 6 и 7. Вращая корпус 2, производят его одновременное соединение с фланцами 9 и 10, где имеются встречные резьбы. Провод 32 протаскивается через камеру 13 и отверстие 31 и уплотняется на торце фланца 9 с помощью кабельного ввода 34.

В центральном отверстии фланца 9 собирается торцовое уплотнение 5, устанавливается фланец 41, а затем собирается торцовое уплотнение 4. Места соединения фланцев 9 и 10 с корпусом 2, а также фланцев 41 и 9 герметизируются известными методами, например с помощью пайки, сварки или уплотнительными кольцами (не показаны). Заполнение двигателя и гидрозащиты производится одновременно. Например, масло заливается через отверстие 37 до его появления в отверстии 36, которое закрывается, а затем в радиальных каналах 26 при сбросе масла через клапан 25. Отверстие 37 после окончания заполнения закрывается пробкой. Свободный торец фланца 9 может быть закрыт транспортировочной крышкой (не показана).

ПЭД в собранном виде, заполненный маслом, готов к транспортировке к месту работы. Подсоединение ответной части кабельного ввода 34 может быть произведено перед спуском ПЭД в скважину.

После заправки ПЭД диафрагмы 6 и 7 находятся в сжатом состоянии. В процессе погружения электродвигателя на рабочую глубину в полость 15 по каналу 24 поступает пластовая жидкость. Одновременно происходит расширение масла в полости двигателя и полостях 13, 16, 14 и 12 за счет увеличения давления столба жидкости и повышения температуры. Диафрагмы 6, 7 перемещаются в сторону вала, вытесняя пластовую жидкость из полости 15 по каналу 24.

Если увеличение объема масла в соединенных каналом 17 полостях 13 и 16 не компенсируется изменением положения диафрагм 6, 7, то излишки масла сбрасываются в полость 12 по каналам 19 и 21 через клапан 22 и далее по каналам 27 и 26 через клапан 25 во внешнюю камеру 11, а затем в окружающую среду до выравнивания давления во всех полостях ПЭД. Кроме того, через клапан 22 происходит стравливание воздуха из верхней точки камеры 16, которая непосредственно каналами 19 и 21 соединена с входом клапана 22, выход которого каналом 20 соединяется с камерой 12 и далее каналом 23 с камерой 14. Стравливание воздуха из камер 14 и 12 производится через клапан 25 по каналам 20, 27 и 26, так как воздух легче масла он собирается в верхней части камеры 12. При включении двигателя происходит дополнительное повышение температуры ПЭД, которое приводит к дополнительному расширению жидкости в полостях двигателя и гидрозащиты ПЭД. Выравнивание давления в полостях ПЭД производится в процессе перемещения диафрагм 6 и 7 и стравливания масла через клапаны 22 и 25.

При остановке и остывании двигателя пластовая жидкость в полости 15 перемещает диафрагму 6 и дублирующую ее диафрагму 7 к корпусу 2 до выравнивания давления во всех полостях ПЭД.

Использование: в приводах погружных вращающихся электронасосов для добычи жидкости из скважины. Сущность изобретения: электродвигатель содержит кабельный ввод и установленное в верхней части устройство гидрозащиты с внутренними камерами. Камеры расположены коаксиально и ограничены фланцами. Провод, которым соединена обмотка электродвигателя с кабельным вводом, размещен в маслозаполненной полости первой внутренней камеры и сквозных каналах, выполненных во фланцах устройства гидрозащиты. В верхнем фланце провод установлен герметично. В устройстве гидрозащиты вал охватывает защитный цилиндр, верхний конец которого закреплен в верхнем фланце. Коаксиально цилиндру расположены две диафрагмы, сверху закрепленные на верхнем фланце, а снизу на фланцевой части защитного цилиндра. Последний скреплен с верхним подпятником опорной пяты. Диафрагмы, цилиндр и корпус совместно с фланцами образуют вышеуказанные внутренние камеры. Первая из них включает две полости, заполненные маслом. Вторая внутренняя камера ограничена внутренней диафрагмой и наружной поверхностью защитного цилиндра. Сбрасывающие клапаны внутренних камер закреплены в центральном канале вала. Нижний клапан по входу и выходу радиальными камерами соединен с первой внутренней камерой и через полость между торцевыми уплотнениями в верхнем фланце с второй внутренней камерой. Верхний клапан связан с выходом нижнего клапана и внешней камерой, заполненной пластовой жидкостью. Изобретение позволяет повысить надежность работы погружного электродвигателя путем увеличения запаса масла в устройстве гидрозащиты. 3 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ПОГРУЖНОЙ МАСЛОЗАПОЛНЕННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий кабельный ввод, соединенный проводом с обмоткой, расположенное в верхней части устройство гидрозащиты, включающее корпус, вал с защитным цилиндром, опорную пяту, торцовые уплотнения, наружное из которых образует дно внешней камеры, сообщающейся с окружающей средой, и ограничивает полость во фланце между торцовыми уплотнениями, коаксиально расположенные внутренние камеры, ограниченные фланцами, соединенные гидравлически последовательно, в каждом из которых имеется сбрасывающий клапан и диафрагма, при этом первая камера включает полость, образованную корпусом и внешней диафрагмой, заполненную диэлектрической жидкостью и связанную с полостью электродвигателя, отличающийся тем, что провод, которым соединена обмотка электродвигателя с кабельным вводом, размещен в указанной полости первой внутренней камеры и сквозных каналах фланцев устройства гидрозащиты и при этом герметично установлен во внешнем фланце. 2. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что корпус устройства гидрозащиты соединен с фланцами при помощи встречных резьб. 3. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что верхний подпятник опорной пяты закреплен на защитном цилиндре. 4. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что сбрасывающие клапаны неподвижно установлены в центральном канале вала, нижний из них по входу и выходу соединен радиальными каналами с первой и через полость между торцовыми уплотнениями с второй внутренними камерами, а верхний с выходом первого клапана и внешней камерой соответственно.