ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОГРУЖНОЙ "СУХОГО" ТИПА ДЛЯ СКВАЖИННОГО НАСОСА Российский патент 1997 года по МПК H02K5/12 F04D13/08 

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в конструкциях погружных электронасосных агрегатов для откачки жидкости из скважин.

Известны погружные вертикальные электродвигатели "мокрого" типа с обмоткой статора, выполненной проводом с водостойкой изоляцией и подшипниками скольжения, в которых вращается ротор [1]
Такие электродвигатели производятся практически всеми высокоразвитыми странами, включая и бывший СССР, для комплектации скважинных насосов, предназначенных для откачки воды.

При всех положительных качествах этих электродвигателей: простота конструкции и ремонтопригодность, их нельзя использовать в скважинах с температурой откачиваемой жидкости выше 30^oC по причине низкой теплостойкости изоляции проводов.

Кроме того, электродвигатели "мокрого" типа не изготавливаются для 4" скважин с внутренним диаметром 100 мм. Причина неэффективность и сложность применения водостойких проводов имеющих большую толщину изоляции токонесущей жилы.

Известны также погружные вертикальные электродвигатели с компаундированной обмоткой и разделительной гильзой из нержавеющей немагнитной стали толщиной 0,3 0,5 мм. 0гильза геометрически разделяет полость с ротором от статора [2]
Эти электродвигатели изготавливаются фирмами "Атурия", Италия, "Грундфос", Дания, "КСБ", ФРГ для скважин 4" и 6" с температурой откачиваемой жидкости до 70^oC.

Обмотка статора выполнена из эмалированного провода и компаундирована, например, эпоксидной смолой.

Максимальная мощность таких электродвигателей не более 32 кВт. Кроме того, электродвигатель неремонтируем.

Следует отметить, что как у "мокрого", так и особенно компаундированного, электродвигателей большой коэффициент скольжения, который снижает обороты ротора, а следовательно, и параметры насоса (подачу, напор и КПД). Причинами этого является большой зазор между статором и ротором из-за применения подшипников скольжения и разделительной гильзы (у компаундированных электродвигателей).

Известен также герметизированный электродвигатель, заполненный магнитной жидкостью [3] содержащий нижний 1 и верхний 4 подшипниковые щиты, ротор 2, центрированный радиальным 9 и радиально-опорным 12 подшипниками качения, статор 3, установленный в корпусе 11. Внутренняя полость электродвигателя заполнена магнитной жидкостью 8, температурное расширение которой компенсируется торообразным компенсатором 10. Герметизация внутренней полости электродвигателя по выходному концу вала 6 обеспечивается также магнитной жидкостью, которая удерживается в зазоре между полюсными наконечниками 7 и выходным концом вала 6 под действием кольцевого постоянного магнита 5.

Эта конструкция герметизированного электродвигателя не получила распространения несмотря на ряд положительных идей, заложенных в ней: обмотка статора выполнена из эмалированного провода, использованы подшипники качения и применен магнитожидкостной 2- полюсный герметизатор. Недостатками этой конструкции является следующие:
Во-первых, заполнение высоковязкой магнитной жидкостью внутренней полости электродвигателя вызывает большие механические потери (что констатирует автор) в зазоре "ротор-статор" и, кроме того, подшипники качения в закрытых и заполненных системах начинают работать как подшипники скольжения из-за большого гидравлического сопротивления действующего на площадь каждого шарика (или ролика) шарики проскальзывают по дорожкам колец. При этом поверхности шариков и дорожек быстро изнашиваются и подшипники разрушаются.

Во-вторых, в конструкции отсутствует устройство компенсирующее давление в камере между полюсными наконечниками 7, наружной поверхностью конца вала 6 и внутренней поверхностью магнита 5.

При погружении электродвигателя под уровень жидкости в скважину в нем магнитная жидкость в зазорах "наконечник-вал" будет испытывать давление равное столбу жидкости в скважине над электродвигателем, поскольку при сборе электродвигателя в камере между наконечниками остался воздух под атмосферным давлением. При этом жидкость в зазорах "наконечник-вал" (при неработающем электродвигателе) сдвигается по валу в сторону камеры уменьшения тем самым, площадь герметизации по валу. При больших давлениях тем, самым, площадь герметизации по валу. При больших давлениях на магнитную жидкость в зазорах "наконечник-вал" произойдет полный отрыв жидкости от вала, а следовательно, и разгерметизация электродвигателя и выход его из строя.

Предлагаемая конструкция погружного герметизированного электродвигателя "сухого" типа для скважинного насоса лишена указанных недостатков.

Цель предлагаемого изобретения повышение надежности электродвигателя за счет оснащения магнитожидкостного герметизатора гидравлическим затвором - устройством для уравнивания давления в камере между элементами герметизатора с давлением окружающей среды, заполнения внутренней полости электродвигателя воздухом под атмосферным давлением, а также изменения конструкции эластичного компенсатора для уравнивания давления воздуха во внутренней полости электродвигателем с давлением окружающей среды, и его местоположения в конструкции электродвигателя.

Цель достигается тем, что камера магнитожидкостного герметизатора, образованная полюсными наконечниками, магнитом и выходным концом вала, сообщена посредством канала в нижнем наконечнике с кольцевой камерой, размещенной в верхнем щите и сообщенной с окружающей средой отверстием, причем камеры и сообщающий канал заполнены инертной жидкостью; эластичный гофрированный компенсатор давления и его ограничители выполнены в виде, например, полусфер, при этом полусфера компенсатора размещена в нижнем органичителе; внутренняя полость верхнего ограничителя сообщена каналом с внутренней полостью электродвигателя, а нижнего ограничителя отверстием с окружающей средой.

В качестве инертной жидкости используется, например, перфторэфир (жидкости типа ПЭФ) или полиорганосилоксаны (жидкость ПЭС-5 или ПФМС-2/5), имеющих большой удельный вес и инертных с окружающей среде и к любой магнитной жидкости на углеводородной основе, применяемой в магнитожидкостных герметизаторах.

Конструкция герметизированного погружного электродвигателя "сухого" типа для скважинного электронасосного агрегата предлагается впервые.

На фиг. 1 схематически показан продольный разрез электродвигателя; на фиг. 2 и 3 показаны возможные изменения герметической формы эластичного компенсатора давления в зависимости от глубины погружения электродвигателя под уровень жидкости в скважине.

Герметизированный электродвигатель погружной "сухого" типа (фиг.1) содержит корпус 1 со статором 2 с обмоткой, выполненной проводами с эмалевой изоляцией, ротор 3 центрированный самосмазывающимися подшипниками качения 4, установленными в верхнем 5 и нижнем 6 подшипниковых щитах.

В верхнем щите 5 размещен магнитожидкостный герметизатор, состоящий из постоянного магнита 7, верхнего 8 и нижнего 9 полюсных наконечников, магнитное поле которых замыкается через магнитную жидкость 10, находящуюся в зазорах между полюсными наконечниками 8 и 9 и выходным концом вала 11 ротора 3. Элементы образующие магнитожидкостной герметизатор содержит камеру 12, которая посредством канала 13 в нижнем полюсном наконечнике 9, сообщена с, например, кольцевой камерой 14, размещенной в верхнем щите 5 сообщенной с окружающей средой посредством отверстия 15.

К нижнему щиту 6 присоединен верхний, например, полусферический ограничитель 16, сообщенный посредством канала 7 с внутренней полостью электродвигателя.

К верхнему ограничителю 16 присоединен нижний полусферический ограничитель 18, в котором размещен эластичный с концентрическими гофрами компенсатор давления 19, бурт которого герметически зажат между торцами ограничителей 16 и 18. Нижний ограничитель 18 имеет отверстие 20 для сообщения со средой окружающей электродвигатель. Верхний 5 и нижний 6 щиты герметизированы по корпусу 1 с помощью резиновых колец 21, а подшипники 14 защищены сальниками 22.

Объем, образованный эластичным компенсатором 19 и верхним ограничителем 16, значительно больше свободного объема во внутренней полости электродвигателя.

Предлагаемый электродвигатель работает следующим образом
После сборки электродвигателя в зазоры между полюсными наконечниками 8 и 9 и валом 11 вводится магнитная жидкость 10, а камеры 12 и 14 заполняются инертной жидкостью. Во внутренней полости электродвигателя будет содержаться воздух под атмосферным давлением.

При спуске насосного агрегата с указанным электродвигателем в скважину на определенную глубину под статический уровень жидкости на электродвигатель будет действовать давление пропорциональное высоте столба жидкости над ним. Это давление будет действовать через отверстие 20 в нижнем ограничителе 18, на эластичный гофрированный компенсатор 19, выпуклость которой по мере погружения в жидкость, начнет перемещаться вверх и при этом изменять свою геометрическую форму вплоть до поворачивания "наизнанку" ( фиг. 2 и 3). В это же время во внутренней полости электродвигателя давление воздуха при его сжатии будет равно давлению упомянутого столба жидкости над электродвигателем. А это значит, что магнитожидкостной герметизатор не будет испытывать перепад давления, так как давление окружающей среды и давление во внутренней полости электродвигателя будут равными.

Кроме того, благодаря наличию гидравлического затвора, играющего роль компенсатора давления и включающего камеры 12, 14 и канал 13, заполненных инертной жидкостью, а также отверстие 15, сообщающее камеру 14 с окружающей средой, на магнитную жидкость, находящуюся в зазорах между каждым полюсным наконечником 8 и 9 и валом 11 будет действовать всегда одинаковое давление.

Таким образом, гидравлический затвор и эластичный компенсатор для магнитожидкостного герметизатора создает наиболее благоприятные эксплуатационные условия, при которых герметизатор не испытывает избыточного давления и тем самым исключает разгерметизацию электродвигателя и, следовательно, повышает его надежность и долговечность.

Такая конструкция электродвигателя "сухого" типа позволяет повысить КПД за счет снижения механических потерь при минимальном (до 0,1 мм) зазоре между ротором и статором и уменьшить коэффициент скольжения (отставание скорости вращения ротора от скорости вращения электромагнитного поля статора в асинхронном электродвигателе), что существенно повышает параметры насоса (подачу, напор, КПД).

Кроме того, конструкция электродвигателя "сухого" типа позволяет использовать коллекторный ротор на числа оборотом более 3000 об/мин, что приведет к сокращению количества основных рабочих органов насоса (рабочих колес и отводов) и повысить основные и энергетические показатели погружного насосного агрегата.

Использование: погружные электронасосные агрегаты для откачки жидкости из скважин. Сущность изобретения: камера 12 магнитожидкостного герметизатора, образованная полюсными наконечниками 8 и 9, магнитом 7 и выходным концом вала 11, сообщена посредством канала 13 в нижнем наконечнике 9 с кольцевой камерой 14, размещенной в верхнем щите 5, и сообщенной с окружающей средой отверстием 15. Камера 12 и 14 и сообщающий их канал 13 заполнены инертной жидкостью 22. Эластичный гофрированный компенсатор давления 19 и его ограничители 16 и 18 выполнены в виде полусфер. Полусфера конденсатора 19 размещенные в нижнем ограничителе 18. Внутренняя полость верхнего ограничителя 16 сообщена с внутренней полостью электродвигателя каналом 17, а нижний ограничитель 18 с окружающей средой отверстием 20. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Герметизированный погружной электродвигатель для скважинного насоса, состоящий из корпуса, статора с обмоткой, ротора, вал которого центрируется подшипниками качения, установленными в щитах, магнитожидкостного герметизатора выходного конца вала и эластичного компенсатора давления, отличающийся тем, что камера магнитожидкостного герметизатора, образованная полюсными наконечниками, магнитом и выходным валом, сообщена посредством канала с кольцевой камерой, размещенной в верхнем щите и сообщенной с окружающей средой отверстием, причем камера и сообщающий канал заполнены инертной жидкостью, эластичный гофрированный компенсатор давления выполнен с верхним и нижним ограничителями и размещен в нижнем ограничителе, внутренняя полость верхнего ограничителя сообщена каналом с внутренней полостью электродвигателя, а нижнего ограничителя отверстием с окружающей средой. 2. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве инертной жидкости использованы перфторэфиры. 3. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве инертной жидкости использованы полиорганосилоксаны.