ПОГРУЖНОЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК H02K5/12 H02K5/132 H02K5/167 

Изобретение относится к электрическим машинам, а более конкретно касается погружного электродвигателя.

Данное изобретение может быть использовано в погружных маслозаполненных электродвигателях для привода погружных насосов, используемых в нефтяной промышленности для добычи нефти и других пластовых жидкостей.

Предлагаемый погружной электродвигатель может быть использован на многих месторождениях в том числе в Заполярье. Погружной электродвигатель переменного тока может использоваться в составе электробура для привода трехшарошочного долота.

Известен погружной электродвигатель (US 3433986), содержащий магнитопровод статора в корпусе с уложенными в нем обмотками и короткозамкнутый ротор, выполненный по меньшей мере из одного короткозамкнутого пакета, радиальные подшипники и упорный подшипник скольжения, установленный на валу электродвигателя в его верхней части в головке. Трехфазная обмотка статора подключена к стандартной трехфазной сети. Ротор имеет дополнительную тонкостенную гильзу из немагнитного материала, играющую роль радиального подшипника. Ротор выполнен из одного короткозамкнутого пакета. Корпус в нижней части имеет крышку с клапаном, в верхней части - головку с токовводом, клапаном и жесткой муфтой, размещенной соосно с валом двигателя. Данный двигатель имеет большую длину. По причине большой длины и неизбежных при этом изгибов корпуса, появится необходимость резко увеличивать зазор между ротором и статором.

Наличие между ротором и статором гильзы из проводящего немагнитного материала служит источником вихревых токов в стенках гильзы, экранирующей главный магнитный поток электродвигателя. Электромагнитный хаос в зазоре резко увеличивается, а активная мощность двигателя снижается. Асинхронные элетродвигатели в том числе и прототип, по причине токового и электромагнитного хаоса в принципе не могут регулироваться и приспосабливаться к изменяющимся нагрузке и напряжению.

Для привода нескольких секций насосов из глубоких скважин требуется большая мощность электродвигателя, которая достигается за счет увеличения длины электродвигателя. Длинные двигатели не могут быть применимы в сильно искривленных скважинах, которые часто, встречаются при бурении скважин на большие глубины. Малые диаметральные габариты двигателя и насоса (ограниченные площадью забоя скважины) не позволяют использовать в конструкции агрегата защитных устройств в местах соединения валов звеньев агрегата.

Во всем мире и в России используют жесткие соединительные муфты. Передающие толчки и вибрации звеньев электронасосного агрегата, нередко входя в резонанс, приводят к усталостному разрыву соединительных болтов, шпилек и падению двигателя и других звеньев агрегата на дно скважины. Это обстоятельство не позволяет иметь достаточно большой по времени межремонтный ресурс работы погружного агрегата.

Данный двигатель не может работать в нештатных режимах, так как традиционная обмотка статора рассчитана на работу в одной точке - точке номинального режима работы двигателя, то есть при строго номинальной нагрузке, номинальном напряжении питания, при его отклонении не более +10 и -5%, от номинального, хорошем качестве подводимой энергии (хорошей синусоиде), что практически не встречается в условиях реальной эксплуатации скважин. Размещение упорного подшипника данной конструкции в головке электродвигателя не обеспечивает равномерность зазора между ротором и статором, так как он не является самоустанавливающимся. Кроме того, незначительные технологические отклонения в двигателе с длинным ротором приводят к значительным неравномерностям зазора в нижней части двигателя.

В основу изобретения положена задача создания погружного электродвигателя с таким его конструктивным выполнением, которое позволило бы за счет уменьшения длины самого электродвигателя при одинаковой активной мощности и токовых нагрузках, а также за счет компенсации несоосности валов сопряженных звеньев электронасосного агрегата и компенсации отклонения оси двигателя от вертикали и неравномерного зазора между ротором и статором электродвигателя расширить условия применения погружного электродвигателя, то есть обеспечить возможность его работы в сильно искривленных скважинах и на больших глубинах, повысить межремонтный ресурс работы самого двигателя и всего электронасосного агрегата, а также обеспечить длительную работу двигателя в нештатных режимах погружного электронасосного агрегата.

Поставленная задача решается тем, что в погружном электродвигателе, содержащем удлиненный цилиндрический корпус, внутри которого размещен магнитопровод статора с уложенными в нем обмотками и вал, на котором размещен, по меньшей мере, один пакет короткозамкнутого ротора, радиальные и упорные подшипники скольжения, в нижней части цилиндрического корпуса имеется крышка с клапаном, в верхней части корпуса имеется головка с токовводом, клапаном и муфтой, установленной с возможностью сопряжения вала с валом протектора, согласно изобретению электрическая обмотка статора выполнена шестифазной с возможностью подключения к трехфазной сети, муфта выполнена в виде сдвоенного шарнира с двенадцатью ступенями подвижности, а упорный подшипник скольжения размещен в нижней части вала и выполнен подвижным в плоскости, перпендикулярной валу, что обеспечивает его самоустанавливаемость и полное прилегание к нему пяты и подпятника при любых положениях вала.

Возможно, что вал выполнен в нижней части с хвостовиком.

Данный параметрический электродвигатель переменного тока имеет высокий энергетический кпд на любой скважине и при любом режиме работы, устойчиво работает при колебаниях напряжения ниже 30% от номинального значения, имеет номинальную удельную массу на 1 кВт мощности, защищенный от ударов и вибраций со стороны сопряженных с ним звеньев электронасосного агрегата, приводящих к усталостному разрушению крепежа и падению на дно скважины, что приводит к длительному простою скважины. Данный двигатель имеет глубокую регулируемость по напряжению при неизменной частоте тока, то есть электродвигатель, частота вращения вала которого регулируется в широком диапазоне по одному параметру, например напряжению, без изменения частоты питающего тока, является параметрическим. Двигатель имеет высокую наработку на отказ при минимальной скорости охлаждения извне жидкости, минимальную себестоимость, отнесенную на 1 кВт активной мощности, максимальную мощность в одной стандартной секции и при этом в 4-5 раз меньше потребляет электроэнергию, чем стандартные погружные электродвигатели в течение 100 дней. Электродвигатель обладает минимальной вероятностью отказа. Технологичность данных погружных параметрических электродвигателей значительно выше традиционной технологии стандартных погружных электродвигателей потому, что они короче в 4-5 раз, легче в 4-5 раз, имеют значительно меньше массу обмоточного провода на 1 кВт мощности. Себестоимость производства ниже в 3-4 раза, а надежность в работе на порядок выше. Производство и эксплуатация безопасны для персонала и экологически чисты. Вал предлагаемого электродвигателя опирается только на радиальные подшипники, смонтированные внутри магнитопровода - на единой базе, опирается и на упорный подшипник, допускающий свободное перемещение вала в перпендикулярной плоскости к нему, что в сочетании с отсутствием сверхглубокого продольного и коротких радиальных сверлений и турбинки масляного насоса, существенно снижает массу дебаланса системы и соответствующую амплитуду колебаний вала. Предлагаемый электродвигатель не перегревается в нештатных режимах, когда засорился насос, потому что он приспосабливается к нагрузке, снижая обороты и мощность, потребляемую от сети. На самотлорском месторождении опытные образцы по 10 дней работали в условиях, когда подача жидкости засоренного насоса составляла 10% от номинального значения. При этом амплитуду вибраций двигателя не удалось измерить по причине ее малости. Себестоимость двигателя согласно изобретению при идентичной величине накладных расходов в процессе производства в 3-4 раза ниже, чем традиционных двигателей той же активной мощности. Межремонтный интервал времени агрегата в целом определяется лишь засорением традиционных погружных насосов.

Данное изобретение позволяет за счет уменьшения длины самого электродвигателя при одинаковой активной мощности и токовых нагрузках в несколько раз, а также за счет компенсации несоосности валов сопряженных звеньев электронасосного агрегата и компенсации отклонения оси двигателя от вертикали и неравномерного зазора между ротором и статором электродвигателя, расширить условия применения погружного электродвигателя, то есть обеспечить возможность его работы в сильно искривленных скважинах и на больших глубинах, повысить межремонтный ресурс работы самого двигателя и всего электронасосного, а также обеспечить длительную работу двигателя в нештатных режимах погружного электронасосного агрегата.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером выполнения и сопровождающим чертежом, на котором изображен общий вид погружного электродвигателя, продольный разрез, согласно изобретению.

Погружной параметрический электродвигатель содержит корпус 1 с крышкой 2 с расположенным в ней клапаном 3 и головкой 4 с размещенными в ней токовводом 5 и клапаном 6. Крышка 2 закрыта защитным элементом 7. Головка 4 закрыта защитным элементом 8. В корпусе 1 на валу 9 электродвигателя расположен магнитопровод 10 статора с уложенными в нем обмотками 11 и короткозамкнутый ротор 12, выполненный по меньшей мере из одного короткозамкнутого пакета 13 и радиальных подшипников 14. В данном примере изображено три пакета 13 и четыре радиальных подшипника 14. На валу 9 электродвигателя установлен упорный подшипник 15 скольжения. Погружной электродвигатель содержит муфту 16, выполненную в виде сдвоенного шарнира с двенадцатью степенями подвижности и расположенную в головке 4 соосно с валом 9 электродвигателя. Муфта 16 установлена с возможностью сопряжения вала 9 электродвигателя и вала протектора (не показан). Упорный подшипник 15 скольжения размещен в нижней части вала и выполнен подвижным в плоскости, перпендикулярной валу, что обеспечивает его самоустанавливаемость и полное прилегание к нему пяты и подпятника при любых положениях вала 9 электродвигателя. Упорный подшипник 15 скольжения может быть расположен в головке электродвигателя. В данном примере он размещен в нижней части вала 9 электродвигателя, выполненного с хвостовиком 17. Обмотка 11 статора выполнена шестифазной в виде единой электромагнитной системы с возможностью подключения к стандартной трехфазной сети. Шестифазная обмотка 11 статора реализует соединение трех двухфазных электродвигателей, включаемых в трехфазную сеть, в единой электромагнитной системе статора и нескольких короткозамкнутых пакетов 13 ротора 12 на одном валу 9. Муфта 16, имеющая двенадцать степеней подвижности, являющаяся виброгасящим защитным устройством - общеизвестна (см. патент RU 2155887). Она предназначена для передачи вращающего момента от ведущего вала к ведомому валу без искажения закона передаваемого момента по форме и времени, нейтрализуя негативные воздействия взаимно сопряженных звеньев установок погружных центробежных насосов друг на друга, вызванные радиальными и осевыми перемещениями валов с перекрещиванием осей вращения. Также она предназначена для соединения валов: погружного электродвигателя - протектора - газосепаратора - насоса и его модулей. Упорный подшипник 15 скольжения также является известным (см. патент RU 2162171). Обмотка 11 статора, выполненная шестифазной, общеизвестна (см. патент US 5559385). В данном погружном электродвигателе радиальные подшипники 14 ориентируют геометрическую ось вала 9 так, что все они опираются на общую базу внутри магнитопровода 10. А специальный упорный подшипник 15 скольжения, воспринимающий полностью нагрузку ротора 12, расположенный снизу двигателя, имеет подвижность в плоскости, перпендикулярной оси вала 9 в пределах допуска. Благодаря специальной подвеске гарантируется стопроцентное прилегание пяты к подшипнику 15 в любой ситуации, что позволяет сформировать квазитвердый масляный клин, а также гарантирует надежную работу благодаря малой удельной нагрузке на поверхности пяты и подпятника. Вал 9 погружного параметрического электродвигателя выполнен без сверхглубокого продольного и коротких поперечных сверлений потому, что гидравлические расчеты показывают, что турбина насоса на валу 9 не создает разряжения на выходе, чтобы прокачать несколько граммов масла через продольное отверстие. Тепловые расчеты показывают, что масса масла, имеющего теплоемкость, близкую к теплоемкости металла, масса которого в 20-30 раз больше, не способна охладить двигатель даже на 1-2^oС. Поэтому турбинка и сверхглубокое продольное и короткое поперечные сверления не только лишние, но и резко повышающие себестоимость электродвигателя. В результате масса дебаланса вала 9 существенно снижается, а амплитуда колебаний двигателя в скважине становится почти на два порядка меньше. Измеренная температура корпуса 1 двигателя с "системой циркуляции" и без нее совершенно одинаковая. Наилучшее отношение числа пазов в пакете 13 ротора 12 к числу пазов в магнитопроводе 10 статора 15/12 оказалось наилучшим для пуска двигателя потому, что снижает силу одностороннего притяжения пакета 13 ротора 12 к статору и улучшает магнитную проводимость короткозамкнутого пакета 13 ротора 12.

Предлагаемый погружной параметрический электродвигатель позволяет расширить условия применимости погружного электродвигателя, то есть обеспечить возможность работы в сильно искривленных скважинах за счет того, что погружной двигатель будучи в 2-5 раза короче способен проходить через сильно искривленные глубокие участки нефтяных или водяных скважин. Уменьшение длины двигателя обеспечивается за счет применения шестифазной обмотки 11 статора, в виде трех двухфазных двигателей, включаемой в стандартную трехфазную сеть и обеспечивающую преобразование электрической энергии в механическую в режимах, близких к оптимальному, не только в номинальном режиме, но и в широком диапазоне изменения нагрузок, колебаниях питающего напряжения. Также данное изобретение позволяет увеличить межремонтный ресурс работы всего погружного электронасосного агрегата за счет исключения толчков и вибраций, приводящих к усталостному разрушению разъемных соединений, отрыву и падению на дно глубоких скважин двигателя и других звеньев агрегата, то есть за счет исключения взаимного влияния вибраций и толчков различных звеньев агрегата друг на друга и исключения явления резонанса, приводящих к быстрому разрушению разъемных соединений, отрыву, падению и выходу всего агрегата из строя. Данный электродвигатель может длительное время работать в нештатных режимах работы всего погружного агрегата, то есть при значительных отклонениях (более чем 30%) от номинальной нагрузки (подача рабочей жидкости) напряжения питания, при ухудшении условия охлаждения электродвигателя (при снижении скорости течения жидкости, омывающей электродвигатель снаружи), при частичном или полном засорении насоса твердыми частицами.

Работает данный погружной электродвигатель следующим образом.

При приложении через токоввод 5 к выводам трехфазного напряжения к шести фазам обмоток 10 статора, в шинах короткозамкнутого ротора 12 индуцируются токи, взаимодействующие с магнитными потоками, образованными токами других фаз. В результате возникает электромагнитная сила, приложенная к шинам ротора 12 и направленная по касательной к его поверхности, создающая вращающий момент двигателя. Вал 9 начинает вращаться и через муфту 16 передает вращающий момент протектору, газосепаратору и далее секциям насоса. Предлагаемая шестифазная схема включения электродвигателя обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в режиме, близком к оптимальному не только в точке номинальной работы, как у традиционных трехфазных асинхронных двигателей, но и в широком диапазоне изменения нагрузки, колебаниях напряжения питания, благодаря ортогональности трех двухфазных двигателей, включенных в трехфазную сеть. Вал 9 электродвигателя сопряжен со звеньями погружного электронасосного агрегата посредством муфты 16, которая практически полностью исключает влияние амплитуд частотных колебаний и толчков, разрушающих стыки сопряженных звеньев, что приводит к усталостному разрыву болтов, шпилек, отрыву и падению двигателя на дно скважины. Конструктивное размещение самоустанавливающегося упорного подшипника 17 в нижней части двигателя создает нормальную его работу при значительных отклонениях оси двигателя от вертикали. Основное рабочее положение электродвигателя вертикальное.

Таким образом, данное изобретение позволяет за счет уменьшения длины самого электродвигателя при одинаковой активной мощности и токовых нагрузках, а также за счет компенсации несоосности валов сопряженных звеньев электронасосного агрегата и компенсации отклонения оси двигателя от вертикали и неравномерного зазора между ротором и статором электродвигателя, расширить условия применения погружного электродвигателя, то есть обеспечить возможность его работы в сильно искривленных скважинах и на больших глубинах, повысить межремонтный ресурс работы самого двигателя и всего электронасосного агрегата, а также обеспечить длительную работу двигателя в нештатных режимах погружного электронасосного агрегата.

Использование: в качестве привода погружных насосов. Погружной электродвигатель содержит размещенные в корпусе на валу электродвигателя магнитопровод статора с уложенными в нем обмотками и короткозамкнутый ротор, выполненный, по меньшей мере, из одного короткозамкнутого пакета и радиальных подшипников. Обмотка статора выполнена шестифазной с возможностью подключения к трехфазной сети. Корпус имеет крышку с клапаном и головку с токовводом, клапаном. Электродвигатель содержит муфту, выполненную в виде сдвоенного шарнира с двенадцатью степенями подвижности и расположенную в головке соосно с валом электродвигателя, и упорный подшипник скольжения, размещенный в нижней части вала и выполненный подвижным в плоскости, перпендикулярной валу, что обеспечивает его самоустанавливаемость и полное прилегание к нему пяты и подпятника при любых положениях вала. Технический результат заключается в расширении эксплуатационных возможностей путем обеспечения возможности работы в сильно искривленных скважинах и на больших глубинах. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Погружной электродвигатель, содержащий удлиненный цилиндрический корпус, внутри которого размещен магнитопровод статора с уложенными в нем обмотками и вал, на котором размещен, по меньшей мере, один пакет короткозамкнутого ротора, радиальные и упорный подшипники скольжения, в нижней части цилиндрического корпуса имеется крышка с клапаном, в верхней части корпуса имеется головка с токовводом, клапаном и муфтой, установленной с возможностью сопряжения вала с валом протектора, отличающийся тем, что электрическая обмотка статора выполнена шестифазной с возможностью подключения к трехфазной сети, муфта выполнена в виде сдвоенного шарнира с двенадцатью степенями подвижности, а упорный подшипник скольжения размещен в нижней части вала и выполнен подвижным в плоскости, перпендикулярной валу, что обеспечивает его самоустанавливаемость и полное прилегание к нему пяты и подпятника при любых положениях вала. 2. Погружной электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что вал выполнен в нижней части с хвостовиком.