УПОРНО-ОПОРНЫЙ ПОДШИПНИК СКОЛЬЖЕНИЯ НА ПРИВОДНОМ КОНЦЕ ВАЛА АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ ВЕТОХИНА ДЛЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН (АМВ НГС) Российский патент 2012 года по МПК H02K17/32 H02K5/167 

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к погружным электрическим машинам, которые применяются для приводов различных подводных механизмов буровых и добычных установок при разработке и добыче полезных ископаемых и минеральных ресурсов нефти и газа на морском дне, а также для приводов скважных насосов и буровых механизмов в геологоразведочных работах и промышленном освоении морского континентального шельфа по добыче нефти и газа.

Известна электрическая машина открытого исполнения для работы в морской воде на любой глубине погружения с охлаждением внутренних активных частей забортной морской водой (см. «Электрическая машина Ветохина ЭМВ», патент №2072609, БИ №3, 27.01.97), которая содержит статор, ротор с валом и подшипниками, заключенными в негерметичный корпус, заполненный жидким охладителем, и подшипниковые щиты с отверстиями. В качестве охладителя использована морская вода, а отверстия в подшипниковых щитах для входа холодной и выхода нагретой воды расположены двумя группами. В качестве подшипников в указанной машине используются шарикоподшипники типа Ю1 и Ю15 из антикоррозионной нержавеющей стали.

Недостатками этих подшипников являются:

1. Малый ресурс в морской воде (500-700 часов).

2. Не предназначены для работы в вертикального исполнения машине.

Из известных наиболее близкой к заявляемой, выбранной за прототип, является электрическая машина Ветохина ЭМВ (см. «Электрическая машина Ветохина ЭМВ», патент №1833703, СССР. 1989). В данной машине применены опорно-упорные подшипники скольжения для электрических машин типа ЭМВ, вкладыши которых изготавливаются из высокоплотного антифрикционного порошкового материала (металлокерамики), а подвижные втулки - из высокопрочной, антикоррозионной, термообработанной нержавеющей стали. На валу на свободных концах установлены подвижные втулки, а в подшипниковых щитах запрессованы вкладыши. Опорно-упорные подшипники скольжения в данной машине обеспечивают ее надежную работу в качестве привода любого подводного механизма, находящегося на неограниченной глубине погружения в морской воде при любых кренах и дифферентах. Недостатком данной конструкции ЭМВ применительно для погружных электродвигателей (ПЭД) нефтескважин является соизмеримость диаметра и длины ротора больших размеров, а также невозможность осуществить подшипники с подвижными втулками в погружных электродвигателях для насосов и механизмов «Буров» для нефтяных и газовых скважин с малыми диаметрами корпуса и статора для постоянной работы в вертикальном исполнении, при котором нагрузка будет только на опорную скользящую поверхнсть. ПЭД для нефтегазовых скважин имеют малый диаметр корпуса до 150 мм, а длины для больших мощностей двигателя достигают до 8 м, с гидрозащитой до 16 м, в которых статоры, роторы и гидрозащита выполняются многоступенчатыми. Кроме того, при глубине скважины до 3000 м температура окружающей кислой агрессивной пластовой воды достигает 150°C, поэтому подшипники скольжения должны быть компактными и стойкими к агрессивной пластовой воде при высоких температурах при больших удельных нагрузках и обладать высокой надежностью и работоспособностью.

Задачей данного изобретения является повышение надежности, живучести и срока службы разработанной асинхронной машины «АМВ НГС» вертикального исполнения валом вверх для насосов, валом вниз для механизма «Бурения» на глубину погружения до 3000 м и температуру пластовой воды до 150°C за счет применения универсального высоконагруженного упорно-опорного малогабаритного подшипника скольжения со стороны приводного конца вала с вкладышами из порошковых материалов, воспринимающего основную упорную нагрузку от насоса или бурового механизма.

Задача решается тем, что в известной асинхронной погружной электрической машине вертикального исполнения с приводным концом вала вверх или вниз, содержащей многопакетные статор и винтоканавочный ротор с монолитным валом, подшипники, протекторную защиту активных частей в виде втулок и колец из алюминиево-магниево-цинкового сплава, заключенные в корпус с отверстиями для входа и выхода окружающей пластовой воды для охлаждения, приводной конец вала снабжен буртиком, служащим подвижной частью упорно-опорного подшипника скольжения с двухсторонними упорными скользящими поверхностями, а на валу с опорными скользящими поверхностям с точностью обработки поверхностей до 7-10 класса чистоты в качестве неподвижных частей подшипника с двух сторон от упорных поверхностей буртика применены вкладыши из высокоплотного антифрикционного порошкового материала (металлокерамики), которые также имеют упорные со стороны буртика и опорные со стороны вала скользящие поверхности грубой обработки, причем в корпус двигателя со стороны привода вставлен подшипниковый щит из материала корпуса с углублением к буртику, в которое запрессован втугую один из вкладышей, крепление подшипникового щита осуществляется винтами с потайной головкой через симметрично расположенные отверстия в корпусе, второй противоположный таких же размеров вкладыш запрессован втугую в углубление корпуса машины, вкладыши снабжены непрерывными канавками на скользящих поверхностях для удаления абразивов охлаждающей жидкостью, поступающей через свободные зазоры между подшипниковым щитом, корпусом и валом, а охлаждающая пластовая вода поступает из окружающей среды через симметрично расположенные отверстия в корпусе в начале подшипника и по зазору между валом и корпусом, а нагретая вода выходит через аналогичные отверстия в корпусе по центру подшипника над буртиком.

Изобретение поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 показан подшипниковый узел со стороны приводного конца вала;

- на фиг.2 показан вкладыш опорно-упорного подшипника скольжения со стороны приводного конца вала.

На фиг.1 изображен подшипниковый узел со стороны приводного конца вала, который включает в себя вал 2 с упорным буртиком 3, имеющим упорные термообработанные скользящие поверхности 4 и 11 с точностью обработки шлифовкой до 7-10 класса чистоты. Перпендикулярно на валу имеются опорные термообработанные скользящие поверхности 5 и 12 с теми же параметрами обработки, как и у буртика. Для привода насоса, когда электродвигатель располагается валом вверх, в корпус 1 запрессован втугую вкладыш 6 из порошкового материала (металлокерамики) марки Бр05Н2С5Гр1ДМ1, который также имеет упорную 4 и опорную 5 скользящие поверхности. Для охлаждения скользящих поверхностей имеется свободный зазор 7, через который поступает пластовая вода из полости АМВ НГС. Для привода бурового механизма, когда электродвигатель располагается валом вниз, с другой стороны буртика для упора от веса ротора в корпус 1 двигателя запрессовывается по горячей посадке подшипниковый щит 8 из антикоррозионной нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т с углублением в виде цилиндра для запрессовки вкладыша. Крепление подшипникового щита осуществляется через симметрично расположенные отверстия в корпусе 1 винтами 9 диаметром М6-М8 из высокопрочной термообработанной нержавеющей стали марки 40Х13. В углубление подшипникового щита 8 запрессовывается втугую вкладыш 10 из высокоплотного антифрикционного и антикоррозионного порошкового материала, который имеет упорную 11 и опорную 12 скользящие поверхности. В полость АМВ НГС в области подшипникового узла вода из окружающей среды поступает через симметрично расположенные отверстия 13 в корпусе 1, а через отверстия 14 нагретая вода выходит из полости машины. По окружности отверстия 13 и 14 равномерно размещены под углом β относительно друг друга, отверстия одной группы 13 смещены на угол β/2 относительно другой группы 14 с целью улучшения водообмена и для сохранения механической прочности корпуса. Выбирают по 6 отверстий в каждой группе диаметром по 5 мм каждое при диаметре корпуса до 150 мм. Для охлаждения скользящих пар подшипника вода из полости двигателя через свободные зазоры 7, 15, 16, 17 между корпусом 1 и валом 2 поступает для охлаждения непосредственно на скользящие поверхности подшипника. Для протекторной защиты от электрохимической коррозии подшипникового узла и вала на вал 2 напрессована втугую протекторная втулка 18, а корпуса 1 - вовнутрь его запрессовано кольцо 19 из магниевого сплава марки МЛ4, имеющие плотный электрический контакт с корпусом 1 и валом 2. Вкладыши 6, фиг.1, и 10, фиг.2, из высокоплотного порошкового антифрикционного материала Бр05Н2С5Гр1ДМ1 могут нести удельную нагрузку до 120 кгс/см² в аксиальном и радиальном направлениях при температуре до 300°C, поэтому рабочий зазор скользящей пары при горизонтальном и вертикальном направлениях должен быть - ходовой 60÷80 мк для диаметра вала до 60 мм. Для улучшения охлаждения скользящей пары и удаления образовавшихся частиц вкладыши 6 и 10 имеет осевые канавки 20 на опорной поверхности и шлицы 21 на упорной поверхности, как продолжение канавок. Геометрические размеры канавок по диаметру 5-6 мм, конфигурация по сечению - полуокружность, фиг.2.

При использовании электродвигателя в качестве привода для буровых механизмов приводным концом вала вниз добавляются в связи с этим дополнительные операции при сборке. После монтажа ротора передний подшипниковый щит 8 с запрессованным вкладышем 10 запрессовывается втугую в корпус двигателя и закрепляется винтами 9 по окружности корпуса, после чего напрессовываются на вал протекторная втулка 18 и в корпус - протекторное кольцо 19. Таким образом, при работе двигателя с буровым механизмом нагрузку от веса ротора и «Бура» воспринимает упорная поверхность 11 вкладыша 10. Упорная и опорная поверхности буртика 3 должны быть термообработаны и отшлифованы до 7-10 класса чистоты. Эти же поверхности вкладышей должны иметь грубую, токарную обработку, необходимо только соблюсти зазор между скользящими поверхностями с учетом температуры нагрева окружающей среды ПЭД до 200°C с учетом разбега ротора, с тем чтобы не затормозился ротор во время работы.

Вал ротора должен быть сплошным для усиления жесткости при скручивании во время работы. Охлаждение его обеспечивается с помощью теплопередачи в окружающую воду и ввиду большой теплопроводности материала вала, он практически нагреется на (1-2)°C выше, чем вода в зазоре между статором и ротором.

Заявляемое техническое решение позволяет значительно качественно улучшить надежность, работоспособность и повысить срок службы АМВ НГС на глубине погружения до 3000 м при температуре окружающей жидкости 150°C за счет применения универсального малогабаритного высоконагруженного опорно-упорного подшипника со стороны приводного конца вала для работы в качестве привода насоса валом вверх и в качестве механизма «Бура» валом вниз, причем при значительном отклонении от вертикальной оси машины до 80°.

Изобретение относится к погружным электрическим машинам скважных насосов и буровых механизмов в нефтегазовой отрасли. Создание универсального упорно-опорного высоконагруженного подшипника скольжения на приводном конце вала погружного электродвигателя вертикального открытого исполнения с применением вкладышей из высокоплотного антифрикционного порошкового материала обеспечивает повышение надежности и срока службы асинхронной машины, работающей на глубине погружения до 3000 м и при высокой температуре пластовой воды. Асинхронная машина (АМВ НГС) содержит корпус (1), вал (2) с буртиком (3) на приводном конце вала, имеющим упорные поверхности (4) и (11) с двух сторон, выполняющие функции подвижных скользящих поверхностей - (4) для насоса, (11) для механизма бурения. Для неподвижных частей подшипника применены вкладыши (6) и (10) из высокоплотного порошкового антифрикционного материала с теми же скользящими поверхностями (4) и (11), позволяющими работать двигателю приводным концом вала вверх для привода насоса и вниз для привода механизма бура. Охлаждение скользящих поверхностей подшипника осуществляется окружающей жидкостной средой через отверстия (13) и (14) в корпусе (1) и через свободные зазоры (7), (15), (16), (17) между корпусом (1) и валом (2). 2 ил.

Асинхронная машина (АМВ НГС) вертикального исполнения с приводным концом вала вверх или вниз, содержащая многопакетные статор и винтоканавочный ротор с монолитным валом, подшипники, протекторную защиту активных частей в виде колец и втулок из алюминиево-магниево-цинкового сплава, заключенные в корпус с отверстиями для входа и выхода окружающей пластовой воды для охлаждения, отличающаяся тем, что приводной конец вала снабжен буртиком, служащим подвижной частью упорно-опорного подшипника скольжения с двухсторонними упорными скользящими поверхностями, а на валу с опорными скользящими поверхностями с точностью обработки поверхностей до 7-10 класса чистоты в качестве неподвижных частей подшипника с двух сторон от упорных поверхностей буртика применены вкладыши из высокоплотного антифрикционного порошкового материала (металлокерамики), которые также имеют упорные со стороны буртика и опорные со стороны вала скользящие поверхности грубой обработки, причем в корпус двигателя со стороны привода вставлен подшипниковый щит из материала корпуса с углублением к буртику, в которое запрессован втугую один из вкладышей, крепление подшипникового щита осуществляется винтами с потайной головкой через симметрично расположенные отверстия в корпусе, второй противоположный таких же размеров вкладыш запрессован втугую в углубление корпуса машины, вкладыши снабжены непрерывными канавками на скользящих поверхностях для удаления абразивов охлаждающей жидкостью, поступающей через свободные зазоры между подшипниковым щитом и валом, охлаждающая пластовая вода поступает из окружающей среды через симметрично расположенные отверстия в корпусе в начале подшипника и по зазору между валом и корпусом, а нагретая вода выходит через аналогичные отверстия в корпусе по центру подшипника над буртиком.