НАСОСНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2014 года по МПК F04B47/06 F04B17/04 

Изобретение относится к области машиностроения и направлено на повышение энергетических показателей установок для подъема жидкости с больших глубин погружными установками с насосами объемного действия, приводимыми в действие погружными линейными электродвигателями.

Известна погружная насосная установка, содержащая насос и погружной линейный электродвигатель. Электродвигатель содержит неподвижную часть (статор) с обмоткой и расположенную внутри статора подвижную часть (бегун), выполненные с возможностью возвратно-поступательного движения бегуна относительно статора. Корпус электродвигателя механически связан с корпусом насоса, бегун механически связан с подвижной частью насоса (патент США №7445435 В2, класс МКИ F04B 47/14, US C1. 417/210, от 2004 года).

Полость электродвигателя между статором и бегуном непосредственно связана с пластовой жидкостью. Содержащиеся в пластовой жидкости твердые частицы проникают в трущиеся элементы опорных узлов, приводя к ускоренному износу последних.

Известна насосная установка, содержащая насос объемного действия и погружной линейный вентильный электродвигатель, включающий в себя неподвижную часть (статор) с обмоткой и расположенную внутри статора подвижную часть (бегун), выполненные с возможностью возвратно-поступательного движения бегуна относительно статора, полость электродвигателя связана с окружающей средой через решетчатые отверстия, корпус электродвигателя механически связан с корпусом насоса, бегун через шток связан с подвижной частью насоса, статор содержит цилиндрические и торцовые элементы герметизации объема статора (см., например, евразийский патент №009268 В1, класс F04B 47/06, приоритет 17.10.2004).

В этой установке происходит периодический, с частотой ходов бегуна, обмен пластовой жидкостью между полостью электродвигателя и внешней пластовой жидкостью. При движении бегуна, например вверх, жидкость вытесняется из верхней части полости электродвигателя в окружающее пространство через отверстия в элементах конструкции, связанных с корпусом электродвигателя. В нижнюю часть полости электродвигателя пластовая жидкость всасывается из окружающего пространства через соответствующие отверстия в корпусных деталях.

В этих отверстиях нельзя установить сколько-нибудь эффективные фильтры, поскольку через них прокачиваются значительные объемы пластовой жидкости. Наличие эффективных фильтров привело бы к потерям мощности и соответствующему снижению КПД установки.

Постоянный обмен жидкостью между полостью электродвигателя и внешней средой приводит к тому, что в полости накапливаются твердые частицы различного размера, они проникают во все зазоры между взаимно подвижными элементами конструкции, вызывая их преждевременный износ и, в конечном итоге, выход установки из строя.

Изобретение направлено на повышение срока службы погружной установки и улучшение ее теплового режима.

Достигается этот эффект тем, что минимизируется обмен жидкости между полостью электродвигателя и внешней средой при работе двигателя, причем в одной из конструкций обмен может происходить через фильтр тонкой очистки. Дополнительно осуществляется выравнивание температуры внутри электродвигателя и снижение средней температуры его элементов за счет увеличения поверхности охлаждения. Потери мощности при этом незначительны.

Конструктивные особенности при этом следующие.

Полость электродвигателя связана с окружающей средой через фильтр, а с полостью насоса через уплотнение между штоком и корпусом. Установка дополнительного штока позволяет практически исключить обмен жидкости полости электродвигателя с окружающей средой. Статор электродвигателя в области, расположенной между внешней цилиндрической поверхностью обмотки и внутренней поверхностью корпуса электродвигателя, содержит продольные сквозные каналы, соединяющие части полости электродвигателя, расположенные по обе торцевые стороны статора. В продольных каналах могут быть размещены трубчатые элементы, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, концы трубчатых элементов могут быть герметично соединены с торцовыми элементами герметизации объема статора.

Конструкция установки схематически представлена на чертежах. На фиг.1 представлена установка с одним штоком в продольном сечении, на фиг.2 установка с двумя штоками в продольном сечении. Электродвигатель содержит корпус 1, в котором установлен герметизированный статор. Статор включает в себя дисковые магнитопроводы 2, между которыми размещены кольцевые катушки 3 обмотки якоря. Дисковые магнитопроводы могут выполняться как шихтованными, так и спеченными из материала с высокой магнитной проницаемостью. Напряжение питания к обмотке подводится через герметизированный разъем (на чертежах не показан).

Герметизация объема статора в приведенной конструкции осуществляется корпусом 1, торцовыми шайбами 4 и тонкостенной гильзой 5. Возможны варианты герметизации без гильзы, например заполнение объема статора компаундом (вакуумное компаундирование).

Фильтр 6 может быть размещен в любой части верхнего щита 7, либо нижнего щита 8, либо корпуса 1.

Подвижная часть электродвигателя - бегун - имеет следующую конструкцию. На трубе 9 размещены дисковые постоянные магниты 10. Между ними находятся опорные элементы 11. В случае, если магниты 10 намагничены в осевом направлении, труба 9 выполняется из немагнитного материала, а опорные элементы 11 из магнитопроводящего. Если магниты 10 намагничены в радиальном направлении, то труба 9 магнитопроводящая, а опорные элементы 11 немагнитные.

С трубой 9 механически связан рабочий шток 12, приводящий при работе электродвигателя в движение подвижную часть насоса 13. Перекачиваемая установкой пластовая жидкость поступает на поверхность по насосно-компрессорной трубе 14. Уплотняющие элементы 15 служат, прежде всего, для защиты полости электродвигателя от попадания твердых частиц из пластовой жидкости.

Полость электродвигателя включает в себя верхнюю часть 16 и нижнюю часть 17. Обе части связаны между собой через продольные сквозные каналы 18 и отверстия 19 в трубе 9. Перед монтажом полость электродвигателя может быть заполнена любой чистой жидкостью, например водой. Дополнительный шток 20, связанный с внешней средой через дополнительное уплотнение 21, служит для минимизации колебаний объема жидкости в полости электродвигателя.

В продольных сквозных каналах 18 могут быть размещены трубчатые элементы, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, концы трубчатых элементов могут быть герметично соединены с торцовыми элементами 4 герметизации объема статора.

Работа установки происходит следующим образом.

При подаче напряжения питания на обмотку якоря электродвигателя и соответствующем управлении им бегун совершает возвратно-поступательное движение, приводя в движение рабочий орган насоса. При движении бегуна вверх жидкость из полости 16 через каналы 18 в статоре и отверстия 19 в бегуне перетекает в нижнюю полость 17. При движении бегуна вниз происходит обратное движение жидкости. При перетекании жидкость перемешивается, выравнивая температуру внутри электродвигателя. В процесс охлаждения вовлекаются значительные поверхности щитов 7 и 8, что способствует снижению средней температуры внутри электродвигателя.

В установке с одним штоком обеспечивается эффективное выравнивание температуры в электродвигателе и снижается средняя температура перегрева элементов электродвигателя. Однако в течение каждого цикла возвратно-поступательного движения бегуна во внешнюю среду вытесняется и соответственно из нее всасывается объем жидкости, равный произведению площади поперечного сечения штока на длину его хода. Этот объем гораздо меньше, чем в прототипе, в котором вытесняется и всасывается объем, равный произведению разности площадей поперечных сечений штока и бегуна на длину хода, но, тем не менее, приводит к появлению твердых частиц в полости электродвигателя и уменьшению срока службы установки.

Установка дополнительного штока 20 позволяет оставить объем жидкости в полости электродвигателя постоянным. Обмена жидкости полости электродвигателя с пластовой жидкостью при этом практически не происходит, поскольку при любом перемещении бегуна объем жидкости, вытесняемой из одной полости, будет равен объему, освобождаемому бегуном в другой полости. Для этого площади сечений штоков 12 и 20 должны быть строго одинаковыми. Фильтр 6 теперь служит только для компенсации температурного расширения жидкости полости электродвигателя. Изменение температуры происходит довольно медленно, поэтому фильтр может быть выполнен с характеристиками фильтра тонкой очистки, то есть иметь очень малые сечения каналов и, следовательно, большое гидравлическое сопротивление.

Фильтр 6 и уплотнения 15, 21 не позволяют твердым частицам проникать в полость электродвигателя. Выравнивание и снижение температуры электродвигателя при этом происходит столь же эффективно, что и ранее.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в насосных установках для поднятия жидкостей с больших глубин объемными насосами, приводимыми в действие электродвигателями. Установка включает в себя насос объемного действия и погружной линейный вентильный электродвигатель, неподвижные и соответственно подвижные части соединены между собой. Статор электродвигателя и его подвижная часть (бегун) выполнены с возможностью возвратно-поступательного движения бегуна относительно статора. Полость электродвигателя связана с окружающей средой через фильтр, а с полостью насоса через уплотнение между штоком и корпусом. Статор электродвигателя в области между внешней поверхностью обмотки и внутренней поверхностью корпуса электродвигателя содержит продольные сквозные каналы, соединяющие полости, расположенные по обе торцовые стороны статора. Повышается срок службы установки и улучшается ее тепловой режим. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Насосная установка, содержащая насос объемного действия и погружной линейный электродвигатель, включающий в себя неподвижную часть (статор) с обмоткой и расположенную внутри статора подвижную часть (бегун), выполненные с возможностью возвратно-поступательного движения бегуна относительно статора, полость электродвигателя связана с окружающей средой, корпус электродвигателя механически связан с корпусом насоса, бегун через шток связан с подвижной частью насоса, статор содержит цилиндрические и торцовые элементы герметизации объема статора, отличающаяся тем, что полость электродвигателя связана с окружающей средой через фильтр, а с полостью насоса через уплотнение между штоком и корпусом, статор электродвигателя в области между внешней поверхностью обмотки и внутренней поверхностью корпуса электродвигателя содержит продольные сквозные каналы, соединяющие полости, расположенные по обе торцовые стороны статора.

2. Насосная установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным, идентичным первому, штоком, размещенным с другой стороны бегуна и связанным с внешней средой через дополнительное уплотнение в корпусе, а фильтр выполнен с характеристиками фильтра тонкой очистки.

3. Насосная установка по любому из п. 1, 2, отличающаяся тем, в продольных сквозных каналах размещены трубчатые элементы, выполненные из материала с высокой теплопроводностью.

4. Насосная установка по п.3, отличающаяся тем, что концы трубчатых элементов герметично соединены с торцовыми элементами герметизации объема статора.