УСИЛИТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОДВОДНЫХ РАБОТ Российский патент 2017 года по МПК F04D13/08 F04D13/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к увеличению давления. Конкретнее, настоящее изобретение относится к компрессорам и насосам, в частности подводным компрессорам и насосам, включая насосы перекачки мультифазных систем, предназначенным для увеличения давления газа, мультифазной системы или жидкости из подводных нефтяных эксплуатационных скважин или систем. Далее для таких турбомашин, как компрессоры, насосы перекачки мультифазных систем и насосы перекачки жидкости, используется общее обозначение «усилители давления».

Уровень техники

Давление нефтяного пласта, в частности газоносного пласта, довольно быстро падает в процессе добычи. Для поддержания и продолжения добычи из подводных залежей, часто связанной с транспортировкой добытого текучего ископаемого на большие расстояния по трубопроводу, требуется увеличение давления.

На ФИГ.1 представлен процесс работы подводной насосной станции. Вращающееся оборудование включает компрессоры и насосы. Типовая скорость вращения насосов лежит в диапазоне 3000-4000 об/мин, тогда как компрессоры работают, как правило, на скоростях в диапазоне 5000-12000 об/мин.

Для понимания этой ФИГ. обратимся к Таблице 1. Чтобы дать представление о размерах, укажем, что диаметр сепаратора на ФИГ.1 может быть порядка 3 м, а высота - 10 м.

Таблица 1 Позиция Наименование а Сепаратор b Компрессор b' Привод компрессора с Насос с' Привод насоса d Низкий уровень жидкости е Высокий уровень жидкости f Предельно высокий уровень жидкости g Оборудование финишной очистки, например циклоны g' Нижний край циклонов h Сливная вертикальная труба i Выход сливной вертикальной трубы j Противопомпажный клапан с приводом k Противопомпажный охладитель l Кабель подачи электропитания к приводу компрессора m Кабель подачи электропитания к приводу насоса n Труба рециркуляции жидкости o Труба рециркуляции газа p, p', p'', p''' Клапаны q Электроподсоединение привода компрессора q' Электроподсоединение привода насоса r Клапан рециркуляции жидкости

Типовое потребление энергии для увеличения давления такого компрессорного агрегата составляет 5-15 МВт. Это, в сочетании с высокой частотой передачи, ограничивает длину электрического подводного протяженного кабеля, проложенного с поверхности (с верхнего строения платформы или с берега) и передающего сигнал надводного привода переменной скорости (ППС). В частности, эффект Ферранти и, возможно, также другие эффекты ограничивают подводную длину электрических высокочастотных протяженных кабелей высокой мощности дальностью около 40-50 км.

Конструкция современных подводных компрессоров (мотор-компрессоров) показана на ФИГ.2; ее основные компоненты - компрессор и привод от электрического высокоскоростного двигателя, вращающегося со скоростью, которая нужна компрессору; именно, типовая скорость вращения двигателя лежит в диапазоне 5000-12000 об/мин. Скорость двигателя передается компрессору, по меньшей мере, через один вал, соединяющий двигатель и компрессор. Частота электропитания для сообщения этой скорости двигателю и, соответственно, компрессору, должна быть в диапазоне приблизительно 80-200 Гц для двухполюсного двигателя. Типовая мощность на валу привода компрессора может быть в диапазоне 5-15 МВт, а в будущем, возможно, и больше. Устойчивая передача электроэнергии на высоких частотах, которых требует двигатель, осуществима, если расстояние от источника питания, обычно от берега или от верхнего строения платформы (с поверхности) ограничено величиной в диапазоне 40-50 км. Если расстояние подвода больше, передача энергии по кабелю становится неустойчивой и неприменимой. В таких случаях возникают противоречивые требования, с одной стороны, высокой частоты, которая нужна двигателю, чтобы развить соответствующую скорость, а с другой, низкой частоты, в типовом варианте, скажем, 40-70 Гц, которая необходима для устойчивой передачи энергии. Это противоречие может быть разрешено низкочастотной передачей энергии и местным повышением частоты путем размещения подводного привода переменной скорости (ПППС) возле двигателя.

Среда мотор-компрессора на ФИГ.1 - газовая; это или перекачиваемый газ, или инертный газ, поданный из резервуара. Обозначение «инертный газ» в контексте данного патентного описания означает любой газ, не наносящий вреда внутренним материалам двигателя, а также редуктора в случаях, когда такой редуктор размещен в том же отсеке, что и двигатель. Типовым инертным газом может быть сухой азот или сухой метан, однако сухой азот предпочтителен и в контексте настоящего описания обозначает все типы применимых инертных газов.

В случаях, когда насосы приводятся от заполненного жидкостью двигателя, двигатель заполняется инертной жидкостью, т.е. жидкостью, не наносящей вреда внутренним материалам двигателя и редуктора в случаях, когда редуктор размещен в том же отсеке, что и насос.

Следует заметить, что только основные компоненты, необходимые для понимания традиционных подводных мотор-компрессоров, показаны на ФИГ.2 и, далее, на ФИГ.3-6.

Для создания полностью работоспособного подводного компрессора или усилителя давления абсолютно необходимы и другие компоненты, которые не показаны: система охлаждения газа двигателя, высоковольтные разъемы для передачи энергии двигателю, низковольтные кабели для передачи сигналов и управления магнитными подшипниками, балансировочный поршень и другие элементы.

Однако в то время как подводное нефтехимическое оборудование в последние годы нашло признание как практически применимое, электрическое и электронное оборудование встречает большее сопротивление, связанное с восприятием этого типа оборудования как малонадежного и непрочного. Это, в частности, справедливо для статических подводных приводов переменной скорости, ППС, для электрических двигателей [ППС также называют приводом переменной частоты (ППЧ) и преобразователем частоты.] Таким образом, в профессиональной среде бытует общее мнение, что риск потерь производства в результате применения подводных ППС высок и их следует по возможности избегать. ПППС (подводные ППС) к тому же имеют большие размеры и вес, поэтому их не просто устанавливать и демонтировать. Высока также их стоимость.

Подводный ППС, расположенный возле турбомашины, допускает низкочастотную передачу электрической энергии высокой мощности по подводному протяженному кабелю значительно большей длины подвода. Однако стоимость осуществимого подводного ППС для двигателя мощностью 10 МВт может ориентировочно составлять 100 млн норв. крон, вес - около 100 тонн, высота – около 11 м и диаметр - около 3 м. Но самая большая проблема это риск, связанный с ограниченной надежностью подводного ППС.

Даже если подводный ППС включает компоненты высшего качества, каждый из которых, при высоком качестве, обладает очень высокой надежностью, большое число компонентов и сложность конструкции приводят к тому, что общая надежность подводного ППС может представлять серьезную проблему.

Потребность в дальнейшем совершенствовании усилителей давления вообще и усилителей давления для подводных работ, в частности, по-прежнему существует, и задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы удовлетворить упомянутую потребность.

Раскрытие изобретения

Эта потребность удовлетворяется предложением подводной турбомашины для увеличения давления в потоке текучей среды из подводных нефтяных эксплуатационных скважин или систем, именно турбомашины, включающей электрический двигатель и компрессор или насос, приводимый от электрического двигателя, вход текучей среды и выход текучей среды, причем турбомашины, отличающейся тем, что она включает

корпус, общий для электрического двигателя или статора и компрессора, насоса или ротора;

магнитную передачу внутри общего корпуса для оперативного соединения двигателя или статора и компрессора, насоса или ротора; и

перегородку внутри общего корпуса, расположенную так, чтобы отделять отсек двигателя или статора от отсека компрессора, насоса или ротора.

Перегородка предпочтительно включает постоянные магниты или электромагниты - или те и другие - для регулировки магнитного сцепления и передаточного числа магнитной передачи. Передаточным числом можно управлять включением или невключением электромагнитов в перегородке. Вообще, низкоскоростная сторона - это сторона двигателя или статора, с типовыми скоростями до примерно 4000 оборотов в минуту (об/мин), в то время как высокоскоростная сторона - это сторона компрессора, насоса или ротора с типовыми скоростями до примерно 12000 об/мин, при развиваемой мощности до примерно 15 МВт. Однако скорости и мощности могут, по крайней мере в будущем, выйти за указанные здесь пределы.

Магнитная передача - это предпочтительно магнитный ускоритель, позволяющий справиться с эффектом Ферранти и использовать подводные протяженные кабели длиной намного больше 40 км. По оценкам, магнитный ускоритель обладает намного более высокой надежностью, чем ПППС. Ориентировочно стоимость такого редуктора будет в диапазоне 10-15% стоимости ПППС, диаметр - около 1.5 м, длина - 1.5 м и вес - в диапазоне 5-10 тонн. В сравнении с применением ПППС, очень выгодно поместить магнитный ускоритель между двигателем и компрессором, чтобы повысить скорость от низкой скорости двигателя, необходимой для устойчивой передачи электроэнергии, до скорости, которая требуется для компрессора. Типовое передаточное отношение ускорителя может быть в диапазоне 2-3, но настоящее изобретение включает все отношения от 1, т.е. от магнитного сцепления 1:1, до такого числа, которое может быть необходимо в том или ином случае. В сравнении с традиционными решениями, надежность может быть увеличена в 10 раз, а по каждому из параметров: размер, вес и стоимость - может быть достигнуто снижение в 10 раз. Многие варианты осуществления усилителя давления согласно настоящему изобретению бесконтактны, так как предусматривают магнитную передачу и магнитные подшипники, обеспечивая предельно низкие потери в сочетании с предельно высокой надежностью, что делает упомянутые варианты осуществления особенно предпочтительными как для подводного, так и для надводного размещения.

Магнитная передача может быть любого типа, например, цилиндрической, планетарной или с циклоидным зацеплением. Обычно редуктор содержит передачу с постоянными магнитами, но передачи с электромагнитами в двигательной (т.е. низкоскоростной) части, или в компрессорной части, или в обеих частях также могут быть приспособлены для подводных усилителей давления.

Предпочтительной для конструкции магнитной передачи является циклоидная передача с постоянными магнитами, оперативно соединяющая двигатель и турбомашину, более предпочтительна внутренняя циклоидная передача с постоянными магнитами, в которой внутреннее колесо передачи соединено с турбомашиной. Это позволяет передавать очень высокий крутящий момент так как для большего числа магнитов на постоянные магниты внутреннего колеса воздействуют постоянные магниты наружного колеса, усиливая магнитное сцепление и, тем самым, способность передавать крутящий момент. Следующим преимуществом является компактность конструкции в сравнении с обычной конструкцией с цилиндрическими прямозубыми колесами, поскольку одно колесо находится внутри другого, а также простота конструкции, которая повышает надежность и не требует использования подшипников.

Планетарная передача также обеспечивает эти преимущества и более точную соосность валов двигателя и компрессора. Варианты осуществления планетарной передачи могут быть очень выгодны, поскольку, благодаря большому числу полюсных взаимодействий, может быть передан очень высокий крутящий момент и может быть обеспечена очень высокая стабильность благодаря симметричной конструкции с коаксиально расположенными валами двигателя и турбомашины. Кроме того, планетарная передача может быть выполнена так, чтобы допускать переключение передач.

Как было указано выше, настоящее изобретение не ограничено типом магнитной передачи и в нем могут использоваться как постоянные магниты, так и электромагниты. Наиболее подходящий тип редуктора выбирается в том или ином случае, исходя, в частности, из уровня техники для различных типов.

Магнитная передача может быть выполнена в виде коробки передач, в которой передаточное число может меняться ступенчато. Это может быть сделано при отключенном усилителя давления с помощью телеуправляемого подводного аппарата (ТПА) или с помощью электрического двигателя, смонтированного в коробке передач.

Более обычный путь изменения передаточного числа состоит в выемке напорного узла и замене передачи на другую передачу с требуемым новым передаточным числом. Это может быть сделано одновременно с переустановкой компрессора или насоса.

Магнитная передача с электромагнитами со стороны низкоскоростного двигателя или со стороны высокоскоростной турбомашины дает возможность бесступенчато менять скорость турбомашины, увеличивая или уменьшая скорость вращения магнитного поля электромагнитов посредством их включения или не включения.

Двигатель, редуктор и компрессор располагаются в общем корпусе, однако между основными компонентами помещена одна или несколько перегородок с уплотнениями вала, разделяющих общий корпус на отсеки, в которых установлены основные компоненты. Для защиты двигателя и редуктора с их магнитными подшипниками предпочтительна конструкция с перегородкой между отсеком, содержащим двигатель и редуктор по одну сторону, по меньшей мере, одного уплотнения вала и компрессор по другую сторону.

Корпус может быть неразъемным, поскольку тем самым минимизируется количество возможных путей утечки текучей среды. Альтернативно, корпус может включать фланцы между отсеками с основными компонентами, если это сочтено предпочтительным для замены компонентов на более поздней стадии, например, с целью повышения скорости компрессора посредством увеличения передаточного числа в конце добычи из пласта.

Усилитель давления предпочтительно включает валы с магнитными подшипниками, один вал для двигателя с низкоскоростной стороны передачи и один вал для турбомашины с высокоскоростной стороны магнитной передачи. Если используется циклоидная передача, наружное колесо магнитной передачи соединяется с валом двигателя, а внутреннее колесо магнитной передачи - с валом турбомашины. Каждый вал подвешен в двух радиальных магнитных подшипниках, по одному на каждом конце или возле конца вала, и одном упорном магнитном подшипнике, и с подшипниками каждого вала оперативно соединена система управления по 5 осям. Для функционирования магнитных подшипников требуется комплексная система управления с блоком управления на морском дне, поскольку валы активно управляются электромагнитами подшипников, чтобы вращение происходило без физического контакта. Система управления по 5 осям предпочтительна, так как это проверенная конструкция, доказавшая свою надежность для данного применения.

Хотя двух радиальных и одного упорного подшипника достаточно для одного вала, тем не менее число подшипников не ограничивает настоящее изобретение.

Альтернативные подшипники, например механические, возможны, но они нуждаются в смазке, которая чувствительна к загрязнению перекачиваемой средой и требуют довольно сложной системы смазки.

В сравнении с уровнем техники высокоскоростных усилителей давления для подводных работ, включающих подводные ППС, тип усилителя согласно настоящему изобретению обладает, по оценкам, намного более высокой надежностью, предположительно где-то на порядок более высокой. И в той же пропорции снижаются размеры, вес и стоимость. Поэтому имеются сильные экономические и технические стимулы для внедрения настоящего изобретения.

Отделение двигателя и передачи с их подшипниками от турбомашины перегородкой или диафрагмой с уплотнением вала, т.е. так, чтобы двигатель с передачей и турбомашина располагались в отдельных отсеках, позволит защитить двигатель и передачу от проникновения повреждающих количеств загрязнений из перекачиваемой среды с помощью малых объемов инертной в отношении материалов двигателя и передачи текучей среды, подаваемой таким образом, чтобы эта текучая среда все время занимала основную часть объема двигателя-передачи, и тогда загрязнения, попавшие в этот объем, будут разбавлены до неповреждающих концентраций. Введенная инертная текучая среда будет уходить, вытекая через уплотнение.

Для примера можно указать, что потери инертной жидкости для насоса составляют порядка 1 литра в день на одно уплотнение.

Для компрессора газовая среда отсека передачи и двигателя теоретически должна быть защищена от загрязнения путем поддержания скорости протекания инертного газа через уплотнение выше скорости диффузии загрязнений. Если общий объем газовой среды двигателя и передачи, включая газоохладитель и трубопровод, составляет 2 м², то предполагается, что подачи инертного газа, например сухого азота или сухого метана, с расходом, который приведет к нескольким замещениям объема в год, достаточно для защиты материалов от повреждения.

К примеру, если сосуд или резервуар высокого давления объемом 10 м³ размещен на компрессоре или возле него и имеет начальное давление 450 бар, а давление всасывания компрессора 50 бар, то оценки показывают, что 2 м³ газовой среды отсека двигателя-передачи могут смениться приблизительно 20 раз, т.е. с одной заменой газовой среды в месяц резервуар проработает намного больше - одного года до перезарядки, которая может производиться по мере необходимости с корабля с помощью ТПА.

Другая конструкция, полностью защищающая двигатель и низкоскоростную часть передачи со стороны двигателя или статора от загрязнения, предусматривает герметическое отделение низкоскоростной части от высокоскоростной (компрессорной или роторной) части перегородкой или разделительной стенкой, иногда называемой экраном по аналогии с используемым в магнитных муфтах. Чтобы необходимая прочность и, соответственно, толщина экрана оставались в разумных пределах, перепад давлений между газовыми средами компрессора и двигателя должен все время удерживаться в приемлемых пределах с помощью какого-то устройства балансировки давления. Перегородка, экран или разделительная стенка большей частью немагнитны, но предпочтительно должны включать постоянные магниты или электромагниты, расположенные в перегородке между магнитами по обе стороны перегородки для изменения сцепления передачи и передаточного числа.

Весьма предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения - это турбомашина, отличающаяся тем, что она представляет собой усилитель давления, включающий отсек статора и отсек ротора, причем отсек ротора включает компрессор или насос, расположенный непосредственно на роторе или соединенный с ротором. Отсеки разделены диафрагмой, перегородкой или экраном, предпочтительно герметично, и постоянные магниты или электромагниты расположены в перегородке между магнитами по обе стороны перегородки для изменения сцепления передачи и передаточного числа. Данное решение представляется совершенно новым, поэтому упомянутая турбомашина предназначена для использования и под водой, и на верхних строениях платформ.

Краткое описание графических материалов

На ФИГ.1 и 2 представлены решения, соответствующие уровню техники,

на ФИГ.3-6 представлены варианты осуществления и особенности настоящего изобретения,

на ФИГ.7 показаны примеры магнитных передач,

на ФИГ.8 представлен предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения, и

на ФИГ.9 несколько более подробно показана магнитная передача подводной турбомашины согласно настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

Далее настоящее изобретение будет представлено в нескольких вариантах осуществления и объяснено с помощью ФИГ. Обратимся к Таблице 2 для понимания ФИГ.3-5. Следует заметить, что на ФИГ.3-6 показаны только основные компоненты, необходимые для понимания настоящего изобретения.

Таблица 2 Позиция Наименование 1 Двигатель 2 Компрессор или другая турбомашина 3 Прочный корпус 4 Уплотнение вала 4' Перегородка 5 Вход компрессора (или другой турбомашины) 6 Выход компрессора (или другой турбомашины) 7 Отсек двигателя и магнитной передачи или низкоскоростной части магнитной передачи 8 Отсек компрессора и высокоскоростной части передачи 9, 9' Валы 10 Жесткая или гибкая муфта вала или общий вал компрессора и двигателя 11, 11', 11'', 11''' Радиальные подшипники 12, 12' Упорные подшипники 13 Магнитная передача 14 Низкоскоростная сторона магнитной передачи 15 Высокоскоростная сторона магнитной передачи 16 Перегородка, диафрагма или экран, герметически разделяющие низкоскоростную и высокоскоростную части передачи 17 Сосуд высокого давления или резервуар для азота 18, 18' Управляющие клапаны 19 Регулятор давления/объема (РДО) 20, 20', 20'' Трубы

Обратимся к ФИГ.3, изображающей усилитель давления в виде компрессора с магнитной передачей и электродвигателем, причем магнитная передача имеет передаточное число, обеспечивающее увеличение скорости от скорости вала двигателя, которая достаточно низка, чтобы передаваться с достаточно низкой частотой для устойчивой передачи по кабелю, до необходимой скорости компрессора. Двигатель может вращаться, например, со скоростью 3000 об/мин, т.е. электрический ток имеет частоту 50 Гц для двухполюсного двигателя, и передача может иметь передаточное отношение 2,5:1, - это значит, что компрессор имеет скорость 7500 об/мин. Если расположенный на поверхности источник питания имеет ППС, частота может варьироваться, например, в диапазоне от 33 до 67 Гц. Перегородка 4' расположена между магнитной передачей 13 и прочным корпусом и внутри магнитной передачи (не показано) между высокоскоростной и низкоскоростной сторонами передачи.

Обратимся к ФИГ.4, показывающей, что имеется перегородка 4' с уплотнением вала между компрессором 2 в отсеке 8 и двигателем с магнитной передачей в отсеке 7. Сосуд высокого давления или резервуар 17 включает азотный баллон высокого давления, например, с давлением зарядки 400 бар, и азот подается с малым, но достаточным расходом в отсек двигателя-передачи для поддержания его газовой среды безопасной в отношении проникновения вредных компонентов перекачиваемого газа, который, в принципе, будет вытесняться из отсека двигателя-передачи потоком азота из отсека двигателя в компрессор. Некоторое проникновение загрязнений из перекачиваемого газа может иногда случаться, но эти компоненты будет разбавлены до безвредного уровня благодаря непрерывной подаче азота. Альтернативно, азот может подаваться по составной трубе.

Если используется показанная на ФИГ.4 схема с подачей азота из сосуда высокого давления, регулировка расхода клапаном 18 может управляться с помощью замера давления в резервуаре 17. Падение давления - это достаточно точная мера расхода из резервуара, так как температура газового объема в резервуаре близка к постоянной, т.е. к температуре морской воды, которая на глубине близка к постоянной круглый год.

В качестве альтернативы установлению малого расхода азота через клапан на основе расчетов и опыта поддержания безвредной азотной среды в отсеке 7, клапан может управляться с помощью установки в азотной среде датчиков, измеряющих концентрацию загрязнений в азоте; например, общей концентрации углеводородов, отдельных углеводородов (например, молекул тяжелого углеводорода) водяных паров, паров H₂S, СО₂, газа, богатого метаном, или других вредных компонентов, которые указывают степень загрязнения газовой среды. В этом случае клапан 18 может на основе этих замеров регулировать подачу азота, поддерживая степень загрязнения ниже уровня повреждения. Этот уровень может быть определен на основе опыта и знания допустимых пределов различных загрязнений для материалов в отсеке 7. Управление клапаном 18 может осуществляться непрерывно или периодически.

На ФИГ.5 показан компрессор, в котором часть магнитной передачи со стороны высокоскоростного двигателя герметично отделена от части магнитной передачи со стороны низкоскоростного двигателя перегородкой или диафрагмой, называемой также экраном. Таким образом, двигатель с его частью передачи и магнитными подшипниками (отсек 7) герметично отделен от компрессора с высокоскоростной частью передачи и магнитными подшипниками (отсек 8). Чтобы необходимая прочность экрана оставалась в разумных пределах, требуется какая-то балансировка давления газовой среды отсека 7 двигателя-передачи относительно давления всасывания компрессора в отсеке 8. На ФИГ.5 балансировка давления осуществляется посредством подачи азота из резервуара 17 (или, альтернативно, по составной трубе) по нагнетательной трубе 20 с помощью регулятора давления/объема, РДО, хорошо известного и испытанного прибора. Нагнетательная труба соединена с отсеком компрессора, и РДО будет путем непрерывного сравнения поддерживать давление газовой среды двигателя-передачи близким к давлению всасывания компрессора. Балансировка давления может также осуществляться с помощью клапанов регулировки давления 18 и 18' и датчика или датчиков давления, которые определяют перепад давлений между отсеком двигателя-передачи и давлением всасывания компрессора.

На ФИГ.6 показана балансировка давления с использованием двух регулирующих клапанов, управляемых на основе замера разницы давлений между отсеками 7 и 8. Азот подается через регулирующий клапан 18, тогда как избыточное давление в отсеке 7 относительно давления всасывания компрессора сбрасывается через регулирующий клапан 18'.

На ФИГ.7 представлены следующие типы магнитных передач: цилиндрическая (параллельная, радиальная), планетарная и циклоидная.

На ФИГ.8 представлен предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором статор 21 расположен в отсеке 22 статора, отделенном перегородкой 16 от отсека 28 ротора, причем отсек ротора включает компрессор 2 или насос, сидящий непосредственно на валу ротора или соединенный с ротором 23. Предпочтительно, чтобы рабочее колесо насоса или компрессора или того и другого сидело непосредственно на валу ротора. Предпочтительно, чтобы перегородка 16 уплотняла отсек статора, герметично отделяя его от отсека ротора. Перегородка предпочтительно включает постоянные магниты 24, электромагниты, или те и другие, расположенные между сторонами передачи с целью усиления магнитного сцепления для установленного или управляемого передаточного числа. Регулировка передаточного числа может осуществляться с помощью опционных управляющих электромагнитов в перегородке, при этом ротор может выводиться, в зависимости от полного сопротивления статора, с использованием алгоритма или справочной таблицы. Вал ротора может предпочтительно включать подшипники на обоих концах, а также, если требуется, на валу между ротором и рабочими колесами.

На ФИГ.9 представлена предпочтительная подводная турбомашина, или турбомашина общего назначения, или усилитель давления согласно настоящему изобретению, в котором магнитная передача представляет собой радиальную магнитную передачу с перегородкой 16, расположенной между внутренней частью 25 и наружной частью 26 передачи. Увеличение длины передачи позволяет повысить магнитное сцепление и увеличить мощность передачи, что предпочтительно, но может потребовать дополнительных подшипников на редукторном конце вала. Перегородка включает постоянные магниты 24, или электромагниты, или те и другие в перегородке между низкоскоростной и высокоскоростной сторонами передачи. Количество постоянных магнитов и/или электромагнитов связано с передаточным числом; предпочтительно количество элементов ротора и количество постоянных магнитов или электромагнитов в разы больше или меньше количества элементов статора, кратность или дробность этого отношения связана с передаточным числом. Передаточное число может управляться включением или невключением электромагнитов в перегородке, причем упомянутые электромагниты предпочтительно электрически соединены с источником питания статора или стороной источника питания статора, избегая всяких токосъемных контактных колец или других вращающихся электрических соединений. На этой ФИГ. более подробно показана магнитная передача, перегородка 16 с постоянными магнитами 24 или аналогичными элементами и общий прочный корпус 3, в то время как двигатель со статором 21 и ротором 23 и компрессор 2 для ясности изображения показаны не в масштабе и без деталей. Подшипники и некоторые другие особенности для ясности изображения не представлены или только указаны, чтобы яснее показать, как может быть сконфигурирована и расположена муфта магнитной передачи. В радиальной передаче изображенного типа выбор конструктора определяет, какая сторона будет внутренней частью и какая наружной - или более быстрой и более медленной, однако во многих вариантах более быстрой стороной должна быть внутренняя часть, поскольку это в большинстве случаев приводит к более низкому уровню напряжений.

Вот некоторые преимущества настоящего изобретения.

Бесконтактные элементы - нет трения между элементами. Благодаря многополюсному взаимодействию передается высокий крутящий момент.

Использование максимального крутящего момента. Входной и выходной валы могут быть изолированы друг от друга. Увеличенный температурный диапазон, нет уплотнений из эластомера. Конструктивно заложенная защита от перегрузки. Увеличенный допуск на несоосность.

Различные опции осуществления переключения передаточного числа, различные механические и различные электронные опции.

Могут быть исключены система и подача жидкой смазки. Усилители давления или турбомашины согласно настоящему изобретению могут включать любые особенности, описанные или представленные в настоящем документе, в любых функциональных комбинациях, причем каждая такая комбинация представляет собой вариант осуществления настоящего изобретения. Настоящее изобретение также предусматривает использование турбомашины и усилителя давления согласно настоящему изобретению для увеличения давления текучих сред под водой и на верхних строениях платформ, в частности для подводного увеличения давления газа и нефти.

Подводная турбомашина включает электрический двигатель и компрессор или насос, приводимый от электрического двигателя, вход и выход текучей среды. Турбомашина включает корпус, общий для электрического двигателя или статора и компрессора, насоса или ротора; магнитную передачу внутри корпуса для оперативного соединения двигателя или статора и компрессора, насоса или ротора; по меньшей мере один вал с подшипниками в виде одного вала для двигателя и одного вала для насоса или компрессора или только один вал для ротора и насоса или компрессора и перегородку внутри корпуса, расположенную так, чтобы герметично отделять отсек двигателя или статора от отсека компрессора, насоса или ротора. Наружное колесо магнитной передачи соединено с валом двигателя или является статором, а внутреннее колесо магнитной передачи соединено с валом компрессора или насоса или является ротором, или наоборот. Каждый вал подвешен посредством радиальных подшипников и по меньшей мере одного упорного подшипника. Турбомашина также содержит систему балансировки давления, включающую в себя два регулирующих клапана, управляемых на основе замера разницы давлений между указанными отсеками. Изобретение направлено на повышение надежности турбомашины за счет повышения защиты герметичной перегородки. 15 з.п. ф-лы, 9 ил., 2 табл.

1. Подводная турбомашина для увеличения давления в потоке текучей среды из подводных нефтяных эксплуатационных скважин или систем, причем эта турбомашина включает электрический двигатель и компрессор или насос, приводимый от электрического двигателя, вход текучей среды и выход текучей среды, при этом турбомашина также включает:

корпус, общий для электрического двигателя или статора и компрессора, насоса или ротора;

магнитную передачу внутри указанного общего корпуса для оперативного соединения двигателя или статора и компрессора, насоса или ротора;

по меньшей мере один вал с подшипниками в виде одного вала для двигателя и одного вала для насоса или компрессора или только один вал для ротора и насоса или компрессора, причем наружное колесо магнитной передачи соединено с валом двигателя или является статором, а внутреннее колесо магнитной передачи соединено с валом компрессора или насоса или является ротором, или наоборот, при этом каждый вал подвешен посредством радиальных подшипников и по меньшей мере одного упорного подшипника;

и перегородку внутри общего корпуса, расположенную так, чтобы герметично отделять отсек двигателя или статора от отсека компрессора, насоса или ротора,

при этом турбомашина также содержит систему балансировки давления, включающую в себя два регулирующих клапана, управляемых на основе замера разницы давлений между указанными отсеками.

2. Турбомашина по п. 1, отличающаяся тем, что включает средства балансирования давления.

3. Турбомашина по п. 1, отличающаяся тем, что передаточное отношение магнитной передачи равно 1:1.

4. Турбомашина по п. 1, отличающаяся тем, что включает планетарную магнитную передачу или внутреннюю циклоидную магнитную передачу, в которой внутреннее колесо передачи соединено с компрессором или насосом.

5. Турбомашина по п. 1, отличающаяся тем, что магнитная передача включает постоянные магниты.

6. Турбомашина по п. 1, отличающаяся тем, что магнитная передача включает электромагниты в низкоскоростной части, или в высокоскоростной части, или в той и другой частях передачи.

7. Турбомашина по п. 6, отличающаяся тем, что скорость вращения магнитного поля в низкоскоростной, или в высокоскоростной, или в той и другой частях передачи может управляться для изменения скорости компрессора вверх и вниз относительно скорости вала двигателя.

8. Турбомашина по п. 1, отличающаяся тем, что магнитная передача выполнена в виде коробки передач, обеспечивающей возможность изменять передаточное число ненагруженного усилителя давления с помощью телеуправляемого подводного аппарата или с помощью предназначенного для этой цели электрического двигателя, смонтированного в коробке передач или возле коробки передач.

9. Турбомашина по п. 1, отличающаяся тем, что включает, по меньшей мере, один ввод, подсоединенный для приема электрической энергии и сигналов для эксплуатации турбомашины.

10. Турбомашина по п. 1, отличающаяся тем, что включает валы с магнитными подшипниками, один вал для двигателя и один вал для турбомашины, причем наружное колесо магнитной передачи соединено с валом двигателя, а внутреннее колесо магнитной передачи соединено с валом компрессора или насоса, или наоборот, при этом каждый вал подвешен в двух радиальных магнитных подшипниках, по одному на каждом конце или возле конца вала и одном упорном магнитном подшипнике, а с подшипниками каждого вала оперативно соединена система управления по 5 осям.

11. Турбомашина по п. 1, отличающаяся тем, что отсек двигателя заполнен жидкостью.

12. Турбомашина по п. 1, отличающаяся тем, что в отсек (7) двигателя-магнитной передачи подается азот, который образует основной компонент газовой среды указанного отсека, причем внутреннее давление отсека предпочтительно сбалансировано с давлением всасывания компрессора с помощью регулятора давления/объема или давление отсека сбалансировано с давлением всасывания компрессора через регулирующие клапаны (18 и 18') на основе управляемого замера разницы давлений между всасывающей частью компрессора и газовой средой отсека (7).

13. Турбомашина по п. 12, отличающаяся тем, что подача азота через клапан (18) в газовую среду отсека (7) управляется на основе замера загрязнений газовой среды, причем подача регулируется так, чтобы уровень загрязнений поддерживался ниже уровня повреждения; или расход подачи азота из резервуара (17) в отсек (7) двигателя-магнитной передачи управляется с помощью регулирующего клапана (18) соответственно падению давления в резервуаре, определяемого замером давления в резервуаре.

14. Турбомашина по одному из пп. 1-13, отличающаяся тем, что магнитная передача представляет собой радиальную магнитную передачу с перегородкой, расположенной между внутренней и наружной частями передачи.

15. Турбомашина по одному из пп. 1-13, отличающаяся тем, что магнитная передача представляет собой циклоидную магнитную передачу или любую радиальную магнитную передачу с перегородкой, расположенной между внутренней и наружной частями передачи.

16. Турбомашина по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что включает отсек статора и отсек ротора, причем отсек ротора включает компрессор или насос, расположенный непосредственно на роторе или соединенный с ротором.