Узел передачи крутящего момента для погружной установки (варианты) Российский патент 2019 года по МПК E21B43/00 H02K49/10 

Настоящее изобретение относится к устройствам передачи крутящего момента без механического контакта между ведущим и ведомым ротором, в частности, к узлам передачи крутящего момента с магнитной муфтой в погружных нефтедобывающих установках.

Известна конструкция магнитной муфты, описанная в патенте на полезную модель RU №106459, Н02K 5/12, опубл. 10.07.2011, состоящей из ведущей и ведомой полумуфт с постоянными магнитами, разделенных установленной на корпусе электродвигателя защитной оболочкой, ведущая полумуфта закреплена на рабочем конце вала ротора двигателя, а ведомая -на валу рабочего механизма. Для надежной передачи крутящего момента поверхности сопряжения ведущего и ведомого магнитов расположены максимально близко друг к другу, а защитная оболочка, изолирующая от окружающей среды внутреннюю полость двигателя и заполненная специальной жидкостью, расположена между ними внутри тонкого зазора.

При эксплуатации описанной магнитной муфты вследствие вязкого трения в слое жидкости вблизи вращающейся стенки происходит значительный нагрев, тем больший, чем выше вязкость жидкости и частота вращения вала. Отсутствие охлаждения вызывает рост температуры внутри устройства и потерю магнитных свойств постоянных магнитов при достижении температуры Кюри. Кроме того, отсутствие радиальных подшипников снижает надежность конструкции и накладывает ограничения на длину муфты и величину передаваемого крутящего момента. Указанные недостатки делают невозможным использование такой конструкции при повышенных частотах вращения вала.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является узел передачи крутящего момента для погружной установки, описанная в патенте US №6863124, Е21В 43/00, 166/64, опубл. 17.07.2003, включающий магнитную муфту, состоящую из ведущей и ведомой полумуфты с постоянными магнитами, прикрепленными к ротору двигателя и к ротору насоса соответственно, защитной оболочки, выполненной из немагнитного, непроводящего материала, между ними и промежуточной подшипниковой опоры, имеющей три промежуточных подшипника, концентричных друг другу, размещенных в одном и том же осевом положении. Поверхности сопряжения подшипников располагаются в узком зазоре между защитной оболочкой и магнитами.

Описанное расположение подшипников либо полностью перекрывает канал для потенциально возможной прокачки охлаждающей жидкости по зазору, либо подразумевает большую толщину зазора. В первом случае неизбежен перегрев муфты, во втором - ограничение по передаваемому крутящему моменту.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка надежной конструкции узла передачи крутящего момента с полностью герметичного, погружного электродвигателя на установку для добычи нефти, способной работать при высоких частотах вращения вала и высоких значениях крутящего момента на валу.

Указанный технический результат достигается тем, что в узле передачи крутящего момента для погружной установки, включающем магнитную муфту, состоящую из ведущей и ведомой полумуфт с постоянными магнитами, закрепленными на роторе двигателя и роторе насоса соответственно, защитной оболочки между ними и промежуточной подшипниковой опоры, согласно изобретению перед магнитной муфтой со стороны насоса дополнительно установлен сепаратор, обеспечивающий отбор и сепарацию скважинной жидкости и дальнейшую прокачку сепарированной маловязкой фракции по зазору между защитной оболочкой и ведомой полумуфтой для охлаждения магнитов, причем в ведомой полумуфте выполнено центральное отверстие, гидравлически связанное с вышеупомянутым зазором и возвращающее нагретую жидкость в скважину, кроме того, в ведущей и ведомой полумуфтах на уровне подшипниковой опоры выполнены выемки, формирующие расширение проточных каналов для циркуляции охлаждающей жидкости в муфте, в которые установлены радиальные подшипники с каналами для прохода охлаждающей жидкости. Вариант предпочтителен в тех случаях, когда скважинная жидкость представляет собой вязкую эмульсию вода-нефть.

В другом варианте исполнения узла передачи крутящего момента перед магнитной муфтой со стороны насоса вместо сепаратора установлен пакет насосных ступеней, обеспечивающий отбор необходимого количества скважинной жидкости и ее дальнейшую прокачку по зазору между защитной оболочкой и ведомой полумуфтой для охлаждения магнитов. Этот вариант предпочтителен в случае добычи маловязкой скважинной жидкости, при котором достаточное охлаждение муфты осуществляется без дополнительной сепарации добываемой жидкости.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства по варианту 1, на фиг. 2 - общий вид заявляемого устройства по варианту 2, на фиг 3 - радиальный подшипник с проточными каналами для магнитной муфты.

Узел передачи крутящего момента для погружной установки по первому варианту содержит магнитную муфту 1 и роторный сепаратор 2 вода-нефть, предназначенный для сепарации воды от скважинной жидкости (фиг. 1). В состав магнитной муфты входят ведущая полумуфта 3, связанная с валом электродвигателя, ведомая полумуфта 4, связанная с валом добывающего насоса, защитный экран 5 и постоянные магниты 6 установленные в полумуфтах 3, 4. Кольцевой зазор 7 между ведущей полумуфтой 3 и защитным экраном 5 заполнен маслом двигателя, а кольцевой зазор 8, образованный между защитным экраном 5 и ведомой полумуфтой 4, предназначен для прохождения охлаждающей жидкости, отбираемой из скважины во время эксплуатации. В ведомой полумуфте 4 выполнено центральное отверстие 9, гидравлически соединенное с зазором 8 нижним торцевым каналом 10, при этом зазор 8 связан с верхним торцевым каналом 11, обеспечивающим отвод охлаждающей ведомую полумуфту 4 жидкости обратно в скважину. С целью повышения надежности магнитной муфты 1 в ведущей полумуфте 3 на обеих цилиндрических сторонах и на внешней цилиндрической стороне ведомой 4 полумуфты выполнены выемки 12 с плавными углублениями 13 для установки радиальных подшипников 14 с проточными каналами 15 для свободного прохода охлаждающей жидкости (фиг. 3).

Изобретение по второму варианту отличается от первого отсутствием сепаратора вода-нефть 2, и наличием на его месте пакета насосных, например, центробежных, либо любых других ступеней 16 для отбора скважинной жидкости и прокачки ее по кольцевому зазору 8 между ведомой полумуфтой 4 и защитным экраном 5 магнитной муфты (фиг. 2).

Узел передачи крутящего момента для погружной установки работает следующим образом.

В момент спуска установки в скважину зазор 8, гидравлически связанный посредством каналов 10 и 9 с проточной частью роторного сепаратора в первом варианте исполнения или пакета насосных ступеней во втором варианте исполнения и входным модулем (не показано на фиг.), заполняется скважинной жидкостью. При включении электродвигателя приводится во вращение ведущая полумуфта 3, связанная с валом электродвигателя. Постоянные магниты 6, закрепленные на ведущей полумуфте 3, создают вращающееся магнитное поле, взаимодействующее с постоянными магнитами ведомой полумуфты 4. При этом ведомая полумуфта 4, связанная с валом роторного сепаратора 2 и установленного последовательно добывающего насоса, вовлекается во вращательное движение. Таким образом, осуществляется передача крутящего момента с ведущей полумуфты 3 на ведомую 4 без механического контакта между ними.

В процессе вращения полумуфт 3 и 4 в узких зазорах 7 и 8, заполненных маслом двигателя и скважинной жидкостью соответственно, в результате вязкого трения в жидкости выделяется значительное количество теплоты. Причем мощность тепловыделения тем больше, чем выше вязкость жидкости. Во избежание перегрева магнитов, необходимо обеспечить прокачку жидкости через муфту 1 и удалять лишнее тепло за ее пределы. Эту функцию выполняет сепаратор 2 вода-нефть в первом варианте изобретения, либо пакет насосных ступеней 16 во втором варианте.

В первом варианте исполнения при вращении ведомой полумуфты и связанного с ней вала роторного сепаратора 2 скважинная жидкость (заштрихованные стрелки) поступает внутрь сепаратора 2, где вовлекается в процесс сепарации с разделением фаз разной плотности - более плотной (воды) к периферии устройства и менее плотной (нефти) к оси вращения. Сепарированная вода (контурные стрелки) направляется в центральное отверстие 9 ведомой полумуфты 4 и далее через нижний торцевой канал 10 поступает в кольцевой зазор 8, нагревается при своем движении по зазору 8 в результате вязкого трения между вращающейся с высокой частотой стенкой ведомой полумуфты 4 и неподвижной стенкой защитного экрана 5 и, проходя через проточные каналы 15 в радиальных подшипниках 14, уходит в затруб через торцевой канал 11. Благодаря каналам 15 в подшипниках 14, установленных в выемках 12 с плавными углублениями 13 поток охлаждающей жидкости не испытывает сопротивления своему течению при движении по зазору 8 в месте установки радиальных подшипников 14. Наряду с этим радиальные подшипники 14, служащие опорой для ведущей 3 и ведомой 4 полумуфт, минимизируют вибрацию системы в целом, что также способствует повышению надежности работы муфты при увеличении частоты вращения вала. Таким образом, нагретый в зазоре 8 поток воды уносится за пределы магнитной муфты 1, замещаясь ненагретым. При этом устанавливается постоянная во времени температура магнитов, а также динамическая стабилизация системы, что обеспечивает надежную работу системы в целом.

Во втором варианте исполнения маловязкая скважинная жидкость (черные стрелки) не нуждается в сепарации и закачивается в центральное отверстие 9 ведомой полумуфты 4 магнитной муфты 1 с помощью пакета насосных ступеней 16.

Следует учесть, что при рассмотрении признаков приведенного изобретения, а также примеров его реализации, для специалиста станут очевидными другие конструктивные изменения и модификации. Например, жидкость со стороны насоса может поступать в кольцевой канал между защитным экраном и ведомой полумуфтой, а выходить через центральное отверстие внутри ведомой полумуфты. Также может быть изменено взаимное расположение ведущей и ведомой полумуфт магнитной муфты -ведущая полумуфта может быть выполнена внутренней, а ведомая -внешней. Все подобные изменения, не имеющие расхождения с сущностью настоящего изобретения, следует считать защищенными в рамках формулы изобретения.

Таким образом, использование заявляемой конструкции позволяет надежно передавать крутящий момент при высоких температурах за счет удаления нагретой жидкости за пределы муфты.

Группа изобретений относится к устройствам передачи крутящего момента без механического контакта между ведущим и ведомым ротором, в частности к узлам передачи крутящего момента с магнитной муфтой в погружных нефтедобывающих установках. Узел включает магнитную муфту, состоящую из ведущей и ведомой полумуфт с постоянными магнитами, закрепленными на роторе двигателя и роторе насоса соответственно, защитной оболочки между ними и промежуточной подшипниковой опоры. Перед магнитной муфтой со стороны насоса дополнительно установлен сепаратор, обеспечивающий отбор и сепарацию скважинной жидкости и дальнейшую прокачку сепарированной маловязкой фракции по зазору между защитной оболочкой и ведомой полумуфтой для охлаждения магнитов, причем в ведомой полумуфте выполнено центральное отверстие, гидравлически связанное с вышеупомянутым зазором и возвращающее нагретую жидкость в скважину. Во втором варианте, предназначенном для добычи маловязкой скважинной жидкости, перед магнитной муфтой со стороны насоса дополнительно установлен пакет насосных ступеней. Пакет ступеней обеспечивает отбор необходимого количества скважинной жидкости, ее дальнейшую прокачку по зазору между защитной оболочкой и ведомой полумуфтой для охлаждения магнитов и возврат нагретой жидкости в скважину. Изобретения позволяют надежно передавать крутящий момент при высоких температурах за счет удаления нагретой жидкости за пределы муфты. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Узел передачи крутящего момента для погружной установки, включающий магнитную муфту, состоящую из ведущей и ведомой полумуфт с постоянными магнитами, закрепленными на роторе двигателя и роторе насоса соответственно, защитной оболочки между ними и промежуточной подшипниковой опоры, отличающийся тем, что перед магнитной муфтой со стороны насоса дополнительно установлен сепаратор, обеспечивающий отбор и сепарацию скважинной жидкости и дальнейшую прокачку сепарированной маловязкой фракции по зазору между защитной оболочкой и ведомой полумуфтой для охлаждения магнитов, причем в ведомой полумуфте выполнено центральное отверстие, гидравлически связанное с вышеупомянутым зазором и возвращающее нагретую жидкость в скважину.

2. Узел передачи крутящего момента для погружной установки по п. 1, отличающийся тем, что в ведущей и ведомой полумуфтах на уровне подшипниковой опоры выполнены выемки, формирующие расширение проточных каналов для циркуляции охлаждающей жидкости в муфте, в которые установлены радиальные подшипники, снабженные каналами для прохода охлаждающей жидкости.

3. Узел передачи крутящего момента для погружной установки, включающий магнитную муфту, состоящую из ведущей и ведомой полумуфт с постоянными магнитами, закрепленными на роторе двигателя и роторе насоса соответственно, защитной оболочки между ними и промежуточной подшипниковой опоры, отличающийся тем, что перед магнитной муфтой со стороны насоса дополнительно установлен пакет насосных ступеней, обеспечивающий отбор необходимого количества скважинной жидкости, ее дальнейшую прокачку по зазору между защитной оболочкой и ведомой полумуфтой для охлаждения магнитов и возврат нагретой жидкости в скважину.

4. Узел передачи крутящего момента для погружной установки по п. 3, отличающийся тем, что в ведущей и ведомой полумуфтах на уровне подшипниковой опоры выполнены выемки, формирующие расширение проточных каналов для циркуляции охлаждающей жидкости в муфте, в которые установлены радиальные подшипники, снабженные каналами для прохода охлаждающей жидкости.