Электродвигатель погружной установки для добычи пластовой жидкости и способ его изготовления и сборки Российский патент 2024 года по МПК F04D13/00 H02K9/19 

Группа изобретений относится к области нефтегазового машиностроения, а именно к погружным маслозаполненным электродвигателям, и может быть использована в составе нефтепромыслового оборудования, предназначенного для бурения, добычи, нефти, газа, а также ремонта скважин.

Из патента RU 183619 известно устройство погружного электродвигателя насосной установки, содержащее статор, состоящий из корпуса и магнитопровода с зубцами пакета статора по числу N, в которых установлены обмотки, установленный на подшипниках ротор с полым валом и турбинкой с радиальными отверстиями для сообщения полости вала с полостью статора, на наружной поверхности магнитопровода на радиальных осях симметрии зубцов по числу N -1 выполнены продольные пазы, образующие с внутренней поверхностью корпуса прот очные каналы, сообщающиеся с полостью статора, при этом оно снабжено нагнетателем, состоящим из лопастного колеса, установленного на нижнем конце вала, и направляющего диска, двумя гильзами с каналами по числу N-1 на наружной поверхности и пазом на одной торцевой поверхности, двумя стопорными кольцами, установленными в концентрических канавках, выполненных в корпусе статора, шпонкой, на наружной поверхности магнитопровода на оси симметрии N -го зубца выполнен прямоугольный паз, при этом магнитопровод установлен между гильзами с каналами и стопорными кольцами, шпонка установлена в совмещенных прямоугольном пазу и пазах, выполненных в торцах гильз, продольные пазы магнитопровода совмещены с каналами гильз.

Кроме того, известен из патентной заявки US 2014167531 узел двигателя для топливного насоса, содержащий множество канавок, образованных на его внешней круговой поверхности в вертикальном продольном направлении, при этом сердечник ротора содержит множество сквозных отверстий, проникающих в сердечник ротора от верхней поверхности к нижней поверхности, чтобы образовать каналы потока, в которых движется топливо.

Известен из патента RU 26611 погружной маслозаполненный электродвигатель, содержащий систему смазки, статор и ротор, установленный на валу в радиальных и торцовом подшипниках скольжения, при этом система смазки включает компенсатор объемного расширения масла, соединенный с маслозаполненной полостью электродвигателя, и выполненные в валу осевой и радиальные каналы для подвода смазки к радиальным и торцевому подшипникам, при этом он снабжен маслонасосом, ротор которого установлен на валу электродвигателя, при этом нагнетательная сторона маслонасоса соединена каналами с осевым каналом для подвода смазки к подшипникам с выходом масла из подшипников в маслозаполненную полость электродвигателя и далее на вход маслонасоса, а в корпусе радиальных подшипников выполнены полости, сообщенные посредством дросселирующих канавок с выполненной на внутренней втулке подшипников кольцевой полостью или во внутренней втулке радиальных подшипников выполнены полости, сообщенные посредством дросселирующих канавок с выполненной в корпусе радиальных подшипников кольцевой полостью.

Недостатки известных решений обусловлены тем, что двигатели имеют низкую технологичность из-за использования в конструкции полого вала ротора, в котором также выполнено множество небольших радиальных отверстий диаметром 3 мм, обеспечивающих сообщение полости вала с полостью статора. С учетом того, что погружные электродвигатели имеют большую длину – до 12 м – при достаточно небольшом диаметре от 96 до 130 мм, который определяется внутренним диаметром эксплуатационной колонны, возникают значительные технологические трудности при выполнении продольного осевого канала внутри вала и упомянутых мелких сквозных отверстий.

Наиболее близким аналогом является электродвигатель , известный из патента RU 196512. Вал ротора погружного электродвигателя для добычи нефти, включающий подшипники с подвижными втулками, через которые вал связан с ротором, и установленные на его концах опорные подшипники, один из которых оснащен турбинкой, при этом подвижные втулки выполнены со сквозными отверстиями, причем изготовлен из полнотелого прутка, на котором нарезаны продольные шпоночные пазы, размещенные друг от друга через 120° в поперечном сече нии, при этом сквозные отверстия подвижных втулок в месте сопряжения с валом совмещены с его продольными пазами и соразмерны им.

К недостаткам можно отнести то, что подобная конструкция имеет дисбаланс, так как один из пазов заполнен шпонкой. Дисбаланс ротора приведет к повышению вибрации и сокращению ресурса установки, в ряде случаев, более технологично нарезать пазы одновременно и в деталях, которые установлены на валу, или только в деталях. Важно сделать не просто пазы, а сформировать каналы, по которым жидкость будет циркулировать между рабочим колесом деталями ротора, подшипниками для смазки и охлаждения. В конструкции отсутствует герметичность каналов, поэтому большая часть жидкости вытекает, не доходит до деталей, отдаленных от рабочего колеса.

Известен способ изготовления и сборки погружного маслонаполненного электродвигателя из патента RU, включающий установку на вал шпонки, опорных колец, пакета деталей ротора между опорными кольцами, установку ротора в корпус со статором, при этом отверстия, формирующие проточные каналы внутри вала совмещены со сквозными отверстиями в подвижных втулках подшипника. Подводной канал изготовлен внутри вала двигателя.

К недостаткам можно отнести то, что требуется длительное время на подготовку вала, так как изготовление центрального канала является трудоемким процессом. Необходимость изготовления в валу множества радиальных мелких отверстий, которые входят в систему циркуляции смазки внутри двигателя снижают технологичность изготовления повышают себестоимость.

Наиболее близким аналогом является способ изготовления и сборки погружного маслонаполненного электродвигателя по патенту RU 196512, включающий установку на вал шпонки, опорных колец, пакета деталей ротора между опорными кольцами, установку ротора в корпус со статором, при этом отверстия, формирующие проточные каналы снаружи вала совмещены со сквозными отверстиями в подвижных втулках подшипника.

К недостаткам следует отнести то, что шпонка устанавливается в один из пазов на валу, формирующий каналы для смазки и охлаждения двигателя. Это приводит к дисбалансу ротора, повышению вибрации и сокращению ресурса установки. В ряде случаев более технологично нарезать пазы одновременно на валу и в деталях, которые установлены на валу, или только в деталях. Детали не плотно прижаты друг другу, поэтому не сформированы каналы, по которым жидкость будет циркулировать между рабочим колесом деталями ротора, подшипниками для смазки и охлаждения. При отсутствии герметичности каналов большая часть жидкости будет вытекать и не дойдет до деталей, отдаленных от рабочего колеса.

Технической проблемой заявляемой группы изобретений является длительное время на подготовку вала, низкая технологичность и высокая себестоимость изготовления двигателя, дисбаланс ротора, сокращение ресурса установки, низкая герметичность сборки.

Техническим результатом является повышение технологичности устройства за счет упрощения конструкции, эффективности и надежности, за счет снижения дисбаланса ротора, снижение утечек в каналах для циркуляции масла, улучшение технологичности изготовления каналов в роторе.

Сущность изобретения.

Указанный технический результат достигается тем, что в маслонаполненном электродвигателе погружной установки для добычи пластовой жидкости, включающем статор, корпус, вал, изготовленный из полнотелого бруска со шпоночным пазом, установленные на валу: шпонку, рабочее колесо для циркуляции масла, подшипники, подвижные втулки которых имеют сквозные отверстия, детали ротора, опорные кольца, между валом и деталями ротора изготовлены подводные каналы подвода масла, соединяющие рабочее колесо и сквозные отверстия в подвижных втулках, подводные каналы подвода масла расположены друг относительно друга через угол равный отношению 360/n, где n - число каналов, шпоночный паз изготовлен между каналами подвода масла на расстоянии от ближайшего канала подвода масла большем ширины шпоночного паза.

В частном случае каналы подвода масла изготовлены в виде пазов на валу.

В частном случае каналы подвода масла изготовлены в виде пазов в деталях ротора, установленных на валу.

В частном случае каналы подвода масла изготовлены в виде пазов на валу и в деталях ротора, установленных на валу.

В частном случае глубина каналов подвода масла, по крайней мере, на 20% больше, чем радиус опорных колец.

В частном случае величина осевых и радиальных зазоров между деталями, формирующими проточную часть каналов подвода масла, составляет не более 30% от площади каналов подвода масла.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления и сборки маслонаполненного электродвигателя погружной установки для добычи пластовой жидкости, включающем установку на вал шпонки, опорных колец, пакета деталей ротора между опорными кольцами, установку ротора в корпус со статором, в дополнении к шпоночному пазу между валом и деталями, установленными на валу, изготовлены дополнительные пазы, формирующие канал ы подвода масла, на валу между опорными кольцами установлен компенсирующий элемент, размеры сопрягаемых деталей ротора имеют допуск, обеспечивающий величину осевых и радиальных зазоров между деталями, формирующими проточную часть каналов подвода масла, не более 30% от площади каналов подвода масла.

В частном случае компенсирующий элемент изготовлен в виде втулки.

Заявленный технический результат поясняется следующим образом.

Через подводные каналы осуществляется циркуляция масла для охлаждения и

смазки деталей двигателя.

Подводные каналы расположены друг относительно друга через угол равный отношению 360/n, где n - число каналов. Равномерное распределение каналов необходимо для балансировки ротора. В противном случае, при наличии дисбаланса будет повышенная вибрация, нагрузки на подшипники, снизится ресурс работы установки.

Шпоночный паз изготовлен между подводными каналами на расстоянии от ближайшего канала большем ширины шпоночного паза, при меньшем расстоянии, могут снизиться прочностные характеристики.

Различные варианты изготовления подводных каналов позволяют улучшить технологичность, снизить стоимость, увеличить площадь каналов.

Как показывают численные расчеты, если выполняется условие, что глубина подводных каналов, по крайней мере, на 20% больше, чем радиус опорных колец, то опорные кольца не могут помешать течению масла, одновременно не снижаются прочностные характеристики деталей.

Если величина осевых и радиальных зазоров между деталями, формирующими проточную часть подводных каналов, составляет не более 30% от площади каналов, утечки масла не имеют критического значения.

Компенсирующий элемент в виде втулки или сильфона устраняет зазоры между деталями, формирующими проточную часть подводных каналов, соответственно снижаются утечки.

Изобретение поясняется фигурами 1-5, на которых показаны:

Фиг. 1 – ротор погружного электродвигателя в разрезе;

Фиг. 2 – ротор электродвигателя с установленным сильфоном;

Фиг. 3 – каналы, изготовленные на валу;

Фиг. 4 – каналы, изготовленные в деталях ротора;

Фиг. 5 – каналы, изготовленные на валу и в деталях ротора.

На фигурах 1-5 позициями 1-14 обозначены:

1. Вал погружного двигателя.

2. Шпоночный паз.

3. Шпонка.

4. Подводные каналы в виде пазов на валу.

5. Детали ротора.

6. Подводные каналы в виде пазов в деталях ротора.

7. Подводные каналы в виде пазов, выполненных одновременно в деталях

ротора и на валу.

8. Рабочее колесо.

9. Подвижная втулка подшипника.

10. Подшипник.

11. Сквозные каналы в подвижных втулках.

12. Опорные кольца.

13. Компенсирующий элемент в виде втулки.

14. Компенсирующий элемент в виде сильфона.

Конструкция погружного электродвигателя (ПЭД) включает следующие элементы: статор, ротор, головку и основание.

Статор – неподвижная часть двигателя. Корпус выполнен в виде металлической (стальной) трубы с резьбой на концах, служащей для ответного взаимодействия с присоединяемыми головкой и основанием. Статор состоит из чередующихся между собой магнитных (активных) и немагнитных пакетов, которые запрессованы в корпус. Каждый пакет собирают из отдельных кольцевых пластин с образованием сквозных отверстий (пазов). Магнитные пакеты выполняют из электротехнической стали. При сборке пакетов статора образуются пазы, в которые укладывают изолированную обмотку, фазы которой соединяют в «звезду», а выводные концы - с выводными концами колодки кабельного ввода.

Внутри статора размещен ротор, также набранный из листов электротехнической стали, пакеты роторов, разделены между собой промежуточными подшипниками, последовательно надетыми на вал ротора. В пазы каждого пакета ротора вставляют медные стержни, которые спаиваются с медными кольцами, либо магниты. Пакеты ротора удерживаются на валу стопорными кольцами. Передача крутящего момента от пакетов ротора к валу осуществляется посредством продольной шпонки, которая укладывается в пазы вала и пакетов ротора.

Ротор погружного электродвигателя предназначен для привода центробежных, либо винтовых насосов, с частотой 80-6000 об/мин. Как правило, ротор выполнен из связанных между собой отдельных секций.

Головка электродвигателя вворачивается в верхнюю часть корпуса статора. В головке расположен узел опорного подшипника, который воспринимает осевые нагрузки от веса ротора и, узел токоввода, служащий для питания обмотки статора.

Узел опорного подшипника состоит из пяты, которая крепится на вал ротора и подпятника, установленного в головке. В пяте имеются отверстия, выполняющие функцию турбинки для создания циркуляции масла (смазки) во внутренней полости двигателя. Подпятник разделен на сегменты, между которыми в зону трения подается масло.

Узел токоввода содержит электроизоляционную колодку, внутри которой размещены масляный фильтр и нижний подшипник, при помощи которого центрируется нижняя часть вала ротора.

В основании электродвигателя установлены масляный фильтр и нижний опорный подшипник, выполняющий функцию центратора нижней части вала ротора.

Для защиты двигателя от проникновения в его полость пластовой жидкости, а также с целью охлаждения обмоток и смазывания подшипников, двигатель заполняется маслом. Циркуляция масла внутри двигателя осуществляется из полости масляного фильтра по отверстиям в валу, затем поступает для смазки подшипников, откуда попадает в зазор между статором и ротором и возвращается к фильтру.

Циркулирующее внутри двигателя масло передает тепло статору, а также через металл и корпус статора пластовой жидкости, омывающей двигатель. Для охлаждения электродвигателя необходимо непрерывное протекание пластовой жидкости по кольцевому зазору между корпусом электродвигателя и эксплуатационной колонны, причем, чем больше будет скорость прохождения пластовой жидкости, тем эффективнее будет осуществляться охлаждение ПЭД.

Для погружного электродвигателя конструкция вала 1 ротора выполнена из сплошного (полнотелого) прутка (бруска), на внешней поверхности которого изготовлен шпоночный паз 2 с установленной шпонкой 3.

На валу 1 изготовлены подводные каналы в виде пазов 4.

В вариантах конструктивного исполнения подводные каналы могут быть выполнены в деталях ротора 5 в виде пазов 6, изготовленных одновременно на валу 1 и в деталях ротора 5 в виде пазов 7.

Детали ротора 5, рабочее колесо 8, подвижные втулки 9 подшипников 10 со сквозными отверстиями (каналами) 11 установлены на валу 1 между опорными кольцами 12.

В верхней части пакета деталей ротора установлен компенсирующий элемент в виде втулки 13 или сильфона 14.

Устройство работает следующим образом.

При подключении электродвигателя к сети в обмотке статора возникает вращающееся магнитное поле, которое пересекает стержни ротора и наводит в них электродвижущую силу (ЭДС), либо взаимодействует с магнитами. В результате взаимодействия магнитного поля обмотки статора с током, протекающим в короткозамкнутых стержнях ротора, либо магнитами создается вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться. Направление вращения ротора совпадает с направлением вращения магнитного поля статора. Таким образом, электрическая энергия из сети, поступающая в обмотку статора, преобразуется в механическую энергию вращения вала ротора.

Циркуляция масла внутри двигателя осуществляется следующим образом. Рабочее колесо 8, заполненное маслом, вращается. За счет центробежных сил, колесо 8 сообщает жидкости энергию в виде давления, необходимую для протекания через узкие каналы 4 с определенным расходом.

Масло, проходя по продольным подводным каналам 4, поступает для смазки и охлаждения через радиальные отверстия 11 в подвижных втулках 9 к подшипникам 10, деталям ротора и статора, затем возвращается обратно к рабочему колесу 8.

Особенности изготовления и сборки заключаются в следующем. На поверхности вала 1 нарезается шпоночный паз 2 и пазы, формирующие подводные каналы 4. Между опорных колец 12 устанавливаются детали пакета ротора 5, рабочее колесо 8, подшипники 10 с подвижными втулками 11, компенсирующий элемент в виде втулки 13 или сильфона 14. За счет компенсирующего элемента устраняются или, по крайней мере, минимизируются осевые зазоры между деталями, формирующими проточную часть подводных каналов 4. За счет допусков сопрягаемых размеров минимизируются радиальные зазоры и в результате утечки масла.

Предлагаемая конструкция погружного электродвигателя может быть использована во всех типах погружных электродвигателей для добычи нефти, включая вентильные и асинхронные, входящие в состав оборудования для добычи нефти. При этом, конструкция технологична и эффективна.

Группа изобретений относится к области нефтегазового машиностроения, а именно к погружным маслозаполненным электродвигателям, и может быть использована в составе нефтепромыслового оборудования, предназначенного для бурения, добычи нефти, газа, а также ремонта скважин. Техническим результатом группы изобретений является повышение технологичности устройства за счет упрощения конструкции, эффективности и надежности, за счет снижения дисбаланса ротора, снижение утечек в каналах для циркуляции масла, улучшение технологичности изготовления каналов в роторе, которые можно изготавливать не только нарезая пазы на валу, но и в деталях ротора. Указанный технический результат достигается тем, что электродвигатель погружной установки для добычи пластовой жидкости включает статор, корпус, вал, изготовленный из полнотелого бруска со шпоночным пазом, установленные на валу: шпонку, рабочее колесо, подшипники, подвижные втулки которых имеют сквозные отверстия, детали ротора, опорные кольца, между валом и деталями ротора изготовлены подводные каналы, соединяющие рабочее колесо и сквозные отверстия в подвижных втулках, подводные каналы расположены относительно друг друга через угол, равный отношению 360/n, где n - число каналов, шпоночный паз изготовлен между подводными каналами на расстоянии от ближайшего канала большем ширины шпоночного паза. Способ изготовления и сборки электродвигателя погружной установки для добычи пластовой жидкости, включающий установку на вал шпонки, опорных колец, пакета деталей ротора между опорными кольцами, установку ротора в корпус со статором, в дополнении к шпоночному пазу между валом и деталями, установленными на нем, изготовлены дополнительные пазы, формирующие подводные каналы, на валу, между опорных колец, установлен компенсирующий элемент, размеры сопрягаемых деталей ротора имеют допуск, обеспечивающий величину осевых и радиальных зазоров между деталями, формирующими проточную часть каналов, не более 30% от площади каналов. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Маслонаполненный электродвигатель погружной установки для добычи пластовой жидкости, включающий статор, корпус, вал, изготовленный из полнотелого бруска со шпоночным пазом, установленные на валу: шпонку, рабочее колесо для циркуляции масла, подшипники, подвижные втулки которых имеют сквозные отверстия, детали ротора, опорные кольца, отличающийся тем, что между валом и деталями ротора изготовлены подводные каналы подвода масла, соединяющие рабочее колесо и сквозные отверстия в подвижных втулках, подводные каналы подвода масла расположены относительно друг друга через угол, равный отношению 360/n, где n - число каналов, шпоночный паз изготовлен между каналами подвода масла на расстоянии от ближайшего канала подвода масла большем ширины шпоночного паза.

2. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что каналы подвода масла изготовлены в виде пазов на валу.

3. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что каналы подвода масла изготовлены в виде пазов в деталях ротора, установленных на валу.

4. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что каналы подвода масла изготовлены в виде пазов на валу и в деталях ротора, установленных на валу.

5. Электродвигатель по п. 1 отличающийся тем, что глубина каналов подвода масла по крайней мере на 20% больше, чем радиус опорных колец.

6. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что величина осевых и радиальных зазоров между деталями, формирующими проточную часть каналов подвода масла, составляет не более 30% от площади каналов подвода масла.

7. Способ изготовления и сборки маслонаполненного электродвигателя погружной установки для добычи пластовой жидкости, включающий установку на вал шпонки, опорных колец, пакета деталей ротора между опорными кольцами, установку ротора в корпус со статором, отличающийся тем, что в дополнении к шпоночному пазу между валом и деталями, установленными на валу, изготовлены дополнительные пазы, формирующие каналы подвода масла, на валу между опорными кольцами установлен компенсирующий элемент, размеры сопрягаемых деталей ротора имеют допуск, обеспечивающий величину осевых и радиальных зазоров между деталями, формирующими проточную часть каналов подвода масла, не более 30% от площади каналов подвода масла.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что компенсирующий элемент изготовлен в виде втулки.

9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что компенсирующий элемент изготовлен в виде сильфона, который устанавливается в верхней части пакета деталей ротора.