ВАЛ РОТОРА ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Полезная модель относится к области нефтегазовому машиностроению, 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 уровня техники 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 проточные 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 (патент РФ № 183619 на полезную модель «Устройство погружного маслозаполненного электродвигателя», дата подачи 04.08.2017 г., опубликовано 28.09.2018 г.).
Кроме того, известен 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 (патент № US2014167531 на изобретение «Motor assembly for fuel pump», дата приоритета 2013.05.10, дата публикации 2014.02.26).
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является 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 (патент РФ № 26611 на полезную модель «Погружной маслозаполненный электродвигатель», дата подачи 30.05.2002 г., опубликовано 10.12.2002 г.).
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.
Кроме того, эффективность таких двигателей снижается из-за увеличения силы трения в местах, в которые смазка не поступает. И наоборот, в местах, где идет скопление смазки и продуктов износа  от трущихся поверхностей, образуются застойные зоны, создающие препятствия для прохода смазки, что негативно влияет на надежность и эффективность работы двигателя и приводит к сокращению его срока службы.
Известные конструкции громоздки, т.к. в них использовано большое количество дополнительных, в том числе, соединительных и крепежных элементов, предусматривающих многочисленные взаимосвязи.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении технологичности устройства за счет упрощения конструкции.
Помимо этого, благодаря равномерному распределению смазки по всей поверхности вала ротора уменьшаются силы трения, что способствует повышению надежности двигателя, увеличению срока его эксплуатации.
При работе устройства снижаются вибрации, т.к. конструкция более сбалансирована.
Указанный технический результат достигается тем, что 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, согласно полезной модели  изготовлен из полнотелого прутка, на котором нарезаны продольные шпоночные пазы, размещенные друг от друга через 120° в поперечном сечении, при этом сквозные отверстия подвижных втулок  в месте сопряжения с валом совмещены с его продольными пазами и соразмерны им.
Полезная модель поясняется чертежами, где
Фиг. 1 – вал ротора погружного электродвигателя;
Фиг. 2 – разрез А-А на фиг. 1;
Фиг. 3 – разрез Б-Б на фиг. 3.
Конструкция погружного электродвигателя (ПЭД), как правило, включает следующие основные 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 предлагается конструкция вала 1 ротора (на чертеже не показан),  выполненного из сплошного (полнотелого) прутка, на внешней поверхности которого по всей его длине проходят три продольных шпоночных паза 2, равномерно расположенные на расстоянии 120° друг от друга в поперечном сечении. Пруток выполнен из конструкционных сталей. Использование сплошного прутка упрощает изготовление вала, повышает его технологичность, т.к нет необходимости выполнять внутренний осевой канал, проходящий по всей длине вала, а также множество мелких отверстий (диаметром примерно 3 мм), которые входят в систему циркуляции смазки внутри двигателя. В случае выполнения шпоночных пазов в количестве меньшем, чем три, конструкция будет несбалансирована, в результате повысится уровень вибрации, что негативно повлияет на эффективность работы вала, вращающегося на высоких оборотах до 6000 об/мин., и, следовательно, всего двигателя.
Помимо этого, недостаточное количество продольных пазов, по которым протекает масло, затруднит равномерное и эффективное охлаждение двигателя.
На валу установлены промежуточные подшипники 3 с подвижными втулками 4. В подвижных втулках выполнены сквозные отверстия, которые в месте сопряжения с валом совмещаются с его продольными пазами. Сквозные отверстия втулки соразмерны ширине продольных пазов.
На концах вала установлены опорные подшипники: верхний 5 и нижний 6.
Верхний опорный подшипник снабжен турбинками 7, с помощью которых нагнетается масло от масляного фильтра (на чертеже не показан).
Передача крутящего момента от пакетов ротора к валу осуществляется посредством продольной шпонки 8.
Устройство работает следующим образом.
При подключении электродвигателя к сети в обмотке статора возникает вращающееся магнитное поле, которое пересекает стержни ротора и наводит в них электродвижущуюся 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 энергии вращения вала ротора.
Циркуляция масла внутри двигателя осуществляется следующим образом: из полости масляного фильтра масло, проходя по всей длине вала ротора по продольным шпоночным пазам, поступает для смазки установленных на валу подшипников и попадает  в зазор между статором и ротором, а затем возвращается обратно к фильтру.
В отличие от известных решений, в которых используют вал ротора с осевым продольным каналом и множеством мелких отверстий, в заявляемом устройстве не образуются застойные зоны, где скапливаются масло и продукты износа трущихся поверхностей, а также отсутствуют зоны, в которые масло не поступает. Это связано с тем, что масло беспрепятственно и равномерно проходит по всей длине вала.
Пример конкретного выполнения.
Для погружного вентильного электродвигателя из полнотелого прутка Ø31,99-0,405 мм  изготовлен вал ротора длиной 7500 мм. Пруток произведен из конструкционной стали 38ХГМ по ГОСТ 4543-2016 «Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия».
На валу выполнены три продольных шпоночных паза шириной 3 мм и глубиной 1,5 мм.
В подвижных втулках подшипников выполнены сквозные отверстия диаметром 3 мм, соразмерные ширине пазов.
Были проведены приемо-сдаточные испытания с целью измерения температуры корпуса погружного вентильного электродвигателя. Измерения выполнены с помощью двухканального портативного цифрового измерителя температуры АТТ-2000, передающего данные в ПК. Также для сравнения были проведены измерения температуры электродвигателя, в котором установлен полый вал.
Полученные результаты измерений показали, что при использовании двигателя с полнотелым валом максимальная температура корпуса электродвигателя не превышает 124°С. Полученное значение температуры корпуса электродвигателя входит в диапазон значений, предусмотренный для корпуса погружного электродвигателя с полым валом ротора, а именно 115±15°С.
Предлагаемая к защите 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.