ПОГРУЖНОЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

Техническое решение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для эксплуатации скважин погружными электрическими насосами.
Известен погружной электродвигатель (ПЭД) помещенный в охладительную емкость так, чтобы повышалась скорость добываемой жидкости между стенками указанной емкости и корпусом двигателя и тем самым увеличивалась интенсивность охлаждения погружного двигателя, описание патента №2136970 RU, МПК F 04 D 13/10, опубл. 09.10.1997 [1].
Недостатком указанного ПЭД является увеличение габаритных размеров насосной установки за счет применения охладительной емкости коаксиальной с корпусом ПЭД, которая затрудняет проведение спуско-подьемных операций при эксплуатации и легко может быть повреждена.
Известен ПЭД, для охлаждения которого используется приемная сетка-радиатор, соединенный одним концом с верхней, а другой с нижней частями внутренней полости ПЭД, в котором циркулирует жидкость, заполняющая полость ПЭД, авт. Св. СССР №311046, М. кл. F 04 D 7/06, 1971 [2].
Недостатком указанного ПЭД является низкая защищенность устройства от деформации и разгерметизации трубок радиатора при спуске насоса и прохождении криволинейных участков скважины.
Наиболее близким техническим решением является погружной электродвигатель, содержащий корпус, полость которого заполнена маслом, и в котором размещены статор с обмоточными пазами, заполненными обмотками и разделенными зубцами, ротор с полым валом, на котором
укреплены подшипники и шайба-турбинка с радиальными отверстиями, сообщающимися с полостью вала, см. Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти. Международный транслятор. Ред. В.Ю.Алексперов и др., М., 1999, 611 стр. [3]
Недостатком указанного ПЭД является недостаточная циркуляция масла в полости двигателя. Здесь, как и в других, применяемых в настоящее время отечественных и зарубежных погружных электродвигателях, масло, поступая снизу по продольному отверстию в валу, частично подается в радиальные отверстия вала для смазки радиальных подшипников и в радиальные отверстия шайбы-турбинки и оттуда поступает в зазор между статором и ротором и по зазору возвращается вниз к фильтру [3, стр.377]. Однако, указанный зазор невелик и его сечение частично перекрыто подшипниковыми втулками, что затрудняет циркуляцию жидкости в полости ПЭД.
В результате этого в верхней части ПЭД скапливается нагретое в результате работы электродвигателя масло и сильно повышается температура, что повышает термическую нагрузку на элементы конструкции ПЭД и снижает надежность изоляции обмотки. Кроме того, перегрев верхней части корпуса ПЭД приводит к образованию отложений солей карбоната кальция из добываемой жидкости на наружной поверхности ПЭД и приемной сетки насоса, что также сокращает срок службы насосной установки.
Решаемая предполагаемой полезной моделью задача сводится к выравниванию температуры масла в полости ПЭД, улучшению охлаждения электродвигателя, снижение за счет этого термонагруженности его верхних узлов и интенсивности отложения солей на поверхности ПЭД и, следовательно, продление срока службы насосной установки.
Поставленная задача решается тем, что в погружном электродвигателе насосной установки содержащем корпус, полость которого заполнена
маслом, и в котором размещены статор с обмоточными пазами, заполненными обмотками и разделенными зубцами, ротор с полым валом, на котором укреплены подшипники и шайба-турбинка с радиальными отверстиями, сообщающимися с полостью вала, дополнительно на наружной поверхности пакета статора выполнены продольные пазы, образующие с поверхностью корпуса проточные каналы, сообщающиеся с полостью корпуса, причем указанные продольные пазы выполнены на радиальных осях симметрии зубцов пакета статора.
Сечение продольных пазов имеет полукруглую, треугольную или треугольную с выпуклыми стенками форму и расположено симметрично относительно радиальной оси симметрии зубцов статора, а глубина продольных пазов выбрана такой, чтобы при работе электродвигателя не происходило насыщение металла статора магнитным потоком в области указанных пазов.
Глубина продольных пазов выбрана равной или меньшей минимальной ширины зуба статора.
На внутренней поверхности корпуса выполнены продольные пазы, совпадающие с продольными пазами на поверхности статора.
Благодаря выполнению продольных пазов на наружной поверхности статора и полученным тем самым проточным каналам, сообщающимися с верхней и нижней областями полости ПЭД, улучшается циркуляция масла. Температура масла по длине ПЭД выравнивается и, следовательно, снижается температура в верхней, наиболее термонагруженной области. Нагретое масло в проточных каналах отделено от добываемой жидкости только стенкой корпуса ПЭД, что улучшает условия теплопередачи, т.е. охлаждения двигателя. Это улучшает условия работы обмотки электродвигателя и повышает его надежность. Кроме того, снижается температура поверхности верхней части корпуса ПЭД и, следовательно,
снижается интенсивность отложения солей на поверхностях ПЭД и приемной сетки насоса.
Размещение продольных пазов на радиальных осях симметрии зубцов статора двигателя, а также выбор сечения продольных пазов в виде полукруглой, треугольной или треугольной с выпуклыми стенками формы и выбор глубины продольных пазов такой, чтобы не происходило насыщение магнитным потоком металла статора в области продольных пазов, в частности, выбор глубины продольных пазов, не превышающей минимальной ширины зубца статора, обеспечивает сохранение сечения металла пакета статора, достаточного для прохождения магнитного потока, создаваемого обмотками электродвигателя, т.е. сохранение технических параметров ПЭД.
Выполнение на внутренней поверхности корпуса ПЭД продольных пазов, совпадающих с продольными пазами на поверхности статора дополнительно увеличивает поперечное сечение проточных каналов и улучшает условия циркуляции масла в полости ПЭД, что улучшает охлаждение двигателя.
В совокупности это позволяет выровнять температуру масла в полости ПЭД, улучшить охлаждение двигателя добываемой жидкостью, снизить как термонагруженность верхних узлов двигателя, так и интенсивность отложения солей на поверхности ПЭД, а следовательно, продлить срок службы насосной установки.
На фиг.1 схематично изображен разрез ПЭД. На фиг.2 представлено сечение А-А. На фиг.3 показан фрагмент сечения статора с различными вариантами формы сечения продольных пазов на наружной поверхности статора.
На фигурах:
1 - корпус;
2 -статор;
3 - обмотка;
4 - ротор;
5 - полый вал;
6 - шайба-турбинка;
7 - проточные каналы;
8 - продольный паз на наружной стенке статора;
9 - зубец статора;
10 - продольный паз на внутренней стенке корпуса;
m
Ф - силовые линии магнитного потока;
Z
b - ширина зубца статора;
П
b - глубина продольного паза на наружной стенке статора.
ПЭД содержит корпус 1, заполненный маслом и в котором размещен статор 2, который набран из активных пакетов пластин статорного железа и немагнитных пакетов. На торцах статора могут помещаться изоляционные шайбы. В статоре имеются обмоточные пазы, заполненные обмоткой 3 и разделенные зубцами 9. На наружной поверхности статора 2 выполнены продольные пазы 8 таким образом, чтобы ось симметрии сечения паза 8 совпадала с осью симметрии зубца 9. На внутренней поверхности корпуса 1 выполнены продольные пазы 10, количество которых равно количеству пазов 8. Статор запрессован в корпус 1 так, чтобы пазы 8 и 10 совпадали и между статором и корпусом образовались проточные каналы 7. Внутри статора 2 размещен ротор 4 с полым валом 5, на котором размещены подшипники и шайба-турбинка 6. В местах расположения подшипников вал 5 имеет радиальные отверстия, сообщающиеся с полостью вала.
Шайба-турбинка 6 закреплена на верхнем конце вала 5 и имеет радиальные отверстия, которые также сообщаются с полостью вала 5.
м
ПЭД работает следующим образом. При подаче питания на обмотку 3 в стали, составляющей статор, по заданному закону формируется синусоидальное вращающееся магнитное поле, которое в каждой точке металла статора характеризуется мгновенными значениями магнитного потока Ф и магнитной индукции В, связанными соотношением:
где S - площадь сечения металла статора, поперечного движению магнитного потока.
Часть магнитного потока проходит через зубцы 9 статора и воздействуют на ротор 4, заставляя его вращаться совместно с валом 5, как это происходит в любом асинхронном электродвигателе. Одновременно с этим происходит выделение тепла от работающих обмоток и нагрев элементов конструкции двигателя, особенно в его верхней области. При вращении вала 5 масло, находящееся в его полости, прокачивается центробежной силой через радиальные отверстия в валу и радиальные отверстия в шайбе-турбинке 6. За счет этого осуществляется подача масла из нижней полости ПЭД к подшипникам и в верхнюю область полости двигателя. Подаваемое масло омывает элементы конструкции ПЭД в верхней полости, которые наиболее нагреваются в работе ПЭД, и охлаждает указанные элементы. Нагретое в результате этого масло поступает в проточные каналы 7 и далее в нижнюю область двигателя, как показано стрелками на фиг.1. При этом происходит теплоотдача от нагретого масла через стенки корпуса 1 в добываемую жидкость, которая омывает наружную поверхность ПЭД. Тем самым масло охлаждается, охлажденное масло вновь поступает снизу в полость вала 5 и цикл повторяется.
Образование проточных каналов 7 за счет выполнения пазов 8 на наружной поверхности пакета статора 2 становится возможным без
ухудшения технических характеристик двигателя, если учесть характер распределения магнитного потока в металле статора, см. фиг.3. В соответствии с принципом работы электродвигателя, часть магнитного потока ответвляется в зубцы 9. Кроме того, магнитные силовые линии (на фиг.3 показаны стрелками) частично могут проходить через металл в верхней по фигуре области зубца 9. В результате этого площадь сечения металла статора, совпадающего с радиальной осью симметрии зубца 9, в известных электродвигателях является наибольшей для прохождения магнитного потока по сравнению с другими областями, через сечения которых движется магнитный поток. В соответствии с (1), это снижает величину магнитной индукции В и делает часть металла в данном сечении излишней. С другой стороны, это позволяет без ущерба для технических характеристик электродвигателя уменьшить площадь указанного сечения за счет вырезов, формирующих продольные пазы 8 на наружной поверхности статора 2, и этим образовать проточные каналы 7 для улучшения циркуляции масла в полости ПЭД. Глубина продольных пазов 8 ограничивается условием недопустимости насыщения или перенасыщения металла статора магнитным потоком в области расположения указанных пазов. Указанная величина насыщения определяется величиной магнитной индукции В (1), создаваемой обмотками, и магнитными характеристиками материала статора. Обычно выбирают В<1,8 Тл [4].
Повышение интенсивности циркуляции масла в полости ПЭД приводит к выравниванию температуры по длине двигателя, охлаждает наиболее термонагруженные элементы и улучшает охлаждение двигателя в целом. Это позволяет продлить срок службы ПЭД и насосной установки в целом и снижает интенсивность отложения солей на поверхности ПЭД.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Описание патента №2136970 RU, МПК F 04 D 13/10, опубл. 09.10.1997.
2. Описание к авторскому свидетельству СССР №311046, М. кл. F 04 D 7/06, 1971.
3. Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти. Международный транслятор. Ред. В.Ю.Алексперов и др., М.,1999, 611 с.
3. Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти. М., Недра, 1968, 271 с.
4. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М., Энергия, 1980, 927 с.