УСТАНОВКА ПОГРУЖНОГО НАСОСА С МАГНИТНОЙ МУФТОЙ
SUBMERSIBLE PUMPING PLANT WITH MAGNETIC COUPLING

Изобретение относится к насосостроению, в частности к погружным нефтедобывающим насосным установкам с приводом от герметичного погружного электродвигателя для перекачивания скважинной жидкости.
Известна установка погружного насоса, содержащая герметичный электродвигатель, магнитную муфту, и добывающий насос, причем внутренняя полость электродвигателя герметична и защищена от попадания внутрь пластовой жидкости, а крутящий момент от вала двигателя к валу насоса передается за счет взаимодействия между постоянными магнитами, закрепленными на ведущей и ведомой полумуфтах магнитной муфты, жестко связанных с валами двигателя и насоса, и разделенными защитным экраном (патент на ПМ №52124, опубл. 10.03.2006).
Накопление тепла в муфте при ее эксплуатации, обусловленное вязким трением в каналах между защитным экраном и полумуфтами, снижает надежность установки и является главным недостатком описанного аналога.
Наиболее близкой к заявляемой является установка погружного насоса, описанная в патенте US №6863124, Е21В 43/00, 166/64, опубл. 17.07.2003, имеющая в своем составе добывающий насос и погружной электродвигатель, связанные друг с другом посредством магнитной муфты, состоящей из ведущей и ведомой полумуфт с постоянными магнитами, прикрепленными к ротору двигателя и к ротору насоса соответственно, защитного экрана между ними, выполненного из немагнитного непроводящего материала, и промежуточной подшипниковой опоры, имеющей три промежуточных подшипника, концентричных друг другу и размещенных в одном и том же осевом положении. Поверхности сопряжения подшипников располагаются в узком зазоре между защитным экраном и магнитами. Зазор между ведущей полумуфтой и защитным экраном, изолирующий от окружающей среды внутреннюю полость двигателя, заполнен маслом двигателя. Зазор между защитным экраном и ведомой полумуфтой заполняется скважинной жидкостью во время работы установки.
При эксплуатации такой установки в магнитной муфте вследствие вязкого трения в слое жидкости между вращающейся и неподвижной стенками 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, 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, ведущий к ограничению срока службы и надежности всей установки, во втором накладывается ограничение по передаваемому крутящему моменту, что приводит к снижению производительности.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности охлаждения магнитов как ведущей, так и ведомой полумуфт.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке погружного насоса, содержащей двигатель и насос, соединенные магнитной муфтой, включающей ведущую и ведомую полумуфты с постоянными магнитами, каждая из которых (полумуфт) связана с валом двигателя и валом насоса соответственно, защитный экран между ними и промежуточную подшипниковую опору, согласно изобретению, она дополнительно снабжена устройством охлаждения магнитной муфты, в качестве которого применены теплообменники, один из которых установлен со стороны насоса, а другой - со стороны двигателя.
В частных вариантах исполнения в теплообменнике между корпусом и размещенной в нем изоляционной перегородкой имеется кольцевой зазор заданной высоты, в котором теплоотвод от нагретой жидкости будет осуществляться через корпус в окружающую среду (в скважинную жидкость). При этом на внутренней поверхности корпуса теплообменника, ограничивающей кольцевой зазор, могут быть выполнены насечки, увеличивающие поверхность контакта между горячим маслом и корпусом, либо спиралевидные каналы определенной длины, которые увеличивают время прохождения горячей жидкости по теплообменнику.
Применение устройства охлаждения магнитной муфты в виде теплообменников позволит избежать перегрева магнитов, вызванного выделением значительного количества тепла при вращении полумуфт в результате вязкого трения в жидкостях, заполняющих зазоры по разные стороны от защитного экрана. Устройство обеспечивает понижение температуры охлаждающих жидкостей за счет рассеивания тепла в скважинную жидкость через корпус теплообменников.
Ведущую полумуфту со стороны двигателя омывает масло, прокачиваемое по замкнутому контуру электродвигатель - теплообменник - муфта. Ведомая полумуфта охлаждается водой, прокачиваемой по замкнутому контуру муфта - теплообменник.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема заявляемой установки с магнитной муфтой и теплообменниками, на фиг. 2 - теплообменник ведомой полумуфты, на фиг. 3 - теплообменник ведущей полумуфты, на фиг. 4 и 5 представлены варианты внутренней поверхности корпуса теплообменника.
Установка погружного насоса (фиг. 1) содержит погружной электродвигатель 1 и добывающий насос 2 с входным модулем 3, соединенные друг с другом посредством магнитной муфты 4. Установка снабжена устройством охлаждения в виде теплообменника 5, расположенного ниже добывающего насоса 2, и теплообменника 6, установленного над электродвигателем 1.
Магнитная муфта 4 состоит из двух полумуфт с постоянными магнитами: ведомой полумуфты 7 (фиг. 2), насаженной на вал 8 насоса 2 и ведущей полумуфты 9, закрепленной на валу 10 электродвигателя 1 (фиг. 3), между которыми размещен защитный экран 11, корпуса 12 (фиг. 2, 3).
Теплообменник 5 гидравлически связан с ведомой полумуфтой 7 и содержит цилиндрический корпус 13, внутри которого с образованием кольцевого зазора размещена изоляционная перегородка 14 (фиг. 2). Теплообменник 5 снабжен насосной ступенью 15, установленной в верхней части, вращающейся на валу 8 и обеспечивающей прокачку жидкости по замкнутому контуру муфта 4 - теплообменник 5. Контур муфта 4 - теплообменник 5 включает в себя полость между валом 8 и изоляционной перегородкой 14 и полость внутри вала 8, которые соединены отверстием 16, а также зазор между ведомой полумуфтой 7 и защитным экраном 11 и полость между изоляционной перегородкой 14 и корпусом теплообменника 13, которые соединены отверстиями в стыковочном модуле 17.
Для создания напора при прокачке масла через теплообменник 6, связанный с ведущей полумуфтой 9, в нижней части электродвигателя 1 установлена вторая насосная ступень 15 (фиг. 3), насаженная на вал 10. Прокачка трансформаторного масла осуществляется по контуру муфта 4 - теплообменник 6 - двигатель 1, который состоит из зазора между ротором 18, вращающимся на валу 10, и статором 19 электродвигателя 1, полости теплообменника 6, зазора между ведущей полумуфтой 9 и корпусом магнитной муфты 12, зазора между ведущей полумуфтой 9 и защитным экраном 11, а также полости внутри вала 10.
Внутренняя поверхность корпуса теплообменника 13 может быть гладкой (фиг. 2, 3), с насечками (фиг. 4) или со спиралевидными канавками (фиг. 5).
Установка погружного насоса работает следующим образом.
При включении электродвигателя 1 связанная с валом 10 электродвигателя 1 ведущая полумуфта 9 приводится во вращение. Постоянные магниты, закрепленные на ведущей полумуфте 9, создают вращающееся магнитное поле, взаимодействующее с постоянными магнитами, расположенными в ведомой полумуфте 7. При этом ведомая полумуфта 7, связанная с валом 8 добывающего насоса 2, вовлекается во вращательное движение. Таким образом, осуществляется передача крутящего момента с ведущей полумуфты 9 на ведомую 7 без механического контакта между ними, в результате насос 2 приводится в действие и начинает качать скважинную жидкость.
Одновременно вал 8 также приводит во вращение насосную ступень 15, обеспечивающую прокачку жидкости по замкнутому контуру муфта 4 - теплообменник 5 (фиг. 2). Жидкость, заполняющая контур муфта 4 - теплообменник 5, выходит из насосной ступени 15, проходит между валом 8 и изоляционной перегородкой 14, попадает в отверстие 16 и движется внутри вала 8. Далее жидкость после выхода из вала 8 поворачивает и, поднимаясь вверх по зазору между ведомой полумуфтой 7 и защитным экраном 11, нагревается вследствие вязкого трения. Затем через отверстия в стыковочном модуле 17 жидкость попадает в полость между изоляционной перегородкой 14 и корпусом теплообменника 13, где происходит охлаждение жидкости за счет отдачи тепла в окружающую среду через корпус. Во избежание полного израсходования жидкости в теплообменнике 5 из-за утечек, предлагается периодически проводить ее пополнение с поверхности через трубку 20.
Вторая насосная ступень 15 в нижней части двигателя 1, насаженная на вал 10 и обеспечивающая прокачку масла по контуру муфта 4 - теплообменник 6 - двигатель 1, приводится во вращение одновременно при запуске двигателя 1. В теплообменник ведущей полумуфты 6 горячее масло попадает после нагревания в зазоре между ротором 18 и статором 19 погружного электродвигателя 1 (фиг. 3). Благодаря торцевым уплотнениям 21 масло через отверстия стыковочного модуля 17 оказывается в полости теплообменника, где происходит его охлаждение за счет передачи тепла в окружающую среду через корпус теплообменника 13. Наличие на внутренней поверхности корпуса теплообменника 13 насечек (фиг. 4) или спиралевидных канавок (фиг. 5) улучшает (интенсифицирует) теплообмен, в первом случае за счет увеличения поверхности контакта между горячим маслом и корпусом, во втором - из-за увеличения времени прохождения горячей жидкости по теплообменнику. Далее после теплообменника масло проходит вдоль ведущей полумуфты 9 и через внутреннюю полость вала 10 электродвигателя 1 возвращается обратно.
Таким образом, включение в состав установки погружного насоса теплообменников между электродвигателем и магнитной муфтой, а также между магнитной муфтой и насосом, позволяет добиться эффективного охлаждения магнитов и, как следствие, увеличить надежность всей установки.