УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к электромашиностроению и может быть использована в установках погружных электронасосов для добычи нефти.
Известно устройство для гидравлической защиты погружного электродвигателя, содержащее закрепленную на валу пяту, выполненную в виде стального корпуса, имеющего керамическую или твердосплавную вставку, и жестко закрепленный в корпусе гидрозащиты подпятник, выполненный в виде керамического или твердосплавного кольца (см. Патент РФ №46056, МПК 7 F04D 13/00, опубл. 10.06.2005 г.).
В такой конструкции допускаемая удельная нагрузка на антифрикционные вставки, изготовленные из керамики и твердосплавных материалов, имеющих повышенную твердость по сравнению с металлическими, позволяет использовать их в конструкциях гидрозащит с осевой опорой повышенной грузоподъемности. Однако хрупкость изделий из керамики и твердого сплава предъявляет повышенные требования к точности изготовления элементов опоры, точности взаимного расположения трущихся поверхностей и прилеганию трущихся поверхностей пяты и подпятника.
Недостатком данной конструкции является то, что конструкция и технология изготовления деталей, входящих в опорный узел, не может обеспечивать параллельность сопрягающихся при работе гидрозащиты керамических или твердосплавных торцевых поверхностей пяты и подпятника. В случае неполного прилегания друг к другу резко возрастает удельное давление в зоне их непосредственного контакта, что приводит к усиленному изнашиванию трущихся поверхностей, повышенным вибрациям, увеличению крутящего момента, разогреву деталей и масла в зоне узла трения и гидрозащиты в целом, а иногда и к разрушению керамических и твердосплавных вкладышей пяты или(и) подпятника. Все это отрицательно сказывается на работоспособности изделия. При увеличении осевой нагрузки растет температура трущихся поверхностей, соответственно, растет температура масла в этой зоне. Достигнув определенного значения осевой силы возможен перегрев масла или пяты и подпятника, что может привести к аварийной ситуации гидрозащиты. При повышенных оборотах вращения вала увеличивается вероятность разрушения керамических и твердосплавных элементов узла осевой опоры, подпятника или пяты, керамических и твердосплавных втулок радиальных подшипников. Использование керамических и твердосплавных элементов в осевых и в радиальных подшипниках требует особо бережного отношения к ним при транспортировке, монтаже их в устройство гидравлической защиты в заводских условиях и ремонте гидравлической защиты в условиях сервисных компаний. Дефекты керамических и твердосплавных элементов узла осевой опоры, подпятника или пяты, керамических и твердосплавных втулок радиальных подшипников, возникшие при сборке могут быть не выявлены после окончательной сборки гидравлической защиты вследствие невозможности визуального осмотра. Это снижает надежность гидравлической защиты, соответственно и насосной установки в целом. Испытания такой гидравлической защиты не выявят указанного дефекта в связи с непродолжительностью проведения их. Указанные дефекты могут проявиться в процессе эксплуатации насосной установки в скважине, что приведет к снижению межремонтного периода, к снижению эффективности добычи нефти. Процесс разрушения происходит интенсивно даже при весьма малых величинах наружных или внутренних дефектов керамических и твердосплавных элементов опор, износа их трущихся поверхностей. Подшипники с керамическими и особенно с твердосплавными вставками дороги в изготовлении из-за дороговизны исходных материалов и дороговизны способов их обработки при изготовлении.
Известна осевая опора протектора для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, содержащая закрепленную на валу стальную пяту и баббитовый подпятник, установленный в корпусе гидрозащиты. (патент №2199030, 27.03.2003 г. БИ №3))
Недостатком данной конструкции является то, что при больших осевых нагрузках, возникающих на валу погружного насоса из за нагрева пяты и разрушения антифрикционного слоя баббитового подпятника происходит увеличение крутящего момента и разогрев протектора в целом, изнашивание корпуса подпятника, выходу из строя гидравлической защиты и насосной установки в целом. Разрушение антифрикционного слоя баббитового подпятника и изнашивание корпуса подпятника происходит с образованием стружки, в том числе с мельчайшими частицами, способными проходить через специальные заградительные фильтры. Это приводит к снижению электроизоляционных свойств масла гидравлической защиты, и соответственно масла погружного электродвигателя насосной установки. Все эти недостатки приводят к снижению надежности гидрозащиты, погружного электродвигателя, и в итоге всей насосной установки, снижают срок их службы, снижают межремонтный период.
Технической задачей полезной модели является повышение надежности работы гидрозащиты, увеличение межремонтного периода и долговечности работы насосной установки, снижения себестоимости гидрозащиты путем создания конструкции устройства для гидравлической защиты погружного электродвигателя, работоспособной при повышенных осевых нагрузках и частотах вращения вала с обеспечением приемлемых температурных режимов в гидрозащите.
Данная техническая задача решается тем, что в устройстве для гидравлической защиты погружного электродвигателя, содержащем головку, корпусы, вал, радиальные подшипники, состоящие из защитной втулки вала и втулки подшипника, гидравлический насос, основание, теплообменник, размещенный в основании, узел осевой опоры, состоящий из подвижной, закрепленной на валу пяты, выполненной в виде стального диска с отверстиями, неподвижного верхнего подпятника из антифрикционного полимерного материала оксафен с радиальными каналами со стороны пяты с возможностью контакта по последнему, образуя пару трения, неподвижного нижнего подпятника, установленного в теплообменнике, при этом нижний подпятник изготовлен из антифрикционного полимерного материала, в частности, оксафена, и имеет радиальные каналы на контактируемой с пятой поверхности. Также нижний подпятник может быть установлен в теплообменнике на одном или нескольких упругих элементах, защитная втулка вала радиального подшипника может быть выполнена из стали, а втулка радиальных подшипников - из антифрикционного полимерного материала, в частности, оксафена.
Кроме того, в устройстве для гидравлической защиты погружного электродвигателя, содержащем головку, корпусы, вал, радиальные подшипники, состоящие из защитной втулки вала и втулки подшипника, гидравлический насос, основание, теплообменник, размещенный в основании, узел пяты, состоящий из подвижной, закрепленной на валу пяты, выполненной в виде стального диска с отверстиями, неподвижного верхнего подпятника из антифрикционного полимерного материала, в частности, оксафена, с радиальными каналами со стороны пяты, возможностью контакта по последнему, образуя пару трения, неподвижного нижнего подпятника с радиальными каналами на контактируемой с пятой поверхности, при этом нижний подпятник установлен в теплообменнике, выполнен в виде стального корпуса, у которого на контактирующем со стороны пяты торце установлена вставка из антифрикционного полимерного материала, в частности, оксафена, а поверхность другого торца выполнена сферической, а сопрягаемая с ней поверхность корпуса теплообменника выполнена конической. Также, защитная втулка вала радиального подшипника может быть выполнена из стали, а втулка подшипника - из антифрикционного полимерного материала, в частности, оксафена.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен продольный разрез заявляемого устройства для гидравлической защиты погружного электродвигателя.
На фиг.2 представлен элемент I фиг.1 - узел осевой опоры.
На фиг.3 представлен элемент I фиг.1 - узел осевой опоры с упругими элементами, на которых установлен нижний подпятник.
На фиг.4 представлен элемент I фиг.1 - узел осевой опоры со сферической поверхностью нижнего подпятника и сопрягаемой конусной поверхностью корпуса теплообменника.
Устройство для гидравлической защиты погружного электродвигателя, содержит головку 1, корпуса 2, 3, 4, вал 5, радиальные подшипники 6, гидравлический насос 7, основание 8, теплообменник 9, размещенный в основании 8, узел осевой опоры 10. Устройство может иметь одну или несколько последовательно соединенные между собой камеры 11 выравнивания давления внутри и снаружи погружного электродвигателя и устройства. Вал 5 вращается в подшипниках 6, установленных в головке 1, ниппелях 12, 13, 14, в основании 8. Радиальные подшипники 6 состоят из защитной втулки 15 вала 5 и втулки подшипника 16. Гидравлический насос 7 может быть выполнен в виде шнека скрепленного посредством шпонки с валом 5 с возможностью вращения относительно теплообменника 9. Узел осевой опоры 10 состоит из подвижной, закрепленной на валу 5 пяты 17, выполненной в виде стального диска 18 с отверстиями 24 и 25, неподвижного верхнего подпятника 19 с радиальными каналами 20 со стороны пяты 17 с возможностью контакта по последнему, образуя пару трения, неподвижного нижнего подпятника 21. Нижний подпятник 21 также имеет радиальные каналы 22 на контактируемой с пятой 17 поверхности 23. Стальной диск 18 имеет радиальные 24 и продольные 25 отверстия. Верхний 19 и нижний 21 подпятники выполнены из антифрикционного полимерного материала, в частности, оксафен. Нижний подпятник 21 может быть установлен в теплообменнике 9 на одном или нескольких упругих элементах 26, 27.
Кроме того, нижний подпятник может быть выполнен в виде стального корпуса 28. На контактирующем со стороны пяты торце 29 корпуса 28 установлена вставка 30 из антифрикционного полимерного материала, в частности, оксафен. Со стороны пяты 17 на поверхности вставки 30 нижнего подпятника выполнены радиальные каналы 31. Поверхность 32 противоположного торца нижнего подпятника выполнена сферической, а сопрягаемая с ней поверхность 33 корпуса теплообменника 9 выполнена конической. Контактирующие поверхности пяты и нижнего подпятника образуют пару трения. Два штифта 34 одним концом закреплены на торце теплообменника 9, а другим своим концом размещены в отверстиях, выполненных на торце корпуса 28 подпятника, фиксируя его от вращения относительно продольной оси теплообменника 9.
Диафрагменная камера, служащая для компенсации изменения давления масла в электродвигателе, образована закрепленной на опорах диафрагмой 11 и сообщается через отверстие в нижнем ниппеле 14 с полостью узла осевой опоры 10 и теплообменника 9. Лабиринтная камера, образованная верхним 12 и средним 13 ниппелями, защитной трубой 34, лабиринтной трубкой 35 и торцовым уплотнением 36 служит для защиты торцового уплотнения 37 диафрагменной камеры от прямого контакта с пластовой жидкостью. Для сброса избыточного давления масла и удаления газов из полости электродвигателя в среднем ниппеле 13 предусмотрена система перепускных клапанов 38.
В процессе работы электродвигателя вращающийся вал 5, посредством закрепленной на нем пяты 17, передает осевые нагрузки от насоса на нижний подпятник 21. Пята 17 изготовлена из стали, а подпятник изготовлен из антифрикционного полимерного материала, в частности, оксафен. Контактирующиеся поверхности пяты и нижнего подпятника образуют пару трения. При вращении пяты подпятник "прирабатывается", т.е. обретает форму контактирующей поверхности пяты. Для пластических материалов, таких как антифрикционный полимерный материал оксафен, характерно «залечивание» локального повреждения. Для повышения надежности и при повышенных осевых нагрузках за счет установки подпятника 21 в теплообменник 9 на упругие элементы 26, 27 обеспечится более равномерное распределение нагрузки на пяту и нижний подпятник и прилегание к друг другу трущихся торцовых поверхностей пяты 17 и нижнего подпятника 21 вследствие упругой деформации упругих элементов 26, 27. Это приведет к полному контакту этих сопрягающихся поверхностей трения. Гидравлический насос 7 в виде шнека обеспечивает при работе насосной установки отвод тепла из зоны узла осевой опоры за счет циркуляции масла вокруг теплообменника 9. Теплообменник 9 отводит тепло к корпусу 4 гидрозащиты, корпус передает тепло окружающей ей среде. Радиальные канавки 22 и 20 на нижнем 21 и на верхнем 19 подпятниках, постоянно пропуская через себя циркулирующее масло, и стальной диск 18 с имеющимися в нем отверстиями 24 и 25 способствуют эффективному охлаждению трущихся поверхностей пяты 17, нижнего 21 и верхнего 19 подпятников, соответственно и всего узла осевой опоры. В случае воздействия пяты 17 на верхний подпятник 19, что наиболее возможно для насосных установок с осевыми опорами в насосах при больших наклонах скважины в зоне насосной установки и горизонтальных скважин, контактирующиеся поверхности пяты и верхнего подпятника образуют пару трения. При вращении пяты 17 подпятник 19 "прирабатывается", т.е. обретает форму контактирующей поверхности пяты, происходит «залечивание» местных микронеровностей и локального повреждения. Этому способствуют высокая твердость и высокий класс чистоты (малая шероховатость) поверхностей пяты, контактирующихся при работе с поверхностями трения подпятников.
В случае, по п.4 формулы, при торцовом биении пяты 17, подпятник 28 за счет возможности смещения его сферической поверхности 32 относительно конической поверхности 33 теплообменника 9 обеспечит параллельность трущихся торцовых поверхностей пяты 17 и подпятника 28, что приведет к полному контакту сопрягающихся поверхностей трения. При вращении пяты 17 контактирующая с пятой поверхность вставки 30 подпятника "прирабатывается", т.е. обретает форму контактирующей поверхности самой пяты, происходит «залечивание» местных микронеровностей и локального повреждения. Это увеличивает надежность и долговечность работы узла осевой опоры.
Увеличение поверхности трения, по которой происходит контакт пары «пята - нижний подпятник» и «пята - верхний подпятник», приведет к снижению удельного давления на единицу площади и уменьшению вибраций, а охлаждение пяты посредством циркуляции масла вокруг теплообменника, подачи масла в радиальные каналы нижнего и верхнего подпятника, дополнительное охлаждение пяты за счет циркуляции масла через отверстия в стальном диске благоприятно сказывается на тепловом балансе узла осевой опоры и гидрозащиты, увеличит надежность и безотказность работы гидрозащиты при обычных и при повышенных осевых нагрузках на опору. Антифрикционные полимерные материалы, в частности, оксафен, обладают повышенными трибологическими свойствами для использования их в условиях и низких и высоких температур. Нижний и верхний подпятники, изготовленные из антифрикционных полимерных материалов, при транспортировке, эксплуатации не разрушаются, не подвержены растрескиванию при вибрационных нагрузках, не выделяют при работе электропроводящих частиц, способны работать при повышенных нагрузках в гидрозащитах в насосных установках без осевых опор в насосах.
Выполнение защитной втулки вала радиального подшипника из стали, а втулки радиальных подшипников из антифрикционного полимерного материала, в частности, оксафена, позволяет увеличить надежность и долговечность гидрозащиты, снизить его себестоимость, вследствие того, что при работе такой подшипник не выделяет электропроводящих частиц, стоек к вибрационным нагрузкам при повышенных нагрузках и частотах вращения вала, технологичен в изготовлении, работоспособен при высоких температурах пластовой жидкости.
Выполнение таким образом гидрозащиты позволяет повысить надежность работы гидрозащиты, увеличить межремонтный период и долговечность работы насосной установки, снизить себестоимость гидрозащиты, путем создания конструкции устройства для гидравлической защиты погружного электродвигателя работоспособной при повышенных осевых нагрузках и частотах вращения вала с обеспечением приемлемых температурных режимов в гидрозащите.