УЗЕЛ ПЯТЫ ПОГРУЖНОГО МАСЛОЗАПОЛНЕННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Заявляемая полезная модель относится к нетфтедобывающей технике, а именно к погружным высокооборотным электродвигателям (далее ПЭД) центробежных скважинных насосов, а именно к узлам осевых опор (пяты), размещаемых на валу в секции погружного электродвигателя.
Уровень техники
Известен узел пяты (патент RU 2219372, опубл. 2003) погружного маслозаполненного двигателя скважинного центробежного насоса содержащий корпус, осевую опору, включающую пяту, закрепленную на валу и неподвижный подпятник. Опорная пята осевой опоры закреплена на валу ротора двигателя. Для высокооборотных погружных двигателей, в указанной конструкции опоры, не обеспечивается эффективная разгрузка из-за значительного трения в зоне контакта рабочих поверхностей пяты и подпятника, что увеличивает вероятность разрушения узла пяты.
Ближайшим аналогом полезный модели является узел пяты (патент RU №51145, опубл. 2006) погружного маслозаполненного электродвигателя с вариантом шевронной конфигурации смазочных канавок на поверхности пяты. Узел выполнен с возможностью установки на валу, содержит подпятник и пяту кольцевой формы. На рабочей поверхности пяты сформированы шевронные канавки, выполненные с возможностью нагнетания в них жидкости при вращении пяты. Такое техническое решение обеспечивает смазку в частности, для поверхностных областей трибосопряжения (пята-подпятник), прилегающих соответственно и к внешнему и внутренним границам кольцевой пяты. Однако в таком техническом решении каждая шевронная канавка является сквозной (имеет открытые для протока жидкости концы как на внешней границе, так и на внутренней границе кольцевой пяты). Такое техническое решение позволяет обеспечить смазку вышеуказанных областей пяты, но одновременно не может обеспечить функционирование узла пяты в качестве торцевого уплотнения из-за наличия нежелательных перетоков жидкости по поверхности пяты, нарушающих герметичность.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей изобретения является создание долговечного узла пяты для использования в высокооборотном (больше 3000 об/мин) маслозаполненном погружном двигателе (с присоединенным снизу теплообменником), выполняющего роль эффективной осевой опоры вала электродвигателя (например, осевой опоры скольжения) и торцевого уплотнения (герметизирующего устройства, относящиеся к контактному типу уплотнений с парой трения поверхностей двух деталей). Узел пяты должен содействовать эффективной циркуляции охлаждающей жидкости (диэлектрического масла) по маслопроводам между теплообменником и маслозаполненным электродвигателем. Узел пяты (как осевая опора скольжения с трибосопряжением пята-подпятник) должен надежно функционировать, в частности, в устройстве - погружном маслозаполненном двигателе с теплообменником с принудительной циркуляцией смазочной жидкостью. Такие устройства могут содержать насосные элементы для циркуляции масла, которые обычно установлены в качестве отдельного элемента на валу. Благодаря использованию узла пяты (который размещается на конце вала (ротора) электродвигателя) должна повышаться эффективность работы циркуляционного контура погружного электродвигателя (качество охлаждения и ресурс в целом) и, в целом, надежность работы электродвигателя в условиях повышенных нагрузок.
Под жидкостью в данном техническом решении может быть смазочная и охлаждающая жидкость типа диэлектрического масла, используемая в маслозаполненном погружном двигателе.
Технический результат полезной модели состоит в том, что для узла пяты высокооборотных насосов обеспечивается повышение эффективности контактной смазки в рабочем режиме насоса (в частности, для поверхностных областей трибосопряжения, прилегающих соответственно к внешнему и внутренним границам кольцевой пяты) с одновременным обеспечением герметичности в трибосопряжении (в частности, предотвращение перетоков жидкости между областью контакта кольцевой пяты (с внутренней граничной области пяты) и жидкостью из внешней области (с внешней граничной стороны пяты) - взаимных перетоков смазки (охлаждающей жидкости типа масла) из вышеуказанных областей на поверхности пяты. Дополнительными преимуществами являются значительное повышение эффективности контактной смазки (в вышеуказанном трибосопряжении) при использовании принудительной циркуляции масла в приводной системе, содержащей погружной маслозаполненный электродвигатель, а также обеспечение эффективной работы циркуляционного контура в теплообменник с маслопроводами и возможность реализации эффективной работой узла пяты (с увеличением его грузоподъемности и ресурса) и для систем охлаждения погружного электродвигателя, имеющих внутренний канал для прохода жидкости (масла) внутри полого вала (ротора) электродвигателя.
Для достижения заявленных технических результатов в известном узле пяты погружного маслозаполненного электродвигателя выполненного с возможностью установки пяты на валу, содержащим подпятник и пяту кольцевой формы, имеющей канавки на рабочей поверхности, выполненные с возможностью нагнетания в них жидкости при вращении пяты узел пяты выполнен со сквозным каналом для протока жидкости. По меньшей мере часть поверхности указанного канала образована внутренними кольцевыми поверхностями пяты и подпятника, а вышеуказанные канавки имеют дуговую форму и образуют, по меньшей мере, первую и вторую группу канавок. В первой группе канавок каждая канавка выполнена с закрытым для протока жидкости концом и с открытым для протока жидкости концом, расположенным на внешней границе кольцевой пяты с диаметром внешним D1. Во второй группе канавок каждая канавка выполнена с закрытым для протока жидкости концом и с открытым для протока жидкости концом, расположенным на внутренней границе кольцевой пяты с внутренним диаметром D2. Любая канавка из первой группы канавок расположена на расстоянии больше своей ширины канавки от любой канавки из второй группы канавок, а глубина вышеуказанных канавок из первой и второй групп от 0.3 мм до 1 мм. Все вышеуказанные канавки могут размещены на поверхности пяты таким образом, что на поверхности пяты есть по меньшей мере одна условная окружность с диаметром D0, где D2<D0<D1, имеющая центр, совпадающий с центром подшипникового кольца пяты на рабочей поверхности, которая пересекается со всеми канавками из первой и второй группы канавок. Все канавки из первой группы канавок могут иметь одинаковую форму и размеры и все канавки из второй группы канавок могут одинаковую форму и размеры. Первая группа канавок может содержать по меньшей мере две дуговые канавки, причем открытые концы канавок из первой группы расположены равномерно по внешней границе пяты, а вторая группа канавок может содержать по меньшей мере две дуговые канавки, причем открытые концы канавок для протока жидкости из второй группы расположены равномерно по внутренней границе пяты. В верхней части узла пяты может быть выполнена насосная ступень для формирования принудительной циркуляции жидкости в виде масла между вышеуказанным электродвигателем и присоединенным к нему снизу теплообменником, при этом узел пяты выполнен с возможностью его установки на нижнем конце вала электродвигателя между электродвигателем и теплообменником. Указанный вал электродвигателя может быть выполнен полым, при этом сквозной канал для прохода жидкости узла пяты выполнен с возможностью герметичного его соединения с нижним отверстием канала для масла, сформированного во внутренней осевой полости полого вала.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 Общий вид узла пяты погружного маслозаполненного электродвигателя, установленной между электродвигателем и теплообменником.
Фиг. 2 Верхняя часть узла пяты (пята, совмещенная с насосом) в разрезе.
Фиг. 3 Рабочая поверхность пяты с дуговыми канавками.
Фиг. 4 Верхняя часть узла пяты в трехмерном виде.
Осуществление полезной модели Узел пяты находится в составе погружного электродвигателя (размещенного выше узла пяты) соединенного с теплообменником (размещенного ниже узла пяты) и может обеспечить принудительную циркуляцию масла (в случае исполнения пяты с насосом) внутри двигателя для его охлаждения (в одном из исполнений), он также обеспечивает прохождение через него обратного циркуляционного потока масла из теплообменника в двигателе, одновременно с этим он также является осевой опорой и торцовым уплотнением. Таким образом, узел пяты выполняет роль осевой опоры, которая перенесена в низ ротора для использования ее в качестве торцового уплотнения (пята-подпятник) для обеспечения надежной работы контура теплообмена (контура циркуляции жидкости (масла). Кроме того, пята может выполнять роль дожимного насоса (при организации принудительной циркуляции жидкости).
В состав узла пяты, в частности, входит верхняя часть узла пяты 24 (см. Фиг. 4), блок подпятника, содержащий в частности, корпус блока подпятника 22, подпятник 6, установленный в верхнем элементе подпятника 26 выполненным с участком сквозного канала для протока жидкости, нижний элемент подпятника 13 выполненный с участком для сквозного протока жидкости, центральный элемент 27. Кольцевая пята 5 (подшипниковое кольцо узла пяты) вращается по кольцевому подпятнику 6 осевой опоры (подшипниковому кольцу узла подпятника).
Верхний элемент подпятника 26 сохраняет возможность небольшого углового смещения и соответствующей подстройки рабочей поверхности подпятника к положению рабочей поверхности пяты 5, поскольку верхний элемент 26 может быть закреплен с помощью упругого кольца и имеет точку опоры на центральном (балансировочном) элементе 27 (например, типа шарнирного элемента). Сочетание возможности подстройки положения пяты и подпятника с дуговыми дорожками 1, 2 способствует организации более оптимального режима смазки на пяте с дуговыми дорожками (в частности более равномерному расположению смазочной жидкости и максимального сокращения нежелательных перетоков). Корпус блока подпятника 22 находится во фланце соединительном 15 теплообменника, установленном в корпусе теплообменника 16. Корпус блока подпятника 22 крепится к направляющему аппарату 4 (для насоса 17 на пяте) винтами 12.
Верхняя часть узла пяты 24 (см. Фиг. 1, 2) может быть выполнена как пята 5, совмещенная с насосом 17, включающим одну насосную ступень с рабочим колесом с лопатками 10 и упорным кольцом 9. Насосная ступень с рабочим колесом с лопатками 10 может обеспечивать усиленную принудительную циркуляцию масла системы (с обеспечением эффективного смазочного режима) совместно с другим насосным элементом, выполненным на валу электродвигателя (не показан). Верхняя часть узла пяты 24 расположена на валу 7 внутри направляющего аппарата 4, который в свою очередь установлен в корпусе электродвигателя 3 и зафиксирован гайкой 11. От всплытия пяту предохраняет кольцо 9 расположенное на насосе 17, зазор между ним и ответным кольцом 8 регулируется при помощи винтового блока 14.
На рабочей поверхности пяты 5 выполнены канавки дуговой формы, которые можно разбить на по меньшей мере на две группы канавок (см Фиг. 3). В первой группе канавок 1 каждая канавка выполнена с закрытым для протока жидкости концом (т.е "глухим" концом) и с открытым для протока жидкости концом, расположенным на внешней границе кольцевой пяты 5. Во второй группе канавок 2 каждая канавка выполнена с закрытым для протока жидкости концом (т.е "глухим" концом) и с открытым для протока жидкости концом, расположенным на внутренней границе кольцевой пяты 5. Нежелательные перетоки жидкости по поверхности пяты минимизируются, в частности, за счет того, что любая канавка из первой группы канавок расположена на расстоянии больше своей ширины канавки от любой канавки из второй группы канавок.
Канавки могут быть размещены на поверхности пяты так, что на поверхности пяты есть по меньшей мере одна условная окружность 23 (см. Фиг. 3) с диаметром D0, где D2<D0<D1, (где внешний и внутренний диаметры кольцевой пяты D1, D2) имеющая центр, совпадающий с центром подшипникового кольца пяты (это условный центр кольцевой пяты, лежащий на плоскости совпадающей с плоскостью рабочей пяты), которая пересекается со всеми канавками из первой и второй группы канавок. Такое распределение способствует повышению качества смазки по всей рабочей поверхности пяты. Глубина вышеуказанных канавок из первой и второй групп от 0.3 мм до 1 мм, при этом все канавки из первой группы канавок 1 имеют (т.е. между собой) одинаковую форму и размеры, а все канавки из второй группы 2 канавок имеют (т.е между собой) одинаковую форму и размеры. Указанные геометрические формы канавок (и их конфигурация) способствуют оптимальному распределению смазки по рабочей поверхности пяты (точнее области трибоконтакта пята-подпятник) и повышают качество режима жидкостной смазки для высокооборотных режимов пяты с одновременным обеспечением герметичности торцевого уплотнения.
Пример осуществления полезной модели
Узел пяты маслозаполненного двигателя в рабочем режиме насосной установки работает следующим образом. Из зоны маслозаполненного электродвигателя вниз идет поток горячего масла из двигателя - в зону теплообменника по каналу для циркуляции масла с направлением потока масла 19. При этом часть проходящего масла из этого канала (сменяя часть уже имеющегося масла в канавках, которое поступило в канавки первой группы из внутренней полости 21 до начала работы насоса) может попадать в дуговые канавки первой группы 1, и таким образом обеспечивается оптимальный смазочный режим в соответствующей зоне трибоконтакта пята-подпятник (и обеспечивается необходимый уровень поступления масла). Далее охлажденное масло из теплообменника поступает обратно по каналу для циркуляции масла с направлением потока масла 18 - вверх в маслозаполненную полость электродвигателя. В частности, оно проходит через сквозной канал, выполненный в узле пяты, в частности, через участки сквозного канала для протока жидкости в нижнем элементе подпятника 13, верхнем элементе подпятника 26 и через участок канала образованный внутренними кольцевыми поверхностями пяты 5 и подпятника 6. При этом часть указанного масла может поступать в дуговые канавки второй группы 2 (сменяя часть уже имеющегося масла, которое попало во вторую группу канавок из внутренней масляной полости 20 до начала работы насоса) и таким образом обеспечивается оптимальный смазочный режим (и обеспечивается необходимый уровень поступления масла) в соответствующей зоне трибоконтакта пята-подпятника, далее масло поступает в осевой канал, образованный в полом валу 7 вала (ротора) электродвигателя. При этом нежелательные перетоки жидкости между каналами с разными направлениями потоков минимизированы и соответственно нет нежелательных перетоков ("паразитных" каналов) в области пяты, в частности, из канала с направления потока 19 (с горячим маслом) в канал с направлением потока 18 (через пяту), или из других внешних полостей, окружающих пяту (типа полости 21), нарушающих эффективную циркуляцию охлаждающей жидкости через теплообменник.
Рассмотрим некоторые особенности работы узла пяты в области трибоконтакта (пята-подпятник) подробней. В случае выполнения поверхности трения пяты с канавками 1 и 2 (заполненными смазкой), пята 1 вращаясь на валу 7 обеспечивает эффективное смазывание трибосопряжения. При вращении пяты (в любом случае выполнения канавок - на поверхностях трения пяты) смазка нагнетается в зону канавок первой и второй группы канавок и создается повышенное гидродинамическое давление в пленке смазки в определенной зоне поверхности трения, определенной конфигурации канавок. Гидродинамическое давление в этой зоне обуславливает режим жидкостного трения, обеспечивающий работу узла при более высоких нагрузках. Для обеспечения смазки для увеличенной грузоподъемности опоры используются смазочные канавки 1, 2 дуговой формы с соответствующими глухими концами (эффективной формы для захвата смазочной жидкости при вращении пяты) также предотвращающие и возможность перетока масла из полости 21 (при повышенном давлении в ней) в полость 20 и обеспечивающие подачу смазки под увеличенным давлением за счет геометрии и расположения канавок.
Дуговая форма канавок обеспечивает в высокооборотном режиме работы насоса (и соответственно пяты) большую эффективность, чем аналогичные канавки прямой формы. Дуговые канавки первой части (внешние канавки) могут быть выполнены идентичной формы и размеров. Каждая такая канавка может быть выполнена одинаково ориентированной по отношению к условной прямой 25, проходящей по рабочей поверхности пяты через центр пяты и через конец канавки открытый к протоку жидкости, (см. Фиг. 3). Такая ориентация также способствует повышению эффективности смазывания контактных площадок пяты. Отметим, что возможно выполнение канавок и на поверхности пяты и/или на поверхности подпятника (в зеркальном исполнении по отношении к конфигурации подпятника).
Разработанная конструкция узла пяты может быть реализована промышленным способом и налажено ее серийное производство.