ПОГРУЖНОЙ ВЫСОКООБОРОТНЫЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ

Полезная модель относится к гидромашиностроению, а именно к погружным насосным модульным агрегатам для нефтедобычи с повышенным ресурсом работы и высоким напором.
Погружной высокооборотный насосный агрегат - часть насосной установки. Он состоит из насосной секции (далее насос) и двигателя с частотой вращения вала, превышающей 3000 об/мин. Понятие модуль-секции вводится в погружных насосных агрегатах, проектируемых по секционному принципу, она определяется как функциональная часть агрегата, выполненная в одном блоке и имеющая узлы сопряжения с другими модулями, в которой обязательно есть рабочие колеса, размещенные на валу и помещаемые в отдельный корпус (например, см. материалы официального сайта компании http://www.novomet.ru, RU 2147083 (ОАО "Альметьевский насосный завод"). Насосная секция может содержать несколько таких модуль-секций. В соответствии с этим модуль-секцию определим как отдельный конструктивный блок, содержащий по меньшей мере отдельный корпус, по меньшей мере один вал и подшипник скольжения, пакет или пакеты ступеней, узлы сопряжения с остальными модулями-насоса. Пакет ступеней - набор рабочих ступеней со своей радиальной и осевой опорой, который может размещаться как на едином валу, так и иметь свой отдельный вал (см. Скважинные насосные установки для добычи нефти. В.Н.Ивановский, В.И.Дарищев, А.А.Сабиров, В.С.Каштанов, С.С.Пекин. М. ГУП. Изд-во "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. Губкина, 2002, 824 с, с.92).
Известен погружной насосный агрегат, включающий центробежной насос и асинхронный двигатель ([1], с.15), использующий модуль-секции насоса, каждая из которых может содержать от 38 до 211 ступеней ( Международный транслятор. Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти. Международная инженерная энциклопедия. Серия "Нефтегазовые установки". Под. Ред. Ю.В. Алекперова и В.Я. Кершенбаума. Изд-во "Нефть и газ" Москва. 1998., с. 112-117). Частота вращения двигателя, как правило, не более 3000 об/мин. (Оборудование для добычи нефти и газа В.Н.Ивановский, В.И.Дарищев, А.А.Сабиров, В.С.Каштанов, С.С.Пекин. ГУП. Изд-во "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. Губкина, 2002, 767 с, с.351). Недостаток данной конструкции - высокая нагрузка на осевую опору вала из-за относительно большого количества ступеней в ней и повышенные изгибные колебания длинного вала модуль-секции, ускоряющие процесс изнашивания трибосопряжений модуль-секции.
В качестве ближайшего аналога изобретения рассмотрим известный погружной насосный агрегат с высокооборотным вентильным двигателем центробежного насоса (Оборудование для добычи нефти и газа В.Н.Ивановский, В.И.Дарищев, А.А.Сабиров, В.С.Каштанов, С.С.Пекин.
ГУП. Изд-во "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. Губкина, 2002, 767 с, с.629). Насос содержит 65 ступеней. Регулируемая частота вращения ротора двигателя от 3000 до 6000 об/мин. Вентильный двигатель обеспечивает более высокое количество оборотов, чем асинхронный двигатель с короткозамкнутыми ротором. Недостаток конструкции - повышенная высокая нагрузка на осевую опору вала, и соответственно пяту, в сочетании с повышенным количеством оборотов может приводить к термошоковому разрушению зоны трибоконтакта пята-верхняя опора. Для такой конструкции также характерны повышенные изгибные колебания вала насоса и возможен перегрев термонагруженных элементов электродвигателя из-за неэффективного теплоотвода в глубинных малодебитных скважинах (плотность теплового потока через боковую поверхность погружного двигателя может достигать величины 30000 Вт/м2.)
Настоящая полезная модель нацелена на устранение указанных недостатков известных технических решений. Достигаемый технический результат состоит в повышении степени надежности погружного скважинного агрегата в частности за счет снижения вибраций и биения вала насоса, более благоприятный температурного режима в насосном агрегате за счет исключения разрушения рабочей поверхности верхней опоры вала при "термошоковом" разрушении, снижения перегрева термонагруженных элементов погружного вентильного электродвигателя.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном погружном высокооборотном насосном агрегате, состоящем из вентильного двигателя, выполненного с возможностью регулировки частоты и центробежного насоса вентильный двигатель выполнен с блоком теплообменника, есть по меньшей мере одна модуль-секция содержащая не менее двух пакетов ступеней, суммарное количество ступеней в указанной модуль-секции не менее 12, каждый пакет ступеней имеет свой отдельный вал, число ступеней в отдельном пакете не более 12, осевые и радиальные опоры, фиксирующие валы в модуль-секции соответственно в радиальном и осевых направлениях, выполнены в виде подшипников скольжения, модуль-секция содержит также по меньшей мере одну муфту для соединения валов пакетов ступеней, осевая опора может быть выполнена двухсторонней, вал пакета ступеней может фиксироваться по меньшей мере двумя радиальными опорами, рабочие поверхности опор могут быть образованы поверхностями твердосплавных материалов, муфта для соединения валов может быть шлицевого типа.
На рис. 1. приведен вид заявляемого погружного насосного агрегата.
Погружной высокооборотный насосный агрегат содержит насос с модуль-секцией (1), высокооборотный электродвигатель с блоком теплообменника (7). Модуль секция содержит два пакета ступеней (4), каждая из которых в свою очередь содержит содержит вал (6), ступени, подшипниковые опоры верхние и нижние, осевые и радиальные (соответственно 3, 5), валы пакетов ступеней соединяются шлицевой муфтой (2).
Пример исполнения погружного высокооборотного насосного агрегата. Насосный агрегат имел двигатель, выполненный в виде погружного маслозаполненого вентильного электродвигателя с возможностью регулирования количества оборотов (типичный диапазон частоты вращения 6000 до 15 000 тыс об/мин). Модуль-секция содержала корпус, в котором были размещены два пакета ступеней с отдельным валом для каждого пакета - каждый из которых содержал радиальных и осевую опору (3, 5). Валы пакетов соединялись шлицевой муфтой (2). В каждом пакете есть 6 ступеней (4) (направляющих аппаратов с рабочими колесами), вал из нержавеющей стали (2) длиной 34 см, радиальные опоры (5), удерживающих вал от поперечных смещений. Возникающую осевую силу воспринимают рабочие поверхности верхней осевой опоры (3). Диаметр рабочей поверхности верхней опоры 48 мм. Диаметр верхней рабочей поверхности (области трибоконтакта с поверхностью пяты) верхней опоры (3) лежал в диапазоне от 30 до 60 мм.
Именно при таком (и меньшем количестве) ступеней в пакете ступеней происходит разгрузка трибосистемы в верхней опоре в такой степени, что резко снижается вероятность разрушения трибосопряжения. Диаметр вала выбирается, например, из диапазона 10-25 мм. Количество ступеней N<12 в пакете ступеней определено опытным путем для высокооборотного погружного агрегата, при условии что пара трения в области трибосопряжения образована твердосплавными материалами, обработанных так, что шлифовке и полировке шероховатость обработанной поверхности Rmax от 0,1 до 0,2 мкм)
С качественной точки зрения существование ограничений на количество ступеней можно объяснить так. Пусть E=kPV - максимальная мощность тепловых источников в зоне трибоконтакта, где k - коэффициент трения, зависящий от физико-механических свойств пары трения, Р - контактное давление в области трибосопряжения (прямо пропорциональное количеству ступеней в пакете ступеней), V - максимальная линейная скорость в области трибосопряжения (прямо пропорциональна n - частоте вращения двигателя). Е не должна превышать заданной критической величины, при которой наступает "термошок". При превышении указанной критической величины тепло, создаваемое в зоне трибоконтакта, не успевает отводится из зоны контакта и происходит разогрев зоны контакта. В результате зона трибосопряжения разрушается (эффект "термошока"). Поэтому для заданного диапазона частот вращения двигателя есть предельно допустимое Nкр - число ступеней, при котором Е не превышает критического порога. Отметим также, что при N<Nкр вал короткий (менее 60 см) и, поэтому, практически отсутствуют изгибные колебания вала, приводящие к повышенному износу трибосопряжений в модуль-секции.
Погружной агрегат работает следующим образом. Используется высокооборотный вентильный двигатель с блоком теплообменника. Теплообменник помогает выравнивать температурный баланс по двигателю, снижая температуру термонагруженных элементов
двигателя (обмотки статора в первую очередь). При включении насоса в рабочем режиме осевые усилия в модуль-секции воспринимаются верхней опорой. При количестве ступеней в пакете меньше 12 и числе оборотов двигателя от 6000 до 20 000 об/мин осевая опора работает в режиме, исключающем "термошоковое" разрушение области трибосопряжения верхней опоры. Диаметр пяты выбирается больше диаметра верхней опоры. Короткие валы пакетов ступеней соединялись шлицевой муфтой. Изгибные колебания вала, и соответствующие им процессы изнашивания, в модуль-секции отсутствуют.