ПОГРУЖНОЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
BOREHOLE PUMP UNIT

Изобретение относится к нефтедобывающей технике, а именно к конструкции погружных насосных установок с многосекционными агрегатами, имеющими различные конструкции радиальных и осевых подшипников, нагрузка на которые перераспределяется сложным образом и не всегда равномерно.
Известно, что равномерное распределение осевой нагрузки на упорные подшипники в многосекционных агрегатах является сложной задачей, тем более что при возникновении момента в его составной трансмиссии происходит защемление шлицевых соединений валов и муфт и трансмиссия становится единым жестким валом, осевая нагрузка от которого может сосредоточиться в одном упорном узле и привести к аварийному режиму его работы.
Известен погружной насос, содержащий многосекционный насос, состоящий из многоступенчатых роторов с радиальными и упорными подшипниками, секционную гидрозащиту и секционный электродвигатель, снабженные также радиальными и упорными подшипниками. Передача момента от валов электродвигателя осуществляется посредством шлицевых муфт. В момент возникновения крутящего момента составная трансмиссия из-за защемления в шлицах начинает выбирать конструктивные осевые зазоры и вводит в работу упорные подшипники, при этом возникает большая вероятность, что общую осевую нагрузку на секционный вал насоса воспримет упорный подшипник узла гидрозащиты, который на эту ситуацию не рассчитан.
Осевая нагрузка на валу насоса возникает из-за перепада давления на входе и выходе насоса и имеет большую величину.
Существует также проблема компенсации осевой нагрузки, возникающей в роторе электродвигателя, имеющего систему принудительной циркуляции заливочной жидкости. Возникающее в циркуляционной системе давление создает на торцевой поверхности ротора осевое усилие, которое также из-за защемления в шлицевых соединениях валов узла гидрозащиты и электродвигателя может быть воспринято упорным подшипником узла гидрозащиты, а не упорным подшипником электродвигателя.
Поскольку момент, передаваемый шлицевыми соединениями трансмиссии, создает осевое трение, величина которого может значительно превышать расчетную грузоподъемность секционного упорного подшипника, то могут возникнуть ускоренный его износ и даже разрушение.
Следовательно, многосекционные агрегаты погружной части насосной установки нуждаются в специальных соединительных муфтах, имеющих низкое трение и обеспечивающих оптимальное перераспределение осевых нагрузок в упорных подшипниках.
Решить эту проблему можно путем снижения осевого трения в шлицевых соединениях секционной трансмиссии.
Указанная проблема решается путем создания комбинированных шлицевых муфт, в которых трение скольжения преобразуется в трение качения, уровень которого позволяет оптимально, без перегрузки, перераспределить осевую нагрузку трансмиссии на весь комплекс упорных подшипников агрегатов.
Ближайшим аналогом заявленного технического решения, принятым за прототип, является погружной насосный агрегат, включающий расположенные на общей оси и соединенные общими фланцами и валами многоступенчатый центрбежный насос и электродвигатель с токовводным узлом [RU №2293217, F04D 13/10, F04D 29/58, 10.02.2007].
Недостатком известного погружного насосного агрегата является снижение надежности работы насосного агрегата из-за нерегулируемого распределения осевых нагрузок в осевых подшипниках его многозвенной трансмиссии, поскольку возникающий крутящий момент в шлицевых соединениях валов агрегатов приводит к динамической общей жесткости трансмиссии, при которой осевое усилие может быть воспринято только одной осевой опорой со значительным превышением ее грузоподъемности. В этом случае может развиваться ускоренный износ поверхностей трения перегруженной осевой опоры.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности и долговечности работы погружной части насосного агрегата в широком диапазоне эксплуатации и устранение явления общей динамической жесткости многозвенной трансмиссии, приводящей к перегрузке осевых подшипников агрегатов, за счет исключения вероятности передачи осевого усилия от валов насоса на вал узла гидрозащиты и применения компенсационных муфт.
Указанный технический результат достигается за счет того, что погружной насосный агрегат, включающий расположенные на общей оси и соединенные общими фланцами и валами многоступенчатый центробежный насос и электродвигатель с токовводным узлом, согласно изобретению снабжен агрегатом гидрозащиты, входным модулем с износостойким подшипником скольжения, двумя компенсационными муфтами, выполненными с верхней и нижней полумуфтами с симметричными четырехкулачковыми рабочими поверхностями и с подпружиненными группами шариков, первая компенсационная муфта установлена во входном модуле с возможностью центрирования в нем посредством подшипника скольжения, выполненного на основе втулок из металлокерамических материалов, и соединяет вал насоса и вал агрегата гидрозащиты, при этом в первой компенсационной муфте полость сопряжения верхней и нижней полумуфт выполнена герметичной и заполнена смазкой, вторая компенсационная муфта соединяет вал агрегата гидрозащиты и вал электродвигателя и со стороны электродвигателя выполнена с резьбовым переходником для автоматического регулирования взаимного осевого перемещения полумуфт при пуске насосного агрегата.
Также в погружном насосном агрегате подшипник скольжения состоит из внешней неподвижной керамической втулки, закрепленной в корпусе входного модуля, и защитной твердосплавной втулки нижней полумуфты первой муфты.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:
фиг.1 изображен схематический чертеж вида спереди погружного насосного агрегата;
фиг.2 изображает поперечное сечения соединения входного модуля электродвигателя и узла гидрозащиты;
фиг.3 дан вид Б поперечного сечения фланцевого соединения электродвигателя и узла гидрозащиты;
фиг.4 - конструкция первой компенсационной муфты;
фиг.5 - схематический чертеж, поясняющий взаимодействие шариков и кулачков компенсационных муфт;
на фиг.6 и 7 - варианты конструкции второй компенсационной муфты;
на фиг.8 - схематические чертеж варианта второй компенсационной муфты при сборке;
фиг.9 - разрез второй компенсационной муфты, поясняющий соединение корпуса нижней полумуфты с верхней полумуфтой.
Погружной насосный агрегат содержит расположенные на одной общей оси многоступенчатый центробежный насос 1, входной модуль 2, агрегат 3 гидрозащиты, электродвигатель 4 с теплообменником (не показан) и с токовводным узлом 5 и погружной блок 6 телеметрии.
Электродвигатель охвачен кожухом принудительного обтекания с отверстиями на боковой поверхности (не показан).
Многоступенчатый центробежный насос 1 (фиг.2) сочленен своим фланцем 7 с фланцем 8 входного модуля 2, окна 9 которого предназначены для поступления пластовой жидкости в насос 1. Вал 10 насоса 1 и вал 11 агрегата 3 гидрозащиты соединены первой компенсационной муфтой 12, содержащей верхнюю полумуфту 13 и нижнюю полумуфту 14.
Относительное положение полумуфт 13 и 14 фиксируется пружиной 15.
Первая компенсационная муфта 12 центрируется в корпусе входного модуля 2 при помощи втулок 16 и 11, которые составляют подшипник скольжения. Втулки 16 и 17 изготовлены из металлокерамических материалов. Втулка 16, являющаяся внешней неподвижной, изготовлена, например, керамической, а втулка 17, являющаяся защитной втулкой нижней полумуфты 14, выполнена твердосплавной.
Втулка 17 изготовлена из твердого сплава, например на основе карбида вольфрама, и обладает необходимой объемной прочностью для вращающегося элемента, а втулка 16 изготовлена, например, из карбида кремния, микротвердость которого выше карбида вольфрама и которая обеспечивает оптимальную скорость приработки.
В первой компенсационной муфте 12 полость сопряжения верхней и нижней полумуфт, в которой между симметричными четырехкулачковыми рабочими поверхностями кулачков 18 (фиг.5) верхней полумуфты 13 и между симметричными четырехкулачковыми рабочими поверхностями кулачков 19 (фиг.5) нижней полумуфты 14 установлены группы шариков 20, выполнена герметичной и для работы заполняется смазкой.
Группы шариков 20 подпружинены пружинами 21.
Эластичное кольцо 22, заложенное в винтовую втулку 23 нижней полумуфты 14, предназначено для удержания смазки в полости с группами шариков 20.
Эластичное кольцо 22 выполнено, например, из термостойкой резины синтетического каучука.
Поршень 24 предназначен для разделения сред: смазки кулачково-шарикового сопряжения и пластовой жидкости.
Резьбовая пробка 25 закрывает маслозаполненную полость.
Упор 26 фиксирует положение пружин 21 и групп шариков 20.
Нижняя часть корпуса входного модуля 2 ввинчена в верхнюю часть корпуса (не обозначено) агрегата 3 гидрозащиты, нижняя часть которого (фиг.3) соединена с фланцем 27 токовводного узла 5 электродвигателя.
Вторая компенсационная муфта 28 соединяет вал 11 агрегата 3 гидрозащиты и вал 29 электродвигателя 4 и выполнена с резьбовым переходником 30 для автоматического регулирования взаимного осевого перемещения полумуфт при пуске насосного агрегата.
Вторая компенсационная муфта 28 содержит верхнюю 31 и нижнюю 32 полумуфты. Между симметричными четырехкулачковыми рабочими поверхностями кулачков 18 верхней полумуфты 30 и между симметричными четырехкулачковыми рабочими поверхностями кулачков 19 нижней полумуфты 32 установлены группы шариков 20.
Группы шариков 20 подпружинены пружинами 21.
Шайбы 33 и 34 фиксируют шарики 24 и пружины 25, размещенные между полумуфтами 31 и 32 второй компенсационной муфты.
Шайбы 33 и 34 жестко соединены с полумуфтой 31, например, разжимными пружинами (не обозначены).
В корпусе 35 нижней полумуфты 32 установлен вкладыш 36 с резьбовой поверхностью в нижней части (не обозначена), в которую ввинчен резьбовой переходник 30, соединенный шлицами с валом 29 электродвигателя 4.
Вкладыш 36 и резьбовой переходник 30 образуют узел, регулирующий осевое перемещение полумуфт второй муфты при пуске погружного насосного агрегата.
Выполненные на внутренней боковой поверхности вкладыша 36 кулачки 37 входят в пазы (не обозначены), выполненные параллельно оси симметрии на внутренней поверхности корпуса 35 нижней полумуфты 32.
Резьбовой переходник 30 удерживается в крайнем нижнем положении в корпусе нижней полумуфты 32 второй компенсационной муфты 28 стопорным кольцом 38 и центрируется эластичным кольцом 39. Относительное положение полумуфт 31 и 32 фиксируется пружиной 40 и стопорным кольцом 41.
Верхняя полумуфта соединена с валом 11 агрегата 3 гидрозащиты шлицевым соединением (не обозначено).
При сборке установки вкладыш 36 вывернут из резьбового переходника 30 до упора в шайбу 34 (фиг.7) или в ступень 42 (фиг.9), выполненную в корпусе 35, нижней полумуфты 32, при этом вал 29 электродвигателя 4 жестко зафиксирован относительно вала 11 агрегата 3 гидрозащиты, а пружина 40 сжата.
При включении электродвигателя 4 момент с его вала передается резьбовому переходнику 30 и через взаимодействующие резьбовые поверхности резьбового переходника и вкладыша 35 вкладышу 35, при этом вкладыш 35 перемещается в корпусе 35 нижней полумуфты 32 к резьбовому переходнику 30, между торцом вкладыша и втулкой 34 образуется зазор, а у вала электродвигателя и вала 11 агрегата 3 гидрозащиты создается возможность взаимного осевого перемещения.
Погружной насосный агрегат работает в скважине на глубине от двух до четырех тысяч метров следующим образом.
При вводе в режим работы насосной установки происходит рост давления на выходе из насоса, при этом резко возрастает перепад давления по всей длине вращающегося вала, состоящего из валов образующих его элементов, при этом возникает значительное осевое усилие на вал сверху вниз, равное произведению давления на выходе, умноженному на площадь поперечного сечения вала. Это усилие должно восприниматься упорными подшипниками насоса. При действии крутящего момента в шлицевых соединениях трансмиссии насоса происходит фрикционное защемление шлицов и многозвенная трансмиссия становится сплошным валом, общая осевая нагрузка которого передается на какой- либо упорный подшипник (не показаны), начальный зазор в котором был наименьшим. Упорные подшипники насоса хорошо охлаждаются и могут выдержать эту концентрированную нагрузку до момента равномерного перераспределения во всей цепочке упорных подшипников насоса. При этом существует большая вероятность концентрации осевой нагрузки в упорном подшипнике гидрозащиты (не показаны), который имеет значительно меньшую грузоподъемность, так как возможность теплоотвода в этой зоне значительно ниже, чем в проточных зонах насоса.
В этом случае может произойти перегрев упорного подшипника и преждевременный его отказ в виде задиров или разрушения.
Это опасное явление предотвращается путем исключения вероятности передачи осевого усилия от валов насоса на вал узла гидрозащиты, что достигается применением первой компенсационной муфты, в которой передача крутящего момента от одной полумуфты к другой осуществляется за счет применения контакта с помощью шариков между шлицами полумуфт, который передает основное тангенциальное усилие через контакт шарика с плоскостью, а в осевом направлении возникает режим трения качения. При этом максимальное значение осевого усилия, передаваемого защемленным шлицевым соединением, уменьшается на два порядка. Приведенный коэффициент трения в режиме качения пары шарик-плоскость составляет величину не более 0,005, в то время как в режиме трения скольжения этот же коэффициент может составить величину 0,3. Таким образом, аварийный режим работы упорного подшипника узла гидрозащиты практически исключен, и процесс перераспределения осевой нагрузки в трансмиссии насоса может происходить достаточно долго и без аварий.
Таким образом, первая компенсационная муфта при вводе в эксплуатационный режим насоса агрегата предохраняет от перегрузки упорные подшипники трансмиссии гидрозащиты. Поскольку она работает в агрессивной пластовой жидкости, то в ее конструкции применена система удержания смазки, которая обеспечивается за счет герметизации полости шарикошлицевых контактов и уравнителя давления внутри и снаружи муфты в виде специального поршня, который размещен в центральном канале полумуфты. Важным элементом узла первой компенсационной муфты является поддерживающий износостойкий подшипник, состоящий из внешней втулки, закрепленной в корпусе входного модуля, и защитной втулки нижней полумуфты. Подшипник обеспечивает формирование устойчивого вращения длинномерной муфты и разгрузку шарикокулачкового сопряжения ее полумуфт от центробежных сил, возникающих из-за дисбаланса конструкции.
Для обеспечения долговечности подшипника, работающего в среде абразивосодержащей пластовой жидкости, применен принцип целевого смещения материалов, который предусматривает одновременно высокую износостойкость материалов внешней и защитной втулки по отношению к абразивным частицам пластовой жидкости и способность приработки, достигаемую за счет разности твердости материалов указанных втулок. В данной конструкции в защитной втулке муфты используется твердый сплав на основе карбида вольфрама, обладающий необходимой прочностью для вращающегося элемента, а внешняя втулка изготовлена из карбида кремния, микротвердость которого выше карбида вольфрама и которая обеспечивает оптимальную скорость приработки.
Существует и другая проблема перегрузки упорных подшипников узла гидрозащиты, которая возникает при работе секционного ротора электродвигателя. Следует отметить, что в данной конструкции электродвигателя предусмотрена принудительная циркуляция заливочной жидкости через систему каналов, одним из которых является внутреннее центральное отверстие во вращающемся роторе. Система циркуляционных насосов создает давление в указанном контуре, которое создает осевое усилие на торце нижнего подпятника ротора (не показан), при этом усилие через фрикционно-защемленные шлицевые муфты передается на вал гидрощащиты. Вал гидрозащиты имеет также предохранительный нижний упорный подшипник (не показан), тем не менее при работе электродвигателя не в вертикальном положении это усилие может превысить его допустимую грузоподъемность и привести к аварии.
Следовательно, в этом случае, в представленной конструкции устройства применена вторая компенсационная муфта, принцип действия которой описан выше. Таким образом, при возникновении осевых нагрузок в роторе электродвигателя исключается их непосредственное восприятие осевым подшипником вала узла гидрозащиты. Надежность работы упорных подшипников значительно возрастает.