НАСОСНАЯ УСТАНОВКА
PUMP PLANT

Изобретение относится к области машиностроения и направлено на повышение энергетических показателей установок для подъема жидкости с больших глубин погружными установками с насосами объемного действия, приводимыми в действие погружными линейными электродвигателями.
Известна погружная насосная установка, содержащая насос и погружной линейный электродвигатель. Электродвигатель содержит неподвижную часть (статор) с обмоткой и расположенную внутри статора подвижную часть (бегун), выполненные с возможностью возвратно-поступательного движения бегуна относительно статора. Корпус электродвигателя механически связан с корпусом насоса, бегун механически связан с подвижной частью насоса (патент США №7445435 В2, класс МКИ F04B 47/14, US C1. 417/210, от 2004 года).
Полость электродвигателя между статором и бегуном непосредственно связана с пластовой жидкостью. Содержащиеся в пластовой жидкости твердые частицы проникают в трущиеся элементы опорных узлов, приводя к ускоренному износу последних.
Известна насосная установка, содержащая насос объемного действия и погружной линейный вентильный электродвигатель, включающий в себя неподвижную часть (статор) с обмоткой и расположенную внутри статора подвижную часть (бегун), выполненные с возможностью возвратно-поступательного движения бегуна относительно статора, полость электродвигателя связана с окружающей средой через решетчатые отверстия, корпус электродвигателя механически связан с корпусом насоса, бегун через шток связан с подвижной частью насоса, статор содержит цилиндрические и торцовые элементы герметизации объема статора (см., например, евразийский патент №009268 В1, класс F04B 47/06, приоритет 17.10.2004).
В этой установке происходит периодический, с частотой ходов бегуна, обмен пластовой жидкостью между полостью электродвигателя и внешней пластовой жидкостью. При движении бегуна, например вверх, жидкость вытесняется из верхней части полости электродвигателя в окружающее пространство через отверстия в элементах конструкции, связанных с корпусом электродвигателя. В нижнюю часть полости электродвигателя пластовая жидкость всасывается из окружающего пространства через соответствующие отверстия в корпусных деталях.
В этих отверстиях нельзя установить сколько-нибудь эффективные фильтры, поскольку через них прокачиваются значительные объемы пластовой жидкости. Наличие эффективных фильтров привело бы к потерям мощности и соответствующему снижению КПД установки.
Постоянный обмен жидкостью между полостью электродвигателя и внешней средой приводит к тому, что в полости накапливаются твердые частицы различного размера, они проникают во все зазоры между взаимно подвижными элементами конструкции, вызывая их преждевременный износ и, в конечном итоге, выход установки из строя.
Изобретение направлено на повышение срока службы погружной установки и улучшение ее теплового режима.
Достигается этот эффект тем, что минимизируется обмен жидкости между полостью электродвигателя и внешней средой при работе двигателя, причем в одной из конструкций обмен может происходить через фильтр тонкой очистки. Дополнительно осуществляется выравнивание температуры внутри электродвигателя и снижение средней температуры его элементов за счет увеличения поверхности охлаждения. Потери мощности при этом незначительны.
Конструктивные особенности при этом следующие.
Полость электродвигателя связана с окружающей средой через фильтр, а с полостью насоса через уплотнение между штоком и корпусом. Установка дополнительного штока позволяет практически исключить обмен жидкости полости электродвигателя с окружающей средой. Статор электродвигателя в области, расположенной между внешней цилиндрической поверхностью обмотки и внутренней поверхностью корпуса электродвигателя, содержит продольные сквозные каналы, соединяющие части полости электродвигателя, расположенные по обе торцевые стороны статора. В продольных каналах могут быть размещены трубчатые элементы, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, концы трубчатых элементов могут быть герметично соединены с торцовыми элементами герметизации объема статора.
Конструкция установки схематически представлена на чертежах. На фиг.1 представлена установка с одним штоком в продольном сечении, на фиг.2 установка с двумя штоками в продольном сечении. Электродвигатель содержит корпус 1, в котором установлен герметизированный статор. Статор включает в себя дисковые магнитопроводы 2, между которыми размещены кольцевые катушки 3 обмотки якоря. Дисковые магнитопроводы могут выполняться как шихтованными, так и спеченными из материала с высокой магнитной проницаемостью. Напряжение питания к обмотке подводится через герметизированный разъем (на чертежах не показан).
Герметизация объема статора в приведенной конструкции осуществляется корпусом 1, торцовыми шайбами 4 и тонкостенной гильзой 5. Возможны варианты герметизации без гильзы, например заполнение объема статора компаундом (вакуумное компаундирование).
Фильтр 6 может быть размещен в любой части верхнего щита 7, либо нижнего щита 8, либо корпуса 1.
Подвижная часть электродвигателя - бегун - имеет следующую конструкцию. На трубе 9 размещены дисковые постоянные магниты 10. Между ними находятся опорные элементы 11. В случае, если магниты 10 намагничены в осевом направлении, труба 9 выполняется из немагнитного материала, а опорные элементы 11 из магнитопроводящего. Если магниты 10 намагничены в радиальном направлении, то труба 9 магнитопроводящая, а опорные элементы 11 немагнитные.
С трубой 9 механически связан рабочий шток 12, приводящий при работе электродвигателя в движение подвижную часть насоса 13. Перекачиваемая установкой пластовая жидкость поступает на поверхность по насосно-компрессорной трубе 14. Уплотняющие элементы 15 служат, прежде всего, для защиты полости электродвигателя от попадания твердых частиц из пластовой жидкости.
Полость электродвигателя включает в себя верхнюю часть 16 и нижнюю часть 17. Обе части связаны между собой через продольные сквозные каналы 18 и отверстия 19 в трубе 9. Перед монтажом полость электродвигателя может быть заполнена любой чистой жидкостью, например водой. Дополнительный шток 20, связанный с внешней средой через дополнительное уплотнение 21, служит для минимизации колебаний объема жидкости в полости электродвигателя.
В продольных сквозных каналах 18 могут быть размещены трубчатые элементы, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, концы трубчатых элементов могут быть герметично соединены с торцовыми элементами 4 герметизации объема статора.
Работа установки происходит следующим образом.
При подаче напряжения питания на обмотку якоря электродвигателя и соответствующем управлении им бегун совершает возвратно-поступательное движение, приводя в движение рабочий орган насоса. При движении бегуна вверх жидкость из полости 16 через каналы 18 в статоре и отверстия 19 в бегуне перетекает в нижнюю полость 17. При движении бегуна вниз происходит обратное движение жидкости. При перетекании жидкость перемешивается, выравнивая температуру внутри электродвигателя. В процесс охлаждения вовлекаются значительные поверхности щитов 7 и 8, что способствует снижению средней температуры внутри электродвигателя.
В установке с одним штоком обеспечивается эффективное выравнивание температуры в электродвигателе и снижается средняя температура перегрева элементов электродвигателя. Однако в течение каждого цикла возвратно-поступательного движения бегуна во внешнюю среду вытесняется и соответственно из нее всасывается объем жидкости, равный произведению площади поперечного сечения штока на длину его хода. Этот объем гораздо меньше, чем в прототипе, в котором вытесняется и всасывается объем, равный произведению разности площадей поперечных сечений штока и бегуна на длину хода, но, тем не менее, приводит к появлению твердых частиц в полости электродвигателя и уменьшению срока службы установки.
Установка дополнительного штока 20 позволяет оставить объем жидкости в полости электродвигателя постоянным. Обмена жидкости полости электродвигателя с пластовой жидкостью при этом практически не происходит, поскольку при любом перемещении бегуна объем жидкости, вытесняемой из одной полости, будет равен объему, освобождаемому бегуном в другой полости. Для этого площади сечений штоков 12 и 20 должны быть строго одинаковыми. Фильтр 6 теперь служит только для компенсации температурного расширения жидкости полости электродвигателя. Изменение температуры происходит довольно медленно, поэтому фильтр может быть выполнен с характеристиками фильтра тонкой очистки, то есть иметь очень малые сечения каналов и, следовательно, большое гидравлическое сопротивление.
Фильтр 6 и уплотнения 15, 21 не позволяют твердым частицам проникать в полость электродвигателя. Выравнивание и снижение температуры электродвигателя при этом происходит столь же эффективно, что и ранее.