КОМПЕНСАТОР ПОГРУЖНОГО ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
EXPANSION JOINT OF SUBMERGED LINEAR ELECTRIC MOTOR

Данное изобретение относится к электромашиностроению и касается защиты электродвигателей указанного типа от попадания пластовой жидкости в полость статора электродвигателя, используемого в приводе погружного насоса для откачки пластовой жидкости из скважины.
Известно устройство для защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, состоящее из гидравлического компенсатора, размещенного в нижней части электродвигателя, и протектора, установленного в его верхней части и содержащего вал с последовательно установленными на нем верхним, средним и нижним торцовыми уплотнениями и основную эластичную диафрагму, размещенную после нижнего торцового уплотнения в полости, сообщающейся с полостью электродвигателя, причем с целью повышения надежности и долговечности между средним и нижним торцовыми уплотнениями размещена дополнительная эластичная диафрагма, внутренняя полость которой сообщается с внешней полостью основной диафрагмы, а внешняя полость дополнительной диафрагмы сообщается с полостью между верхним и средним торцовыми уплотнениями (RU 2031514 C1, H02K 5/10, 20.03.1995).
Известно устройство для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, содержащее корпус, вал с опорным подшипником, не менее трех камер, расположенных вдоль вала, две из которых разделены эластичной диафрагмой на внутреннюю и внешнюю полости, разделительные фланцы с каналами для гидравлической связи и заполнения камер диэлектрической жидкостью, торцевые уплотнения, причем опорный подшипник имеет отверстия вокруг вала, за которым расположены в первой камере газосборная трубка и центробежный сепаратор, а во внешней полости последующей камеры установлен связанный с ними каналом газовый фильтр (RU 2099844 C1, H02K 5/12, 20.12.1997).
Известен компенсатор для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, содержащий головку с осевыми отверстиями и перепускным клапаном, центральное тело и диафрагму, причем перепускной клапан, установленный в одном из осевых отверстий головки и служащий для сообщения и разобщения полостей компенсатора и электродвигателя, выполнен в виде пробки (RU 2119222 C1, H02K 5/12, 20.09.1998).
Известен компенсатор давления масла погружного электродвигателя с системой телеметрии, содержащий корпус, диафрагму, центральное тело и головку с осевыми отверстиями, причем диафрагма дополнительно содержит герметичную трубку, а в головке, центральном теле и в нижней части корпуса выполнены цилиндрические проточки, образующие вместе с трубкой центральный осевой канал, при этом цилиндрические проточки нижней части корпуса компенсатора могут быть выполнены разных диаметров, что позволяет разместить обратный клапан для заправки электродвигателя маслом (RU 2201646 С2, H02K 5/132, 27.03.2003).
Устройство для гидравлической защиты погружного маслонаполненного электродвигателя, содержащее корпус, вал с опорными подшипниками, по меньшей мере, две последовательно расположенные камеры, связанные между собой гидравлически с помощью каналов и трубок, установленных во фланцах, причем устройство снабжено дополнительным торцевым уплотнением, образующим закрытую камеру с вышерасположенным торцевым уплотнением, с трубкой, установленной во фланце, один конец которой размещен в полости упорного подшипника (RU 2210159 С2, H02K 5/12, 10.08.2003).
Известно устройство для гидравлической защиты погружного электродвигателя, содержащее корпус, вал с опорными подшипниками, по меньшей мере, две последовательно расположенные в осевом направлении камеры, разделенные между собой ниппелями, эластичный компенсатор с клапанным устройством, торцовые уплотнения, отстойник, выполненный из отдельных емкостей, сообщающихся между собой в шахматном порядке в концевых частях, причем отстойник установлен в верхней камере устройства (RU 33269 U1, H02K 5/12, 10.10.2003).
Известно устройство для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, относится к электромашиностроению и может быть использовано в установках погружных электронасосов для добычи нефти. Цель полезной модели - создание устройства гидрозащиты с повышенной нагрузочной способностью вала. Данная задача решается тем, что в устройстве, содержащем корпус, вал с опорными подшипниками и торцовыми уплотнениями, головку, основание, пяту, в корпусе которой установлен фильтр-холодильник, подпятник, одну или несколько гидрозатворных камер, образованных ниппелями с осевыми отверстиями и опорными подшипниками, а также систему сброса давления и удаления газов и одну или несколько камер компенсации изменения давления масла электродвигателя, согласно полезной модели в области узла пяты на валу размещен гидравлический подпорный элемент, выполненный в виде шнека (RU 51684 U1, F04D 13/10, 27.02.2006).
Известно устройство для гидравлической защиты погружного маслонаполненного электродвигателя, содержащее вал, корпус, торцовые уплотнения, по меньшей мере, одну камеру с размещенной в ней гибкой диафрагмой, закрепленной горловиной на опорах, клапан сброса давления, маслоподводящие и маслоотводящие отверстия в опорах, причем устройство дополнительно снабжено защитными гибкими демпфирующими элементами в виде полого цилиндра, установленного внутри диафрагмы с обеих ее торцов коаксиально с образованием свободного участка цилиндра, размещенного в рабочей зоне диафрагмы с зазором от ее внутренней поверхности, и опорного участка цилиндра, размещенного с примыканием к внутренней поверхности горловины диафрагмы в зоне ее крепежной опоры, причем образующие опорного и свободного участков каждого защитного элемента сопряжены между собой в зоне изгиба горловины диафрагмы с образованием сужения наружного диаметра опорного участка; внешний торец опорного участка защитного элемента снабжен стопорным буртом, примыкающим к внешнему торцу горловины диафрагмы; крепление диафрагмы с защитным элементом на крепежных опорах выполнено жестким посредством бандажных упругих колец с торцовыми буртами, а гибкая диафрагма, защитный элемент и бандажные кольца выполнены из эластичного химически стойкого материала (RU 47587 U1, H02K 5/12, 27.08.2005).
Известен диафрагменный узел устройства гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, содержащий корпус устройства гидравлической защиты, внутри которого на опоре закреплена резиновая диафрагма с образованием внутридиафрагменной полости, гидравлически связанной с внутренней полостью электродвигателя, и задиафрагменной полости, гидравлически связанной с окружающей средой, причем во внутридиафрагменной полости концентрично установлены цилиндрические перегородки, образующие лабиринт, таким образом, что концы, жестко закрепленные на верхней или нижней части опоры одних перегородок чередуются с концами, установленными с зазором относительно верхней или нижней части опоры, других перегородок, при этом выходное отверстие, связывающее внутридиафрагменную полость с внутренней полостью электродвигателя, расположено в опоре у закрепленного конца внутренней перегородки (RU 63131 U1, H02K 5/12, 10.05.2007).
Известно устройство для гидравлической защиты погружного электродвигателя, содержащее корпус, вал с опорными подшипниками, по меньшей мере, две последовательно расположенные в осевом направлении камеры, разделенные между собой ниппелями, эластичный компенсатор с клапанным устройством, торцовые уплотнения, отстойник, выполненный из отдельных емкостей, сообщающихся между собой в шахматном порядке в концевых частях, причем отстойник установлен в верхней камере устройства (RU 33269 U1, H02K 5/12, 10.10.2003).
Известно устройство для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, состоящее из гидравлического компенсатора и протектора, причем устройство содержит расположенные вдоль оси вала камеры, внешняя из которых заполнена барьерной, а остальные диэлектрической жидкостью, камеры разделены торцовыми уплотнениями и вокруг верхнего торцового уплотнения установлен стакан, образующий щелевое уплотнение с валом, являющееся гидравлическим сопротивлением для пластовой жидкости, которая контактирует с барьерной жидкостью в спокойной камере, образуемой наружной стенкой стакана, корпусом и фланцем, являющимся дном внешней камеры. В стакане имеется отверстие для связи со спокойной камерой, расположенное на уровне фланца, а высота трубки, установленной в указанном фланце, выбрана не менее высоты стакана для образования лабиринта при движении барьерной жидкости и поддержания ее на уровне, обеспечивающем полное заполнение и постоянное перекрытие верхнего торцового уплотнения. В этой гидрозащите протектор содержит вал с верхним и нижним торцовыми уплотнениями и корпус, герметично разделенный эластичной диафрагмой на заполненные маслом внутреннюю и внешнюю камеры. Устройство исключает перемешивания барьерной жидкости с маслом и пластовой жидкостью при вращении верхнего торцового уплотнения (RU 1494130 А1, 15.07.1989).
Недостатком этого устройства является то, что в случае выхода из строя верхнего торцового уплотнения пластовая жидкость вместе с содержащимися в ней механическими примесями проникает к нижнему торцовому уплотнению, ухудшает условия его работы и снижает тем самым срок его службы, что отрицательно влияет на надежность работы электродвигателя и привода насоса. Торцевые вращающиеся и линейно перемещающиеся уплотнения, от которых зависит рабочий ресурс как компенсатора, так и погружного электродвигателя в целом, оказываются элементами, подверженными наибольшему износу. Наибольшее снижение ресурса у подвижных уплотнений отмечается при частых пусках и остановах погружных электродвигателей в составе насосных установок в тяжелых режимах работы, в случаях частых включений и выключений установок при выполнении множества спуско-подъемных операций.
Техническим результатом представленного в данном описании компенсатора является повышение его надежности и срока службы при совместной работе с погружным линейным электродвигателем в пластовой скважиной жидкости с повышенным содержанием механических примесей.
Технический результат получен компенсатором погружного линейного электродвигателя, содержащим корпус, герметично соединенный с верхним и нижним ниппелями, в верхнем ниппеле выполнена полость для сообщения с маслозаполненной полостью погружного электродвигателя, а также резьба для крепления компенсатора к основанию линейного электродвигателя, к нижнему ниппелю присоединена труба для соединения компенсатора со статором погружного электродвигателя, между ниппелями внутри корпуса расположен проставок, концы которого соединены со смежными ниппелями кольцевыми упругими диафрагмами, причем в корпусе установлена внутренняя труба, которая расположена в отверстиях ниппелей и проставка, центральные оси ниппелей и проставка расположены на продольной оси внутренней трубы, между смежными ниппелем и проставком образованы кольцевые полости, ограниченные с наружной стороны корпусом, на внутренней трубе последовательно сверху вниз установлены направляющие втулки и одна из них соединена с верхним ниппелем, две другие втулки соединены с проставком, а нижняя втулка соединена с нижним ниппелем, смежные концы втулок соединены кольцевыми диафрагмами, каждая из которых расположена в указанной кольцевой полости и в исходном рабочем состоянии выполнена в форме пузыря, который в средней части имеет больший диаметр в сравнении с диаметром каждой концевой части пузыря, внутри диафрагмы между каждой парой втулок установлены трубки для фиксации втулок относительно друг друга, в корпусе выполнены радиальные отверстия для сообщения каждой кольцевой полости с полостью скважины, заполненной пластовой жидкостью, в верхнем ниппеле установлены последовательно обратные нормально закрытые клапаны, между каждой диафрагмой и внутренней трубой образована полость, сообщенная через кольцевой канал и продольный канал с полостью, выполненной в верхнем ниппеле, при этом полость сообщена с полостью верхнего ниппеля через зазоры между внутренней трубой и втулками, а также через зазоры между внутренней трубой и трубками, причем полость верхнего ниппеля сообщена с обратными нормально закрытыми клапанами.
Герметичное соединение корпуса с верхним и нижним ниппелями выполнено через резиновые уплотнительные кольца, установленные между корпусом и ниппелями в радиально углубленных кольцевых канавках ниппелей, корпус, проставок и каждый ниппель имеют цилиндрическую в поперечном сечении форму с резьбой на концах, внутренняя труба выполнена из нержавеющей стали с хонингованной поверхностью, каждый конец диафрагмы охватывает втулку с ее наружной стороны и закреплен на втулке проволочным бандажом, втулки соединены с ниппелями и проставком через резиновые кольца, расположенные в канавках втулок, а полость через нормально закрытые клапаны сообщена с радиальным каналом, выполненным в верхнем ниппеле.
На фиг. 1 показан в продольном разрезе компенсатор погружного линейного электродвигателя в его вертикальном рабочем положении.
Компенсатор содержит выполненный из трубы трубчатый корпус 1, который соединен через резиновые уплотнительные кольца 2 с верхним и нижним ниппелями 3, каждый из которых представляет собой цилиндрический элемент с резьбой на концах. Верхний ниппель 3 имеет нижнюю наружную резьбу, соединяющую его с корпусом 1, и верхнюю внутреннюю резьбу на другом конце для соединения компенсатора со статором линейного погружного электродвигателя. В корпусе 1 установлена внутренняя труба 4 из нержавеющей стали, имеющая наружную хонингованную поверхность. Внутренняя труба 4 расположена в отверстиях ниппелей 3 и проставка 5, расположенного между ниппелями. Проставок 5 имеет цилиндрическую в поперечном сечении форму, и он расположен между трубчатым корпусом 1 и трубой 4. Центральные оси ниппелей и проставка расположены на одной продольной оси трубы 4. Между смежными ниппелем 3 и проставком 5 образованы кольцевые полости 6, ограниченные с наружной стороны корпусом 1. На трубе 4 последовательно сверху вниз установлены направляющие втулки, при этом одна втулка 7 соединена с верхним ниппелем 3, две другие втулки соединены с проставком 5, а нижняя втулка 7 соединена с нижним ниппелем 3. Компенсатор снабжен кольцевыми диафрагмами 8, каждая из которых расположена в кольцевой полости 6 и ее концы закреплены на смежных втулках 7, причем каждый конец диафрагмы охватывает втулку с ее наружной стороны и закреплен на на втулке проволочным бандажом 9. Между смежными верхним ниппелем 3 и проставком 5, нижним ниппелем 3 и проставком 5 расположены резиновые кольца 10. Каждая кольцевая диафрагма 8 в ее рабочем состоянии имеет форму пузыря - в средней части она имеет больший диаметр в сравнении с диаметром каждой ее концевой части. Под диафрагмой между каждой парой втулок 7 установлены трубки 11, которые обеспечивают фиксацию втулок 7 в их рабочих положениях. Каждая полость 6 через отверстия 12 сообщена с полостью скважины (не показана), которая заполнена пластовой жидкостью. Отверстия 12 выполнены радиальными и расположены по периметру трубчатого корпуса 1. В верхнем ниппеле 3 установлены последовательно на одной оси обратные клапаны 13. В верхней втулке 7 выполнен кольцевой канал 14. Упомянутые кольца 2 расположены в радиально углубленных кольцевых канавках. Кольца 2 с одной стороны ограничены корпусом 1, с другой стороны они ограничены верхним и нижними ниппелями 3. Кольца 2 обеспечивают герметичность резьбовых соединений. Аналогичным образом выполнены другие уплотнительные кольца 10, установленные между втулками 7 и проставком 5. Между каждой диафрагмой 8 и внутренней трубой 4 образована полость 15, которая через отверстия 16 в трубках 11 сообщена с полостью трубы 4, а через кольцевой канал 14 и продольный канал 17 полость 15 сообщена с полостью 18. Последняя сообщена с полостями статора погружного линейного электродвигателя (не показан). Полость 18 заполнена смазочной жидкостью, в частности синтетическим маслом (далее масло), и с нею сообщены обратные нормально закрытые клапаны 13, которые в нормальном положении закрыты и перекрывают попадание масла в скважину через радиальный канал 19. Полость 15 сообщена через кольцевой канал 14 и продольный канал 17 с полостью 18, выполненной в верхнем ниппеле 3, при этом полость 15 сообщена с полостью 18 верхнего ниппеля через зазоры между внутренней трубой 4 и втулками 7, а также через зазоры между внутренней трубой 4 и трубками 11, причем полость 18 верхнего ниппеля сообщена с обратными нормально закрытыми клапанами. Компенсатор имеет соединенную резьбовым соединением с нижним ниппелем 3 трубу 20 с резьбой на ее внутренней поверхности, предназначенной для соединения компенсатора со статором линейного электродвигателя (не показан). В трубе 20 выполнена полость 21, через которую масляные полости электродвигателя, заполненные маслом, сообщены с масляными полостями и каналами компенсатора, которые также заполнены маслом.
Работает компенсатор следующим образом. При спуске погружного насоса вместе с электродвигателем в скважину скважинная жидкость под давлением поступает в компенсатор через радиальные отверстия 12 и собирается в полостях 6. При этом диафрагмы 8 под давлением скважинной жидкости изгибаются внутрь и прижимаются к трубкам 11. При работе погружного линейного электродвигателя его шток (не показан), установленный во внутренней трубе 4, совершает возвратно-поступательные движения. Под действием электрического тока в обмотке статора погружного электродвигателя выделяется тепло, обмотка нагревает находящееся в статоре электродвигателя масло. Объем и давление масла повышаются, и оно под давлением перемещается в масляные каналы 17 и 14, полости 15 и 18. При этом масло, находящееся в зазорах между хонингованной поверхностью внутренней трубы 4 и внутренними поверхностями втулок 7, перемещается по замкнутому масляному контуру от маслозаполненных полостей электродвигателя, где возникает его давление от нагрева в маслозаполненные полости, каналы и зазоры компенсатора. При нагревании масла до температуры в пределах 120-150°C масло существенно увеличивается в объеме и в полостях 15 каждой диафрагмы 8 образуется избыточное давление. Последние растягиваются в радиальном направлении и прижимаются внешними стенками к поверхности трубчатого корпуса 1. При этом пластовая жидкость через отверстия 12 выдавливается из полостей 6. В этом случае каждая диафрагма частично или полностью заполняет собой полость 6. При дальнейшем нагревании масла до температуры в пределах 180-200°C часть расширившегося объема масла под давлением сбрасывается из полости 18 через клапаны 13 и канал 19 в скважину. При выключении погружного электродвигателя и остывании масла клапаны 13 закрываются, объем масла уменьшается, диафрагмы 8 возвращаются в первоначальное положение. При этом полость 6 заполняется пластовой жидкостью через отверстия 12 и диафрагмы под давлением прижимаются к трубкам 11.
Применение компенсатора описанной конструкции позволяет существенно повысить его надежность и срок службы, положительно влияющие на повышение надежности и срока службы погружного линейного электродвигателя, работающего совместно с компенсатором в нефтедобывающих скважинах, имеющих повышенное содержание механических примесей. При работе компенсатора совместно с электродвигателем данный компенсатор при его износе в наибольшей мере исключает попадание агрессивной пластовой жидкости в рабочие полости статора электродвигателя и защищает его от коротких замыканий. С другой стороны компенсатор существенно сглаживает перепад давления между внутренней полостью электродвигателя и пластовой жидкостью в нефтяной скважине. Поскольку возникающий нагрев масла от токов, протекающих в обмотках электродвигателя, является существенным и опасным, то в этой связи в представленном компенсаторе по существу исключены известная гидрозащита и такие подвижные уплотнения, как известные торцевые вращающиеся и линейно перемещающиеся уплотнения, от которых напрямую зависит рабочий ресурс как компенсатора, так и погружного электродвигателя в целом. Представленный в данном описании компенсатор позволяет осуществлять многократные остановы и пуски в работе погружного линейного электродвигателя в составе добывающей установки, обеспечивая различные режимы эксплуатации, в том числе и периодические режимы.