ОПОРНО-УПОРНЫЙ ПОДШИПНИК СКОЛЬЖЕНИЯ НА НЕПРИВОДНОМ КОНЦЕ ВАЛА АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ ВЕТОХИНА ДЛЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН (АМВ НГС)
RADIAL THRUST PLAIN BEARING ON IDLE SHAFT EXTENSION OF VETOCKHIN INDUCTION MOTOR FOR OIL-AND-GAS WELLS

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к погружным электрическим машинам, которые применяются для приводов различных подводных механизмов буровых и добычных установок при разработке и добычи полезных ископаемых и минеральных ресурсов нефти и газа на морском дне, а также для приводов скважных насосов и буровых механизмов в геологоразведочных работах и промышленном освоении морского континентального шельфа по добыче нефти и газа.
Известна электрическая машина открытого исполнения для работы в морской воде на любой глубине погружения с охлаждением внутренних активных частей забортной морской водой (см. «Электрическая машина Ветохина ЭМВ», патент №2072609, Б.И. №3, 27.01.97), которая содержит статор, ротор с валом и подшипниками, заключенными в негерметичный корпус, заполненный жидким охладителем, и подшипниковые щиты с отверстиями. В качестве охладителя использована морская вода, а отверстия в подшипниковых щитах для входа холодной и выхода нагретой воды расположены двумя группами. В качестве подшипников в указанной машине используются шарикоподшипники типа Ю1 и Ю15 из антикоррозионной нержавеющей стали. Недостатками этих подшипников являются: малый ресурс в морской воде (500-700 часов), не предназначены для работы вертикального исполнения машины.
Из известных наиболее близкой к заявляемой, выбранной за прототип, является электрическая машина Ветохина ЭМВ (см. «Электрическая машина Ветохина ЭМВ», патент №1833703, СССР. 1989). В данной машине применены опорно-упорные подшипники скольжения для электрических машин типа ЭМВ, вкладыши которых изготавливаются из высокоплотного антифрикционного порошкового материала (металлокерамики), а подвижные втулки - из высокопрочной, антикоррозионной, термообработанной нержавеющей стали марки ДИ48-ВД, установленные на свободные концы вала. Данная машина обеспечивает надежную работу в качестве привода любого подводного механизма, находящегося на неограниченной глубине погружения в морской воде при любых кренах и дифферентах. Недостатком данной конструкции ЭМВ для нефтескважин является соизмеримость диаметра и длины ротора больших размеров в крупных машинах большой мощности, а также подшипники с подвижными втулками конструктивно невозможно исполнить в погружных электродвигателях для насосов и механизмов «Буров» для нефтяных и газовых скважин с малым диаметром корпуса. Погружные электродвигатели для нефтегазовых скважин имеют малый диаметр до 150 мм, а длины для больших мощностей двигателя достигают 8 м, с гидрозащитой до 16 м, в которых статоры, роторы и гидрозащита выполняются многоступенчатыми. Кроме того, при глубине скважины до 3000 м температура окружающей кислой агрессивной пластовой воды достигает 150°C, а также при бурении на эту глубину происходит отклонение оси бурения до 80°, поэтому подшипники скольжения должны быть компактными, высоконагруженными и стойкими к агрессивной пластовой воде при этих условиях и надежно работать длительно при данных наклонах.
Задачей данного изобретения является повысить надежность, живучесть, долговечность и энергетические характеристики разработанной асинхронной машины (АМВ НГС) вертикального исполнения валом вверх для насосов, валом вниз для механизма «Бурения» на глубину погружения до 3000 м и температуру пластовой воды до 150°C при отклонении от вертикальной оси машины до 80° за счет применения высоконагруженного подшипника скольжения со стороны неприводного конца вала с вкладышем из высокоплотного антифрикционного порошкового материала, обеспечивающего соосность ротора с расточкой статора.
Указанная цель достигается тем, что в известной асинхронной погружной электрической машине вертикального исполнения с приводным валом вверх или вниз, содержащей многопакетные статор и винтоканавочный ротор с монолитным валом, подшипники, потекторную защиту активных частей в виде колец и втулок из алюминиево-магниево-цинкового сплава, заключенными в корпус с отверстиями для входа и выхода окружащей пластовой воды для охлаждения, на неприводном конце вала выполнен упорно-опорный подшипник скольжения, состоящий из подшипникового щита, вставленного под замки в корпус и закрепленного симметрично расположенными друг относительно друга винтами с потайной головкой с внешней стороны корпуса, при этом в цилиндрическое углубление подшипникового щита запрессован втугую вкладыш подшипника из высокоплотного антифрикционного порошкового материала (металлокерамики), который является неподвижной частью подшипника и имеющего упорную и опорную скользящие поверхности, а на конец вала напрессован по горячей посадке упорный стакан с буртиком из высокопрочной антикоррозионной термообработанной нержавеющей стали с упорной и опорной скользящими поверхностями, отшлифованными до 7-10 класса чистоты обработки, при этом охлаждение выполнено двухсторонним с забором воды из внешней среды через симметричные отверстия в корпусе, а непосредственно на скользящую пару вода поступает через концентрические отверстия в подшипниковом щите и свободные зазоры между валом и подшипниковым щитом.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
- на фиг.1 - подшипниковый узел со стороны неприводного конца вала;
- на фиг.2. - вкладыш опорно-упорного подшипника скольжения со стороны неприводного конца вала.
2
На фиг.1 изображен подшипниковый узел со стороны неприводного конца вала, который содержит корпус 1, закрытый крышкой 2, закрепленной симметрично расположенными винтами 3 с потайной головкой с внешней стороны корпуса. В корпус 1 вставлен под замки подшипниковый щит 4, закрепленный с внешней стороны симметрично расположенными друг относительно друга (6÷10) винтами 5 с резьбой М 6 и потайкой головкой. На конец вала 6 напрессован горячей посадкой упорный стакан 7 из термообработанной нержавеющей стали марки 20X13, который имеет буртик 8 с упорной скользящей поверхностью 9 и опорной радиальной скользящей поверхностью 10. В подшипниковое цилиндрическое углубление запрессован втугую вкладыш 11 из высокоплотного антифрикционного порошкового материала, который является неподвижной скользящей частью подшипника, который также имеет упорную (осевую) 9 и опорную (радиальную) 10 скользящие поверхности. Скользящая упорная поверхность 9 и опорная поверхность 10 упорного стакана 7 имеют после термообработки (7÷10) класс точности шлифовки, а те же скользящие поверхности вкладыша имеют грубый класс обработки, не шлифуются после обработки на токарном станке. Вкладыш 11 (фиг.1, фиг.2) изготавливается из порошкового материала с химическим составом Бр05Н2С5Гр1ДМ1 и после горячей штамповки и калибровки несет удельную нагрузку до 120 кгс/см в аксиальном и радиальном направлениях при температуре до 300°, поэтому рабочий зазор скользящей пары при горизонтальном и вертикальном направлениях должен быть ходовой 60÷80 мк для диаметра вала до 60 мм. Для охлаждения скользящих пар имеется свободный зазор 12 между подшипниковым щитом 4 и упорным стаканом 7 и через отверстия 13 в подшипниковом щите, через которые пластовая вода поступает из полости машины. В полость машины пластовая вода входит через концентрично расположенные отверстия 14 в корпусе, а через отверстия 15 нагретая вода частично выходит в окружающую среду, а также предположительно частично поступает из окружающей среды свежая холодная вода. По окружности отверстия 14 и 15 равномерно размещены под углом β относительно друг друга, отверстия одной группы 14 относительно другой 15 смещены на угол β/2 с целью улучшения водообмена и для сохранения механической прочности корпуса. Выбираем по 6 отверстий в каждой группе диаметром по 5 мм каждое. Для улучшения охлаждения скользящей пары и удаления образовавшихся частиц вкладыш имеет осевые канавки 16 на опорной поверхности и шлицы 17 на упорной поверхности, как продолжение канавок, фиг.2. Геометрические размеры канавок по диаметру 5-6 мм, конфигурация по сечению - полуокружность.
Для защиты от электрохимической контактной коррозии подшипникового узла и вала на вал 6 напрессована втугую протекторная втулка 18 из магниевого сплава марки МЛ4, имеющая плотный электрический контакт с упорным стаканом 7 и валом 6, а для защиты корпуса во внутрь его на торце запрессовано кольцо 19 из того же сплава.
Работа АМВ НГС осуществляется следующим образом. При работе двигателя в качестве привода насоса концом вала вверх механическая нагрузка от массы ротора и насоса и упора насоса будет частично восприниматься упорной скользящей поверхностью 9 вкладыша 11 после выработки ресурса упорно-опорным подшипником приводного конца вала. При любых отклонениях вала ротора от вертикали механическую нагрузку будет воспринимать опорная поверхность 10 вкладыша 11. Так как вкладыш из порошковых материалов имеет высокую удельную механическую нагрузку (см. выше), то любое отклонение ротора от вертикали не повлияет на соосность машины и не произойдет увеличения рабочего зазора между статором и ротором, в итоге энергетические характеристики и КПД двигателя останутся без изменений. При работе двигателя в качестве привода «Бура» валом вниз упорную нагрузку воспринимает упорно-опорный подшипник приводного конца вала, данный подшипник эту нагрузку не воспринимает. При отклонении вала ротора от вертикали процесс поддержания соосности ротора и статора и удержание всей конструкции двигателя при работе в исходном состоянии обеспечивается в обоих вариантах опорной скользящей поверхностью 10.
Заявляемое техническое решение позволит с высокой надежностью работать электродвигателю АМВ НГС в качестве привода насоса и бурового механизма в нефтегазовых скважинах при любых отклонениях вала ротора от вертикальной оси. Опорная скользящая поверхность вкладыша обеспечит соосность ротора по отношению к расточке статора и постоянство рабочего зазора между статором и ротором, в итоге обеспечится постоянство энергетических характеристик и КПД двигателя, повысятся надежность и срок службы.