Узел передачи крутящего момента для погружной установки (варианты)
TORQUE TRANSMISSION NODE FOR SUBMERSIBLE INSTALLATION (OPTIONS)

Настоящее изобретение относится к устройствам передачи крутящего момента без механического контакта между ведущим и ведомым ротором, в частности, к узлам передачи крутящего момента с магнитной муфтой в погружных нефтедобывающих установках.
Известна конструкция магнитной муфты, описанная в патенте на полезную модель RU №106459, Н02K 5/12, опубл. 10.07.2011, состоящей из ведущей и ведомой полумуфт с постоянными магнитами, разделенных установленной на корпусе электродвигателя защитной оболочкой, ведущая полумуфта закреплена на рабочем конце вала ротора двигателя, а ведомая -на валу рабочего механизма. Для надежной передачи крутящего момента поверхности сопряжения ведущего и ведомого магнитов расположены максимально близко друг к другу, а защитная оболочка, изолирующая от окружающей среды внутреннюю полость двигателя и заполненная специальной жидкостью, расположена между ними внутри тонкого зазора.
При эксплуатации описанной магнитной муфты вследствие вязкого трения в слое жидкости вблизи вращающейся стенки происходит значительный нагрев, тем больший, чем выше вязкость жидкости и частота вращения вала. Отсутствие охлаждения вызывает рост температуры внутри устройства и потерю магнитных свойств постоянных магнитов при достижении температуры Кюри. Кроме того, отсутствие радиальных подшипников снижает надежность конструкции и накладывает ограничения на длину муфты и величину передаваемого крутящего момента. Указанные недостатки делают невозможным использование такой конструкции при повышенных частотах вращения вала.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является узел передачи крутящего момента для погружной установки, описанная в патенте US №6863124, Е21В 43/00, 166/64, опубл. 17.07.2003, включающий магнитную муфту, состоящую из ведущей и ведомой полумуфты с постоянными магнитами, прикрепленными к ротору двигателя и к ротору насоса соответственно, защитной оболочки, выполненной из немагнитного, непроводящего материала, между ними и промежуточной подшипниковой опоры, имеющей три промежуточных подшипника, концентричных друг другу, размещенных в одном и том же осевом положении. Поверхности сопряжения подшипников располагаются в узком зазоре между защитной оболочкой и магнитами.
Описанное расположение подшипников либо полностью перекрывает канал для потенциально возможной прокачки охлаждающей жидкости по зазору, либо подразумевает большую толщину зазора. В первом случае неизбежен перегрев муфты, во втором - ограничение по передаваемому крутящему моменту.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка надежной конструкции узла передачи крутящего момента с полностью герметичного, погружного электродвигателя на установку для добычи нефти, способной работать при высоких частотах вращения вала и высоких значениях крутящего момента на валу.
Указанный технический результат достигается тем, что в узле передачи крутящего момента для погружной установки, включающем магнитную муфту, состоящую из ведущей и ведомой полумуфт с постоянными магнитами, закрепленными на роторе двигателя и роторе насоса соответственно, защитной оболочки между ними и промежуточной подшипниковой опоры, согласно изобретению перед магнитной муфтой со стороны насоса дополнительно установлен сепаратор, обеспечивающий отбор и сепарацию скважинной жидкости и дальнейшую прокачку сепарированной маловязкой фракции по зазору между защитной оболочкой и ведомой полумуфтой для охлаждения магнитов, причем в ведомой полумуфте выполнено центральное отверстие, гидравлически связанное с вышеупомянутым зазором и возвращающее нагретую жидкость в скважину, кроме того, в ведущей и ведомой полумуфтах на уровне подшипниковой опоры выполнены выемки, формирующие расширение проточных каналов для циркуляции охлаждающей жидкости в муфте, в которые установлены радиальные подшипники с каналами для прохода охлаждающей жидкости. Вариант предпочтителен в тех случаях, когда скважинная жидкость представляет собой вязкую эмульсию вода-нефть.
В другом варианте исполнения узла передачи крутящего момента перед магнитной муфтой со стороны насоса вместо сепаратора установлен пакет насосных ступеней, обеспечивающий отбор необходимого количества скважинной жидкости и ее дальнейшую прокачку по зазору между защитной оболочкой и ведомой полумуфтой для охлаждения магнитов. Этот вариант предпочтителен в случае добычи маловязкой скважинной жидкости, при котором достаточное охлаждение муфты осуществляется без дополнительной сепарации добываемой жидкости.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства по варианту 1, на фиг. 2 - общий вид заявляемого устройства по варианту 2, на фиг 3 - радиальный подшипник с проточными каналами для магнитной муфты.
Узел передачи крутящего момента для погружной установки по первому варианту содержит магнитную муфту 1 и роторный сепаратор 2 вода-нефть, предназначенный для сепарации воды от скважинной жидкости (фиг. 1). В состав магнитной муфты входят ведущая полумуфта 3, связанная с валом электродвигателя, ведомая полумуфта 4, связанная с валом добывающего насоса, защитный экран 5 и постоянные магниты 6 установленные в полумуфтах 3, 4. Кольцевой зазор 7 между ведущей полумуфтой 3 и защитным экраном 5 заполнен маслом двигателя, а кольцевой зазор 8, образованный между защитным экраном 5 и ведомой полумуфтой 4, предназначен для прохождения охлаждающей жидкости, отбираемой из скважины во время эксплуатации. В ведомой полумуфте 4 выполнено центральное отверстие 9, гидравлически соединенное с зазором 8 нижним торцевым каналом 10, при этом зазор 8 связан с верхним торцевым каналом 11, обеспечивающим отвод охлаждающей ведомую полумуфту 4 жидкости обратно в скважину. С целью повышения надежности магнитной муфты 1 в ведущей полумуфте 3 на обеих цилиндрических сторонах и на внешней цилиндрической стороне ведомой 4 полумуфты выполнены выемки 12 с плавными углублениями 13 для установки радиальных подшипников 14 с проточными каналами 15 для свободного прохода охлаждающей жидкости (фиг. 3).
Изобретение по второму варианту отличается от первого отсутствием сепаратора вода-нефть 2, и наличием на его месте пакета насосных, например, центробежных, либо любых других ступеней 16 для отбора скважинной жидкости и прокачки ее по кольцевому зазору 8 между ведомой полумуфтой 4 и защитным экраном 5 магнитной муфты (фиг. 2).
Узел передачи крутящего момента для погружной установки работает следующим образом.
В момент спуска установки в скважину зазор 8, гидравлически связанный посредством каналов 10 и 9 с проточной частью роторного сепаратора в первом варианте исполнения или пакета насосных ступеней во втором варианте исполнения и входным модулем (не показано на фиг.), заполняется скважинной жидкостью. При включении электродвигателя приводится во вращение ведущая полумуфта 3, связанная с валом электродвигателя. Постоянные магниты 6, закрепленные на ведущей полумуфте 3, создают вращающееся магнитное поле, взаимодействующее с постоянными магнитами ведомой полумуфты 4. При этом ведомая полумуфта 4, связанная с валом роторного сепаратора 2 и установленного последовательно добывающего насоса, вовлекается во вращательное движение. Таким образом, осуществляется передача крутящего момента с ведущей полумуфты 3 на ведомую 4 без механического контакта между ними.
В процессе вращения полумуфт 3 и 4 в узких зазорах 7 и 8, заполненных маслом двигателя и скважинной жидкостью соответственно, в результате вязкого трения в жидкости выделяется значительное количество теплоты. Причем мощность тепловыделения тем больше, чем выше вязкость жидкости. Во избежание перегрева магнитов, необходимо обеспечить прокачку жидкости через муфту 1 и удалять лишнее тепло за ее пределы. Эту функцию выполняет сепаратор 2 вода-нефть в первом варианте изобретения, либо пакет насосных ступеней 16 во втором варианте.
В первом варианте исполнения при вращении ведомой полумуфты и связанного с ней вала роторного сепаратора 2 скважинная жидкость (заштрихованные стрелки) поступает внутрь сепаратора 2, где вовлекается в процесс сепарации с разделением фаз разной плотности - более плотной (воды) к периферии устройства и менее плотной (нефти) к оси вращения. Сепарированная вода (контурные стрелки) направляется в центральное отверстие 9 ведомой полумуфты 4 и далее через нижний торцевой канал 10 поступает в кольцевой зазор 8, нагревается при своем движении по зазору 8 в результате вязкого трения между вращающейся с высокой частотой стенкой ведомой полумуфты 4 и неподвижной стенкой защитного экрана 5 и, проходя через проточные каналы 15 в радиальных подшипниках 14, уходит в затруб через торцевой канал 11. Благодаря каналам 15 в подшипниках 14, установленных в выемках 12 с плавными углублениями 13 поток охлаждающей жидкости не испытывает сопротивления своему течению при движении по зазору 8 в месте установки радиальных подшипников 14. Наряду с этим радиальные подшипники 14, служащие опорой для ведущей 3 и ведомой 4 полумуфт, минимизируют вибрацию системы в целом, что также способствует повышению надежности работы муфты при увеличении частоты вращения вала. Таким образом, нагретый в зазоре 8 поток воды уносится за пределы магнитной муфты 1, замещаясь ненагретым. При этом устанавливается постоянная во времени температура магнитов, а также динамическая стабилизация системы, что обеспечивает надежную работу системы в целом.
Во втором варианте исполнения маловязкая скважинная жидкость (черные стрелки) не нуждается в сепарации и закачивается в центральное отверстие 9 ведомой полумуфты 4 магнитной муфты 1 с помощью пакета насосных ступеней 16.
Следует учесть, что при рассмотрении признаков приведенного изобретения, а также примеров его реализации, для специалиста станут очевидными другие конструктивные изменения и модификации. Например, жидкость со стороны насоса может поступать в кольцевой канал между защитным экраном и ведомой полумуфтой, а выходить через центральное отверстие внутри ведомой полумуфты. Также может быть изменено взаимное расположение ведущей и ведомой полумуфт магнитной муфты -ведущая полумуфта может быть выполнена внутренней, а ведомая -внешней. Все подобные изменения, не имеющие расхождения с сущностью настоящего изобретения, следует считать защищенными в рамках формулы изобретения.
Таким образом, использование заявляемой конструкции позволяет надежно передавать крутящий момент при высоких температурах за счет удаления нагретой жидкости за пределы муфты.