ПОГРУЖНОЙ МАСЛОЗАПОЛНЕННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к конструкции погружных маслозаполненных электродвигателей, предназначенных для привода центробежных насосов для добычи нефти.

Известен герметичный электродвигатель, состоящий из статора с ротором, установленных в наполненной маслом охладительной камере с рубашкой водяного охлаждения и патрубками для подвода и отвода воды, цилиндрической ванны, закрепленной на валу ротора и охватывающей охладительную камеру, крыльчатки, размещенной на валу в пределах охладительной камеры, герметичного корпуса (а.с. СССР №1226572, МКИ Н 02 К 5/10, 1986).

Недостатком данной конструкции является необходимость использования для ее работы автономной системы охлаждения, что в условиях глубоких скважин организовать нереально. Кроме того, размеры скважины естественным образом ограничивают радиальные габариты электродвигателя, исключая тем самым возможность выполнения развитой теплопередающей поверхности на стенке охладительной камеры и герметичного корпуса. В отсутствии эффективной системы теплообмена применять рассмотренную конструкцию для погружных электродвигателей большой мощности со значительным тепловыделением не представляется возможным.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является погружной маслозаполненный электродвигатель, содержащий статор в корпусе из стальной трубы, ротор с пустотелым валом, головку, основание с размещенным в его полости фильтром для очистки масла, узел токоввода, пяту с радиальными отверстиями, установленную на валу (Ивановский В.Н., Дарищев В.И., Сабиров А.А. и др. / Оборудование для добычи нефти и газа. / Ч.1. C.457, 458).

Масло внутри двигателя циркулирует из полости фильтра по внутреннему отверстию в валу через отверстия в пяте, выполняющей роль турбинки для создания движения масла, затем направляется для смазки радиальных подшипников, откуда попадает в зазор между статором и ротором и возвращается к фильтру. Циркулирующее масло нагревается из-за тепловыделений в электродвигателе и передает тепло статору и через железо и корпус статора - омывающему электродвигатель снаружи пластовому флюиду.

Недостатком такого электродвигателя является низкая эксплутационная надежность, связанная с отсутствием эффективной системы охлаждения. Передача тепла в радиальном направлении от постоянно нагревающегося масла к статору и от корпуса статора к охлаждающему пластовому флюиду происходит через малые активные поверхности, равные площади поверхности гладких труб. Конструктивные особенности не позволяют увеличить площадь поверхности статора, контактирующей с маслом. Нецелесообразно также развитие наружной поверхности корпуса статора из-за последующей необходимости изменения габаритов используемых для корпусов труб. К тому же оребрение на корпусе будет недолговечным из-за покрытия смесью песка с вязкими примесями, содержащимися в пластовом флюиде.

Настоящее изобретение решает задачу повышения эксплуатационной надежности погружного маслозаполненного электродвигателя за счет охлаждения циркулирующего в нем масла и стабилизации его температуры на уровне, близком к температуре пластового флюида, омывающего электродвигатель снаружи.

Указанный технический результат достигается тем, что в погружном маслозаполненном электродвигателе, содержащем статор в корпусе, ротор с пустотелым валом, головку, основание с размещенным в нем фильтром, узел токоввода, свободную полость, заполненную маслом, и элементы для циркуляции масла, дополнительно установлена тепловая труба, испарительная часть которой расположена в маслозаполненной полости, а конденсаторная часть - вне электродвигателя.

Конструктивные особенности погружных электродвигателей предусматривают размещение маслозаполненной полости либо в основании, либо в корпусе, либо в головке, соответственно испарительная часть тепловой трубы может помещаться в одной из перечисленных зон или в нескольких зонах одновременно при комбинированной схеме расположения труб.

В то же время конструкция погружного электродвигателя не влияет на место расположения конденсаторной части тепловой трубы, которая всегда находится снаружи электродвигателя, а именно в омывающем его пластовом флюиде, температура которого всегда ниже, чем температура масла.

Кроме того, на валу ротора дополнительно может быть установлено рабочее колесо, предназначенное для увеличения скорости циркуляции масла.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен погружной маслозаполненный электродвигатель с тепловой трубой - общий вид; на фиг.2 - схема работы тепловой трубы.

Предлагаемый погружной маслозаполненный электродвигатель состоит из статора 1, корпуса 2, обмотки статора 3, ротора 4, в состав которого входят вал 5 с отверстием 6, подшипники и втулки подшипников 7 с радиальными отверстиями для поступления масла в узлы трения, рабочего колеса 8, служащего для создания принудительной циркуляции масла в замкнутом контуре, головки 9, в которой расположены пята 10 с радиальными отверстиями, выполняющая роль турбинки для обеспечения движения масла, подпятник 11, втулка подшипника и подшипник 12, узел токоввода 13 и клапан обратный (не показан), основания 14, в котором размещены фильтр 15, перепускной и обратный клапаны (не показаны), защитный кожух 16 и тепловая труба 17, испарительный участок которой расположен в маслозаполненной полости 18, а конденсаторный участок - вне электродвигателя.

Тепловая труба 17 представляет собой герметичную металлическую трубу 19, к внутренним стенкам которой прикреплен фитиль 20 из капиллярно-пористого материала, пропитанный рабочей жидкостью - теплоносителем. Объем внутри тепловой трубы 17, свободный от фитиля 20, является паровым каналом 21. Тепловая труба 17 состоит из испарительного участка 22, адиабатического участка 23 и конденсаторного участка 24. Наружная поверхность испарительного или конденсаторного участка тепловой трубы может быть снабжена оребрением 25 для улучшения внешнего теплообмена.

Испарительный участок тепловой трубы располагается в зоне подвода тепла, конденсаторный участок - в зоне отвода тепла, а адиабатический - в металлической стенке, разделяющей зоны подвода и отвода тепла. Металлическая стенка служит одновременно для крепления тепловой трубы и находится в основании или корпусе статора или головке.

На выбор теплоносителя и материалов для фитиля и корпуса тепловой трубы, а также параметров оребрения влияют условия работы погружного электродвигателя: допустимые температура и давление масла, температура и химический состав пластовой жидкости, уровень подводимых тепловых потоков, наличие ударов и вибраций.

Функция тепловой трубы заключается в охлаждении и стабилизации температуры масла, заполняющего свободные полости погружного электродвигателя. Это обеспечивается за счет интенсивного переноса тепла от испарительного участка тепловой трубы, находящегося в циркулирующем в полости электродвигателя масле, к конденсаторному участку, который находится вне электродвигателя - в пластовой жидкости. При этом вследствие происходящих при работе погружного электродвигателя выделений тепла температура находящегося внутри его масла всегда выше температуры пластовой жидкости, омывающей его снаружи.

Тепловая труба, работающая на принципе замкнутого испарительно-конденсационного цикла, характеризуется высокой эффективной теплопроводностью, что и позволяет передавать с ее помощью теплоту на значительное расстояние при малом перепаде температур между источником и приемником тепла.

Устройство работает следующим образом.

При спуске погружного маслозаполненного электродвигателя на заданную глубину в скважину происходит постепенный нагрев всех его частей до температуры Т₁ окружающего пластового флюида, в том числе трансформаторного масла, заполняющего свободную полость 18, а также тепловой трубы 17. При проведении этой операции защитный кожух 16 предохраняет конденсаторный участок 24 тепловой трубы 17 от механического повреждения. После включения и дальнейшей работы погружного электродвигателя масло дополнительно нагревается до температуры Т₂ вследствие тепловыделений в роторе 4, обмотке статора 3, подшипниках и втулках подшипников 7, 12 и узле токоввода 13. Соответственно до температуры Т₂ разогревается испарительный участок 22 тепловой трубы 17, находящийся в маслозаполненной полости 18 в основании 14, тогда как конденсаторный участок 24 остается при температуре T₁ пластового флюида.

Создание температурного напора ΔТ=Т₂-T₁ между испарительной 22 и конденсаторной 24 частью приводит к включению в работу тепловой трубы 17. Теплоноситель испаряется из пор фитиля 20 испарительного участка 22 тепловой трубы 17 в паровой канал 21, при этом у масла отнимается тепло, соответствующее теплоте парообразования рабочей жидкости, и происходит его охлаждение. За счет повышения давления пара в испарительной части 22 тепловой трубы 17 пар в паровом канале 21 движется от нагретого участка с температурой Т₂ к конденсаторному участку 24 с более низким давлением пара и температурой T₁.

При охлаждении пар конденсируется и вновь образуется рабочая жидкость, при этом высвобождается ее скрытая теплота конденсации, которая передается пластовому флюиду через металлическую трубу 19. Рабочая жидкость впитывается в поры фитиля 20 в конденсаторном участке 24 и под действием капиллярных сил возвращается по порам фитиля 20 в испарительный участок 22, где вновь испаряется.

Принцип замкнутого испарительно-конденсаторного цикла, на основе которого работает тепловая труба 17, позволяет осуществлять непрерывный перенос тепла от испарительного участка 22, находящегося в трансформаторном масле, к конденсаторному участку 24, расположенному вне погружного электродвигателя - в потоке пластового флюида.

Тепловая труба отводит тепло от трансформаторного масла и соответственно понижает его температуру с высокой скоростью, достигаемой за счет циркуляции теплоносителя при высокой скорости пара и благодаря высокой теплоте парообразования и конденсации его.

При переносе тепла теплопотери на адиабатическом участке 23, расположенном в стенке основания 14, являются незначительными, так как в тепловой трубе скорость радиального рассеивания тепла на несколько порядков ниже осевой скорости теплопередачи.

Охлаждаемое тепловой трубой 17 трансформаторное масло всасывается рабочим колесом 8 из полости фильтра 15 и нагнетается в отверстие 6 вала 5 ротора 4. При перемещении внутри вала 5 масло забирает у него тепло, охлаждая при этом не только вал 5, но и внутреннюю область ротора 4. На выходе из пустотелого вала 5 поток масла поворачивается на 90° и движется через радиально направленные отверстия в пяте 10, служащей турбинкой для циркуляции масла. Одновременно масло смазывает подшипники и втулки подшипника 7, 12 и снимает выделяющееся при трении тепло. Далее масло попадает в зазор между валом 5 и головкой 9, затем проходит через зазор между разогретыми ротором 4 и статором 1, где происходит наиболее интенсивный нагрев масла выделяющимся при работе электродвигателя теплом, и охлаждает перечисленные узлы.

Завершая движение по замкнутому контуру, нагревшееся масло проходит через фильтр 15, где очищается от взвешенных частиц. Затем масло попадает во внутреннюю полость фильтра 15, где, омывая испарительную часть 22 тепловой трубы 17, вновь передает ей тепло и охлаждается.

Циркуляционный процесс охлаждения масла продолжается до тех пор, пока его температура Т₂ остается выше температуры T₁ - пластовой жидкости. При выравнивании этих температур процесс переноса тепла от испарительного участка 22 к конденсаторному 24 прекращается и тепловая труба 17 перестает функционировать. При последующем перегреве масла труба 17 вновь начинает работать и так далее.

Приведенная в примере схема установки испарительного участка тепловой трубы в полости фильтра 15 основания 14 не является единственно возможной, хотя и отличается компактностью и простотой конструктивного исполнения.

Работоспособной является установка испарительного участка тепловой трубы в маслозаполненной полости корпуса 2 или головки 9 электродвигателя, а также в других термонагруженных узлах, например в токовводе, являющемся одним из наиболее уязвимых узлов в конструкции электродвигателя.

Тепловые трубы при меньшем весе, тех же размерах и разности температур на их концах передают тепла в сотни раз больше, чем сплошные стержни из высокотеплопроводных материалов, например из меди или серебра.

Количество одновременно устанавливаемых тепловых труб и их расположение определяются мощностью погружного электродвигателя, количеством секций в нем, температурой и скоростью движения пластового флюида, предельно допустимой температурой масла и скоростью его течения в электродвигателе.

Охлаждение трансформаторного масла с помощью тепловой трубы предотвращает его перегрев и деструкцию, что в конечном счете повышает эксплуатационную надежность погружного маслозаполненного электродвигателя.