Результат интеллектуальной деятельности: ПОГРУЖНОЙ МАСЛОЗАПОЛНЕННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области электрических машин, а именно к конструкции погружного маслозаполненного электродвигателя, предназначенного для привода центробежного насоса для добычи нефти.

Известен погружный маслозаполненный электродвигатель, содержащий статор в корпусе из стальной трубы, ротор с пустотелым валом, головку, основание с размещенным в нем фильтром для очистки масла, узел токоввода, пяту с радиальными отверстиями, установленную на валу (Оборудование для добычи нефти и газа/ В.Н.Ивановский, В.И.Дарищев, А.А.Сабиров и др. Ч.1. М., 2002. С.457-458).

Недостатком электродвигателя является низкая надежность при работе в осложненных температурных условиях из-за высокой вероятности перегрева обмотки статора и пробоя изоляции вследствие малого коэффициента теплоотдачи от двигателя к пластовой жидкости.

Наиболее близким к предлагаемому является погружной маслозаполненный электродвигатель, содержащий статор в корпусе, ротор с пустотелым валом, головку, основание с размещенным в нем фильтром, узел токоввода, маслозаполненную полость, элементы для циркуляции масла, тепловую трубу, испаритель которой расположен в маслозаполненной полости, а конденсатор - вне электродвигателя (Патент №2246164 РФ, Н 02 К 5/10, 2005).

Недостатком известного погружного маслозаполненного электродвигателя является относительно низкая надежность, так как в данной конструкции тепловая труба ориентирована таким образом, что испаритель находится над конденсатором, и теплоносителю приходится преодолевать гравитационный напор при возвращении из конденсатора в испаритель, что значительно снижает передаваемую тепловой трубой тепловую мощность и, как следствие, не позволяет создать высокоэффективную систему охлаждения электродвигателя.

Настоящее изобретение решает задачу повышения эксплуатационной надежности погружного маслозаполненного электродвигателя за счет универсализации его конструкции, обеспечивающей интенсификацию охлаждения при работе в осложненных температурных условиях.

Указанный технический результат достигается тем, что в погружном маслозаполненном электродвигателе, содержащем статор в корпусе, ротор с пустотелым валом, головку, узел токоввода, основание с размещенным в нем фильтром, маслозаполненную полость, элементы для циркуляции масла, тепловую трубу, испаритель которой расположен в маслозаполненной полости, а конденсатор - вне электродвигателя, согласно изобретению маслозаполненная полость расположена в вынесенной за пределы электродвигателя камере, связанной с основанием электродвигателя полым соединительным элементом, внутри элемента с образованием кольцевого зазора установлена центральная труба, верхний конец которой закреплен в основании электродвигателя, а нижний размещен в камере, при этом кольцевой зазор между соединительным элементом и центральной трубой служит нагнетательной линией для поступления масла в верхнюю часть камеры, а отверстие в центральной трубе - всасывающей линией для отвода масла из нижней части камеры.

Кроме того, камера с маслозаполненной полостью снабжена, по крайней мере, двумя тепловыми трубами.

Конденсаторы тепловых труб размещаются выше камеры вокруг полого соединительного элемента, а их испарители - в камере вокруг центральной трубы, что соответствует наиболее благоприятной ориентации тепловых труб «конденсаторы сверху - испарители снизу» и способствует возврату теплоносителя из конденсаторов в испарители за счет гравитационных сил.

Нижний конец центральной трубы размещается в камере не выше испарителей тепловых труб, что обеспечивает обтекание маслом всей поверхности испарителей и улучшает теплообмен в зоне подвода тепла.

Для интенсификации теплообмена за счет поперечного обтекания маслом испарителей тепловых труб, на них и центральную трубу устанавливаются с осевым зазором в чередующемся порядке распределительные перегородки двух типов. Первый тип перегородок насажен на центральную трубу внатяг и образует кольцевой зазор с внутренней стенкой камеры, второй тип перегородок установлен с зазором относительно центральной трубы и вплотную примыкает к стенкам камеры.

На испарителях тепловых труб формируется оребрение, например, в форме шипов, для увеличения поверхности теплообмена в 8-9 раз по сравнению с гладкой трубой.

На конденсаторах тепловых труб могут быть установлены профильные ребра, например, в виде спиральной ленты, обеспечивающие поперечное обтекание труб пластовой жидкостью и повышение эффективности отвода тепла.

При повышенных требованиях к температурному режиму работы погружного маслозаполненного электродвигателя, находящегося в тяжелых условиях эксплуатации, камер с маслозаполненными полостями может быть больше одной, чтобы разместить в них расчетное количество тепловых труб для отвода от электродвигателя выделяемой тепловой мощности.

Вынесение маслозаполненной полости за пределы электродвигателя допускает в ряде случаев возможность замены тепловых труб на более простые в исполнении термосифоны, которые отличаются отсутствием фитиля и в которых возврат теплоносителя в зону испарения обеспечивается только гравитационными силами, для чего испаритель должен всегда находиться ниже конденсатора. Именно это условие выполняется в предлагаемой конструкции погружного маслозаполненного электродвигателя.

На фиг.1 представлен погружной маслозаполненный электродвигатель заявляемой конструкции с присоединенной к основанию камерой с маслозаполненной полостью, общий вид; на фиг.2 - тепловая труба и схема ее работы.

Предлагаемый погружной маслозаполненный электродвигатель состоит из статора 1, корпуса 2, обмотки статора 3, ротора 4, головки 5, основания 6, камеры 7 с маслозаполненной полостью 8.

В состав ротора 4 входят вал 9 с отверстием 10, подшипники и втулки подшипников 11 с радиальными отверстиями для поступления масла в узлы трения и элемент для циркуляции масла, например, в виде винтового насоса 12.

В головке 5 расположены пята 13 с радиальными отверстиями для движения масла, подпятник 14, подшипник с втулкой подшипника 15, узел токоввода 16 и клапан обратный (не показан).

В основании 6 размещены фильтр 17, корпус опоры 18 с осевыми отверстиями 19, подшипник с втулкой подшипника 20. Основание 6 с помощью соединительного элемента 21 и центральной трубы 22 соединено с камерой 7. В камере 7 вмонтированы тепловые трубы 23, количество которых определяется расчетным путем исходя из величины тепловой мощности, выделяемой электродвигателем, и мощности, отводимой одной тепловой трубой.

Каждая тепловая труба 23 представляет собой герметичную металлическую трубку 24, к внутренней стенке которой прикреплен фитиль 25, пропитанный теплоносителем, а свободное пространство внутри металлической трубки 24 служит паровым каналом 26 (фиг.2).

Тепловая труба 23 состоит из испарителя 27 и конденсатора 28. Испарители 27 размещены в маслозаполненной полости 8 камеры 7 вокруг центральной трубы 22, конец которой находится не выше испарителей 27. Конденсаторы 28 распределены вокруг полого соединительного элемента 21 между камерой 7 и основанием 6.

На испарителе 27 выполнено оребрение 29 (фиг.2), например, в виде шипов, а конденсатор 28 снабжен профильными ребрами 30, например, в виде спиральной ленты. На фиг.1 профильное ребро 30 одновременно охватывает все конденсаторы 28, но возможен вариант с индивидуальным профильным ребром на каждом конденсаторе 28.

На центральной трубе 22 и испарителях 27 установлены горизонтальные перегородки 31, образующие кольцевые зазоры 33 со стенкой камеры 7, и перегородки 32, размещенные между перегородками 31 и имеющие кольцевой зазор 34 относительно центральной трубой 22. Площади поперечного сечения кольцевых зазоров 33, 34 и центральной трубы 22 выполнены соизмеримыми.

Погружной маслозаполненный электродвигатель работает следующим образом.

Установку электрического центробежного насоса, в состав которого входит заявляемый электродвигатель, спускают в скважину на заданную глубину. В скважине происходит нагрев через корпус 2, головку 5, основание 6 и стенку камеры 7 всех металлических и неметаллических частей электродвигателя, в том числе трансформаторного масла в полости 8 и тепловых труб 23, до температуры пластовой жидкости T₁. При равномерном прогреве тепловых труб 23 между их испарителями 27 и конденсаторами 28 отсутствует температурный напор и тепловые трубы не функционируют.

После включения электродвигателя трансформаторное масло, циркулирующее внутри него по замкнутому контуру, включающему камеру 7, нагревается до температуры Т₂ вследствие тепловыделений в обмотке статора 3, роторе 4, узле токоввода 16, подшипниках и втулках подшипников 11, 15, 20. До этой же температуры Т₂ нагреваются испарители 27, находящиеся в маслозаполненной полости 8, в то время как конденсаторы 28, омываемые пластовой жидкостью, остаются при температуре T₁. Возникновение температурного напора ΔT=T₂-Т₁ между испарителями 27 и конденсаторами 28 переводит тепловые трубы 23 в рабочий режим.

Теплоноситель, насыщающий фитиль 25 испарителя 27, закипает и испаряется. При этом у масла, находящегося в полости 8 камеры 7 и омывающего испарители 27, отнимается тепло, соответствующее теплоте парообразования теплоносителя, и оно охлаждается. Оребрение 29 повышает интенсивность теплообмена между маслом и испарителями 27.

Образовавшиеся пары теплоносителя попадают в паровой канал 26, по которому движутся вверх в область с более низким давлением пара, находящуюся в более холодном конденсаторе 28 с температурой T₁. Здесь пары конденсируются, и образовавшийся жидкий теплоноситель впитывается в поры фитиля 25. Высвобождаемая при этом скрытая теплота конденсации теплоносителя передается через стенку металлической трубы 24 конденсатора 28 к пластовой жидкости. Профильные ребра 30 турбулизируют поток пластовой жидкости в межреберном пространстве, чем улучшают теплосъем с конденсаторов 28.

Теплоноситель, впитавшийся в поры фитиля 25 в конденсаторе 28, под действием капиллярных сил, а также сил тяжести, добавляющихся благодаря оптимальной ориентации тепловых труб 23, возвращается по порам фитиля 25 в испаритель 27, где вновь испаряется.

Тепловые трубы 23 работают на принципе замкнутого испарительно-конденсационного цикла и непрерывно переносят тепло от испарителей 27, находящихся в маслозаполненной полости 8 камеры 7, к конденсаторам 28, расположенным в пластовой жидкости выше камеры 7. Трансформаторное масло с температурой Т₂ является источником тепла, а пластовая жидкость с температурой T₁ служит приемником тепла. Тепловые трубы 23 отводят тепло от трансформаторного масла и понижают его температуру с очень высокой скоростью, которая обеспечивается за счет циркуляции теплоносителя при высокой скорости пара и высокой теплоты парообразования и конденсации его.

Охлаждаемое тепловыми трубами 23 масло движется в камере 7 под действием давления, развиваемого винтовым насосом 12, который вращается на валу 9. Установленные в камере 7 перегородки 31, 32 образуют с центральной трубой 22 и стенкой камеры 7 кольцевые зазоры 33, 34, через которые поочередно проходит траектория движения масла, что обеспечивает поперечное обтекание испарителей 27 потоком масла и интенсифицирует от них отвод тепла. Далее масло попадает в центральную трубу 22 и проходит в отверстие 10 вала 9. При движении внутри вала 9 масло забирает тепло и охлаждает внутреннюю область ротора 4, одновременно снимая тепло, выделяющееся при трении в подшипниках и втулках подшипников 11, 15, 20. На выходе из отверстия 10 вала 9 поток масла поворачивается на 90° и движется через радиальные отверстия в пяте 13, служащей турбинкой для циркуляции масла. Затем масло еще раз изменяет свою траекторию на 90° и попадает в зазор между валом 9 и головкой 5, охлаждает последнюю, нагревающуюся от тепловыделений в узле токоввода 16.

Наконец масло попадает в зазор между статором 1 и ротором 4, где происходят наибольшие тепловыделения от обмотки статора 3, и забирает тепло от указанных частей электродвигателя. Нагретое до температуры чуть ниже T₂, масло достигает винтового насоса 12, приобретает дополнительный напор, и последовательно проходя сквозь осевые отверстия 19 в корпусе опоры 18 и кольцевой зазор между основанием 6 и корпусом 18, попадает на фильтр 17, где очищается от взвешенных частиц. Затем масло течет по радиальному зазору между соединительным элементом 21 и центральной трубой 22 и вновь поступает в маслозаполненную полость 8. Обтекая испарители 27 тепловых труб 23, масло снова отдает им тепло и охлаждается.

Процесс охлаждения масла продолжается до тех пор, пока его температура остается выше температуры пластовой жидкости. При выравнивании этих температур перенос тепла от испарителей к конденсаторам прекращается и тепловые трубы перестают функционировать. Процесс теплопереноса возобновляется при последующем перегреве масла и возникновении градиента температур между испарителями и конденсаторами. Высокая эффективность охлаждения трансформаторного масла тепловыми трубами при принятой их ориентации «конденсатор вверху - испаритель внизу» в погружном маслозаполненном электродвигателе предотвращает перегрев и термодеструкцию масла, что повышает надежность электродвигателя и всей установки электроцентробежного насоса.