Патент на изобретение №2295190

(54) ПОГРУЖНОЙ МАСЛОЗАПОЛНЕННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к конструкции погружных маслозаполненных электродвигателей, применяемых в качестве привода центробежных насосов для добычи нефти. Технический результат заключается в повышении эксплуатационной надежности за счет интенсификации охлаждения электродвигателя. Погружной маслозаполненной электродвигатель содержит статор в корпусе, ротор с пустотелым валом, головку, узел токоввода, основание с размещенным в нем фильтром, маслозаполненную полость в основании, элементы для циркуляции масла, тепловые трубы, Испарительные части тепловых труб расположены внутри маслозаполненной полости, адиабатические – в стенке, окружающей маслозаполненную полость, конденсаторные – вне маслозаполненной полости. Маслозаполненная полость размещена в камере, вынесенной под основание и имеющей диаметр меньше диаметра основания, внутри камеры установлена центральная труба, верхний конец которой закреплен в основании электродвигателя, а нижний выведен в нижнюю часть камеры, Тепловые трубы ориентированы в аксиальных плоскостях камеры под углом к ее оси, при этом их адиабатические части закреплены в боковой стенке камеры, а конденсаторные части расположены выше испарительных частей, находящихся в кольцевом зазоре между стенкой камеры и центральной трубой. 3 ил.

Изобретение относится к конструкции погружных маслозаполненных электродвигателей, применяемых в качестве привода центробежных насосов для добычи нефти.

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

В известном электродвигателе охлаждение осуществляется за счет теплопередачи от гладкой поверхности корпуса к пластовой жидкости, что не достаточно эффективно. Следствием этого является перегрев электродвигателя в процессе работы, вызывающий пробой и снижение изоляции.

Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности погружной маслозаполненный электродвигатель, содержащий статор в корпусе, ротор с пустотелым валом, головку, узел токоввода, основание с размещенным в нем фильтром, элементы для циркуляции масла, маслозаполненную полость в основании, тепловые трубы, испарительные части которых расположены в маслозаполненной полости, адиабатические части – в стенке, окружающей маслозаполненную полость, а конденсаторные части – вне маслозаполненной полости (Патент №2246164 РФ, Н 02 K 5/10, 2005).

В данной конструкции тепловые трубы, закрепленные на торце основания, ориентированы таким образом, что их испарительные части находятся над конденсаторными частями, а оси параллельны оси электродвигателя. Вследствие первого теплоносителю в тепловых трубах приходится преодолевать гравитационный напор при возвращении из конденсаторной в испарительную часть, что приводит к значительному снижению передаваемой тепловыми трубами тепловой мощности. Следствием второго является продольное обтекание маслом и пластовой жидкостью испарительных и конденсаторных частей тепловых труб, ухудшающее теплообмен в зоне подвода и отвода тепла.

Результатом неоптимальной ориентации тепловых труб является недостаточная степень охлаждения погружного электродвигателя.

Настоящее изобретение направлено на повышение эксплуатационной надежности погружного маслозаполненного электродвигателя за счет интенсификации его охлаждения.

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 в основании, элементы для циркуляции масла, тепловые трубы, испарительные части которых расположены внутри маслозаполненной полости, адиабатические – в стенке, окружающей маслозаполненную полость, конденсаторные – вне маслозаполненной полости, согласно изобретению маслозаполненная полость размещена в камере, вынесенной под основание и имеющей диаметр меньше диаметра основания, внутри камеры установлена центральная труба, верхний конец которой закреплен в основании электродвигателя, а нижний выведен в нижнюю часть камеры, тепловые трубы ориентированы в аксиальных плоскостях камеры под углом к ее оси, при этом их адиабатические части закреплены в боковой стенке камеры, а конденсаторные части расположены выше испарительных частей, находящихся в кольцевом зазоре между стенкой камеры и центральной трубой.

Для предохранения тепловых труб от контакта с эксплуатационной колонной при спуско-подъемных операциях их конденсаторные части не должны выступать за пределы основания, при этом диаметр основания d_осн., наружный диаметр камеры d_{кам.нар.}, длина конденсаторной части l_конд. и угол ее наклона к оси камеры связаны соотношением:

Аналогичное соотношение должно выполняться между диаметром центральной трубы d_ц.т., внутренним диаметром камеры d_кам.вн., длиной испарительной части l_исп. и углом ее наклона к оси камеры:

В погружном маслозаполненном электродвигателе оси тепловых труб могут иметь форму ломаной линии и состоять из трех отрезков, соответствующих испарительной, адиабатической и конденсаторной частям, при этом также должны выполняться соотношения (1, 2).

При вынесение маслозаполненной полости в отдельную камеру с центральной трубой образуется контур для движения масла: основание электродвигателя – кольцевой зазор между стенкой камеры и центральной трубой – отверстие в центральной трубе – основание электродвигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен погружной маслозаполненный электродвигатель с прямолинейными тепловыми трубами согласно изобретению, общий вид; на фиг.2 – фрагмент камеры с криволинейной тепловой трубой; на фиг.3 – схема работы тепловой трубы.

Предлагаемый погружной маслозаполненный электродвигатель состоит из статора 1, корпуса 2, обмотки статора 3, ротора 4, головки 5, основания 6, камеры 7 (фиг.1).

В состав ротора 4 входит вал 8 с осевым отверстием 9 и радиальными отверстиями 10 для подачи масла в подшипники 11, винтовой насос 12 для принудительной циркуляции масла в электродвигателе. В головке 5 на валу 8 расположена пята 13 с радиальными отверстиями 14, подпятник 15, подшипник 16, узел токоввода 17.

В основании 6 размещены фильтр 18, корпус опоры 19 с осевыми отверстиями 20, подшипник 21. К основанию 6 присоединена камера 7 с маслозаполненной полостью 22. В корпусе опоры 19 вмонтирована центральная труба 23, нижний конец которой выведен в нижнюю часть камеры 7.

В боковой стенке камеры 7 установлены тепловые трубы 24, при этом крепление осуществляется по их адибатической части 25. Испарительные части 26 находятся в маслозаполненной полости 22 камеры 7 вокруг центральной трубы 23 выше нижнего конца последней. Конденсаторные части 27 расположены вне камеры 7 и контактируют с пластовой жидкостью (фиг.1, 2).

Количество одновременно устанавливаемых в камере 7 тепловых труб 24 определяется исходя из необходимости отвода заданной тепловой мощности от электродвигателя и теплоотводящей способности одной тепловой трубы.

Тепловая труба 24 представляет собой герметичную тонкостенную металлическую трубку 28, на внутренней стенке размещен фитиль 29, пропитанный теплоносителем, например, водой. Оставшееся свободное пространство внутри тепловой трубы 24 является паровым каналом 30 (фиг.3).

Погружной маслозаполненный электродвигатель работает следующим образом.

Установку электрического центробежного насоса с заявляемым электродвигателем спускают в скважину. По мере увеличения глубины спуска металлические и неметаллические части электродвигателя равномерно нагреваются через корпус 2, головку 5, основание 6 и камеру 7 до температуры окружающей его пластовой жидкости Т_пл.ж., в том числе трансформаторное масло в маслозаполненной полости 22 и тепловые трубы 24. При равномерном прогреве между испарительными 26 и конденсаторными 27 частями отсутствует температурный напор и тепловые трубы 24 не функционируют.

После включения электродвигателя циркулирующее внутри него по замкнутому контуру масло нагревается до температуры Т_мас. из-за выделений тепла в обмотке статора 3, роторе 4, узле токоввода 17, подшипниках 11, 16, 21.

Испарительные части 26 тепловых труб 24, омываемые маслом в камере 7, также нагреваются до температуры Т_мас., тогда как конденсаторные части 27, находящиеся в потоке пластовой жидкости, остаются при исходной температуре Т_пл.ж.. Между испарительными 26 и конденсаторными 27 частями возникникает температурный напор, переводящий тепловые трубы 24 в рабочий режим.

Это сопровождается закипанием и испарением теплоносителя, насыщающего фитиль 29 в испарительных частях 26 тепловых труб 24 и повышением давления пара в паровых каналах в этих частях труб. При этом у масла, омывающего испарительные части 26, отнимается тепло, соответствующее теплоте парообразования теплоносителя, и происходит охлаждение масла. Пары теплоносителя, попавшие в паровой канал 30, движутся по нему вверх и, минуя адибатические части 25, попадают в более холодную конденсаторную часть 27 с температурой Т_пл.ж., где давление пара имеет более низкое значение. Здесь происходит конденсация паров и впитывание образовавшегося жидкого теплоносителя в поры фитиля 29. Высвобождаемая при этом скрытая теплота конденсации теплоносителя передается через стенку металлической трубы 28 к пластовой жидкости и уносится ею. Впитавшийся теплоноситель под действием сил тяжести и капиллярных сил возвращается по порам фитиля 29 из конденсаторной части 27 в испарительную часть 26, где вновь испаряется.

Тепловые трубы 24 работают на принципе замкнутого испарительно-конденсационного цикла и тепло в них непрерывно переносится от испарительных частей 26 к конденсаторным частям 27.

Тепловые трубы 24 отводят тепло от масла к пластовой жидкости и понижают его температуру с очень высокой скоростью, обеспечиваемой за счет циркуляции теплоносителя при высокой скорости пара и высокой теплоты парообразования и конденсации его.

Охлаждаемое тепловыми трубами 24 масло движется из верхней в нижнюю часть камеры 7 за счет напора, создаваемого винтовым насосом 12. Далее масло заходит в отверстие в нижней части центральной трубы 23 и, пройдя через него, попадает в отверстие 9 вала 8 в нижней части основания 6.

Двигаясь внутри вала 8, масло отбирает тепло от внутренней области ротора 4 и тепло, выделяемое при трении в подшипниках 21, 11, 16.

Затем масло движется через радиальные отверстия 14 пяты 13, которая служит дополнительной турбинкой для циркуляции масла. После этого масло попадает в зазор между валом 8 и головкой 5 и охлаждает последнюю, нагревающуюся от тепловыделений в узле токоввода 17.

Наконец масло попадает в зазор между статором 1 и ротором 4, где происходит наибольшее тепловыделение от обмотки статора 3, и забирает от них тепло.

При движении по замкнутому контуру электродвигателя масло вновь нагревается, однако его температура становится несколько меньше Т_мас., так как часть тепла была передана от него тепловыми трубами 24 к пластовой жидкости.

При достижении винтового насоса 12 масло приобретает дополнительный напор, и последовательно пройдя отверстия 20 в корпусе опоры 19 и масляный фильтр 18, вновь попадает в зазор между центральной трубой 23 и боковой стенкой камеры 7, где при смывании испарительных частей 26 тепловых труб 24 снова отдает им тепло и охлаждается.

Охлаждение масла продолжается до тех пор, пока его температура остается выше температуры пластовой жидкости на 10-15°С. При дальнейшем уменьшении температурного напора перенос тепла от испарительных к конденсаторным частям прекращается. Процесс теплопереноса возобновляется при последующем перегреве масла относительно пластовой жидкости на указанную величину.

Размещение тепловых труб в боковой стенке камеры, вынесенной за пределы основания электродвигателя, под углом к ее оси при расположении конденсаторных частей над испарительными частями обеспечивает их продольно-поперечное обтекание теплообменивающимися средами и высокую эффективность охлаждения масла. Это предотвращает перегрев и термодеструкцию масла и повышает надежность погружного маслозаполненного электродвигателя.

Формула изобретения

Погружной маслозаполненный электродвигатель, содержащий статор в корпусе, ротор с пустотелым валом, головку, узел токоввода, основание с размещенным в нем фильтром, маслозаполненную полость в основании, элементы для циркуляции масла, тепловые трубы, испарительные части которых расположены внутри маслозаполненной полости, адиабатические – в стенке, окружающей маслозаполненную полость, конденсаторные – вне маслозаполненной полости, отличающийся тем, что маслозаполненная полость размещена в камере, вынесенной под основание и имеющей диаметр меньше диаметра основания, внутри камеры установлена центральная труба, верхний конец которой закреплен в основании электродвигателя, а нижний выведен в нижнюю часть камеры, тепловые трубы ориентированы в аксиальных плоскостях камеры под углом к ее оси, при этом их адиабатические части закреплены в боковой стенке камеры, а конденсаторные части расположены выше испарительных частей, находящихся в кольцевом зазоре между стенкой камеры и центральной трубой.

РИСУНКИ