Устройство для гидравлической защиты погружного маслонаполненного электродвигателя

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано в конструкциях гидрозащиты погружных маслонаполненных электродвигателей, предназначенных для привода насосов добычи нефти газа, работающих при больших диапазонах изменения давления и температуры окну" дающей среды, в том числе в глубинных скважинах. Задача полезной модели - повышение надежности и долговечности гидрозащиты погружного электродвигателя при эксплуатации его в условиях скоростных изменении давления и температур, предпочтительно, в глубинных нефтяных и газовых скважинах, путем использования защитных элементов в местах контакта диафрагм с острыми кромками прилегающих к ним деталей с отверстиями в них, а также путем повышения масло - и химической стойкости материала диафрагм, защитных элементов и бандажных колец улучшенной конструкции. Сущность предлагаемого решения состоит в том, что устройство для гидрозащиты погружного электродвигателя, содержит корпус, вал, торцевые уплотнения, камеры, с размещенными в них гибких диафрагмами, закрепленными обеими горловинами на опорах, клапан сброса давления и маслоподводящие и отводящие отверстия в опорах. Новизна полезной модели - в установке защитных элементов в виде гибких, эластичных, демфирующих колец, коаксиально установленных с обоих торцов внутри каждой диафрагмы с образованием свободных участков, размещенных в рабочей зоне диафрагмы и устраняющих непосредственный контакт диафрагм с острыми кромками опор. Оптимизирована толщина стенки свободных участков и длина защитных элементов, а также материал, из которого изготовлены диафрагмы, занятные элементы и бандажные кольца. В качестве эластичного, масло - и химическистойкого материала может быть взята композиционная резина, стойкая к скоростным изменениям давления, например, резина бессерной вулканизации марки РС-26 н.

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано в конструкциях гидрозащиты погружных маслонаполненных электродвигателей, предназначеных для привода насосов добычи нефти и газа, работающих в том числе в глубинных, до 4-х километров, скважинах.

В связи с промышленной разработкой все более глубоких скважин предъявляются новые требования к конструкции погружных центробежных установок, в том числе и электродвигателей, мacca и радиальные размеры которых должны быть минимальными, а мощность увеличенной, поскольку увеличивается высота подъема продукта из скважины. Kромe того в таких глубинных скважинах возможно возникновение гидроударов в системе, приводящих к разрыву диафрагм протекторов или компенсаторов устройств гидрозащиты, поэтому важна установка специальных защитных элементов, предотвращающих разрыв диафрагмы и попадание пластовой жидкости в электродвигатель.

Уже известно устройство для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, состоящее из гидравлического компенсатора, размещенного в нижней части электродвигателя, и протектора, установленного в его верхней части, и содержащего вал с последовательно установленными на нем верхним, средним и нижним торцовыми уплотнениями и основную эластичную диафрагму, размещенную после нижнего торцового уплотнения в полости, сообщающейся с полостью электродвигателя, а также дополнительную эластичную диафрагму, размещенную между средним и нижним торцовыми уплотнениями, причем внутренняя полость дополнительной диафрагмы сообщается с внешней полостью основной диафрагмы и внешняя полость дополнительной диафрагмы сообщается с полостью между верхним и средним торцовыми уплотнениями. / Патент РФ №2031514, Н 02 К 5/10, H 02 K 5/12, опубл. 1995 г./

Указанное техническое решение позволяет повысить надежность и долговечность устройства гидрозащиты и электродвигателя в целом, поскольку последовательное дублирование эластичных

диафрагм и торцовых уплотнений увеличивает время работы нижнего торцового уплотнения в среде чистого масла. Проникновение пластовой жидкости, в которой присутствуют механические примеси, через верхнее торцовое уплотнение также невозможно в данном известном решении, так как мигрированию пластовой жидкости по валу к нижнему торцовому уплотнению препятствует дополнительная диафрагма совместно со средним торцовым уплотнением.

Однако возможен разрыв эластичной диафрагмы в случае возникновения гидравлического удара в системе или выхода из строя верхнего торцового уплотнения, находящегося в наиболее тяжелых условиях работы из-за непосредственного контакта с механическими примесями пластовой жидкости.

Известно также устройство для гидравлической защиты погружного маслонаполненного электродвигателя, состоящее из вала, корпуса, торцовых уплотнений, камер, с размещенными в них гибкими диафрагмами, сбрасывающего клапана, выполненного в виде двух браслетных пружинок и распорного кольца из эластичного материала, установленного между этими пружинками. / Свидетельство РФ на полезную модель №26702, Н 02 К 5/12, опубл. 2002 г. /

На чертеже к указанному свидетельству показано крепление диафрагмы обеими горловинами на опорах, а также выполнение маслоподводящего и маслоотводящего отверстий в ниппеле.

Указанное техническое решение может содержать как протектор вместе с гидравлическим компенсатором, так и один протектор, или один компенсатор, поскольку во всех вариантах исполнения это известное устройство содержит камеры, с размещенными в них гибкими диафрагмами, наряду с выше указанными признаками.

Это техническое решение взято за прототип.

Упругое крепление горловины диафрагмы на опоре при помощи браслетных пружин в какой-то степени, конечно, защищает эластичную диафрагму от разрыва при небольших перепадах давления, однако не при эксплуатации устройства в глубинных скважинах как при добыче нефти, так и газа.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности и долговечности гидрозащиты погружного маслонаполненного электродвигателя при эксплуатации его в условиях скоростных изменений давления и температур, предпочтительно, в глубинных нефтяных и газовых скважинах, путем использования

защитных элементов в местах контакта диафрагм с острыми кромками прилегающих к ним опорных деталей с отверстиями в них, а также путем повышения масло- и химической стойкости материала диафрагм, защитных элементов и бандажных колец.

Для решения поставленной задачи с достижением заявляемого технического результата известное устройство для гидравлической защиты погружного маслонаполненного электродвигателя, содержащее вал, корпус, торцовые уплотнения, камеры, с размещенными в них гибкими диафрагмами, закреплеными обеими горловинами на опорах, клапан сброса давления, маслоподводящие и маслоотводящие отверстия в опорах, согласно предлагаемой полезной модели, устройство дополнительно снабжено защитными элементами в виде гибких цилиндрических демпфирующих колец, коаксиально установленных с обоих торцов внутри каждой диафрагмы с образованием свободных участков этих колец, размещенных в рабочей зоне диафрагмы с зазором от ее внутренней поверхности, и опорных участков этих колец, размещенных с примыканием к внутренним полостям горловин диафрагмы в зонах их крепежных опор, причем свободные участки колец установлены с возможностью деформации до примыкания к торцам крепежных опор и к внутренней поверхности рабочей зоны диафрагмы; образующие опорного и свободного участков цилиндрических колец сопряжены между собой в зоне изгиба горловин диафрагмы с образованием сужения наружного диаметра опорного участка кольца; внешние торцы опорных участков колец снабжены стопорными буртами, примыкающими к внешним торцам горловин диафрагмы; крепление диафрагмы с защитными элементами на крепежных опорах выполнено жестким и герметичным посредством бандажных упругих колец с торцовыми буртами, а гибкие диафрагмы, защитные элементы и бандажные кольца выполнены из эластичного, масло- и химическистойкого материала.

Толщина стенки защитных элементов в зоне их свободных участков может быть выполнена равной 0,2-1,8 толщины стенки гибкой диафрагмы в ее рабочей зоне, а длина каждого защитного элемента может быть выполнена равной 0,05-0,50 длины диафрагмы в рабочей зоне. / При длине диафрагмы в рабочей зоне равной 1500 мм. минимальная длина каждого защитного элемента равна 75 мм./

Торцовый бурт бандажного упругого кольца со стороны рабочей зоны диафрагмы может быть выполнен с коническим расширением, поднятым относительно противоположного торцевого бурта.

Образующая конического расширения ориентирована под углом по меньшей мере равным 45° по отношению к оси вала, а длина этой образующей оптимизирована с возможностью предотвращения вдавливания стенки диафрагмы в зазор между корпусом и торцевым буртом бандажного кольца.

Длина защитного элемента, и в частности его свободного участка также оптимизирована в зависимости от удаленности от опорного участка этого элемента острых кромок поверхностей, ограничивающих внутреннюю полость упругой диафрагмы, в том числе от удаленности острых кромок маслоподводящих и маслоотводящих отверстий в опорах или ниппелях.

Упругие диафрагмы, защитные элементы и бандажные кольца в предлагаемом устройстве выполнены из эластичного, масло- и химически стойкого материала, причем для изготовления этих деталей может быть использована композиционная резина, стойкая к скоростным изменениям давления, например, резина бессерной вулканизации марки РС-26 ч. Кроме последней могут быть применены и другие марки масло- и химическистойких резин, выдерживающих скоростное изменение давления. Причем из резины марки РС-26 ч могут быть выполнены или диафрагмы, или защитные элементы, или бандажные кольца, а не обязательно все эти элементы.

Проведенный анализ патентной и научно-технической литературы не выявил известности заявляемой совокупности существенных признаков.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется графически.

На фиг.1 показан продольный разрез предлагаемого устройства в зоне расположения защитных элементов при неработающем электродвигателе - показано начальное рабочее положение эластичной диафрагмы.

На фиг.2 показан продольный разрез защитного элемента в сборе с диафрагмой предлагаемого устройства.

На фиг.3 показан продольный разрез известного устройства без защитных элементов в момент резкого ухода масла и втягивании диафрагмы вовнутрь.

На фиг.4 показан продольный разрез известного устройства без защитных элементов в момент избыточного давления во внутренней полости диафрагмы с вдавливанием ее между корпусом и опорой.

Предлагаемое устройство для гидрозащиты электродвигателя может содержать как протектор вместе о компенсатором, так и отдельно компенсатор или протектор. Однако в нем обязательно должен быть выполнен по меньшей мере один компенсирующий узел, содержащий гибкую диафрагму.

Представленное на фиг.1 устройство содержит корпус 1, вал 2 с опорными подшипниками 3, на котором последовательно установлены торцевые уплотнения 4, зафиксированные от смещения. На валу 2 внутри корпуса 1 последовательно установлены и соединены между собой резьбой головка, ниппели и основание /не показаны/. Гидрозатворные камеры 5, разделенные между собой ниппелями и снабженные эластичными диафрагмами 6, размещены вдоль вала 2 в осевом направлении. Эластичные диафрагмы 6 жестко и герметично закреплены своими горловинами 7 на опорах 8, а внутренние полости 9 диафрагм 6 гидравлически сообщены между собой и с полостью электродвигателя /не показана/ посредством маслоподводящих и отводящих отверстий 10 и заполнены диэлектрическим маслом. Внешняя полость рабочей зоны диафрагмы 6 сообщена с полостью скважины, содержащей пластовую химически агрессивную жидкость с абразивными частицами. Предлагаемое устройство имеет клапан 11 сброса давления.

С обоих торцов внутри каждой диафрагмы 6 коаксиально установлены защитные элементы, выполненные в виде гибких цилиндрических демпфирующих колец 12, состоящих из опорных участков 13 этих колец, размещенных с примыканием к внутренней поверхности горловины 7, и из свободных участков 14, размещенных в рабочей зоне диафрагмы 6 с зазором от ее внутренней поверхности 15. Образующие 16 и 17 опорного 13 и свободного 14 участков защитных элементов, соответственно, сопряжены между собой в зоне изгиба горловины 7.

Жесткое крепление диафрагмы 6 с защитными элементами на опорах 8 выполнено посредством бандажных упругих колец 18 с торцовыми буртами 19, причем со стороны рабочей зоны диафрагмы 6 торцовый бурт выполнен с коническим расширением 20, поднятым относительно противоположного торцового бурта. Образующая 21 конического расширения 20 ориентирована под углом, по меньшей мере равным 45° по отношению к оси 22 вала 2, а длина этой образующей 21 оптимизирована для предотвращения

вдавливания стенки диафрагмы 6 в зазор между корпусом 1 и торцовым буртом 19 бандажного кольца 18.

Внешние торцы опорных участков 13 защитных элементов снабжены стопорными бунтами 23, примыкающими к внешним торцам 24 горловин 7 диафрагмы 6.

Защита электродвигателя от проникновения вовнутрь его пластовой жидкости обеспечена торцовыми уплотнениями 4 и эластичными диафрагмами 6.

При работе электродвигателя в процессе его включений и выключений заполняющее его масло периодически нагревается и охлаждается, изменяясь соответственно в объеме. Так, при расширении масло растягивает эластичную диафрагму и прижимает ее к внутренней поверхности корпуса. При остановке и охлаждении электродвигателя объем масла будет уменьшаться и эластичная диафрагма, воспринимая давление окружающей среды, будет втягиваться вовнутрь и пополнять маслом полость электродвигателя. При последующем включении электродвигателя в процессе изменения объема и давления масла диафрагмы будут "дышать", отслеживать объем масла, находящегося в двигателе и уравновешивать давление в eго полости с давлением окружающей среды.

При падении давления во внешней полости диафрагмы, при охлаждении масла обратный клапан открывается и впускает во внешнюю полость пластовую жидкость, тем самым выравнивая давление. Для предотвращения усиленного износа эластичных диафрагм при больших диапазонах изменения давления и температуры окружающей среды, а, следовательно, многократном, прижатии диафрагм к внутренней, поверхности корпуса и опорам диафрагм, имеющим на своей поверхности острые кромки, в том числе маслоподводящих и маслоотводящих отверстий, в предлагаемом устройстве гидрозащиты электродвигателя дополнительно выполнены защитные элементы, свободные участки которых легко деформируются, примыкают непосредственно к острым кромкам отверстий и неровностей на поверхностях корпуса и опор, выполняют функцию демпфера, ослабляя гидроудар в системе и предохраняя гибкие эластичные диафрагмы от разрыва.

Заявляемое техническое решение успешно прошло испытания и подготовлено для реализации в ближайшее время, являясь новым и промышленно применимым.

1. Устройство для гидравлической защиты погружного маслонаполненного электродвигателя, содержащее вал, корпус, торцовые уплотнения, по меньшей мере, одну камеру с размещенной в ней гибкой диафрагмой, закрепленной горловиной на опорах, клапан сброса давления, маслоподводящие и маслоотводящие отверстия в опорах, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено защитными гибкими демпфирующими элементами в виде полого цилиндра, установленного внутри диафрагмы с обеих ее торцов коаксиально с образованием свободного участка цилиндра, размещенного в рабочей зоне диафрагмы с зазором от ее внутренней поверхности, и опорного участка цилиндра, размещенного с примыканием к внутренней поверхности горловины диафрагмы в зоне ее крепежной опоры, причем образующие опорного и свободного участков каждого защитного элемента сопряжены между собой в зоне изгиба горловины диафрагмы с образованием сужения наружного диаметра опорного участка; внешний торец опорного участка защитного элемента снабжен стопорным буртом, примыкающим к внешнему торцу горловины диафрагмы; крепление диафрагмы с защитным элементом на крепежных опорах выполнено жестким посредством бандажных упругих колец с торцовыми буртами, а гибкая диафрагма, защитный элемент и бандажные кольца выполнены из эластичного, масло- и химически стойкого материла.

2. Устройство для гидравлической защиты погружного маслонаполненного электродвигателя по п.1, отличающееся тем, что торцовый бурт бандажного упругого кольца со стороны рабочей зоны диафрагмы выполнен с коническим расширением, поднятым относительно противоположного торцового бурта.

3. Устройство для гидравлической защиты погружного маслонаполненного электродвигателя по п.1 или 2, отличающееся тем, что толщина стенки защитного элемента в зоне ее свободных участков выполнена равной 0,2-1,8 толщины стенки гибкой диафрагмы в ее рабочей зоне, а длина защитного элемента выполнена равной 0,05-0,50 длины диафрагмы в рабочей зоне.

4. Устройство для гидравлической защиты погружного маслонаполненного электродвигателя по одному из пп.1-2, отличающееся тем, что в качестве эластичного масло- и химически стойкого материала для изготовления гибких диафрагм, и/или защитных элементов, и/или бандажных колец взята композиционная резина, стойкая к скоростным изменениям давления.

5. Устройство для гидравлической защиты погружного маслонаполненного электродвигателя по п.3, отличающееся тем, что в качестве эластичного масло- и химическистойкого материала для изготовления гибких диафрагм, и/или защитных элементов, и/или бандажных колец взята композиционная резина, стойкая к скоростным изменениям давления.

6. Устройство для гидравлической защиты погружного маслонаполненного электродвигателя по п.4, отличающееся тем, что в качестве композиционной резины, стойкой к скоростным изменениям давления, взята резина бессерной вулканизации марки РС-26 ч.

7. Устройство для гидравлической защиты погружного маслонаполненного двигателя по п.5, отличающееся тем, что в качестве композиционной резины, стойкой к скоростным изменениям давления, взята резина бессерной вулканизации марки РС-26 ч.