цилиндрический линейный асинхронный двигатель для привода погружных плунжерных насосов

Формула изобретения

Цилиндрический линейный асинхронный двигатель для привода погружных плунжерных насосов, содержащий цилиндрический индуктор с многофазной обмоткой, выполненный с возможностью осевого перемещения и смонтированный внутри стального вторичного элемента, стальной вторичный элемент представляет собой корпус электродвигателя, внутренняя поверхность которого имеет высокопроводящее в виде слоя меди покрытие, отличающийся тем, что цилиндрический индуктор выполнен из нескольких модулей, набранных из катушек фаз и соединенных между собой гибкой связью, число модулей цилиндрического индуктора кратно числу фаз обмотки, а при переходе от одного модуля к другому катушки фаз уложены с поочередной сменой местоположения отдельных фаз.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к конструкциям погружных цилиндрических линейных асинхронных двигателей (ЦЛАД), используемых в бесштанговых насосно-скважинных установках для добычи пластовых жидкостей со средних и больших глубин, преимущественно в нефтедобыче.

Наиболее распространенным способом добычи нефти является подъем нефти из скважин с помощью штанговых плунжерных насосов, управляемых станками-качалками.

Кроме очевидных недостатков, присущим таким установкам (большие габариты и масса станков-качалок и штанг; износ насосно-компрессорных труб и штанг), существенным недостатком являются также малые возможности для регулирования скорости перемещения плунжера, а значит, и производительности штанговых насосных агрегатов, невозможность работы в наклонных скважинах.

Возможность регулировать эти характеристики позволила бы учитывать естественные изменения дебита скважины в процессе ее эксплуатации и сократить количество типоразмеров насосных агрегатов, используемых для различных скважин.

Известны технические решения по созданию бесштанговых глубинно-насосных установок. Одним из них является использование глубинных насосов плунжерного типа с приводом на основе линейных асинхронных двигателей.

Известна конструкция ЦЛАД, смонтированного в насосно-компрессорной трубе над плунжерным насосом (Ижеля Г.И. и др. «Линейные асинхронные двигатели», Киев, Техника, 1975 г., стр.135) /1/. Известный двигатель имеет корпус, помещенный в него неподвижный индуктор и подвижный вторичный элемент, расположенный внутри индуктора и воздействующий через тягу на плунжер насоса.

Тяговое усилие на подвижном вторичном элементе появляется вследствие взаимодействия наведенных в нем токов с бегущим магнитным полем линейного индуктора, создаваемым многофазными обмотками, соединенными с источником питания.

Такой электродвигатель использован в бесштанговых насосных агрегатах (а.с. СССР №491793, публ. 1975 г.) /2/ и (а.с. СССР №538153, публ. 1976 г.) /3/.

Однако условия эксплуатации погружных плунжерных насосов и линейных асинхронных двигателей в скважине накладывают ограничения на выбор конструкции и размеров электродвигателей. Отличительной особенностью погружных ЦЛАД является ограниченность диаметра двигателя, в частности не превышающего диаметра насосно-компрессорной трубы.

Для таких условий известные электродвигатели имеют относительно низкие технико-экономические показатели:

- к.п.д. и cos уступают аналогичным показателям асинхронных двигателей традиционного исполнения;

- развиваемые ЦЛАД удельные механическая мощность и тяговое усилие (на единицу длины двигателя) относительно малы. Длина двигателя, размещенного в скважине, ограничена длиной насосно-компрессорной трубы (не более 10-12 м). При ограничении длины двигателя трудно достичь требуемого для подъема жидкости давления. Некоторое повышение тягового усилия и мощности возможно только за счет увеличения электромагнитных нагрузок двигателя, что ведет к снижению к.п.д. и уровня надежности двигателей из-за повышенных тепловых нагрузок.

Эти недостатки можно устранить, если выполнить «обращенную» схему «индуктор-вторичный элемент», иными словами индуктор с обмотками разместить внутри вторичного элемента.

Такое исполнение линейного двигателя известно («Индукционные электродвигатели с разомкнутым магнитопроводом». Информэлектро, М., 1974 г., стр.16-17) /4/ и может быть принято в качестве наиболее близкого к заявляемому решению.

Известный линейный двигатель содержит цилиндрический индуктор с обмоткой, смонтированный внутри вторичного элемента, внутренняя поверхность которого имеет высокопроводящее покрытие.

Такое исполнение индуктора по отношению к вторичному элементу было создано для облегчения намотки и монтажа катушек и применялось не в качестве привода для погружных насосов, работающих в скважинах, а для наземного использования, т.е. без жесткого ограничения по габаритам корпуса двигателя.

Задача настоящего изобретения состоит в разработке конструкции цилиндрического линейного асинхронного двигателя для привода погружных плунжерных насосов, который в условиях ограничения по диаметру корпуса двигателя обладает повышенными удельными показателями: тяговым усилием и мощностью на единицу длины двигателя при обеспечении необходимого уровня надежности и заданном энергопотреблении.

Для решения поставленной задачи цилиндрический линейный асинхронный двигатель для привода погружных плунжерных насосов содержит цилиндрический индуктор с обмоткой, смонтированный внутри вторичного элемента, внутренняя поверхность которого имеет высокопроводящее покрытие, при этом индуктор с обмотками выполнен с возможностью осевого перемещения и смонтирован внутри трубчатого корпуса электродвигателя, толщина стальной стенки которого не менее 6 мм, а внутренняя поверхность корпуса покрыта слоем меди толщиной не менее 0,5 мм.

Учитывая неровность поверхности скважин и, как следствие, возможный изгиб корпуса электродвигателя, индуктор электродвигателя следует выполнять состоящим из нескольких модулей, соединенных между собой гибкой связью.

При этом для выравнивания токов по фазам обмотки двигателя число модулей выбрано кратным числу фаз, а при переходе от одного модуля к другому катушки уложены с поочередной сменой местоположения отдельных фаз.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Использование стального корпуса электродвигателя в качестве вторичного элемента позволяет максимально эффективно распорядиться ограниченным пространством скважины. Предельно достижимые значения мощности и усилия двигателя зависят от предельно допустимых электромагнитных нагрузок (плотность тока, индукция магнитного поля) и объема активных элементов (магнитопровод, обмотка, вторичный элемент). Совмещение конструктивного элемента конструкции - корпуса электродвигателя с активным вторичным элементом позволяет увеличить объем активных материалов двигателя.

Увеличение активной поверхности двигателя позволяет повысить тяговое усилие и мощность двигателя на единицу его длины.

Увеличение активного объема двигателя позволяет снизить электромагнитные нагрузки, определяющие тепловое состояние двигателя, от которого зависит уровень надежности.

При этом получение необходимых значений тягового усилия и мощности двигателя на единицу его длины при обеспечении необходимого уровня надежности и заданном энергопотреблении (к.п.д. и cos) в условиях ограничения по диаметру корпуса двигателя достигается оптимальным подбором толщины стальной стенки корпуса двигателя, а также толщины высокопроводящего покрытия его активной зоны - внутренней поверхности корпуса.

Учитывая номинальную скорость перемещения рабочих частей плунжерного насоса, оптимально соответствующую ей скорость бегущего магнитного поля подвижного индуктора, возможные технологические трудности при изготовлении обмоток, приемлемые значения полюсного деления (не менее 0,06-0,10 м) и частоты тока индуктора (не более 20 Гц), параметры по толщине стальной стенки вторичного элемента и медного покрытия выбраны заявленным образом. Эти параметры позволяют в условиях ограничения по диаметру двигателя снизить потери мощности (и, следовательно, повысить к.п.д.) за счет исключения роста тока намагничивания и снижения рассеяния магнитного потока.

Новый технический результат, достигаемый изобретением, заключается в применении обращенной схемы «индуктор-вторичный элемент» для максимально эффективного использования ограниченного пространства скважины при создании цилиндрического линейного асинхронного двигателя с характеристиками, позволяющими использовать его в качестве привода погружных насосов.

Заявленный двигатель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид двигателя с модульным исполнением индуктора, на фиг.2 - то же, разрез по А-А, на фиг.3 изображен отдельный модуль, на фиг.4 - то же, разрез по Б-Б.

Двигатель содержит корпус 1 - стальную трубу диаметром 117 мм, с толщиной стенки 6 мм. Внутренняя поверхность 2 трубы покрыта медью слоем 0,5 мм. Внутри стальной трубы 1 с помощью центрирующих втулок 3 с антифрикционными прокладками 4 и трубы 5 смонтирован подвижный индуктор, состоящий из модулей 6, соединенных между собой гибкой связью.

Каждый из модулей индуктора (фиг.3) набран из отдельных катушек 7, чередующихся с кольцевыми зубцами 8, имеющими радиальную прорезь 9, и размещенных на магнитопроводе 10.

Гибкая связь состоит из верхнего 11 и нижнего 12 хомутов, подвижно установленных с помощью пазов на выступах соседних центрирующих втулок.

На верхней плоскости хомута 11 закреплены токоподводящие кабели 13. При этом для выравнивания токов в фазах индуктора число модулей выбрано кратным числу фаз, а при переходе от одного модуля к другому катушки отдельных фаз поочередно меняются местами. Общее количество модулей индуктора, а значит, и длина двигателя выбираются в зависимости от требуемого тягового усилия.

Электродвигатель может быть оснащен штоком 14 для присоединения его к погружному плунжерному насосу и штоком 15 - для подсоединения к токоподводу. При этом штоки 14 и 15 соединены с индуктором гибкой связью 16 для предотвращения передачи изгибающего момента от погружного насоса и токоподвода на индуктор.

Электродвигатель прошел стендовые испытания и работает следующим образом. При подаче на погружной электродвигатель питания от преобразователя частоты, расположенного на поверхности земли, в многофазной обмотке двигателя появляются токи, создающие бегущее магнитное поле. Это магнитное поле наводит вторичные токи как в высокопроводящем (медном) слое вторичного элемента, так и в стальном корпусе двигателя.

Взаимодействие этих токов с магнитным полем приводит к созданию тягового усилия, под действием которого перемещается подвижный индуктор, воздействующий через тягу на плунжер насоса. В конце хода подвижной части по команде датчиков происходит реверсирование двигателя за счет изменения чередования фаз питающего напряжения. Далее цикл повторяется.

При диаметре двигателя 117 мм, длине индуктора 1400 мм, частоте тока индуктора 16 Гц электродвигатель развивает усилие до 1000 Н и мощность 1,2 кВт при естественном охлаждении и до 1800 Н при масляном.

Таким образом, заявленный двигатель имеет приемлемые технико-экономические характеристики для его использования в комплекте с погружным плунжерным насосом для добычи пластовых жидкостей со средних и больших глубин.