Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2450408

(19)

RU

(11)

2450408

(13)

C2

(51) МПК H02K5/132 (2006.01)

H02K5/20 (2006.01)

H02K9/19 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 27.08.2012 - действует Пошлина: учтена за 3 год с 09.07.2012 по 08.07.2013

(21), (22) Заявка: 2010128190/07, 08.07.2010

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

08.07.2010

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 08.07.2010

(43) Дата публикации заявки: 20.01.2012

(45) Опубликовано: 10.05.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: SU 1813228 A1, 30.04.1993. RU 2072609 C1, 27.01.1997. SU 939830 A, 30.06.1982. RU 2236742 C2, 20.09.2004. SU 1723638 A1, 30.03.1992. RU 2206950 C1, 20.06.2003. US 3433986 A, 18.03.1969. US 2315917 A, 06.04.1943. EP 2315917 A, 04.02.2009. СПКТБПЭ «Потенциал», г.Харьков, ГОСТ 18058-80.

Адрес для переписки:

123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1, Открытое акционерное общество Промышленная группа "Новик", генеральному директору А.В. Лященко

(72) Автор(ы):

Ветохин Виктор Иванович (RU),

Лященко Алексей Вадимович (RU),

Алексеев Олег Борисович (RU),

Созанский Александр Николаевич (RU),

Бабенко Юрий Викторович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Открытое акционерное общество Промышленная группа "Новик" (RU)

(54) ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ ВЕТОХИНА ДЛЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН (АМВ НГС)

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники, в частности к погружным электрическим машинам скважных насосов и буровых механизмов в нефтегазовой отрасли. Предлагаемая асинхронная машина (АМВ НГС) содержит корпус (1), в котором размещен многопакетный статор (2) с обмоткой (3), на монолитном валу (6) из стали 20Х13 смонтирован многопакетный ротор (7) с медными стержнями (8) и короткозамыкающими кольцами (9). Между пакетами статора (2) и ротора (7) имеется немагнитный рабочий зазор (5), по которому проходит охлаждающая пластовая вода. Для исключения контактной коррозии электротехнических сталей пакетов статора, ротора и меди обмотки ротора на вал ротора между пакетами напрессованы диски (10) из магниевого сплава, а между пакетами статора запрессованы кольца (4) из того же сплава. Диски (10) и кольца (4) имеют плотный электрический контакт с пакетами ротора (7) и статора (2). Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, состоит в обеспечении эффективной электрохимической защиты от контактной коррозии внутренних активных частей многопакетных статоров и роторов электрических машин вертикального открытого исполнения при погружении их в пластовую агрессивную воду - электролит. 3 ил.

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к погружным электрическим машинам, которые применяются для приводов различных подводных механизмов буровых и добычных установок при разработке и добыче полезных ископаемых и минеральных ресурсов нефти и газа на морском дне, а также для приводов скважных насосов и буровых механизмов в геологоразведочных работах и промышленном освоении морского континентального шельфа по добыче нефти и газа.

Научно-технический прогресс и перспективы развития интенсивного освоения добычи минеральных ресурсов на материке и континентальном шельфе, разработка новых месторождений нефти и газа в Сибирском энергетическом районе Тюмени, Оренбурга и др. и в связи с увеличением глубины залежей нефти до 3000 м требуется достаточно много технических средств и рабочих механизмов, которые должны приводиться в движение высоконадежными погружными электрическими двигателями (ПЭД). До настоящего времени для привода насосов нефтескважин и буровых установок используются герметичные маслозаполненные ПЭД с довольно сложной многоступенчатой гидрозащитой, установленной со стороны приводного вала. При ее искривлении и попадании пластовой воды в полость двигателя он выходит из строя из-за коррозии активных частей и снижения сопротивления изоляции обмотки статора. Охлаждение ПЭД осуществляется пластовой жидкостью через корпус, например погружные электродвигатели для насосов и электробуров Харьковского электромеханического завода (ХЭМЗ) и Специального проектно-конструкторского и технологического бюро по погружному электрооборудованию для бурения скважин и добычи нефти Потенциал (СКТБПЭ «Потенциал» г.Харьков, ГОСТ 18058-80). Для насосов нефтескважин с погружением на глубину 3000 м фирмой «АЛНАС» г.Москва разработан погружной электродвигатель типа ПЭДС360-130МВ5 при работе в скважинах с температурой пластовой жидкости до 150°C. С целью выравнивания температур по всему внутреннему объему двигателя вал ротора выполнен полым, через центральное отверстие которого осуществляется циркуляция масла внутри машины.

Главными недостатками приведенных ПЭД являются:

1. Система охлаждения у существующих герметичных ПЭД, предназначенных для работы на глубине 3000 м, из-за высоких температур пластовой жидкой среды, достигающих 150°C, недостаточно эффективна.

2. Гидрозащита различных конструкций герметичных ПЭД обладает низкой эксплуатационной надежностью.

3. Герметизация ПЭД приводит к значительному росту температуры обмотки статора до и выше 200°C, в силу чего понижается надежность обмоточного провода и подшипников.

4. Отказы гидрозащиты (разгерметизация компенсирующего элемента, износ уплотнений и т.д.) приводит к проникновению агрессивной пластовой жидкости в полость ПЭД и его преждевременному выходу из строя, главным образом из-за электрохимической коррозии.

Известна погружная насосная установка вертикального исполнения по а.с. 939830, которая содержит статор, ротор с валом, установленным в подшипниках, и подшипниковые щиты с отверстиями для входа и выхода жидкости. На вал ротора навешен насос, который через нижние отверстия в корпусе прогоняет охлаждающую жидкость по зазору между ротором и статором, а также через верхнее отверстие в корпусе насосной установки и подает эту жидкость потребителю. Данная насосная установка применяется в скважинах для перекачки пресных вод. При погружении в пластовую агрессивную кислую воду с pH<7 она выйдет из строя из-за электрохимической коррозии активных частей машины, подшипников и обмоток статора и ротора.

Известна электрическая машина открытого исполнения для работы в морской воде на любой глубине погружения с охлаждением внутренних активных частей забортной морской водой (см. «Электрическая машина Ветохина ЭМВ», патент 2072609, БИ 3, 27.01.97), которая содержит статор, ротор с валом и подшипниками, заключенными в негерметичный корпус, заполненный жидким охладителем, и подшипниковые щиты с отверстиями. В качестве охладителя использована морская вода, а отверстия в подшипниковых щитах для входа холодной и выхода нагретой воды расположены двумя группами. Основным недостатком известной ЭМВ является то, что при погружении машины открытого исполнения в морскую воду, которая в данном случае является не только охладителем, но и электролитом с ионной электропроводностью, находящимся в движении от вращения ротора, на ее внутренних деталях происходят электрохимические процессы, вызывающие электрохимическую контактную коррозию, главным образом электротехнической стали поверхности ротора и расточки статора, что приводит к увеличению немагнитного рабочего зазора, как основного параметра электрической машины. Из-за увеличения величины немагнитного зазора, как основного параметра электрической машины, увеличивается ток холостого хода, уменьшается коэффициент мощности, КПД, пусковой и номинальный момент, а следовательно, не будут обеспечиваться требуемые энергетические характеристики элетрической машины.

Из известных устройств наиболее близкой к заявляемому, выбранному за прототип, является «Электрическая машина Ветохина ЭМВ» (см. патент 1813228, БИ 16, 30.04.93), которая содержит статор и ротор с короткозамкнутой обмоткой, состоящей из медных стержней и медных короткозамыкающих колец. Охлаждение осуществляется окружающей жидкостью, входящей через отверстия в подшипниковых щитах. Для защиты от контактной коррозии внутренних активных частей машины на валу ротора и в корпусе статора с обоих торцов запрессованы втулки-протекторы из сплава алюминия, длина которых в аксиальном направлении составляет от 0,05 до 0,1 длины пакета сердечника. Недостатком данной конструкции ЭМВ для нефтескважин является соизмеримость диаметра и длины ротора больших размеров для крупных машин большой мощности, которые невозможно осуществить в погружных электродвигателях для насосов и механизмов «Буров» для нефтяных и газовых скважин. Погружные электродвигатели для нефтегазовых скважин имеют малый диаметр до 150 мм, а длины для больших мощностей двигателя достигают 8 м, с гидрозащитой до 16 м, в которых статоры, роторы и гидрозащита выполняются многоступенчатыми, поэтому в этих машинах протекторная защита прототипа не обспечит приостановление контактной коррозии по всей длине немагнитного зазора многоступенчатых статора и ротора. В данном случае будут защищены только крайние пакеты, а дальше к центру машины эффект защиты от торцовых протекторных втулок и колец будет уменьшаться. Физически это значит, что при погружении машины в пластовую воду - электролит на ее концах в крайних пакетах поверхность расточки статора и поверхность бочки ротора являются катодами (вход анодного тока), а протекторные втулки - анодами (выход анодного тока), известно, что катоды будут сохранять свое состояние, аноды будут коррозировать, т.е. растворяться в электролите. В данном случае крайние пакеты статора и ротора будут в исходном состояния, а протекторы будут подвергаться коррозии и уменьшаться в размерах. В центральных пакетах ротора медные стержни ротора будут катодами (вход анодного тока), а сталь пакетов статора и ротора будут анодами (выход анодного тока), поэтому медные стержни короткозамкнутой обмотки ротора будут в исходном состоянии, а сталь пакетов статора и ротора в немагнитном рабочем зазоре будет коррозировать, в результате чего будет увеличиваться эквивалентный рабочий зазор. Из-за увеличения величины немагнитного зазора, как основного параметра электрической машины, увеличивается ток холостого хода, уменьшается коэффициент мощности, КПД, пусковой и номинальный, моменты, а следовательно, не обеспечатся требуемые энергетические характеристики электрической машины.

Целью изобретения является повышение надежности, живучести, долговечности и энергетических характеристик разработанной асинхронной машины (АМВ НГС) за счет исключения контактной коррозии поверхностей электротехнической стали расточки статора и бочки ротора в немагнитном зазоре с помощью протекторных колец и протекторных дисков, размещенных между пакетами статора и ротора.

Указанная цель достигается тем, что в известной асинхронной погружной электрической машине вертикального исполнения, содержащей статор с сердечником, ярмом и пазами, винтоканавочный ротор, вал, опирающийся на подшипники, протекторную защиту статора и ротора, заключенными в корпус с отверстиями для входа и выхода окружащей пластовой агрессивной с электролитическими свойствами воды для охлаждения, вал выполнен монолитным и на него напрессованы по скользящей посадке через шпонку пакеты ротора, а между ними на вал втугую с плотным электрическим контактом к пакетам ротора напрессованы протекторные диски толщиной 5-8 мм из алюминиево-магниево-цинкового сплава, имеющих отверстия для стержней обмотки ротора, при этом между пакетами статора установлено такое же количество протекторных колец такой же толщины из того же сплава с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру спинки ярма статора, кроме того, по торцам корпуса во внутрь запрессованы кольца-протекторы одинаковой толщины и глубины, равными 5-8 мм, из сплава протекторов статора.

Изобретение поясняется чертежами, в которых:

- на фиг.1 показан продольный разрез АМВ НГС;

- на фиг.2 показан протекторный диск ротора;

- на фиг.3 показано протекторное кольцо статора.

Согласно изобретению (фиг.1, фиг.2) асинхронная машина (АМВ НГС) содержит корпус 1, в котором размещены пакеты статора 2 с протяжной обмоткой 3 из обмоточного провода с полиимидно-фторопластовой изоляцией, например марки ППИ-У. На монолитном валу 6 размещены пакеты 7 ротора, имеющего короткозамкнутую обмотку из стержней 8 и короткозамыкающих колец 9. Между пакетами ротора и статора имеется немагнитный рабочий зазор 5, по которому проходит охлаждающая пластовая агрессивная вода, обладающая свойствами электролита. Статор имеет протекторную защиту от контактной коррозии пакета 2 сердечника в виде колец 4 (фиг.1, фиг.3), например из магниевого сплава марки МЛ4. Ротор имеет протекторную защиту от контактной коррозии пакета сердечника ротора 7 в виде дисков 10 из того же сплава (фиг.1, фиг.2). Так как разработанная машина имеет большую длину и многопакетные статор и ротор, то электрохимическую защиту от контактной коррозии всех поверхностей пакетов статора и ротора в немагнитном рабочем зазоре двумя протекторами, размещенными вплотную к крайним торцевым пакетам статора и ротора, по всей длине зазора эффективно осуществить невозможно, как в прототипе. Крайние пакеты статора и ротора будут защищены, так как в данном случае гальванический ток протекает по наименьшему объемному омическому сопротивлению по цепи от катода (пакета статора) 2 к аноду (протектору из магниевого сплава) 4, выходит из анода 4 в пластовую воду - электролит 5, проходит по нему и входит в катод - пакет статора 2. Таким образом, анод 4 будет отдавать положительные атомы в воду 5 (выход анодного тока) и будет с течением времени разрушаться (коррозировать), т.е. уменьшаться в размерах, а на катоде 2 будут ассимилироваться оставшиеся в металлах избыточные электроны и отрицательные ионы раствора - пластовой воды (вход анодного тока), и катод или пакет статора 2 будет находиться в исходном состоянии. Продукты коррозии анода - протектора будут удаляться движущейся водой-электролитом в окружающую среду. В центральной части немагнитного зазора влияние протекторов на защиту от коррозии пакетов стали статора и ротора из-за удаленности и увеличения объемного электрического сопротивления для прохождения анодного тока от центральных пакетов стали статора и ротора к протекторам и затем замыкаться по воде резко уменьшается. Будут действовать другие гальванические цепи, а именно: гальванический ток будет протекать по цепи от катода (медь короткозамкнутой обмотки ротора) 8 к аноду (пакет стали ротора) 7, выходить из анода в воду - электролит 5, проходить по нему и входить в катод - медь ротора 8. Из этого следует, что сталь ротора 7 и статора 2 несут анодные свойства - выход анодного тока, будут коррозировать и уменьшаться в размерах, а медь обмотки ротора 8 будет нести катодные свойства - вход анодного тока, не будет подвергаться коррозии и будет находиться в исходном состоянии. В итоге при работе электродвигателя с течением времени будет происходить неравномерная коррозия пакетов статора 2 и ротора 7 в немагнитном зазоре, которая будет увеличивать величину зазора 5, а следовательно, будут уменьшаться энергетические показатели машины. Для устранения этого недостатка необходимо установить на торцевых пакетах статора 2 и ротора 7, а также между всеми центральными пакетами стали статора 2 протекторные кольца 4 и между пакетами ротора 7 диски 10 одинаковых размеров из одного алюминиево-магниевого сплава, в итоге будет соблюдена симметричность гальванических цепей и коррозия пакетов статора 2 и ротора 7 будет приостановлена. Для устранения влияния торцов корпуса на гальванические пары и цепи статора и ротора необходимо запрессовать в торцы корпуса протекторные кольца из того же сплава и с размерами колец статора (на чертежах не показаны).

При разработке конструкции протекторных колец и дисков необходимо исходить из максимальной скорости коррозии алюминиево-магниевых протекторов при электрическом контакте со сталью пакетов статора и ротора, а также медью ротора, которая находится в пределах 0,4-0,5 мм/год, и срока эксплуатации (службы), в данном случае срок службы равен 10 годам. Исходя из этого толщины протекторов в осевом и радиальном направлениях не должны быть меньше 5,0 мм, с учетом запаса можно принять геометрические размеры протекторов в пределах 8-10 мм для любого количества пакетов статора и ротора.

Работа асинхронной машины осуществляется следующим образом.

При вращении ротора в охлаждающей пластовой воде (электролите) ротор и статор оказываются в среде движущегося электролита. При полном соприкосновении всех внутренних активных частей машины с электролитом возникает электрохимическая коррозия на всех активных металлических поверхностях, соприкасающихся с электролитом, т.е. на поверхностях пакетов 7 ротора, на поверхностях расточки пакетов 2 статора, на медных стержнях 8 и короткозамыкающих кольцах 9 ротора, на поверхностях протекторных дисков 10 ротора и кольцах 4 статора. В связи с тем, что электродный потенциал дисков 10 ротора и колец 4 статора, изготовленных из магниевого сплава марки МЛ4, значительно ниже, чем электродный потенциал электротехнической стали пакетов 2 статора, пакетов 7 ротора и медных стержней 8 с короткозамыкающими кольцами 9 обмотки ротора, то происходит электрохимичесая коррозия протекторных дисков 10 ротора и протекторных колец 4 статора с вымыванием продуктов коррозии движущимся электролитом. Поэтому будет происходить расход материала протекторов, а остальные металлические части машины будут находиться в исходном состоянии на протяжении расчетного и запланированного срока эксплуатации без увеличения величины немагнитного рабочего зазора и связанного с этим падения энергетических характеристик машины, которые будут постоянны весь ресурс. Толщина дисков 10 ротора и протекторных колец 4 статора из алюминиево-магниевого сплава должна быть в пределах 5-8 мм при скорости коррозии протекторов 0,5 мм/год.

Заявляемое техническое решение позволяет значительно повысить работоспособность, надежность, живучесть, долговечность и энергетические характеристики разработанной асинхронной машины (АМВ НГС) за счет исключения контактной коррозии поверхностей электротехнической стали расточки статора и бочки ротора в немагнитном зазоре с помощью протекторных колец и протекторных дисков, размещенных между пакетами статора и ротора.

Формула изобретения

Асинхронная машина (АМВ НГС) вертикального исполнения, содержащая статор с сердечником, ярмом и пазами, винтоканавочный ротор, вал, опирающийся на подшипники, протекторную защиту статора и ротора, заключенными в корпус с отверстиями для входа и выхода окружающей пластовой агрессивной с электролитическими свойствами воды для охлаждения, отличающаяся тем, что вал выполнен монолитным и на него напрессованы по скользящей посадке через шпонку пакеты ротора, а между ними на вал втугую с плотным электрическим контактом к пакетам ротора напрессованы протекторные диски толщиной 5-8 мм из алюминиево-магниево-цинкового сплава, имеющие отверстия для стержней обмотки ротора, при этом между пакетами статора установлено такое же количество протекторных колец такой же толщины из того же сплава с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру спинки ярма статора, кроме того, по торцам корпуса вовнутрь запрессованы кольца-протекторы одинаковой толщины и глубины, равными 5-8 мм, из сплава протекторов статора.

РИСУНКИ