RU2681051C1

RU2681051C1 - Torque transmission node for submersible installation (options)

Info

Publication number: RU2681051C1
Application number: RU2018118749A
Authority: RU
Inventors: Марина Петровна Пещеренко; Сергей Николаевич Пещеренко; Александр Владимирович Шиверский
Original assignee: Акционерное общество "Новомет-Пермь"
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2018-05-21
Publication date: 2019-03-01

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: group of inventions relates to devices for transmitting torque without mechanical contact between the lead and the driven rotor, in particular to the nodes for transmitting torque with a magnetic clutch in the submersible oil-producing installations. Node includes a magnetic coupling consisting of driving and driven coupling halves with permanent magnets mounted on the rotor of the engine and the rotor of the pump, respectively, a protective sheath between them and an intermediate bearing support. Before the magnetic coupling on the pump side, an additional separator is installed that ensures the selection and separation of the well fluid and the further pumping of the separated low-viscosity fraction through the gap between the protective sheath and the driven coupling half to cool the magnets, in the driven half coupling, a central hole is made, which is hydraulically connected to the above-mentioned gap and returns the heated fluid to the well. In the second variant, intended for the extraction of low-viscosity borehole fluid, in front of the magnetic coupling on the pump side, an additional set of pump stages is installed. Package of steps provides for the selection of the required amount of well fluid, its further pumping through the gap between the protective sheath and the driven half coupling for cooling the magnets and returning the heated fluid to the well.

EFFECT: inventions allow to reliably transmit torque at high temperatures by removing the heated fluid outside the clutch.

4 cl, 3 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к устройствам передачи крутящего момента без механического контакта между ведущим и ведомым ротором, в частности, к узлам передачи крутящего момента с магнитной муфтой в погружных нефтедобывающих установках.The present invention relates to torque transmission devices without mechanical contact between the drive and the driven rotor, in particular, to torque transmission units with a magnetic coupling in submersible oil production plants.

Известна конструкция магнитной муфты, описанная в патенте на полезную модель RU №106459, Н02K 5/12, опубл. 10.07.2011, состоящей из ведущей и ведомой полумуфт с постоянными магнитами, разделенных установленной на корпусе электродвигателя защитной оболочкой, ведущая полумуфта закреплена на рабочем конце вала ротора двигателя, а ведомая -на валу рабочего механизма. Для надежной передачи крутящего момента поверхности сопряжения ведущего и ведомого магнитов расположены максимально близко друг к другу, а защитная оболочка, изолирующая от окружающей среды внутреннюю полость двигателя и заполненная специальной жидкостью, расположена между ними внутри тонкого зазора.The known design of the magnetic coupling, described in the patent for utility model RU No. 106459, H2K 5/12, publ. 07/10/2011, consisting of a leading and a driven coupling half with permanent magnets, separated by a protective sheath installed on the motor housing, a driving coupling coupling is mounted on the working end of the motor rotor shaft, and a driven coupling on the working mechanism shaft. For reliable transmission of torque, the mating surfaces of the driving and driven magnets are located as close as possible to each other, and a protective shell that insulates the internal cavity of the engine from the environment and is filled with a special fluid is located between them inside a thin gap.

При эксплуатации описанной магнитной муфты вследствие вязкого трения в слое жидкости вблизи вращающейся стенки происходит значительный нагрев, тем больший, чем выше вязкость жидкости и частота вращения вала. Отсутствие охлаждения вызывает рост температуры внутри устройства и потерю магнитных свойств постоянных магнитов при достижении температуры Кюри. Кроме того, отсутствие радиальных подшипников снижает надежность конструкции и накладывает ограничения на длину муфты и величину передаваемого крутящего момента. Указанные недостатки делают невозможным использование такой конструкции при повышенных частотах вращения вала.During operation of the described magnetic coupling due to viscous friction in the fluid layer near the rotating wall, significant heating occurs, the greater the higher the viscosity of the fluid and the shaft speed. The lack of cooling causes an increase in temperature inside the device and a loss of magnetic properties of permanent magnets when the Curie temperature is reached. In addition, the absence of radial bearings reduces the reliability of the design and imposes restrictions on the length of the coupling and the amount of transmitted torque. These shortcomings make it impossible to use such a design with increased shaft speeds.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является узел передачи крутящего момента для погружной установки, описанная в патенте US №6863124, Е21В 43/00, 166/64, опубл. 17.07.2003, включающий магнитную муфту, состоящую из ведущей и ведомой полумуфты с постоянными магнитами, прикрепленными к ротору двигателя и к ротору насоса соответственно, защитной оболочки, выполненной из немагнитного, непроводящего материала, между ними и промежуточной подшипниковой опоры, имеющей три промежуточных подшипника, концентричных друг другу, размещенных в одном и том же осевом положении. Поверхности сопряжения подшипников располагаются в узком зазоре между защитной оболочкой и магнитами.Closest to the claimed invention is a torque transmission unit for a submersible installation described in US patent No. 6863124, ЕВВ 43/00, 166/64, publ. 07/17/2003, including a magnetic coupling, consisting of a leading and driven coupling half with permanent magnets attached to the motor rotor and to the pump rotor, respectively, a protective sheath made of a non-magnetic, non-conductive material, between them and an intermediate bearing support having three intermediate bearings, concentric to each other, placed in the same axial position. The bearing mating surfaces are located in a narrow gap between the protective sheath and the magnets.

Описанное расположение подшипников либо полностью перекрывает канал для потенциально возможной прокачки охлаждающей жидкости по зазору, либо подразумевает большую толщину зазора. В первом случае неизбежен перегрев муфты, во втором - ограничение по передаваемому крутящему моменту.The described arrangement of bearings either completely blocks the channel for a potential coolant pumping through the gap, or implies a large gap thickness. In the first case, overheating of the coupling is inevitable, in the second - the limitation on the transmitted torque.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка надежной конструкции узла передачи крутящего момента с полностью герметичного, погружного электродвигателя на установку для добычи нефти, способной работать при высоких частотах вращения вала и высоких значениях крутящего момента на валу.The objective of the invention is to develop a reliable design of the transmission unit of the torque from a completely sealed, submersible motor to the installation for oil production, capable of operating at high speeds of rotation of the shaft and high values of torque on the shaft.

Указанный технический результат достигается тем, что в узле передачи крутящего момента для погружной установки, включающем магнитную муфту, состоящую из ведущей и ведомой полумуфт с постоянными магнитами, закрепленными на роторе двигателя и роторе насоса соответственно, защитной оболочки между ними и промежуточной подшипниковой опоры, согласно изобретению перед магнитной муфтой со стороны насоса дополнительно установлен сепаратор, обеспечивающий отбор и сепарацию скважинной жидкости и дальнейшую прокачку сепарированной маловязкой фракции по зазору между защитной оболочкой и ведомой полумуфтой для охлаждения магнитов, причем в ведомой полумуфте выполнено центральное отверстие, гидравлически связанное с вышеупомянутым зазором и возвращающее нагретую жидкость в скважину, кроме того, в ведущей и ведомой полумуфтах на уровне подшипниковой опоры выполнены выемки, формирующие расширение проточных каналов для циркуляции охлаждающей жидкости в муфте, в которые установлены радиальные подшипники с каналами для прохода охлаждающей жидкости. Вариант предпочтителен в тех случаях, когда скважинная жидкость представляет собой вязкую эмульсию вода-нефть.The specified technical result is achieved by the fact that in the torque transmission unit for the submersible installation, comprising a magnetic coupling, consisting of a leading and driven coupling half with permanent magnets mounted on the motor rotor and the pump rotor, respectively, a protective shell between them and an intermediate bearing support, according to the invention a separator is additionally installed in front of the magnetic coupling on the pump side, which ensures the selection and separation of the borehole fluid and the subsequent pumping of the separated low-viscosity fractions by the gap between the protective shell and the driven coupling half for cooling the magnets, moreover, a central hole is made in the driven coupling half that is hydraulically connected to the aforementioned gap and returns heated fluid to the well, in addition, recesses are made in the driving and driven coupling halves at the level of the bearing support, forming an expansion flow channels for the circulation of coolant in the coupling, in which radial bearings with channels for the passage of coolant are installed. The option is preferred in those cases where the well fluid is a viscous water-oil emulsion.

В другом варианте исполнения узла передачи крутящего момента перед магнитной муфтой со стороны насоса вместо сепаратора установлен пакет насосных ступеней, обеспечивающий отбор необходимого количества скважинной жидкости и ее дальнейшую прокачку по зазору между защитной оболочкой и ведомой полумуфтой для охлаждения магнитов. Этот вариант предпочтителен в случае добычи маловязкой скважинной жидкости, при котором достаточное охлаждение муфты осуществляется без дополнительной сепарации добываемой жидкости.In another embodiment, the torque transmission unit in front of the magnetic coupling on the pump side, instead of the separator, has a package of pump stages, which ensures the selection of the required amount of well fluid and its further pumping through the gap between the protective sheath and the driven coupling half for cooling the magnets. This option is preferable in the case of the production of low-viscosity well fluid, in which sufficient coupling cooling is carried out without additional separation of the produced fluid.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства по варианту 1, на фиг. 2 - общий вид заявляемого устройства по варианту 2, на фиг 3 - радиальный подшипник с проточными каналами для магнитной муфты.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 presents a General view of the inventive device according to option 1, in FIG. 2 is a general view of the inventive device according to embodiment 2; FIG. 3 is a radial bearing with flow channels for a magnetic coupling.

Узел передачи крутящего момента для погружной установки по первому варианту содержит магнитную муфту 1 и роторный сепаратор 2 вода-нефть, предназначенный для сепарации воды от скважинной жидкости (фиг. 1). В состав магнитной муфты входят ведущая полумуфта 3, связанная с валом электродвигателя, ведомая полумуфта 4, связанная с валом добывающего насоса, защитный экран 5 и постоянные магниты 6 установленные в полумуфтах 3, 4. Кольцевой зазор 7 между ведущей полумуфтой 3 и защитным экраном 5 заполнен маслом двигателя, а кольцевой зазор 8, образованный между защитным экраном 5 и ведомой полумуфтой 4, предназначен для прохождения охлаждающей жидкости, отбираемой из скважины во время эксплуатации. В ведомой полумуфте 4 выполнено центральное отверстие 9, гидравлически соединенное с зазором 8 нижним торцевым каналом 10, при этом зазор 8 связан с верхним торцевым каналом 11, обеспечивающим отвод охлаждающей ведомую полумуфту 4 жидкости обратно в скважину. С целью повышения надежности магнитной муфты 1 в ведущей полумуфте 3 на обеих цилиндрических сторонах и на внешней цилиндрической стороне ведомой 4 полумуфты выполнены выемки 12 с плавными углублениями 13 для установки радиальных подшипников 14 с проточными каналами 15 для свободного прохода охлаждающей жидкости (фиг. 3).The torque transmission unit for the submersible installation according to the first embodiment contains a magnetic coupling 1 and a rotary water-oil separator 2, designed to separate water from the wellbore fluid (Fig. 1). The magnetic coupling includes a leading coupling half 3 connected to the motor shaft, a driven coupling half 4 connected to the extraction pump shaft, a protective shield 5 and permanent magnets 6 installed in the coupling halves 3, 4. The annular gap 7 between the driving coupling half 3 and the protective shield 5 is filled engine oil, and an annular gap 8 formed between the protective screen 5 and the driven coupling half 4 is intended for the passage of coolant taken from the well during operation. In the driven half coupling 4, a central hole 9 is made, hydraulically connected to the gap 8 by the lower end channel 10, while the gap 8 is connected with the upper end channel 11, which allows the cooling of the driven half coupling 4 of the fluid back to the well. In order to increase the reliability of the magnetic coupling 1 in the leading coupling half 3 on both cylindrical sides and on the outer cylindrical side of the driven 4 coupling half, recesses 12 are made with smooth recesses 13 for installing radial bearings 14 with flow channels 15 for free passage of coolant (Fig. 3).

Изобретение по второму варианту отличается от первого отсутствием сепаратора вода-нефть 2, и наличием на его месте пакета насосных, например, центробежных, либо любых других ступеней 16 для отбора скважинной жидкости и прокачки ее по кольцевому зазору 8 между ведомой полумуфтой 4 и защитным экраном 5 магнитной муфты (фиг. 2).The invention according to the second embodiment differs from the first in the absence of a water-oil separator 2, and in its place a package of pumping, for example, centrifugal, or any other stages 16 for selecting well fluid and pumping it along an annular gap 8 between the driven coupling half 4 and the protective screen 5 magnetic clutch (Fig. 2).

Узел передачи крутящего момента для погружной установки работает следующим образом.The torque transmission unit for a submersible installation operates as follows.

В момент спуска установки в скважину зазор 8, гидравлически связанный посредством каналов 10 и 9 с проточной частью роторного сепаратора в первом варианте исполнения или пакета насосных ступеней во втором варианте исполнения и входным модулем (не показано на фиг.), заполняется скважинной жидкостью. При включении электродвигателя приводится во вращение ведущая полумуфта 3, связанная с валом электродвигателя. Постоянные магниты 6, закрепленные на ведущей полумуфте 3, создают вращающееся магнитное поле, взаимодействующее с постоянными магнитами ведомой полумуфты 4. При этом ведомая полумуфта 4, связанная с валом роторного сепаратора 2 и установленного последовательно добывающего насоса, вовлекается во вращательное движение. Таким образом, осуществляется передача крутящего момента с ведущей полумуфты 3 на ведомую 4 без механического контакта между ними.At the time of installation of the installation into the well, the gap 8, hydraulically connected through channels 10 and 9 with the flow part of the rotor separator in the first embodiment, or a package of pumping stages in the second embodiment and the input module (not shown in Fig.), Is filled with borehole fluid. When the electric motor is turned on, the drive coupling half 3 is connected to rotation and is connected with the motor shaft. Permanent magnets 6, mounted on the leading coupling half 3, create a rotating magnetic field that interacts with the permanent magnets of the driven coupling half 4. In this case, the driven coupling half 4 connected to the shaft of the rotor separator 2 and the production pump installed in series is involved in the rotational movement. Thus, the transmission of torque from the leading coupling half 3 to the driven 4 without mechanical contact between them.

В процессе вращения полумуфт 3 и 4 в узких зазорах 7 и 8, заполненных маслом двигателя и скважинной жидкостью соответственно, в результате вязкого трения в жидкости выделяется значительное количество теплоты. Причем мощность тепловыделения тем больше, чем выше вязкость жидкости. Во избежание перегрева магнитов, необходимо обеспечить прокачку жидкости через муфту 1 и удалять лишнее тепло за ее пределы. Эту функцию выполняет сепаратор 2 вода-нефть в первом варианте изобретения, либо пакет насосных ступеней 16 во втором варианте.During the rotation of the coupling halves 3 and 4 in the narrow gaps 7 and 8, filled with engine oil and well fluid, respectively, as a result of viscous friction, a significant amount of heat is generated in the fluid. Moreover, the heat dissipation is the greater, the higher the viscosity of the liquid. In order to avoid overheating of the magnets, it is necessary to ensure that fluid is pumped through the coupling 1 and remove excess heat beyond its limits. This function is performed by a water-oil separator 2 in the first embodiment of the invention, or a package of pumping stages 16 in the second embodiment.

В первом варианте исполнения при вращении ведомой полумуфты и связанного с ней вала роторного сепаратора 2 скважинная жидкость (заштрихованные стрелки) поступает внутрь сепаратора 2, где вовлекается в процесс сепарации с разделением фаз разной плотности - более плотной (воды) к периферии устройства и менее плотной (нефти) к оси вращения. Сепарированная вода (контурные стрелки) направляется в центральное отверстие 9 ведомой полумуфты 4 и далее через нижний торцевой канал 10 поступает в кольцевой зазор 8, нагревается при своем движении по зазору 8 в результате вязкого трения между вращающейся с высокой частотой стенкой ведомой полумуфты 4 и неподвижной стенкой защитного экрана 5 и, проходя через проточные каналы 15 в радиальных подшипниках 14, уходит в затруб через торцевой канал 11. Благодаря каналам 15 в подшипниках 14, установленных в выемках 12 с плавными углублениями 13 поток охлаждающей жидкости не испытывает сопротивления своему течению при движении по зазору 8 в месте установки радиальных подшипников 14. Наряду с этим радиальные подшипники 14, служащие опорой для ведущей 3 и ведомой 4 полумуфт, минимизируют вибрацию системы в целом, что также способствует повышению надежности работы муфты при увеличении частоты вращения вала. Таким образом, нагретый в зазоре 8 поток воды уносится за пределы магнитной муфты 1, замещаясь ненагретым. При этом устанавливается постоянная во времени температура магнитов, а также динамическая стабилизация системы, что обеспечивает надежную работу системы в целом.In the first embodiment, when the driven half coupling and the shaft of the rotary separator 2 are rotated, the borehole fluid (shaded arrows) enters the separator 2, where it is involved in the separation process with phase separation of different densities - more dense (water) to the periphery of the device and less dense ( oil) to the axis of rotation. Separated water (contour arrows) is directed into the central hole 9 of the driven coupling half 4 and then through the lower end channel 10 enters the annular gap 8, is heated during its movement along the gap 8 as a result of viscous friction between the wall of the driven coupling half 4 rotating with a high frequency and the fixed wall a protective screen 5 and, passing through the flow channels 15 in the radial bearings 14, goes into the annulus through the end channel 11. Thanks to the channels 15 in the bearings 14 installed in the recesses 12 with smooth recesses 13, the cooling flow the waiting fluid does not experience resistance to its flow when moving along the gap 8 at the installation site of the radial bearings 14. In addition, the radial bearings 14, which serve as a support for the leading 3 and driven 4 coupling halves, minimize the vibration of the system as a whole, which also improves the reliability of the coupling when increasing the shaft speed. Thus, the flow of water heated in the gap 8 is carried away outside the magnetic coupling 1, being replaced by unheated. At the same time, the temperature of the magnets is constant in time, as well as the dynamic stabilization of the system, which ensures reliable operation of the system as a whole.

Во втором варианте исполнения маловязкая скважинная жидкость (черные стрелки) не нуждается в сепарации и закачивается в центральное отверстие 9 ведомой полумуфты 4 магнитной муфты 1 с помощью пакета насосных ступеней 16.In the second embodiment, the low-viscous borehole fluid (black arrows) does not need separation and is pumped into the central hole 9 of the driven half-coupling 4 of the magnetic coupling 1 using a package of pumping stages 16.

Следует учесть, что при рассмотрении признаков приведенного изобретения, а также примеров его реализации, для специалиста станут очевидными другие конструктивные изменения и модификации. Например, жидкость со стороны насоса может поступать в кольцевой канал между защитным экраном и ведомой полумуфтой, а выходить через центральное отверстие внутри ведомой полумуфты. Также может быть изменено взаимное расположение ведущей и ведомой полумуфт магнитной муфты -ведущая полумуфта может быть выполнена внутренней, а ведомая -внешней. Все подобные изменения, не имеющие расхождения с сущностью настоящего изобретения, следует считать защищенными в рамках формулы изобретения.It should be noted that when considering the features of the above invention, as well as examples of its implementation, other structural changes and modifications will become apparent to the specialist. For example, fluid from the pump side can enter the annular channel between the protective shield and the driven coupling half, and exit through the central hole inside the driven coupling coupling. The relative position of the leading and driven half-couplings of the magnetic coupling can also be changed — the leading half-coupling can be made internal, and the driven half-external. All such changes, not inconsistent with the essence of the present invention, should be considered protected within the framework of the claims.

Таким образом, использование заявляемой конструкции позволяет надежно передавать крутящий момент при высоких температурах за счет удаления нагретой жидкости за пределы муфты.Thus, the use of the claimed design allows reliable transmission of torque at high temperatures due to the removal of heated fluid outside the coupling.

Claims

1. A torque transmission unit for a submersible installation, comprising a magnetic coupling, consisting of a driving and driven coupling half with permanent magnets mounted on the motor rotor and pump rotor, respectively, a protective shell between them and an intermediate bearing support, characterized in that in front of the magnetic coupling with a separator is installed on the pump side, which ensures the selection and separation of the borehole fluid and further pumping of the separated low-viscosity fraction through the gap between the protective shell and the driven coupling for cooling the magnets, and in the driven coupling half a central hole is made, hydraulically connected to the aforementioned gap and returning the heated fluid to the well.

2. The torque transmission unit for the submersible installation according to claim 1, characterized in that in the leading and driven half-couplings at the level of the bearing support there are recesses forming an expansion of the flow channels for cooling fluid circulation in the coupling, in which radial bearings are provided with channels for coolant passage.

3. A torque transmission unit for a submersible installation, comprising a magnetic coupling, consisting of a driving and driven coupling half with permanent magnets mounted on the motor rotor and the pump rotor, respectively, a protective shell between them and an intermediate bearing support, characterized in that in front of the magnetic coupling with a set of pumping stages is installed on the pump side, which ensures the selection of the required amount of well fluid, its further pumping through the gap between the containment and the driven half ftoy for cooling magnets and the return of heated fluid to the well.

4. The torque transmission unit for the submersible installation according to claim 3, characterized in that in the leading and driven half-couplings at the level of the bearing support there are recesses forming an expansion of the flow channels for cooling fluid circulation in the coupling, in which radial bearings equipped with channels for coolant passage.