RU2449455C2

RU2449455C2 - Plain thrust-journal bearing on shaft driving end of asychronous machine of vetohin for oil-and-gas wells (amv ogw)

Info

Publication number: RU2449455C2
Application number: RU2010128192/07A
Authority: RU
Inventors: Виктор Иванович Ветохин (RU); Виктор Иванович Ветохин; Алексей Вадимович Лященко (RU); Алексей Вадимович Лященко; Олег Борисович Алексеев (RU); Олег Борисович Алексеев; Александр Николаевич Созанский (RU); Александр Николаевич Созанский; Юрий Викторович Бабенко (RU); Юрий Викторович Бабенко; Валерий Михайлович Горохов (BY); Валерий Михайлович Горохов
Original assignee: Открытое акционерное общество Промышленная группа "Новик"
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2012-04-27
Also published as: RU2010128192A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: creation of multipurpose high-loaded thrust-journal bearing on shaft driving end of submersible electric motor of vertical open design is executed using inserts made of high-density frictionproof powder material. Asynchronous machine (AMV OGW) contains housing (1), shaft (2) with collar (3) on driving shaft end and having thrust surfaces (4) and (11) at both sides which surfaces function as moving sliding surfaces (4) for pump, (11) for drilling gear. For immovable parts of bearing, inserts (6) and (10) are used which are made of high-density frictionproof powder material with the same sliding surfaces (4) and (11) allowing motor to work with its driving end up for pump driving and down - for drilling gear driving. Cooling of bearing sliding surfaces is executed by fluid environment through holes (13) and (14) in the housing (1) and through free gaps (7), (15), (16), (17) between the housing (1) and the shaft (2).

EFFECT: higher reliability and lifetime of asynchronous machine operating at submergence depth up to 3000 m and at high temperature of strata water.

2 dwg

Description

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.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to submersible electric machines, which are used for drives of various underwater mechanisms of drilling and production facilities in the development and production of minerals and mineral resources of oil and gas on the seabed, as well as for drives of downhole pumps and drilling mechanisms in exploration and industrial development of the offshore continental shelf for oil and gas.

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. В качестве подшипников в указанной машине используются шарикоподшипники типа Ю1 и Ю15 из антикоррозионной нержавеющей стали.Known open-type electric machine for working in sea water at any diving depth with cooling of the internal active parts of sea water outside (see "Vetokhin Electric Machine", patent No. 2072609, BI No. 3, 01/27/97), which contains a stator, a rotor with a shaft and bearings enclosed in an unpressurized housing filled with a liquid cooler, and bearing shields with holes. Sea water was used as a cooler, and the holes in the bearing shields for cold water inlet and heated water outlet were located in two groups. As bearings in this machine, ball bearings of the type U1 and U15 are used from corrosion-resistant stainless steel.

Недостатками этих подшипников являются:The disadvantages of these bearings are:

1. Малый ресурс в морской воде (500-700 часов).1. Small resource in sea water (500-700 hours).

2. Не предназначены для работы в вертикального исполнения машине.2. Not intended to work in a vertical version of the machine.

Из известных наиболее близкой к заявляемой, выбранной за прототип, является электрическая машина Ветохина ЭМВ (см. «Электрическая машина Ветохина ЭМВ», патент №1833703, СССР. 1989). В данной машине применены опорно-упорные подшипники скольжения для электрических машин типа ЭМВ, вкладыши которых изготавливаются из высокоплотного антифрикционного порошкового материала (металлокерамики), а подвижные втулки - из высокопрочной, антикоррозионной, термообработанной нержавеющей стали. На валу на свободных концах установлены подвижные втулки, а в подшипниковых щитах запрессованы вкладыши. Опорно-упорные подшипники скольжения в данной машине обеспечивают ее надежную работу в качестве привода любого подводного механизма, находящегося на неограниченной глубине погружения в морской воде при любых кренах и дифферентах. Недостатком данной конструкции ЭМВ применительно для погружных электродвигателей (ПЭД) нефтескважин является соизмеримость диаметра и длины ротора больших размеров, а также невозможность осуществить подшипники с подвижными втулками в погружных электродвигателях для насосов и механизмов «Буров» для нефтяных и газовых скважин с малыми диаметрами корпуса и статора для постоянной работы в вертикальном исполнении, при котором нагрузка будет только на опорную скользящую поверхнсть. ПЭД для нефтегазовых скважин имеют малый диаметр корпуса до 150 мм, а длины для больших мощностей двигателя достигают до 8 м, с гидрозащитой до 16 м, в которых статоры, роторы и гидрозащита выполняются многоступенчатыми. Кроме того, при глубине скважины до 3000 м температура окружающей кислой агрессивной пластовой воды достигает 150°C, поэтому подшипники скольжения должны быть компактными и стойкими к агрессивной пластовой воде при высоких температурах при больших удельных нагрузках и обладать высокой надежностью и работоспособностью.Of the known closest to the claimed, selected for the prototype, is an electric machine Vetokhin EMV (see. "Electric machine Vetokhin EMV", patent No. 1833703, USSR. 1989). In this machine, thrust bearings are used for electric machines of the EMV type, the liners of which are made of high-density antifriction powder material (cermet), and the movable bushings are made of high-strength, anti-corrosion, heat-treated stainless steel. Movable bushings are installed on the shaft at the free ends, and liners are pressed into the bearing shields. Axial plain bearings in this machine provide its reliable operation as a drive for any underwater mechanism located at an unlimited depth of immersion in sea water for any roll and trim. The disadvantage of this design of EMW for submersible electric motors (SEM) of oil wells is the commensurability of the diameter and length of the rotor of large sizes, as well as the inability to carry bearings with movable sleeves in submersible motors for pumps and mechanisms "Burov" for oil and gas wells with small diameters of the housing and stator for continuous work in vertical design, in which the load will be only on the supporting sliding surface. PEMs for oil and gas wells have a small body diameter of up to 150 mm, and lengths for large engine capacities reach up to 8 m, with hydraulic protection up to 16 m, in which stators, rotors and hydraulic protection are multistage. In addition, with a well depth of up to 3000 m, the temperature of the surrounding acidic aggressive formation water reaches 150 ° C, so plain bearings must be compact and resistant to aggressive formation water at high temperatures at high specific loads and have high reliability and performance.

Задачей данного изобретения является повышение надежности, живучести и срока службы разработанной асинхронной машины «АМВ НГС» вертикального исполнения валом вверх для насосов, валом вниз для механизма «Бурения» на глубину погружения до 3000 м и температуру пластовой воды до 150°C за счет применения универсального высоконагруженного упорно-опорного малогабаритного подшипника скольжения со стороны приводного конца вала с вкладышами из порошковых материалов, воспринимающего основную упорную нагрузку от насоса или бурового механизма.The objective of this invention is to increase the reliability, survivability and service life of the developed asynchronous machine "AMV NGS" of vertical design with the shaft up for pumps, the shaft down for the "Drilling" mechanism to an immersion depth of up to 3000 m and formation water temperature up to 150 ° C through the use of universal a highly loaded thrust support small-sized sliding bearing on the side of the drive end of the shaft with liners made of powder materials, which receives the main thrust load from a pump or drilling mechanism.

Задача решается тем, что в известной асинхронной погружной электрической машине вертикального исполнения с приводным концом вала вверх или вниз, содержащей многопакетные статор и винтоканавочный ротор с монолитным валом, подшипники, протекторную защиту активных частей в виде втулок и колец из алюминиево-магниево-цинкового сплава, заключенные в корпус с отверстиями для входа и выхода окружающей пластовой воды для охлаждения, приводной конец вала снабжен буртиком, служащим подвижной частью упорно-опорного подшипника скольжения с двухсторонними упорными скользящими поверхностями, а на валу с опорными скользящими поверхностям с точностью обработки поверхностей до 7-10 класса чистоты в качестве неподвижных частей подшипника с двух сторон от упорных поверхностей буртика применены вкладыши из высокоплотного антифрикционного порошкового материала (металлокерамики), которые также имеют упорные со стороны буртика и опорные со стороны вала скользящие поверхности грубой обработки, причем в корпус двигателя со стороны привода вставлен подшипниковый щит из материала корпуса с углублением к буртику, в которое запрессован втугую один из вкладышей, крепление подшипникового щита осуществляется винтами с потайной головкой через симметрично расположенные отверстия в корпусе, второй противоположный таких же размеров вкладыш запрессован втугую в углубление корпуса машины, вкладыши снабжены непрерывными канавками на скользящих поверхностях для удаления абразивов охлаждающей жидкостью, поступающей через свободные зазоры между подшипниковым щитом, корпусом и валом, а охлаждающая пластовая вода поступает из окружающей среды через симметрично расположенные отверстия в корпусе в начале подшипника и по зазору между валом и корпусом, а нагретая вода выходит через аналогичные отверстия в корпусе по центру подшипника над буртиком.The problem is solved in that in a known vertical asynchronous submersible electric machine with a drive end of the shaft up or down, containing a multi-pack stator and a rotor-groove rotor with a monolithic shaft, bearings, tread protection of the active parts in the form of bushings and rings of aluminum-magnesium-zinc alloy, enclosed in a housing with holes for the inlet and outlet of the surrounding formation water for cooling, the drive end of the shaft is provided with a shoulder serving as the movable part of the thrust-plain bearing with two resistant thrust sliding surfaces, and on the shaft with bearing sliding surfaces with an accuracy of treatment of surfaces up to 7-10 cleanliness classes, the bearings made of high-density antifriction powder material (cermets), which also have thrust the sides of the flange and the supporting surfaces of the shaft on the shaft side are rough machining surfaces, and a bearing shield made of housing material is inserted into the motor housing from the drive side with a recess to the shoulder, into which one of the bushings is pressed in immediately, the bearing shield is fastened with countersunk screws through symmetrically located holes in the housing, the second opposite-sized insert is pressed into the groove of the machine body, the bushings are provided with continuous grooves on sliding surfaces for removal abrasives with coolant flowing through the free gaps between the bearing shield, housing and shaft, and the cooling formation water comes from the surrounding area fluid through symmetrically located holes in the housing at the beginning of the bearing and the gap between the shaft and the housing, and heated water flows through similar openings in the housing in the center of the bearing above the shoulder.

Изобретение поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

- на фиг.1 показан подшипниковый узел со стороны приводного конца вала;- figure 1 shows the bearing assembly from the drive end of the shaft;

- на фиг.2 показан вкладыш опорно-упорного подшипника скольжения со стороны приводного конца вала.- figure 2 shows the liner of the thrust bearing on the side of the drive end of the shaft.

На фиг.1 изображен подшипниковый узел со стороны приводного конца вала, который включает в себя вал 2 с упорным буртиком 3, имеющим упорные термообработанные скользящие поверхности 4 и 11 с точностью обработки шлифовкой до 7-10 класса чистоты. Перпендикулярно на валу имеются опорные термообработанные скользящие поверхности 5 и 12 с теми же параметрами обработки, как и у буртика. Для привода насоса, когда электродвигатель располагается валом вверх, в корпус 1 запрессован втугую вкладыш 6 из порошкового материала (металлокерамики) марки Бр05Н2С5Гр1ДМ1, который также имеет упорную 4 и опорную 5 скользящие поверхности. Для охлаждения скользящих поверхностей имеется свободный зазор 7, через который поступает пластовая вода из полости АМВ НГС. Для привода бурового механизма, когда электродвигатель располагается валом вниз, с другой стороны буртика для упора от веса ротора в корпус 1 двигателя запрессовывается по горячей посадке подшипниковый щит 8 из антикоррозионной нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т с углублением в виде цилиндра для запрессовки вкладыша. Крепление подшипникового щита осуществляется через симметрично расположенные отверстия в корпусе 1 винтами 9 диаметром М6-М8 из высокопрочной термообработанной нержавеющей стали марки 40Х13. В углубление подшипникового щита 8 запрессовывается втугую вкладыш 10 из высокоплотного антифрикционного и антикоррозионного порошкового материала, который имеет упорную 11 и опорную 12 скользящие поверхности. В полость АМВ НГС в области подшипникового узла вода из окружающей среды поступает через симметрично расположенные отверстия 13 в корпусе 1, а через отверстия 14 нагретая вода выходит из полости машины. По окружности отверстия 13 и 14 равномерно размещены под углом β относительно друг друга, отверстия одной группы 13 смещены на угол β/2 относительно другой группы 14 с целью улучшения водообмена и для сохранения механической прочности корпуса. Выбирают по 6 отверстий в каждой группе диаметром по 5 мм каждое при диаметре корпуса до 150 мм. Для охлаждения скользящих пар подшипника вода из полости двигателя через свободные зазоры 7, 15, 16, 17 между корпусом 1 и валом 2 поступает для охлаждения непосредственно на скользящие поверхности подшипника. Для протекторной защиты от электрохимической коррозии подшипникового узла и вала на вал 2 напрессована втугую протекторная втулка 18, а корпуса 1 - вовнутрь его запрессовано кольцо 19 из магниевого сплава марки МЛ4, имеющие плотный электрический контакт с корпусом 1 и валом 2. Вкладыши 6, фиг.1, и 10, фиг.2, из высокоплотного порошкового антифрикционного материала Бр05Н2С5Гр1ДМ1 могут нести удельную нагрузку до 120 кгс/см² в аксиальном и радиальном направлениях при температуре до 300°C, поэтому рабочий зазор скользящей пары при горизонтальном и вертикальном направлениях должен быть - ходовой 60÷80 мк для диаметра вала до 60 мм. Для улучшения охлаждения скользящей пары и удаления образовавшихся частиц вкладыши 6 и 10 имеет осевые канавки 20 на опорной поверхности и шлицы 21 на упорной поверхности, как продолжение канавок. Геометрические размеры канавок по диаметру 5-6 мм, конфигурация по сечению - полуокружность, фиг.2.Figure 1 shows the bearing assembly on the side of the drive end of the shaft, which includes a shaft 2 with a thrust shoulder 3 having heat-resistant thrust sliding surfaces 4 and 11 with grinding accuracy up to 7-10 grade of cleanliness. Perpendicular to the shaft there are supporting heat-treated sliding surfaces 5 and 12 with the same processing parameters as the shoulder. To drive the pump, when the electric motor is positioned with the shaft upward, a sleeve 6 of powder material (cermet) of the Br05N2S5Gr1DM1 grade is pressed into housing 1, which also has a sliding surface 4 and a bearing 5 and a bearing 5. To cool the sliding surfaces, there is a free gap 7, through which reservoir water flows from the cavity of the AMS NGS. To drive the drilling mechanism, when the electric motor is positioned with the shaft down, on the other side, a collar 8 made of anti-corrosion stainless steel 12X18H10T with a recess in the form of a cylinder for pressing in the liner is pressed into the motor housing 1 on the flange to stop against the weight of the rotor; The bearing shield is mounted through symmetrically located holes in the housing 1 with screws 9 with a diameter of M6-M8 from high-strength heat-treated stainless steel grade 40X13. Into the recess of the bearing shield 8, a thrust liner 10 of high-density antifriction and anticorrosive powder material is pressed in, which has a sliding surface 11 and a supporting surface 12. In the cavity of the AMS NGS in the area of the bearing assembly, water from the environment enters through symmetrically located holes 13 in the housing 1, and heated water leaves the cavity of the machine through the openings 14. The holes 13 and 14 are evenly spaced around the circumference at an angle β relative to each other, the holes of one group 13 are offset by an angle β / 2 relative to the other group 14 in order to improve water exchange and to preserve the mechanical strength of the housing. Choose 6 holes in each group with a diameter of 5 mm each with a case diameter of up to 150 mm. To cool the sliding pairs of the bearing, water from the engine cavity through the free gaps 7, 15, 16, 17 between the housing 1 and the shaft 2 is supplied for cooling directly to the sliding surfaces of the bearing. For tread protection against electrochemical corrosion of the bearing assembly and the shaft, the tread sleeve 18 is pressed into the shaft 2, and the casing 1 is pressed inside its ring 19 made of magnesium alloy grade ML4, which have tight electrical contact with the housing 1 and the shaft 2. Inserts 6, FIG. 1 and 10, Figure 2, of the high density powder Br05N2S5Gr1DM1 antifriction material can carry a specific load of 120 kgf / cm ² in the axial and radial directions at temperatures up to 300 ° C, therefore, the working air gap sliding pairs for the horizontal and TOWER nom directions must be - Coil 60 ÷ 80 microns for the shaft diameter to 60 mm. To improve cooling of the sliding pair and to remove the formed particles, the liners 6 and 10 have axial grooves 20 on the abutment surface and splines 21 on the abutment surface, as an extension of the grooves. The geometric dimensions of the grooves in diameter of 5-6 mm, the configuration in cross section is a semicircle, figure 2.

При использовании электродвигателя в качестве привода для буровых механизмов приводным концом вала вниз добавляются в связи с этим дополнительные операции при сборке. После монтажа ротора передний подшипниковый щит 8 с запрессованным вкладышем 10 запрессовывается втугую в корпус двигателя и закрепляется винтами 9 по окружности корпуса, после чего напрессовываются на вал протекторная втулка 18 и в корпус - протекторное кольцо 19. Таким образом, при работе двигателя с буровым механизмом нагрузку от веса ротора и «Бура» воспринимает упорная поверхность 11 вкладыша 10. Упорная и опорная поверхности буртика 3 должны быть термообработаны и отшлифованы до 7-10 класса чистоты. Эти же поверхности вкладышей должны иметь грубую, токарную обработку, необходимо только соблюсти зазор между скользящими поверхностями с учетом температуры нагрева окружающей среды ПЭД до 200°C с учетом разбега ротора, с тем чтобы не затормозился ротор во время работы.When using an electric motor as a drive for drilling mechanisms, the drive end of the shaft downward adds additional assembly operations. After mounting the rotor, the front bearing shield 8 with the pressed liner 10 is pressed into the engine casing tightly and secured with screws 9 around the circumference of the casing, after which the tread sleeve 18 is pressed onto the shaft and the tread ring 19 is pressed into the housing. Thus, when the motor is running with a drilling mechanism, the load from the weight of the rotor and the “Drill” perceives the abutment surface 11 of the liner 10. The abutment and abutment surfaces of the shoulder 3 must be heat treated and ground to a grade of 7-10. The same surfaces of the liners should be rough, turning, it is only necessary to observe the gap between the sliding surfaces, taking into account the temperature of the environment of the PEM to 200 ° C, taking into account the run of the rotor, so that the rotor does not brake during operation.

Вал ротора должен быть сплошным для усиления жесткости при скручивании во время работы. Охлаждение его обеспечивается с помощью теплопередачи в окружающую воду и ввиду большой теплопроводности материала вала, он практически нагреется на (1-2)°C выше, чем вода в зазоре между статором и ротором.The rotor shaft must be solid to increase stiffness when twisting during operation. Its cooling is provided by heat transfer to the surrounding water and, due to the large thermal conductivity of the shaft material, it will practically heat up (1-2) ° C higher than the water in the gap between the stator and the rotor.

Заявляемое техническое решение позволяет значительно качественно улучшить надежность, работоспособность и повысить срок службы АМВ НГС на глубине погружения до 3000 м при температуре окружающей жидкости 150°C за счет применения универсального малогабаритного высоконагруженного опорно-упорного подшипника со стороны приводного конца вала для работы в качестве привода насоса валом вверх и в качестве механизма «Бура» валом вниз, причем при значительном отклонении от вертикальной оси машины до 80°.The claimed technical solution allows to significantly improve the reliability, performance and increase the life of the AMV NGS at an immersion depth of up to 3000 m at an ambient liquid temperature of 150 ° C due to the use of a universal small-sized high-loaded thrust bearing from the drive end of the shaft to work as a pump drive shaft up and as a mechanism "Borax" shaft down, and with a significant deviation from the vertical axis of the machine to 80 °.

Claims

An asynchronous machine (AMV NGS) of vertical design with a drive end of the shaft up or down, containing a multi-package stator and a rotor-groove rotor with a monolithic shaft, bearings, tread protection of the active parts in the form of rings and bushings of aluminum-magnesium-zinc alloy, enclosed in a housing with holes for entering and exiting surrounding formation water for cooling, characterized in that the drive end of the shaft is provided with a shoulder serving as a movable part of the thrust-plain bearing with double-sided thrust sliding surfaces, and on a shaft with supporting sliding surfaces with an accuracy of treatment of surfaces up to 7-10 cleanliness classes, as the stationary parts of the bearing on both sides of the abutment surfaces of the shoulder, bushings of high-density antifriction powder material (cermet) are used, which also have thrust resistant on the side of the shoulder and bearing surfaces on the shaft side are rough machining surfaces, and a bearing shield made of housing material with a recess to the shoulder in the cat is inserted into the motor housing from the drive side one of the liners is pressed in immediately, the bearing shield is secured with countersunk screws through symmetrically located holes in the housing, a second opposite-sized liner is pressed in directly into the recess of the machine body, the liners are equipped with continuous grooves on sliding surfaces to remove abrasives with coolant flowing through free gaps between the bearing shield and the shaft, cooling formation water flows from the environment through a symmetrical arrangement holes in the housing at the beginning of the bearing and the gap between the shaft and the housing, and heated water exits through similar holes in the housing in the center of the bearing above the shoulder.