Электронасосный агрегат

 

Использование: в качестве регулируемого электропривода осевых насосов с контрроторными ступенями. Сущность изобретения: электронасосный агрегат включает синхронную 13 и две униполярные машины 14, 18 и содержит внешние и внутренние коаксиально установленные статоры 18, 19, 22, 23 с обмотками 20 переменного тока и кольцевыми обмотками 15, 15', 17, 17' возбуждения. Первая униполярная машина 14 разделена на две независимые части, установленные по обоим торцам синхронной машины 13. Их якоря 26 жестко соединены с индуктором 21 синхронной машины 13, выполненным в виде полого проводящего цилиндра, снабжены жидкометаллическими контактами 27, 27' и размещены в первой кольцевой герметичной камере 25. Вторая униполярная машина 16 разделена на независимые части, снабженные кольцевыми обмотками возбуждения. Якоря 32, 32' этих частей также разделены на независимые части, снабжены пазами, заполненными высокопроводящим материалом, и жидкометаллическими контактами 33, 33'. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электронасосам, в частности к осевым электронасосам, встроенным в электродвигатель, с двумя встречно вращающимися (контрроторными) ступенями, и может быть использовано в магистральных нефтепроводах для перекачивания нефти или системах для перекачивания любых жидких фракций.

Известна конструкция электронасоса, состоящего из двух асинхронных машин, в полые роторы которых встроены две ступени осевого насоса, вращающиеся встречно [1] Недостатком этой конструкции являются низкие энергетические характеристики (КПД, cos ϕ), отсутствие регулирования частоты вращения.

Наиболее близким техническим решением из известных к предлагаемому является конструкция электронасоса, включающего асинхронную машину переменного тока с центральной аксиальной полостью с установленными в ней двумя ступенями осевого насоса [2] Статор машины переменного тока содержит два магнитопровода с обмоткой якоря, обеспечивающей в магнитопроводах встречное следование фаз. Роторы магнитопроводов выполнены с центральной аксиальной сквозной полостью, разделены на две независимые части, снабженные лопастями двух ступеней насоса, и установлены посредством опор скольжения на цилиндрическом стержне, установленном по оси вращения.

Прототипу присущи следующие недостатки: 1. Отсутствие регулирования частоты вращения ступеней насоса. 2. Низкие энергетические характеристики, cos v, КПД каждой ступени насоса, так как машина асинхронная, моменты сопротивления ступеней насоса различные, а это приводит к повышенному скольжению одного из роторов (а, следовательно, к увеличению потерь скольжения); кроме того, различные частоты вращения ступеней понижают КПД насосной части агрегата.

3. Низкая надежность, так как жидкая перекачиваемая среда проникает в воздушный зазор между статором и ротором асинхронной машины.

Техническая задача, решаемая изобретением обеспечение регулирования частот вращения каждой ступени, повышение надежности и энергетических характеристик.

Результат достигается тем, что электрическая машина выполнена в виде электромашинного агрегата, включающего синхронную и две униполярные машины, снабженного внешним и внутренним коаксиально установленными статорами с обмоткой переменного тока и кольцевыми обмотками возбуждения, первую герметичную кольцевую камеру с размещенным в ней якорем первой униполярной машины, жестко сочлененным с индуктором синхронной машины, выполненным в виде полого проводящего цилиндра, разделенного вдоль образующей на части с числом, равным числу полюсов обмоток переменного тока, внутренний статор выполнен со сквозной аксиальной полостью, снабжен защитным цилиндром, образующим совместно с внутренней цилиндрической поверхностью статора вторую герметичную кольцевую камеру с установленными в ней якорем второй униполярной машины, выполненным в виде полого ферромагнитного цилиндра с пазами, заполненными немагнитным проводящим материалом, разделенным механически и электрически на две независимые части, снабженные жидкометаллическими контактами, электрически соединенными с соответствующими жидкометаллическими контактами двух частей якоря первой униполярной машины, лопасти каждой ступени насоса механически отделены от индуктора машины переменного тока, по наружному диаметру снабжены ферромагнитными кольцами с пазами, обращенными к пазам якоря второй униполярной машины с числом, равным числу пазов якоря, лопасти по внутренним диаметрам снабжены кольцами и установлены на стержне, снабженном подшипниковыми опорами, кроме того, пазы ферромагнитных колец лопастей заполнены немагнитным материалом, кроме того, в стержне под цилиндрическими поверхностями колец лопастей выполнены кольцевые канавки, соединенные каналами с торцевой поверхностью стержня со стороны повышенного давления насоса, при этом глубины кольцевых канавок имеют большие значения в верхней части стержня, кроме того ферромагнитные кольца лопастей по внутреннему диаметру выполнены с взаимной конусностью с обоих торцов.

Отличительные признаки изобретения: выполнение электродвигателя в виде электромашинного агрегата, включающего синхронную и две униполярные машины, конструктивно совмещенные в едином корпусе; лопасти каждой ступени насоса отделены от индуктора машины переменного тока снабжены по наружному диаметру ферромагнитными кольцами с пазами, обращенными к пазам якоря второй униполярной машины; лопасти насоса по внутреннему диаметру снабжены кольцами и установлены на стержне, снабженном антифрикционным покрытием по цилиндрической поверхности и торцам; пазы ферромагнитных колец лопастей заполнены немагнитным материалом; в стержне под цилиндрическими поверхностями колец выполнены кольцевые канавки эксцентрично оси вращения лопастей.

На фиг. 1 изображено устройство электронасосного агрегата, продольное сечение; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 схема электрического соединения индуктора синхронной машины и якоря первой униполярной машины; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 1.

Электронасосный агрегат (фиг. 1) содержит электромашинный агрегат 1, первую 2 и вторую 3 ступени осевого насоса, установленного на стержне 4, закрепленном ребрами жесткости 5, 5' на электромашинном агрегате.

Первая 2 и вторая 3 ступени осевого насоса состоят из лопастей 6, 6', снабженных ферромагнитными кольцами 7 и 7' с пазами 8 (фиг. 4), заполненными немагнитным материалом, и кольцами 9, 9'. Стержень 4 на поверхностях трения снабжен антифрикционным покрытием 10 и кольцевыми канавками 11, 11', выполненными эксцентрично по отношению к оси вращения насоса, соединенными каналами 12 со стороной повышенного давления насоса.

Электромагнитный агрегат включает синхронную машину 13, первую униполярную машину 14 с двумя независимыми кольцевым катушками 15 и 15', вторую униполярную машину 16 с двумя независимыми кольцевыми катушками 17 и 17'. Синхронная машина 13 содержит внешний 18 и внутренний 19 коаксиально установленные статоры с обмоткой якоря переменного тока 20. Индуктор 21 в виде полого проводящего цилиндра, разделенного вдоль образующей на изолированные части (фиг. 2) числом, равным числу полюсов обмотки якоря 20. Внешний 18 и внутренний 19 статоры совместно со статорами 22 и 23 униполярных машин и торцевыми крышками 24, 24' образуют первую кольцевую камеру 25. Первая униполярная машина 14 содержит внешний статор 22 с обмотками возбуждения 15 и 15' и якорь 26, жестко механически и электрически связанный с индуктором 21 синхронной машины и снабженный двумя группами независимых жидкометаллических контактов 27 и 27'. Якорь 26 совместно с индикатором 21 установлен в первой герметичной камере 25 на жидкометаллических опорах скольжения 28, 28'. Внутренний статор первой униполярной машины совмещен со статором 23 второй униполярной машины 16. Статор 23 совместно с защитным цилиндром 29 и торцевыми крышками 30, 30' образует вторую герметичную камеру 31, в которой установлены две независимые части якоря 32, 32' второй униполярной машины с двумя независимыми группами жидкометаллических контактов 33, 33'. Жидкометаллические контакты каждой группы первой униполярной машины 27 и 27' соответственно соединены непосредственно с жидкометаллическими контактами 33 и 33'.

Якорь 32 второй униполярной машины выполнен из ферромагнитного цилиндра 34 с пазами 35 (фиг. 4), заполненными немагнитным проводящим материалом, числом, равным числу пазов в ферромагнитных кольцах 7 лопастей 6 осевого насоса.

Электрическое соединение группы якоря 26, примыкающего к индуктору 21 синхронной машины, с аналогичной группой якоря 32 второй униполярной машины выполнено по схеме фиг. 3.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения в якорную обмотку 20 синхронной машины 13 ее индуктор 21 придет во вращение с частотой, близкой к частоте вращения электромагнитного поля обмотки якоря 20. Одновременно придет во вращение и якорь 26 первой униполярной машины 14. При подаче возбуждения в кольцевую обмотку 15 в якоре 26 на длине первой группы скользящих контактов наведется униполярная электродвижущая сила, а поскольку жидкометаллические контакты якоря 27 наглухо соединены с жидкометаллическими контактами 33 второй униполярной машины, по замкнутой цепи, образованной индуктором 21 синхронной машины, частью якоря 26 первой униполярной машины и одной независимой частью 32 второй униполярной машины (фиг. 3) потечет постоянный ток. Этот ток создает в индукторе 21 магнитный поток с числом пар полюсов, равным числу полюсов обмотки якоря 20 синхронной машины, и индуктор 21 втянется в синхронизм с вращающимся электромагнитным полем обмотки якоря 20 синхронной машины. Синхронная машина 13 работает на холостом ходу. При подаче возбуждения в кольцевую обмотку 17 второй униполярной машины 16 в магнитной системе, образованной статором 23, якорем 32 (фиг. 1, 3), и ферромагнитным кольцом 7, возбудится магнитный поток. Этот поток, взаимодействуя с током якоря 32 второй униполярной машины, создаст вращающий момент и якорь 32 придет во вращение. Поскольку магнитный поток замыкается через зубцы цилиндра 34 и зубцы ферромагнитного кольца 7 (фиг. 4), то между ними возникает удерживающая от тангенциального смещения сила, кольцо 7 и цилиндр 34 неподвижны относительно друг друга, при этом частота вращения кольца 7 равна частоте вращения цилиндра 34. Регулирование величины вращающего момента и частоты вращения этой ступени насоса осуществляется путем изменения токов возбуждения в кольцевых катушках 15 и 17 (фиг. 1). Поскольку обмотки возбуждения 15 и 17, 15' и 17' независимы, то значение частот вращения, моментов и направления вращения двух ступеней осевого насоса также независимы.

Поскольку насос перекачивает жидкую среду (нефть, вода и т. д.), то она может быть использована в качестве смазки опор скольжения осевого насоса, при этом перепад напора жидкости на каждой ступени и на выходе из насоса таков, что опоры скольжения могут выполняться гидростатическими (фиг. 1). Для этого под каждой ступенью осевого насоса, их внутренними кольцами 9, 9' выполняются эксцентричные кольцевые канавки 11, 11', при этом глубина канавки в верхней части стержня 4 больше, чем в нижней части. Верхняя часть канавок 11, 11' соединяется каналами 12, 12' с областью повышенного давления жидкости. При этом давление жидкости в верхней части стержня 4 и канавок 11, 11' будет больше, чем в нижней части. Ступени насоса 6, 6' всплывут на жидкой смазке, исключая непосредственное соприкосновение колец 9, 9' с поверхностями трения 10, 10' стержня 4.

Для уменьшения гидравлических потерь пазы ферромагнитных колец 7 и 7' необходимо заполнять немагнитным материалом 8.

Преимущество предлагаемого устройства по сравнению с прототипом заключается в возможности регулирования частот вращения, вращающих моментов в широком диапазоне для каждой ступени осевого насоса, улучшении энергетических характеристик (КПД, cos v), повышении надежности, так как электродвигатель выполнен в виде полностью герметичного электромашинного агрегата, привод к ступеням осевого насоса которого осуществляется магнитной связью, при этом его входная машина переменного тока синхронная.

Формула изобретения

1. Электронасосный агрегат, включающий электрическую машину переменного тока со статором с магнитопроводами и обмоткой якоря, ротором с индуктором и центральной аксиальной сквозной полостью, разделенной на две независимые части, снабженные лопастями двух ступеней осевого насоса, цилиндрический стержень, установленный вдоль оси вращения насоса, опоры скольжения, отличающийся тем, что электрическая машина выполнена в виде электромашинного агрегата, включающего синхронную и две униполярные машины, снабженного внешним и внутренним коаксиально установленными статорами с магнитопроводами и обмоткой переменного тока, магнитопроводами двух униполярных машин с не менее чем двумя независимыми кольцевыми обмотками возбуждения на каждом статоре, первую герметичную камеру, образованную внешними и внутренними статорами, с размещенным в ней якорем первой униполярной машины в виде полого проводящего цилиндра с двумя независимыми группами жидкометаллических контактов, жестко механически сочлененного и электрически соединенного с индуктором синхронной машины, выполненным в виде второго проводящего цилиндра, разделенного вдоль образующей на части числом, равным числу полюсов обмотки переменного тока, внутренний статор выполнен со сквозной центральной аксиальной полостью, снабжен защитным цилиндром, образующим совместно с внутренней цилиндрической поверхностью статора вторую герметичную кольцевую камеру с установленным в ней якорем униполярной машины, выполненным в виде полого ферромагнитного цилиндра с пазами, заполненными немагнитным проводящим материалом, разделенным механически и электрически на две независимые части, снабженные жидкометаллическими контактами, электрически соединенные с соответствующими жидкометаллическими контактами двух частей якоря первой униполярной машины, лопасти каждой ступени насоса механически отделены от индуктора машины переменного тока, по наружному диаметру снабжены ферромагнитными кольцами с пазами, обращенными к пазам якоря второй униполярной машины, числом, равным числу пазов якоря, лопасти по внутренним диаметрам снабжены кольцами и установлены на стержне, снабженном опорами скольжения.

2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что пазы ферромагнитных колец лопастей заполнены немагнитным материалом.

3. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что в стержне под цилиндрическими поверхностями колец лопастей выполнены кольцевые канавки, соединенные каналами с торцевой поверхностью стержня со стороны повышенного давления насоса, при этом кольцевые канавки выполнены эксцентрично по отношению к оси вращения, причем глубины кольцевых канавок имеют большие значения в верхней части стержня.

4. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что ферромагнитные кольца лопастей по внутреннему диаметру выполнены с взаимной конусностью с обоих торцов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4