Содержание к диссертации
Введение
1. Цилиндрические линейные асинхронные двигатели для привода погружных плунжерных насосов: со стояние вопроса, задачи исследования 11
2. Математические модели и методики расчета электромагнитных и тепловых процессов в ЦЛАД 18
2.1. Методики электромагнитного расчета ЦЛАД 18
2.1.1. Электромагнитный расчет ЦЛАД методом Е-Н-четырехполюсников 18
2.1.2. Электромагнитный расчет ЦЛАД методом конечных элементов 26
2.2. Методика расчета циклограмм работы ЦЛАД 31
2.3. Методика расчета теплового состояния ЦЛАД 38
3. Анализ конструктивных исполнений цлад для при вода погружных насосов 46
3.1. ЦЛАД с внутренним расположением вторичного элемента 46
3.2. Обращенный ЦЛАД с подвижным индуктором 50
3.3. Обращенный ЦЛАД с неподвижным индуктором 54
4. Исследование возможностей улучшения характери-стик ЦЛАД 56
4.1.Оценка возможностей улучшения характеристик ЦЛАД с массивным вторичным элементом при низкочастотном питании 56
4.2. Анализ влияния величины открытия паза индуктора на показа-телиЦЛАД 64
4.3. Исследование влияния толщины слоев комбинированного ВЭ на показатели ЦЛАД с внутренним расположением вторичного элемента 67
4.4. Исследование влияния толщины слоев комбинированного ВЭ на показатели обращенного ЦЛАД с подвижным индуктором 75
4.5. Исследование влияния толщины слоев комбинированного ВЭ на показатели обращенного ЦЛАД с неподвижным индуктором 78
4.6. Исследование энергетических показателей ЦЛАД при работе в возвратно-поступательном режиме 82
5. Выбор конструкции цлад для привода погружных плунжерных насосов 95
5.1. Анализ и сравнение технико-экономических показателей ЦЛАД 95
5.2. Сравнение теплового состояния ЦЛАД 104
6. Практическая реализация результатов
6.1 .Экспериментальные исследования ЦЛАД 110
6.2.Создание стенда для испытания линейного электропривода на основе ЦЛАД 112
6.3.Разработка опытно-промышленного образца ЦЛАД 115
Основные результаты работы 120
Библиографический перечень 122
Приложение 1 129
- Методика расчета циклограмм работы ЦЛАД
- Обращенный ЦЛАД с подвижным индуктором
- Анализ влияния величины открытия паза индуктора на показа-телиЦЛАД
- Сравнение теплового состояния ЦЛАД
Введение к работе
Цилиндрические линейные асинхронные двигатели (ЦЛАД), называемые иногда коаксиальными, могут составлять основу электроприводов возвратно-поступательного движения, как альтернативы приводам с механическими преобразователями вида движения (типа винт-гайка или шестерня-рейка), а также пневматическим и, в ряде случаев, гидравлическим приводам. По сравнению с указанными типами приводов линейные электроприводы с непосредственной передачей электромагнитного усилия подвижному элементу обладают лучшими регулировочными свойствами, повышенной надежностью, требуют меньших эксплуатационных затрат. Как следует из литературных источников [1,3,4,18], ЦЛАД находят применение при создании электроприводов целого ряда производственных механизмов: коммутационной аппаратуры (например, разъединителей в системах электроснабжения метрополитенов); толкателей или сбрасывателей, используемых в поточных линиях; плунжерных или поршневых насосов, компрессоров; раздвижных дверей и оконных фрамуг цехов или теплиц; различных манипуляторов; шиберов и заслонок; метательных устройств; механизмов ударного действия (отбойные молотки, пробойники) и т. п. Указанные возможности линейных электроприводов поддерживают устойчивый интерес к их разработке и исследованию. В большинстве случаев ЦЛАД работают в кратковременных режимах работы. Такие двигатели можно рассматривать не как преобразователи энергии, а как преобразователи силы. При этом такой показатель качества, как коэффициент полезного действия отходит на второй план. В то же время в циклических электроприводах (приводы насосов, компрессоров, манипуляторов, отбойных молотков и т.п.) двигатели работают в повторно-кратковременных и продолжительных режимах. В этих случаях задача повышения технико-экономических показателей линейного электропривода на основе ЦЛАД становится актуальной. В частности, одним из востребованных применений ЦЛАД является использование их в насосных агрегатах для подъема нефти из скважин. В настоящее время для этих целей используются преимущественно два способа механизированной добычи нефти:
1. Подъем с помощью установок погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН).
2. Подъем с помощью штанговых глубинных насосов (ШГН).
Погружные электроцентробежные насосы с приводом от высокоскоростных погружных асинхронных или вентильных двигателей используются для добычи нефти из скважин с высоким дебитом (25 м3/сут и выше). Однако количество скважин с высоким избыточным давлением с каждым годом становится все меньше. Активная эксплуатация высокодебитных скважин приводит к постепенному уменьшению их дебита. При этом производительность насоса становится избыточной, что приводит к падению уровня пластовой жидкости в скважине и аварийным ситуациям (сухой ход насоса). При падении дебита ниже 25 м /сут вместо погружных электроцентробежных насосов устанавливают штанговые глубинные насосы с приводом от станков-качалок, которые на сегодняшний день получили основное распространение. Постоянно растущее количество скважин с малым и средним дебитом еще больше увеличивает их долю в общем фонде оборудования для добычи нефти.
Установка штангового глубинного насоса состоит из наземного балансирного станка-качалки и погружного плунжерного насоса. Связь качалки с плунжером осуществляется штангой, длина которой 1500—2000 м. Для придания штангам возможно большей жесткости их изготавливают из специальных сталей. Установки ШГН и станки-качалки получили широкое распространение благодаря простоте обслуживания. Однако добыча таким способом имеет очевидные недостатки:
• Износ насосно - компрессорных труб и штанг, обусловленный трением их поверхностей.
• Частые обрывы штанг и малый межремонтный ресурс (300-350 суток).
• Низкие регулировочные свойства штанговых насосных агрегатов и связанная с этим необходимость использования нескольких типоразмеров станков - качалок, а также трудности, возникающие при изменении дебита скважин.
• Большие габариты и масса станков - качалок и штанг, затрудняющие их транспортировку и монтаж.
Указанные недостатки обуславливают поиск технических решений по созданию бесштанговьгх глубинно - насосных установок. Одним из таких решений является применение глубинных насосов плунжерного типа с приводом на основе линейных асинхронных двигателей. В этом случае исключаются штанги и качалки, предельно упрощается механическая часть. Подачу питания к таким двигателям на глубину 1,5—2,0 км можно осуществить кабелем, подобно тому, как это выполнено в электробурах и центробежных погружных насосах.
В 70-80-х годах прошлого века на волне общего всплеска интереса к линейным двигателям в Советском Союзе проводились исследования и разработки бесштанговых глубинно-насосных установок на основе цилиндрических ЛАД. Основные разработки велись в институте ПермНИПИнефть (г. Пермь) [8-13, 31-32, 40-41, 49-54], Особом конструкторском бюро линейных электродвигателей (г. Киев) [4,7], институте электродинамики АН УССР (г. Киев) [14, 33,43,55] и СКВ магнитной гидродинамики (г. Рига) [34-35]. Несмотря на большое количество технических решений в этой области практического применения эти установки не получили. Основной причиной этого были низкие удельные и энергетические показатели цилиндрических ЛАД, причина которых заключалась в невозможности обеспечения скорости бегущего поля 2-3 м/с при питании от промышленной частоты 50 Гц. Эти двигатели имели синхронную скорость бегущего поля 6-8 м/с и при работе на скорости движения 1-2 м/с имели повышенное скольжение s=0.7-0.9, что сопровождалось высоким уровнем потерь и низким КПД. Для уменьшения скоро сти бегущего поля до 2-3 м/с при питании от частоты 50 Гц необходимо уменьшать толщину зубцов и катушек до 3-5 мм, что является неприемлемым из соображений технологичности и надежности конструкции. В связи с этими недостатками исследования в этом направлении были свернуты.
Тема о возможности улучшения показателей цилиндрических ЛАД для привода глубинных насосов при питании от источника пониженной частоты была затронута в публикациях тех лет [1,4], но исследований в этом направлении не проводились. Массовое распространение частотно-регулируемого электропривода в настоящее время и тенденции непрерывного снижения стоимости и массо-габаритных показателей современной полупроводниковой техники делает актуальными исследования в области улучшения показателей низкоскоростных ЦЛАД. Улучшение энергетических и удельных показателей ЦЛАД за счет снижения скорости бегущего поля при питании от преобразователя частоты позволяет снова вернуться к проблеме создания бесштанговых глубинно-насосных установок и, возможно, обеспечить их практическое внедрение. Особенную актуальность этой теме придает тот факт, что в настоящее время в России более 50% фонда скважин заброшено из-за уменьшения дебита. Установка станков-качалок в скважинах с производительностью менее 10 м3/сут оказывается экономически невыгодной из-за высоких эксплуатационных затрат. С каждым годом количество таких скважин только растет, а альтернативы установкам ШГН до сих пор не создано. Проблема эксплуатации малодебитных скважин сегодня является одной из самых насущных в нефтяной отрасли.
Особенности электромагнитных и тепловых процессов в рассматриваемых двигателях связаны, прежде всего, с ограничением наружного диаметра ЦЛАД, определяемого размерами обсадных труб, и специфическими условиями охлаждения активных частей машины. Востребованность цилиндрических ЛАД потребовала разработки новых конструкций двигателей и развития теории ЦЛАД на основе современных возможностей компьютерного моделирования. Целью диссертационной работы является повышение удельных показателей и энергетических характеристик цилиндрических линейных асинхронных двигателей, разработка ЦЛАД с улучшенными характеристиками для привода погружных плунжерных насосов.
Задачи исследования. Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
1. Математическое моделирование ЦЛАД с использованием метода аналогового моделирования многослойных структур (Е-Н-четырехлолюсников) и метода конечных элементов в двухмерной постановке задачи (с учетом осевой симметрии).
2. Исследование возможностей улучшения характеристик ЦЛАД при питании от источника пониженной частоты.
3. Исследование влияния ограниченной толщины вторичного элемента и толщины высокопроводящего медного покрытия на показатели ЦЛАД.
4. Разработка и сравнение конструкций ЦЛАД для привода погружных плунжерных насосов.
5. Математическое моделирование тепловых процессов ЦЛАД с использованием метода конечных элементов.
6. Создание методики расчета циклограмм и результирующих показателей ЦЛАД, работающего в составе погружной установки с плунжерным насосом.
7. Экспериментальное исследование цилиндрических ЛАД. Методы исследования. Решение поставленных в работе расчетно теоретических задач проведено с использованием метода аналогового моделирования многослойных структур и метода конечных элементов, основанных на теории электромагнитного и теплового полей. Оценка интегральных показателей проведена с использованием встроенных возможностей пакетов расчета методом конечных элементов FEMM 3.4.2 и Elcut 4.2 Т. В методике расчета циклограмм используются дифференцильные уравнения механиче ского движения, оперирующие со статическими механическими характеристиками двигателя и нагрузочными характеристиками приводимого в движение объекта. В методике теплового расчета используются методы определения квазистационарного теплового состояния с использованием приведенных усредненных объемных потерь. Реализация разработанных методик осуществлена в математической среде Mathcad 11 Enterprise Edition. Достоверность математических моделей и результатов расчета подтверждается сопоставлением расчетов по разным методикам и расчетных результатов с экспериментальными данными опытного ЦЛАД.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• предложены новые конструкции ЦЛАД, выявлены особенности электромагнитных процессов в них;
• разработаны математические модели и методики расчета ЦЛАД методом Е-Н-четырехполюсников и методом конечных элементов с учетом особенностей новых конструкции и нелинейности магнитных характеристик материалов;
• предложен подход к исследованию характеристик ЦЛАД на основе последовательного решения электромагнитных, тепловых задач и расчета циклограмм работы двигателя в составе насосного агрегата;
• выполнено сопоставление характеристик рассмотренных конструкций ЦЛАД, показаны преимущества обращенных вариантов.
Практическая ценность выполненной работы заключается в следующем:
• выполнена оценка характеристик ЦЛАД при питании от источника пониженной частоты, показан уровень частоты, рациональный для погружных ЦЛАД. В частности, показано, что уменьшение частоты скольжения менее 4-5 Гц не целесообразно из-за увеличения глубины проникновения поля и ухудшения характеристик ЦЛАД в случае использования ограниченной толщины ВЭ;
• выполнен анализ характеристик и сравнение показателей различных конструкций ЦЛАД. Для привода погружных плунжерных насосов рекомен 10 дована обращенная конструкция ЦЛАД с подвижным индуктором, обладающая наилучшими показателями среди других вариантов;
• реализована программа расчета необращенной и обращенной конструкций ЦЛАД методом Е-Н-четырехполюсников с возможностью учета реальной толщины слоев ВЭ и насыщения стального слоя;
• созданы сеточные модели более 50 вариантов ЦЛАД для расчета методом конечных элементов в пакете FEMM 3.4.2, которые могут использоваться в проектной практике;
• создана методика расчета циклограмм и показателей привода погружных насосных агрегатов с ЦЛАД в целом.
Реализация работы. Результаты НИР переданы для использования в разработках ООО НПФ «Битек». Программы расчета ЦЛАД используются в учебном процессе кафедр «Электротехника и электротехнологические системы» и «Электрические машины» Уральского государственного технического университета - УПИ.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на:
• НПК «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» (Екатеринбург, 2002, 2004);
• 7-й НПК «Энергосберегающие техника и технологии» (Екатеринбург, 2004);
• IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (Магнитогорск, 2004);
• Всероссийском электротехническом конгрессе (Москва, 2005);
• отчетных конференциях молодых ученых УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2003-2005).
Методика расчета циклограмм работы ЦЛАД
Применение линейного двигателя для привода плунжерных насосов вносит определенные особенности в расчет энергетических и тепловых показателей. В отличие от погружных двигателей центробежных насосов работа ЦЛАД представляет собой циклическую работу с наличием участков разгона и торможения на каждом цикле, которые непосредственно влияют на общие показатели работы. Работа на участках разгона с высокими значениями скольжения характеризуется низкими энергетическими показателями, а работа на участках торможения может осуществляться на выбеге за счет накопленной кинетической энергии, что также необходимо учитывать.
Основной задачей расчета циклограмм является получение временных зависимостей скорости и координаты движения при прямом и обратном ходе. На основании полученных циклограмм могут быть рассчитаны результирующие энергетические характеристики ЦЛАД и тепловые потери за цикл, необходимые для теплового расчета ЦЛАД.
Предложенные в 70-х годах решения совмещенной конструкции плунжерного насоса и ЦЛАД рассматривали два варианта исполнения насоса: обычного и двойного действия (рис. 1а,б и 1,в). Принцип действия плунжерного насоса обычного действия основан на том, что рабочим является один ход (далее будет называться прямым ходом), при котором происходит подъем порции жидкости. При обратном ходе происходит всасывание жидкости и наполнение полости плунжера. В плунжерном насосе двойного действия имеются две полости. При прямом и обратном цикле происходит одновременное вытеснение жидкости из одной полости, и наполнение другой. Оптимальной работой ЦЛАД можно считать тот режим, при котором различие в нагрузке на установившихся участках прямого и обратного хода минимально и двигатель работает с номинальной нагрузкой.
При использовании одинакового сечения полости плунжера для обоих направлений хода в насосе двойного действия из-за влияния собственной массы подвижной части установки нагрузка на двигатель при прямом и обратном ходе будет отличаться. В связи с этим при проектировании насоса двойного действия с приводом от ЦЛАД может быть целесообразным использование разных сечений полостей плунжера для разных направлений хода. При движении бегуна вниз за счет дополнительной силы тяжести подвижной части результирующее усилие будет выше и сечение полости плунжера, определяющее нагрузку ЦЛАД при движении вниз может быть выполнено большим. При движении бегуна вверх двигателю приходится расходовать часть усилия на подъем собственных масс, при этом, для компенсации этой составляющей усилия, сечение полости плунжера, определяющее нагрузку ЦЛАД при движении вверх, должно быть уменьшено.
При анализе варианта плунжерного насоса с одним рабочим ходом видно, что двигатель совершает рабочий ход подъема порции пластовой жидкости при движении вверх, при котором также происходит подъем массы собственных подвижных частей. При движении вниз совершается только работа по наполнению полости плунжера, которая не требует приложения значительного усилия. Из этого следует, что для хода вниз в такой установке можно обойтись без включения ЛАД, а работа будет совершаться за счет силы тяжести подвижных частей установки. Однако неконтролируемый цикл хода в таких установках нежелателен, так как может приводить к удару в конце хода, либо необходимости использования дополнительного электрического торможения, что снижает общие энергетические показатели установки. В связи с этим, наиболее предпочтительным вариантом конструкции плунжерного насоса для привода ЦЛАД является насос двойного действия, в котором противодействие столба жидкости движению осуществляется при движении в обоих направлениях.
При работе ЦЛАД в качестве привода глубиннонасосной установки на результирующую тахограмму движения будут влиять следующие основные факторы: пусковое усилие двигателя; масса поднимаемой жидкости; масса собственных подвижных частей установки; гидравлические потери в трубопроводе; внутренние сопротивления движению частей установки; угол наклона скважины.
Особое влияние на тахограмму работы насоса оказывает динамическая составляющая силы, необходимая для разгона столба нефти, расположенного над насосом, до скорости перемещения нефти по трубе. В отличие от центробежных насосов, в которых разгон происходит лишь на начальном этапе запуска насоса, в плунжерном насосе скорость в трубе пульсирует от нуля до установившейся скорости с каждым рабочим ходом плунжера. Механическая энергия, затраченная на разгон столба нефти, компенсируется работой двигателя на выбеге, при которой запасенная кинетическая энергия расходуется на перемещение столба жидкости до останова. Несмотря на это, энергетические характеристики ЦЛАД при этом снижаются вследствие того, что на участке разгона двигатель работает с низкими энергетическими показателями. Скорость перемещения пластовой жидкости в насосно-компрессорной трубе значительно ниже скорости перемещения плунжера и пропорциональна отношению сечений плунжера к сечению насосно-компрессорной трубы. Для удобства в уравнениях динамики можно рассматривать процесс перемещения столба жидкости с сечением, равным сечению плунжера и скоростью, равной скорости перемещения жидкости.
В качестве модели расчета тахограммы движения ЦЛАД выбрана модель плунжерного насоса двойного действия, в котором сечения плунжера (полости) для разных направлений хода могут отличаться. Тогда влияние нагрузки плунжерного насоса будет выражено через массу столба жидкости, который поднимает насос при ходе вниз тн и вверх тв\ где Я - высота уровня, на который происходит подъем жидкости; SH - площадь сечения плунжера для хода вниз; SB- площадь сечения плунжера для хода вверх; р - плотность пластовой жидкости.
Для моделирования насоса с одним рабочим ходом в уравнениях (2.24) масса столба жидкости на нерабочем ходе должна быть принята равной нулю.
Для расчета тахограмм движения используются дифференциальные уравнения механического движения. Определяющей величиной является зависимость усилия от скорости двигателя (механическая характеристика). Направление и начало координат для каждого хода отсчитываются от крайних положений вторичного элемента (максимальная длина хода - Lhod). Начало отсчета времени берется индивидуальное для прямого и обратного хода. Отключение двигателя осуществляется по сигналам конечных выключателей, имеющих расстояния X0ffi и Х0д2 от крайних положений хода и обеспечивающие необходимый выбег.:
Обращенный ЦЛАД с подвижным индуктором
Недостатки традиционных конструкций необращенных цилиндрических линейных асинхронных двигателей, выраженные в невысоких удельных показателях вынуждают прибегать к нестандартным техническим решениям. Одним из основных недостатков необращенных конструкций в условиях ограниченного внешнего диаметра двигателя является недостаточно развитая активная поверхность, обуславливающая невысокие удельные показатели усилия и мощности. Обращенные конструкции ЦЛАД, в которых вторичная часть охватывает индуктор, имеют более развитую активную поверхность и более высокие удельные показатели, поэтому применение таких ЦЛАД в условиях ограничения внешнего диаметра может дать серьезные преимущества. В обращенной конструкции вторичным элементом двигателя может служить его массивный стальной корпус. Дополнительное высокопроводящее покрытие внутренней части корпуса дает дополнительные улучшения характеристик. В такой конструкции площадь активной поверхности двигателя значительно увеличивается по сравнению с необращенной конструкцией, при этом удается получить большие значения усилия и мощности с единицы объема двигателя при одинаковых значениях плотности тока в обмотке индуктора [27,29-30].
Конструкция индуктора обращенного ЦЛАД является более технологичной и надежной по сравнению с традиционными конструкциями. Один из вариантов конструкций предложен на рис. 3.2 и рис. 3.3. В этом варианте предварительно набираются и закрепляются на остове индуктора шихтованные пакеты ярма, наружная поверхность которого протачивается под требуемый размер (равный внутреннему диаметру штамповок зубцов). Затем поочередно на ярмо одеваются отштампованные из электротехнической стали пластины зубцов (в количестве, соответствующем толщине зубца), а также изолированные и отформованные катушки обмотки. Сформированная таким образом активная зона индуктора закрепляется нажимными шайбами, кото рые могут быть совмещены с подшипниковыми опорами, как это показано на рис. 3.2. В процессе сборки индуктора выполняются необходимые межкатушечные соединения. В описанном варианте индуктора с приставными зубцами заполнение активной зоны по железу может достигать кс=0.95, что позволяет полностью реализовать преимущества обращенной конструкции двигателя, связанные с увеличением площади активной поверхности. Разрезы в пластинах зубцов, не позволяющие достичь кс=1.0, необходимы для устранения кольцевых токов в зубцах и для расположения проводников межкатушечных соединений. ляется проблема токоподвода к подвижному индуктору. При малой мощности двигателя и сечении подводящих проводов токоподвод может быть выполнен гибкими проводами. Для погружных ЦЛАД с большой длиной хода более подходящим вариантом является токоподвод с помощью щеток и контактных шин. При этом устройство токосъема может быть выполнено вне двигателя, а провода от контактных шин к подвижному индуктору могут быть проложены внутри полого штока.
В ходе теоретических и экспериментальных исследований обращенного ЦЛАД с подвижным индуктором были обнаружены некоторые особенности, ограничивающие варианты исполнения такого ЦЛАД. Все погружные двигатели, работающие в жидкой среде выполняют масло- или водонапол-ненными. В условиях работы в скважине под действием внешнего давления масло или вода внутри двигателя обеспечивают внутренний подпор давления для.исключения проникновения пластовой жидкости внутрь двигателя. Кроме того, масло и вода, обладая большим коэффициентом теплопроводности, чем воздух, обеспечивают более эффективную теплопередачу к корпусу двигателя. В отличие от вращающихся погружных двигателей в маслонаполнен-ном ЦЛАД с подвижным индуктором (рис. 3.4) будет происходить движение индуктора и вытеснение масла из одной части двигателя в другую через внутренние каналы индуктора. В результате расчета гидравлического сопротивления, возникающего при движении индуктора внутри двигателя, оказалось, что это сопротивление на рабочей скорости 2 м/с сопоставимо с усилием, развиваемым самим двигателем. Так как подвижный индуктор занимает значительную часть объема двигателя, при его движении из одной полости двигателя в другую через каналы в индукторе происходит вытеснение такого же объема жидкости с высокой скоростью. В результате, на входе и выходе каналов индуктора создаются значительные гидравлические сопротивления, препятствующие движению индуктора. Для подтверждения расчетных выводов был проведен эксперимент. Для этого был создан стенд, представляющий собой водонаполненную трубу - корпус стандартного погружного электродвигателя диаметром 117 мм, в котором может свободно перемещаться гидравлическая модель индуктора, представляющая собой несколько дисков, закрепленных на общем валу. Каждый диск является гидравлической моделью одного модуля индуктора, площадь сечения и отверстий диска повторяют сечения индуктора исследуемого ЦЛАД и его каналов. В данном эксперименте имитируются только гидравлические сопротивления на входе и выходе из каналов индуктора и не учитываются гидравлические сопротивления внутри каналов. В результате экспериментов оказалось, что и без учета сопротивлений внутри каналов индуктора гидравлическое сопротивление на рабочей скорости движения индуктора оказывается недопустимо высоким. В связи с этим был сделан вывод, что в стандартном варианте исполнения закрытого погружного маслонаполненного двигателя обращенная конструкция с подвижным индуктором не может быть реализована.
Для реализации конструкции обращенного ЦЛАД с подвижным индуктором необходимо исключить перетекание жидкости через внутренние каналы индуктора. Это может быть осуществлено при использовании так называемой «поршневой» конструкции обращенного ЦЛАД, показанной на рис.3.5. Эта конструкция отличается от предыдущей тем, что вся подвижная часть такого ЦЛАД выполнена в виде изолированного от внешней среды поршня, который движется в неизолированном корпусе. Уплотнение между внешней средой и подвижной частью осуществляется по внутреннему диаметру корпуса ЦЛАД. В этом варианте при движении индуктора происходит вытеснение пластовой жидкости в пространство между обсадной трубой и корпусом и оказываемое гидравлическое сопротивление мало.
Одним из важных преимуществ обращенной конструкции ЦЛАД является то, что потери во вторичном элементе, являющимся одновременно корпусом двигателя поступают непосредственно в окружающую среду и не влияют на внутренний перепад температуры между корпусом и обмоткой двигателя. Работа в возвратно-поступательном режиме определяет повышенные потери во вторичном элементе, так как в переходных режимах происходит работа с повышенными скольжениями и потерями во ВЭ. Внутренний перепад температуры двигателя определяется только потерями в индукторе и тепловым сопротивлением зазора между индуктором и ВЭ.
Анализ влияния величины открытия паза индуктора на показа-телиЦЛАД
При проектировании ЦЛАД одним из важных соотношений, определяющих показатели двигателя, является отношение ширины паза индуктора к зубцовому делению:
При его выборе обычно ставится целью получить компромисс между величиной потерь в обмотке и индукции в зубцах. Увеличение ширины паза позволяет уменьшить сопротивление обмотки и потери в ней. Однако препятствием на пути увеличения площади обмотки является уменьшение сечения зубцов и индукции в них.
Кроме этого, применение открытых пазов в индукторе оказывает существенное влияние на расчетный зазор двигателя. Коэффициент Картера, определяемый по формуле (2.2) может быть выражен через коэффициент ки:
Для того, чтобы оценить его влияние на рис. 4.2 приведены значения коэффициента Картера для зазора 0.5 мм и полюсного деления 100 мм в зависимости от коэффициента открытия паза ки при значениях числа пазов на полюс и фазу 1, 2 и 4. Как видно из рис. 4.2, открытие паза приводит к увеличению воздушного зазора более чем в 2 раза. При увеличении кп выше значений 0.4-0.5 растет расчетный воздушный зазор, ухудшающий показатели двигателя, однако при этом же увеличивается площадь обмотки и уменьшаются потери в индукторе, что положительно сказывается на КПД двигателя. В связи с этим представляет интерес поиск диапазона рациональных значений ки, при которых обеспечиваются наиболее высокие энергетические показатели при использовании открытых пазов индуктора. При этом влияние возможного насыщения зубцов при высоких значениях кп не учитывается.
Исследование по нахождению рациональных значений кп при открытых пазах можно провести, если при вариациях кп обеспечивать постоянство не токовой нагрузки, как это было в предыдущих исследованиях, а потерь в обмотке, которые пропорциональны токовой нагрузке.
Сравнивая между собой результаты усилия, полученные для разных значений ки, большее значение усилия будет определять и более высокий КПД.
Если принять, что высота паза остается неизменной, то коэффициент открытия паза будет пропорционален площади паза и обратно пропорционален сопротивлению обмотки в пазу: Таким образом: Линейная токовая нагрузка А пропорциональна току индуктора /, поэтому для обеспечения постоянства потерь при изменении коэффициента открытия паза достаточно изменять токовую нагрузку в функции ku:
На рис. 4.3 приведены зависимости рациональных значений ширины открытия паза, соответствующие максимальному усилию при заданном уровне потерь в обмотке индуктора для частоты скольжения 5 Гц и для технологического зазора S =0.5 мм. Данные зависимости были найдены при помощи уравнений (4.4), позволяющих реализовывать оптимизационные алгоритмы при вариациях воздушного зазора и токовой нагрузки. к. х.мм Отклонение ки от рациональных значений, показанных на рис. 4.3 на 10% приводит к уменьшению усилия на 1.5-2%. При отклонении на 20% уменьшение составляет уже 6-9%. Отклонение в сторону увеличения ки при том же процентном соотношении приводит к большему снижению усилия, чем в сторону уменьшения. Таким образом, выбор величины открытия паза оказывает влияние на энергетические показатели ЦЛАД, а рациональные значения величины открытия паза зависят от выбора полюсного деления. В связи с этим при проектировании ЦЛАД для питания от источника пониженной частоты при выборе полюсного деления и числа пазов на полюс и фазу для улучшения энергетических показателей желательно также корректировать ширину открытия паза индуктора.
Необходимо отметить, что значительно больший эффект дает применение полузакрытых пазов. Существует ряд технических решений, позволяющих уменьшить открытие паза и, соответственно, расчетный зазор. Однако это ведет к усложнению технологичности конструкции, поэтому в рамках данной работы анализ таких решений не проводился. является комбинированный вторичный элемент, состоящий из стального массивного магнитопровода и высокопроводящего медного или алюминиевого экрана. В ЦЛАД такой экран может быть выполнен двумя способами: либо напрессованной на стальной шток или стальную трубу медной трубы, либо нанесением тонкого покрытия, например гальваническим способом. Эффект от применения комбинированного вторичного элемента заключается в увеличении добротности двигателя за счет уменьшения сопротивления вторичной цепи схемы замещения ЛАД.
Несмотря на преимущества, комбинированный вторичный элемент имеет серьезный недостаток, заключающийся в увеличении немагнитного зазора ЛАД, которое ведет к увеличению магнитного сопротивления цепи на магничивания. В связи с этим, при малых значениях воздушного зазора использование экрана может приводить к снижению усилия при заданном токе индуктора. Эффективность применения экрана зависит от многих факторов: технологического зазора, степени насыщения магнитной цепи, частоты скольжения, полюсного деления, токовой нагрузки, отношения ширины паза к зубцовому делению. Для оценки влияния высокопроводящего покрытия на показатели ЦЛАД на рис. 4.4 приведены характеристики ЦЛАД с массивным штоком без высокопроводящего покрытия и с
Сравнение теплового состояния ЦЛАД
В отличие от вращающихся машин тепловой режим ЦЛАД можно изменять введением пауз между каждым циклом хода. Время одного цикла работы (1-2 с) значительно меньше постоянной нагрева активных частей двигателя. Это означает, что ЦЛАД может быть рассчитан на работу с высокими значениями тепловой нагрузки и развиваемого усилия. Обеспечение требуемого теплового режима будет обеспечиваться системой управления, которая должна обеспечивать необходимые значения пауз между циклами хода. Таким образом, тепловое состояние ограничивает среднюю за общий период мощность и производительность насосной установки. Возможность увеличения пиковой рабочей мощности в таких установках является важным пре имуществом, так как от значения усилия зависит максимально возможная глубина погружения плунжерного насоса.
Целью расчета теплового состояния для погружного ЦЛАД ставится определение максимальной температуры активных частей при работе в продолжительном циклическом режиме без пауз, по результатам которого можно определять технические условия для системы управления ЦЛАД.
ЦЛАД плунжерного насоса, спроектированный для работы на определенной скорости и скольжении, работает при этих условиях только часть от общего времени работы. Ограничение по длине хода 1-2 метра, которое предъявляет работа в составе погружного насоса определяет то, что время разгона и торможения сравнимы со временем работы на установившейся скорости. Это затрудняет определение результирующих потерь за цикл, т.к. та-хограмма разгона зависит от параметров работы всей установки.
Использование для теплового расчета потерь, полученных для работы при номинальной скорости, может быть использовано при расчете теплового режима для сравнительного анализа различных вариантов конструкции. Для более точного определения необходимо использовать результирующие потери за цикл, найденные из расчета циклограммы. Главное отличие в полученных результатах при использовании в тепловом расчете средних потерь за цикл заключается в увеличении соотношения потерь во вторичном элементе к потерям в обмотке индуктора из-за повышенного скольжения при пуске.
Для сравнительного анализа теплового состояния исследуемые варианты рассчитаны на обеспечение одинакового усилия в рабочей точке механической характеристики, соответствующей скорости 2 м/с. В качестве базового варианта был выбран вариант №4 с промежуточным вторичным элементом, который по удельным показателям занимает промежуточное значение между обращенным вариантом с подвижным индуктором и необращенными конструкциями.
Расчет циклограммы произведен по методике, изложенной в разделе 2.2. Пуск осуществляется прямым подключением к источнику напряжения и частоты, соответствующей рабочей скорости движения. Потери в трубопроводе и подвижных частях установки не учитывались. Основные данные для теплового расчета исследуемых вариантов приведены в таблице 5.2.
При расчете потерь и КПД исследуемых вариантов при работе в циклическом режиме особое влияние оказывает инерция подвижных частей установки. У вариантов №1 и №3 повышенные значения массы ВЭ оказали большее влияние на снижение результирующего КПД установки. Одним из способов уменьшения влияния массы подвижных частей является увеличение токовой нагрузки в рабочем режиме. При этом, несмотря на некоторое снижение КПД в рабочей точке результирующий КПД может увеличиться за счет улучшения вида тахограммы и снижения коэффициента Кт в формуле (4.32). тельности Qsut. При этом по формуле (2.47) определяется скорость движения в охлаждающем канале, которая участвует в определении коэффициента теплоотдачи «. В табл. 5.3 значение коэффициента теплоотдачи, приведенное в скобках, соответствует коэффициенту теплоотдачи внутреннего канала охлаждения для варианта №2 с полым штоком. Температура окружающей пластовой жидкости для всех вариантов принята 90С.
По результатам теплового расчета исследуемых вариантов (табл. 5.3) можно увидеть, что наименьшую температуру имеет обращенный ЦЛАД с подвижным индуктором (вариант №3). Наибольшую температуру имеет необращенный ЦЛАД с массивным стальным штоком (вариант №1). Температуры обмоток этих вариантов различаются более чем в 2 раза. Такое различие связано с принципиальным различием способов пути отвода тепла от вторичного элемента. В обращенном ЦЛАД потери во вторичном элементе поступают непосредственно в окружающую среду, а в необращенном ЦЛАД проходят через обмотку ЦЛАД, нагревая ее. Варианты №2 и №4 имеют близкие значения результирующей температуры обмоток. За счет непосредственного охлаждения вторичного элемента в варианте №2 обеспечивается приемлемое тепловое состояние двигателя, несмотря на повышенное значение фактора нагрева. Однако возможности форсирования этого варианта использованы практически полностью, в отличие от варианта №4. Кроме этого вариант №4 имеет более высокий результирующий КПД.
На рис. 5.11 показаны характеристики нагрева обмоток исследуемых вариантов ЦЛАД из холодного состояния. Как видно из графиков, все варианты имеют разные постоянные нагрева из-за разных значений плотности тока индуктора. Вариант №4 имеет большую постоянную нагрева, чем вариант №2, несмотря на одинаковую температуру в установившемся состоянии. Это связано с более высокой плотностью тока индуктора в варианте №2.
