一种大功率充油式深浅水下电机的制作方法

本实用新型涉及充油式水下电机技术领域，尤其涉及一种大功率充油式深浅水下电机。

背景技术：

目前，随着陆上油气资源的日益减少，全球加大了海洋油气资源的开发力度，我国《十二五国家战略新兴产业发展规划》也明确把海洋工程制造提升到国家战略高度。

我国海岸线长度、大陆架和200海里专属经济区面积均在世界前10位，管辖海域总面积近300万km²。在13517万km²的大陆架上查明含油气盆地面积近70万km²，已圈定大中型新生代油气盆地16个。这些盆地石油资源量为150-200亿t，天然气资源量约6、264万亿m³。经初步估计，整个南海的石油地质储量大致在230-300亿t之间，约占中国总资源量的三分之一，属于世界四大海洋油气聚集区之一，有“第二个波斯湾”之称，仅在曾母盆地、沙巴盆地、万安盆地的石油总储量就将近200亿t，是世界上尚待开发的大型油藏之一，其中有一半以上的储量分布在中国海域。在我国南海已勘探的16万km²海域中，发现石油储量有55、2亿t，天然气储量有12万亿m³。南海油气资源在未来20年2内只要开发30%，每年可为中国GDP增长贡献1-2个百分点。但目前，我国海洋油气的勘探开发程度较低，主要集中在渤海、东海和南海近海水域，开发规模小，工作水深主要在330m以下，远远不能满足国民经济发展的需求。

南海油气资源的开发是未来我国海洋油气资源开发的重要方向，而南海的水深在200-3000m，大部分水域平均水深在1500m左右，在这样深度的海域进行油气开发需要专门的深水海洋油气资源开发技术和装备。

水下生产系统是中深水海洋油气资源开发的主要模式，而水下混输增压系统是水下生产系统的关键装备之一。大功率冲油式水下电机与大功率冲油式水下电机压力补偿器B、热交换装置配套使用，为整个水下混输增压系统提供可靠的动力，是整个水下混输增压系统的关键组成部分。

目前，国外水下混输系统的产品开发和应用已比较成熟，而国内该领域装备的研制处于空白状态，已开发的浅水油田采用的水下混输增压系统均采购国外产品。因此，开展水下混输增压系统装备研制，实现水下混输增压系统设备的国产化，降低对国外产品的依赖度，打破国外技术壁垒，对我国海洋石油工业的发展具有重大的意义。

而作为水下混输增压系统的关键组成部分，为水下混输增压系统提供动力的大功率冲油式水下电机，在国内尚无成熟的产品、应用案例和相关专利，在该领域的研究处于空白状态。虽然有大功率的充水（冲油式）水下电机，但是其结构原理决定了其工作的水深一般为几十米，最深不超过350m，多用于矿井排险，不能用于深海油气开采。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本实用新型提出了一种大功率充油式深浅水下电机。

本实用新型提出的一种大功率充油式深浅水下电机，包括电机顶盖、机械密封、扶正轴承、护轴管、联通管、甩砂环、电机外壳、联接段、电机轴、转子总成、定子总成、电缆接口、电缆插头、止推轴承、止推轴承座、增压叶轮、滤网、底座、O型圈和管路接口和注油阀，其特征在于：所述机械密封、电机顶盖、电机外壳、联接段、定子总成和底座之间的O型圈通过静密封将电机内部与外部环境分隔开，所述电机外壳的内部填充有矿物质油，两套所述机械密封安装于电机轴的上端部，其中一套所述机械密封位于电机顶盖上，另一套所述机械密封位于定子总成上部的联接段上，两套所述机械密封安装方向相反。

优选地，两套所述机械密封之间的腔体通过联接段分割成上腔体和下腔体，所述甩砂环和扶正轴承分别安装于上腔体内、机械密封下的电机轴上，所述护轴管安装于扶正轴承和联接段之间的电机轴外部，所述上腔体和下腔体之间通过联通管联通，所述联通管上端口位于上腔体上部，且联通管下端口位于下腔体顶部。

优选地，所述下腔体与定子总成内腔之间通过联接段分隔，所述上腔体和下腔体之间不直接联通。

优选地，所述上腔体与定子总成内腔通过联通管联通，所述联通管上端口位于上腔体上部，且联通管下端口位于定子总成内腔顶部。

优选地，所述定子总成下部与联接段相联接，且联接段下端位于止推轴承的内腔中，所述联接段上设有通孔，所述定子总成内腔与止推轴承内腔之间通过联接段联通，所述止推轴承座安装与止推轴承腔内的电机轴上，所述增压叶轮安装与止推轴承座内。

优选地，所述增压叶轮吸入口位于止推轴承座与底座之间的腔体顶部，且增压叶轮吸入口外部安装有滤网。

优选地，两个所述管路接口分别安装于定子总成内腔上部和止推轴承座与底座之间的腔体底部。

本实用新型中，该电机与大功率冲油式水下电机压力补偿器B、热交换装置配套使用，可实现系统内外的压力平衡、工作温度较低，保证大功率充油式水下电机长期稳定可靠的工作，为整个水下混输增压系统提供可靠的动力，能够实现水下混输增压系统关键设备的国产化，降低对国外产品的依赖度，打破国外技术壁垒，降低深海油气开采成本，对我国海洋石油工业的发展具有重大的意义，同时能够避免关键技术资源在国外公司的瓶颈制约，填补了国内空白。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种大功率充油式深浅水下电机的结构示意图；

图2为水下混输增压系统结构示意图。

图中：1电机顶盖、2机械密封、3扶正轴承、4护轴管、5连通管、6甩砂环、7电机外壳、8联接段、9电机轴、10转子总成、11定子总成、12电缆接口、13电缆插头、14止推轴承、15止推轴承座、16增压叶轮、17滤网、18底座、19 O型圈、20管路接口、21注油阀。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步解说。

图1为本实施例的结构图，包括头部1、机械密封2、扶正轴承3、护轴管4、联通管5、甩砂环6、壳体7、联接段8、电机轴9、转子总成10、定子总成11、电缆接口12、电缆插头13、止推轴承14、止推轴承座15、增压叶轮16、滤网17、底座18、O型圈19、管路接口20、注油阀21；其特征在于：通过机械密封2以及头部1、壳体7、联接段8、定子总成11和底座18等零部件之间的O型圈19静密封将电机内部与外部环境隔离开，内部充满矿物质油。

大功率冲油式水下电机以下简称电机采用冲油式，是因为冲入的矿物质油以下简称电机油具有良好绝缘性和润滑性，可以保证电机内部的绝缘的可靠，同时能够润滑电机内部各个零部件，保证机械密封2和扶正轴承3能够长期可靠的工作。在与大功率冲油式水下电机压力补偿器B以下简称补偿器B、热交换装置以下简称散热器C配套使用时，电机油作为热交换的介质，将电机工作时产生的热量带到散热器C，与外界进行热交换，从而降低电机的工作温度，保证电机在符合耐温等级的温度下长期可靠的工作。

电机上部安装有两套集装式机械密封2，安装方向相反，能够保证当电机内外压力波动较大时，即使超过机械密封2的工作继续压力，也只能造成一个方向的机械密封2失效，另一方向的机械密封2能够继续起作用。这样就极大的保证了电机轴动密封的可靠性。

由机械密封2的原理可知，渗漏是无法避免的，随着电机运行时间的增加，渗漏量也会增加，如果渗漏进电机的外部环境的液体一般为海水，以下以海水作为本例的介质达到一定的量，就会破坏电机的内部绝缘，造成电机故障，严重时会烧毁电机。

为了解决这个问题，实用新型者采用两种方法：利用补偿器B使电机内部压力略高于外部环境压力，保证在正常情况下，机械密封2渗漏时的方向由电机内部向外部渗漏；将两套机械密封2之间的腔体设计成两个沉降腔位于上部的简称为上腔，下部的简称为下腔。当外部海水从上部的机械密封2渗入电机内部时，被安装在电机轴9上的甩砂环6甩到上腔的外部位置即上腔壳体7内壁。因为有护轴管4，所以使得上腔内的电机油处于静止状态相当于电机轴9周围随电机轴9旋转的电机油而言，由于海水的密度大于电机油，在重力的作用下，海水逐渐沉降到上腔底部。随着电机运行时间的增加，渗入进海水量也增加，当进入的海水液面达到联通上腔和下腔的联通管5上部端口时，再渗入的海水会通过联通管5进入下腔，并在密度差和重力的作用下，逐渐沉降到下腔的底部。由于下腔底部装有机械密封2，可以防止海水进入电机定子总成11内，虽然也会有微小的渗漏，但当微小的渗漏量累积到能够破坏电机绝缘的时候，也需要相当长得时间。随着电机运行时间的增加，当下腔内充满海水后，再渗漏进上腔的海水会使得上腔海水的液面逐渐升高，当液面达到联通上腔与定子总成11的联通管5上部端口时，渗入的海水会通过联通管5进入定子总成11内，这时沉降腔失效，机械密封不再起作用。虽然本方案最终还是会失去作用，但是，由于机械密封2正常工作时渗漏量非常少，相对于电机沉降腔的体积而言非常微小，因此沉降腔失效的需要的时间非常长，完全可以满足一般海工装备的寿命要求。

充油式潜水油电机的电磁设计比较成熟，不是本实用新型的创新点，在此不作详细说明。定子绕组采用的电磁线由铜芯和缠绕其上的聚酰亚胺薄组成，聚酰亚胺薄膜缠绕层数为2—3层。电磁线一端为缠绕星点，另一端接电机引线，电机引线另一端焊有母插头，位于定子总成11侧面上部的电缆接口12见图2内。电缆与电机引线的联接方式有插接式和绕包式两种，本例采用绕包式，即电缆插头13上的公插头与电缆接口12内的母插头插接后，外面缠绕上2-3层肽氟隆带，缠绕方式为1/2搭接。缠绕完毕后，将电缆插头13插到电缆接口12上，用螺栓联接起来即可。电缆插头13与电缆接口12之间采用O型圈19密封。

电机轴9采用分体式，上部由于轴头露在外面，可能与海水接触，因此采用耐腐蚀的Monel k-500材质；下部从电磁性能方面考虑，采用40Cr材质。两部分电机轴之间采用刚性联接。

转子总成10采用鼠笼式，主要从简单、可靠角度考虑。

定子总成11内有专门设计的供电机油流动的通道，能够降低电机油流动的摩擦阻力，提高电机油流量，从而提高散热效果。

止推轴承14和止推轴承座15位于定子总成11下部的腔体内。止推轴承14采用的是可倾瓦式滑动止推轴承，润滑介质为电机油。采用此种轴承主要是因为可倾瓦在电机运转时有利于动块、静块之间快速建立油膜，油膜建立后理论上可以长期运转而无磨损，从而保证电机长期可靠的运转。

增压叶轮16位于止推轴承座15内，主要作用是为电机油的循环提供动力。增压叶轮16吸入口位于止推轴承座15与底座18之间的腔体顶部，吸入口外部安装有滤网14，用于过滤电机油循环过程中可能携带的杂质。

2个管路接口20分别位于定子总成11内腔上部和止推轴承座15与底座18之间的腔体底部，用于联接补偿器B和散热器C，也是电机油循环通道。

电机内部各个腔体之间由联接段8分隔，联接段8上安装有滑动式扶正轴承3，其润滑介质为电机油。采用滑动式是因为理论上建立油膜后，滑动式扶正轴承3可以长期运转而无磨损，从而保证电机长期可靠的运转。

上腔和下腔侧面的上部和下部，定子总成11侧面的上部，底座18下部分别装有注油阀21，即每个腔体的底部和顶部都装有注油阀21，主要作用是注油和排气。

头部1、壳体7、联接段8、定子总成11和底座18等所有与海水接触的零部件材质为2205双相不锈钢，外表面进行防腐喷涂处理，可以保证在深海环境下耐腐蚀。

将电机主要零部件按图1所示结构关系，按照装配工艺要求，组装在一起。装配完毕后打开底座18上注油阀21的丝堵，向电机内缓慢充氮气至0.25MPa，然后将整个电机完全浸没在水中，无气泡从水中冒出表明电机密封合格。

为保证电机长期稳定可靠的工作，为整个水下生产系统提供可靠的动力，电机A需要与补偿器B和散热器C配套使用以下简称水下电机系统。补偿器B可以平衡电机系统内部与外界环境的压力，使得电机系统内外压差维持在一个很小的数值上一般不超过0.035MPa，从而保证水下电机系统密封的可靠性。补偿器B内有一个较大的储油空间，里面装满了电机油，用于补偿电机系统内电机油的损失，保证水下电机系统内各个零部件的处分润滑。散热器C的作用是使电机油与外界环境进行热交换，从而降低水下电机系统的温度，保证水下电机系统的长期可靠的工作。

将电机、补偿器B和散热器C安装在一个平台上，用管路分别联接起来，联接完毕后，向系统内缓慢充氮气至0.25MPa，然后将整个压力补偿器B完全浸没在水中，无气泡从水中冒出为系统密封合格。

打开补偿器B上盖和系统上所有的注油阀21，然后从底座18上注油阀21处向系统内缓慢注入电机油。注油时注注停停，当有注油阀21或放气阀有电机油流出时，将该处的注油阀21或放气阀关闭，直到系统位置最高处的注油阀21或放气阀处有电机油流出且无无气泡时，表明系统内以注满电机油。为保证系统内空气全部排净，静置一段时间，再向系统内补充一点电机油，然后拧紧最高处的注油阀21或放气阀，上紧压力补偿器B上盖，完成水下电机系统的注油工作。

将注完油的水下电机系统沉入试验水池中水池中的水为模拟海水，且试验水池容积足够大，接通电源，用配套变频器启动电机。电机启动后，位于电机底部的增压叶轮16随电机轴一起转动，将底部的电机油压向电机上部。电机油向上流动的过程中，将电机产生的热量携带，温度升高。高温电机油经位于定子总成11上部的管路接口20和管路进入散热器C，在散热器C内与外界的低温海水进行热交换从而降低温度。低温电机油通过散热器C底部的管路进入补偿器B，再经过补偿器B另一侧的管道进入电机底部的增压叶轮16吸入口，完成电机油在水下电机系统内部的一次循环。

实施例

参照图2，当电机A启动开始工作时，系统内部的电机油温度逐渐升高，电机油受热体积逐渐膨胀，系统内部压力高于外围环境海水压力，在内压的作用下推动补偿器B的胶囊体积变大，待系统内电机油压力与外围环境海水压力平衡后，补偿器B内的胶囊停止动作，系统处于内外压差平衡状态；当电机A发热量减少或停机时，系统内部的电机油温度逐渐降低，电机油体积逐渐收缩，外围环境海水压力高于系统内部电机油压力，在外压的作用下推动补偿器B内的胶囊体积收缩，待外围环境海水压力与系统内电机油压力平衡后，补偿器B内的胶囊停止动作，系统重新回到内外压差平衡状态。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。