潜油电机转子的热态特性研究

2016-01-26谭吉春

大庆师范学院学报 2015年6期

谭吉春

(大庆油田力神泵业有限公司研发中心，黑龙江大庆 163311)

潜油电机转子的热态特性研究

谭吉春

(大庆油田力神泵业有限公司研发中心，黑龙江大庆 163311)

摘要：潜油电机作为潜油电泵机组的重要部件之一，在井底工作时转子的发热与散热是影响机组正常工作的主要因素。首先介绍了潜油电机的结构特点，分析了潜油电机发热的主要来源，利用有限元分析软件ANSYS模拟了一段转子单元的三维温度分布，得到了潜油电机转子的温度分布图。

关键词：潜油电机；转子；热态特性

0引言

在注水开发油田的中后期，油井不可避免地会出现水淹现象。随着油井含水率增加，采油指数逐渐下降，为保证油井产量稳定，采用潜油电泵提高采油压差、增加产量。潜油电泵工艺作为油田开采中重要的机械采油技术，是油田长期稳产的主要手段之一。潜油电机驱动潜油离心泵抽取地下的原油，是整个系统中结构最复杂的一部分，它连同潜油电泵一起工作在井下，环境十分复杂。准确地掌握潜油电机各部分的温升情况，对潜油电机的设计及安全运行具有重要意义。

1潜油电机结构及组成

潜油电泵应用的潜油电机多为二极三相鼠笼式异步电机。单节长度在1.5～10m之间，大功率采用多节串联连接方式，可根据所下入油井套管采用不同系列的电机。潜油电机为立式悬挂结构，主要由定子、转子、轴承、接头以及一些附属零件组成(如图1所示)。整个转子的重量由位于电机头内部的止推轴承承担。潜油电机整机为密封式，定子、转子之间的间隙内充满精炼矿物油，起到绝缘、润滑、散热作用。

本文以YQY114P-2，31kW潜油电机为例，采用有限元法分析了其稳态运行下的一段转子的温升情况。

图1　潜油电机转子结构示意图

2转子温度场的计算模型及边界条件

根据潜油电机转子结构的对称特性，取一个转子单元轴向段和扶正轴承的一半作为计算区域，如图2所示，其中，S1为转子铜条截面，S2为铁心截面，S3、S4、S5为扶正轴承截面，S6转轴截面，S7为转子外表面，S8为转轴内表面。

图2　计算区域

计算的基本假设：①定子、转子之间没有热传递；②忽略转子铁心的铁损耗；③所有的机械损耗均集中在转子的表面；④忽略气隙谐波磁场产生的杂散损耗；⑤S1～S6为绝热面；S7～S8为对流换热面。

根据传热学理论，由三维稳态热传导方程和两类边界条件可将求解的边值问题描述为：

式中：λx，λy，λz沿x,y,z方向的导热系数W/m.℃；q为热流密度W/m3；S1～S6为第二类边界面；S7～S8为第三类边界面。

3转子热源的分析

潜油电机的损耗主要包括绕组的铜损耗、机械损耗和杂散损耗三部分，其中起主要作用的是绕组的铜损耗和摩擦损耗。本文只考虑绕组的铜损耗、润滑油与转子的摩擦损耗和扶正轴承的摩擦损耗对温度的影响。

3.1绕组损耗

式中：Ne——转子导条单元总数；JT——单位感应电流密度；Δe导条剖分的单元面积。

3.2润滑油与转子的摩擦损耗

根据粘性流体的特性，流体的粘度越大，摩擦力就越大；电机的机械损耗也就越大。由于润滑油的粘度随温度和压力的变化而变化，但压力影响很小，这里只考虑温度的影响，可以认为润滑油的转速U只与温度有关。设电机转子外表面的线速度为V，当电机运行温度为50℃时，U=0.5V；当电机运行温度为100℃时，U=0.55V。润滑油转速的三个分量用柱坐标表示为：