История создания скважинных насосных агрегатов для воды

Необходимость отбирать воду из больших глубин первоначально привела к созданию специальной конструкции артезианских насосов. Погружные центробежные насосы для откачки воды из скважин и глубоких колодцев впервые появились в 1900-е годы. Такие насосы пришли на смену поршневым. Хотя поршневые насосы продолжали работать до шестидесятых годов прошлого столетия.

Погружные насосы приводились во вращение от вертикального электродвигателя, смонтированного на одной раме над устьем скважины через промежуточный вал. Сухой электродвигатель смонтированный на основание и расположенный на поверхности, через вращающиеся штанги приводят во вращение вал погружного насоса. Вода через всасывающий патрубок в нижней части поступает в насос и за счет его центробежной силы подается по водоподъемной трубе и нагнетательный патрубок к потребителю.

Однако, несмотря на простоту способа подъема воды из скважин с помощью таких насосных установок, они имели ряд существенных недостатков. Эти недостатки заключались в большой металлоемкости конструкции, низких параметров и из-за длинного промежуточного вала, они не могли применяться при больших глубинах и высоких частотах вращения. Недостатки и ограничения применения таких установок принудили искать лучшего решения. Возникла необходимость объединения насоса и приводного электродвигателя в единое целое. Это могло быть осуществлено только при погружении электродвигателя в откачиваемую воду.

Первые погружные электродвигатели, названные «сухими» выполнялись с обычной обмоткой и были заполнены воздухом. Они имели значительно большую длину и герметизированную внутреннюю полость. А некоторые электродвигатели имели ещё и систему, создающую воздушное противодавление. Эти электродвигатели нуждались в компрессорных установках, которые создавали определённое давление воздуха внутри электодвигателя. Таким образом, производилась защита от попадания влаги внутрь.

В дальнейшем была разработана более совершенная конструкция насоса с сухим электродвигателем. В этой установке электродвигатель расположен под насосом, благодаря чему существенно упрощается конструкция агрегата и уменьшается его наружный диаметр. У устья скважины установлен компрессор, периодически, по мере необходимости, подкачивающий воздух в электродвигатель по специальному трубопроводу, опущенному в скважину и введенному в корпус электродвигателя.

Надёжность таких электродвигателей была очень низка. Малейшее нарушение герметичности или перебои в системе противодавления приводили к затоплению их внутренней полости и выходу из строя обмотки статора.

Первый патент на погружной электродвигатель мокрого типа был выдан в Англии инженеру Макдональду в 1908 году.

В России в 1916 году инженером А.С. Арутюновым был получен патент на центробежный насос с погружным электродвигателем для перекачки воды и нефти.

Армаис Саркисович Арутюнов родился 21 июня 1893 года в Тифлисе (Тбилиси) в семье видного предпринимателя того времени. Разрабатывать свой погружной электродвигатель он начал уже в 16-летнем возрасте, собирая его собственноручно. В 1911 году Армаис Арутюнов организовывает собственную фирму, назвав ее «Российское Электрическое Динамо Компании Арутюнова». В 1916 году разработка погружного двигателя была им закончена. В том же году Арутюнов конструктивно переделывает существующий центробежный насос. Он увеличивает диаметр рабочего колеса, и направляющий аппарат ступени размещает за ним, что позволило значительно увеличить напор ступени. Такая конструкция существенно повышала производительность насоса. Затем Арутюнов объединяет оба своих инновационных решения, присоединив скважинный насос к погружному электродвигателю, и запатентовывает его. В связи с ситуацией того времени, в 1919-м изобретатель Арутюнов уехал сначала в Германию, а затем в 1923 году эмигрировал в США. В 1928 году основал фирму Bart Manufacturing Company, которая в 1930 была переименована в «REDA Pump» (аббревиатура от Russian Electrical Dynamo of Arutunoff), которая многие годы была лидером рынка погружных насосов для нефтедобычи. Арутюнов А.С. умер в феврале 1978 года в Бартлсвилле США.

И в тоже время производились погружные электродвигатели сложной конструкции, заполненные маслом. Они должны были иметь надёжное уплотнение от проникновения перекачиваемой воды. Это обеспечивалось с помощью различных уплотнений, в том числе ртутных сальниковых устройств. Используемые при этом подшипники качения в некоторой мере компенсировали потери на трение от вращения ротора в масле. Эти потери больше чем в воде.

Электродвигатель наполняется маловязким маслом, которое обеспечивает минимальные потери на сопротивление при вращении ротора и высокую электрическую прочность. Этим маслом также смазывают подшипники электродвигателя. Масло, необходимое для отбора тепла, выделяемого в процессе работы, хранится в резервуаре в нижней части электродвигателя. Циркуляцию масла осуществляют специальные, закрепленные на валу электродвигателя специальные рабочие колеса. Масло попадает вверх через зазор между статором и ротором. На обратном пути масло охлаждается, проходя сквозь зазор между статором и его корпусом. Снаружи корпус статора омывается водой. В маслонаполненных электродвигателях установлены шариковые радиально-упорные подшипники для любых практических необходимых нагрузок. Агрегаты данного типа с успехом применяются для высоких напоров, обеспечивая при этом на достаточно длительный срок надежную работу установки.

Отсутствие изоляционных материалов, пригодных для длительной работы в воде, и трудность разработки простой конструкции электродвигателя, внутрь которого не попадала бы вода вдоль выступающего конца вала ротора, вызвали создание электродвигателей полусухого типа. В этих электродвигателях ротор вращается в водяной среде, а статорная обмотка герметизирована и защищена от проникновения в нее влаги. Устройством, изолирующим статорную обмотку от воды, является тонкостенная  металлическая гильза, помещенная в зазоре между ротором и статором и торцами своими наглухо закрепленная в корпусе электродвигателя. Гильза изготовляется из нержавеющей стали толщиной 0,3 мм.

Рабочие колеса и направляющие аппараты изготавливались из чугуна или бронзы, смазываемые водой радиальные подшипники в насосе и электродвигателе из специальной бронзы. Осевые усилия воспринимаются пятой, смазываемой водой. В целях предотвращения попадания песка внутрь электродвигателя предусмотрен пескосбрасыватель. Ввод кабеля для подсоединения к статорной обмотке осуществляется через специальную резиновую втулку. Перед спуском агрегата в скважину электродвигатель заполняют чистой водой. Для слива воды предусмотрено отверстие с резьбовой пробкой.

Дальнейшие поиски были направлены на разработку конструкции, которая не требовала бы защиты от окружающей её воды. Это соответствует основополагающему принципу конструирования - совместимости конструкции с окружающей её средой. Для погружного водозаполненного электродвигателя это означает - обеспечение водостойкости обмотки и работы подшипников скольжения в воде. Продолжался поиск создания электродвигателей с водостойкой изоляцией обмотки статора. Отсутствие качественных водостойких изоляционных материалов долгое время оставалось основным фактором, тормозящим развитие и применение электродвигателей такого типа.

Наличие обмоточного провода, отвечающего условиям длительной работы в водяной среде, облегчило создание надежного в эксплуатации, относительно простого по своему устройству погружного агрегата с мокрым электродвигателем.

Первые такие агрегаты в СССР были изготовлены и переданы на промышленные испытания в 1937 году. Две опытные конструкции насосов с различными погружными электродвигателями – полусухого и маслозаполненного типов. Изоляция статорной обмотки полусухого типа электродвигателя осуществлялась посредством гильзы, изготовленной из антимагнитного сплава и помещенной между статором и ротором. Статорная обмотка, клемная коробка и камеры, в которых находились лобовые части статорной обмотки, заполнены изоляционной компаудной массой. Оба электродвигателя изготовлены были на напряжение 220 В и 3000 об/мин.

Промышленные испытания подтвердили целесообразность проведения дальнейших работ в обоих направлениях. Доводка испытанных конструкций погружных элетронасосных агрегатов и организация их серийного производства были прерваны Великой Отечественной войной.

Первые опытные образцы насосов с погружными электродвигателями были изготовлены в 1948 г. в мастерских треста «Ленинградшахтоосушение». Производство погружных электронасосных агрегатов началось в 1949 году на ремонтной базе треста «Союзшахтоосушение», впоследствии на Тульском опытном заводе насосного и бурового оборудования.

Особую веху в насосостроении было связано с созданием в 1950 году Особого конструкторского бюро по бесштанговым насосам (ОКБ БН), в стенах которого и были созданы погружные насосы для нефти, артезианской воды и другого назначения. При активной технической поддержке ОКБ БН в СССР была создана самая могучая в мире индустрия производства погружных насосов.

В 1958 году завод им. Котовского в Кишиневе приступил к освоению производства погружных электронасосов агрегатов для воды. За очень быстрый промежуток времени завод наладил массовое производство всех типоразмеров электронасосных агрегатов для воды, тем самым вытеснил из производства и эксплуатации энергоемкие поршневые насосы.

А.С. Козорез, e-mail: kozorez@promburvod.com