Патент на изобретение №2331149

(54) СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в генераторах питания скважинной аппаратуры. Технический результат состоит в увеличении мощности и ресурса электрогенератора при уменьшении его диаметральных габаритов. Скважинный электрогенератор содержит узел крепления, ротор с рабочим колесом гидротурбины и, по меньшей мере, одну группу постоянных магнитов, кинематически связанную с гидротурбиной, и соответствующие им обмотки возбуждения. Кинематическая связь гидротурбины с группами постоянных магнитов выполнена через механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, который может быть выполнен в виде ведомого диска, установленного на роторе, ведущего диска, установленного на оси, и пружины, упирающейся в торец оси. Внутри узла крепления выполнены отверстия. Узел крепления выполнен в передней или в средней или в задней части статора. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для электрогенератора питания скважинной аппаратуры и передающего устройства забойной телеметрической системы. Электрогенератор преобразует энергию промывочной жидкости в электрическую, необходимую для питания скважинных навигационных и геофизических приборов в процессе бурения и передатчика электромагнитного канала связи. Для работы телеметрической системы на большой глубине требуется увеличение мощности передающего устройства до 1 кВт и более. Получить большую мощность при малых габаритах генератора весьма проблематично.

Известен генератор переменного тока для питания телеметрической системы в процессе бурения скважин малого диаметра, включающий неподвижный внутренний статор с коллектором и закрепленный на приводном валу внешний ротор, снабженный электромагнитами (патент РФ №2060383, МКП Е21В 47/022, 47/00, приоритет от 21.02.92 г.). Система смазки представляет собой полость между ротором и статором, заполненную смазывающей жидкостью.

Известен автономный турбинный агрегат (электрогенератор), также предназначенный для питания электрической энергией телеметрической системы, содержащий гидротурбину, приводимую в движение потоком промывочной жидкости, маслозаполненный статор, залитый эпоксидным компаундом, и ротор генератора переменного тока на постоянных магнитах, расположенный на одном валу с гидротурбиной (Молчанов А.А., Сираев А.X., «Скважинные автономные системы с магнитной регистрацией», М., Недра, 1979, с.102-103).

Этот генератор состоит из статора, размещенного внутри агрегата и шестиполюсного кольцевого магнитного ротора, выполненного снаружи. Ротор одновременно является корпусом для рабочих лопаток трехступенчатой гидротурбины. Перед каждой ступенью рабочих лопаток гидротурбины, в свою очередь, установлены три ступени направляющих аппаратов, собранных на внешнем корпусе, что увеличивает диаметр устройства. Для предотвращения попадания промывочной жидкости в электрогенератор и подшипниковые узлы установлены уплотняющие устройства, внутренняя полость электрогенератора заполнена трансформаторным маслом.

Ввиду того, что электрогенератор работает в интервале температур от -40 до +130°С, при глубинах бурения до 3500 м и более, а объем масла изменяется при изменении температуры, введен компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости (масла). Компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости выполнен внутри входного обтекателя генератора. Он состоит из двух тонких профильных пластин, одна из которых выпуклая, а другая вогнутая. Компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости предназначен для компенсации изменения объема масла в маслозаполненной полости генератора в рабочих условиях при повышении температуры, а также выравнивания давления внутри и снаружи генератора.

Недостатками этого генератора являются:

– низкая надежность,

– малый ресурс,

– большие габариты и масса устройства,

– сложность конструкции.

Эти недостатки обусловлены, в первую очередь, тем, что в качестве привода используется многоступенчатая турбина с направляющими аппаратами. Использование гидротурбины с направляющими аппаратами в качестве привода предъявляет повышенные требования к качеству очистки промывочной жидкости от фракций выбуренной породы и посторонних предметов, попадание которых в зазор между рабочими и направляющими лопатками гидротурбины может привести к ее остановке (заклиниванию). Наличие направляющих аппаратов гидротурбины увеличивает диаметральный габарит электрогенератора, что нежелательно при бурении скважин относительно малого диаметра.

Второй конструктивный недостаток – это сложность и ненадежность компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости. Из-за упругости стенок компенсатора давление смазывающей жидкости всегда меньше давления окружающей среды. Это может привести к попаданию промывочной жидкости в систему смазки электрогенератора и к износу подшипников, уплотнений и других деталей.

Известен также электрогенератор по патенту РФ №2173925, основной особенностью которого можно считать систему смазки. Система смазки этого электрогенератора содержит заправочное устройство на его переднем торце, полость между внешним ротором и статором, заполненную смазывающей жидкостью, и компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, размещенный со стороны устройства для крепления генератора, выполненный в виде поршня, установленного с возможностью осевого перемещения и уплотнения, установленного внутри поршня с возможностью осевого перемещения вместе с ним. Недостатком этого устройства является сложность заправки системы смазывающей жидкостью и низкий ресурс уплотнения.

Известен скважинный электрогенератор питания телеметрических систем по св. РФ на полезную модель №34638.

Этот электрогенератор содержит заправочное устройство в его передней части, полость между внешним ротором и статором, заполненную смазывающей жидкостью, и компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, размещенный со стороны устройства для крепления генератора, выполненный в виде поршня, установленного внутри ротора с возможностью осевого перемещения, и уплотнения, установленного в свою очередь, внутри поршня с возможностью осевого перемещения вместе с ним, поршень выполнен с возможностью дренажа смазывающей жидкости в полностью заправленном положении в зазор между ротором и узлом крепления генератора.

Недостатком этой системы смазки является то, что из-за совмещения функций компенсатора и уплотнения снижается их ресурс.

Известен генератор по св. РФ №13123, который содержит ротор с турбиной, статор, узел крепления и емкость для резервного запаса смазывающей жидкости, выполненную в виде стакана, выполненного в передней части генератора с установленным внутри подпружиненным поршнем, и заправочное устройство. Генератор и турбина значительно отдалены друг от друга в осевом направлении и разобщены магнитной муфтой, что увеличивает габариты генератора и снижает надежность смазки.

Известен генератор по патенту РФ на изобретение №2264537, прототип, содержащий корпус с обмотками возбуждения, узел крепления, ротор с валом, магнитами и турбиной, установленный через подшипники в корпусе, и емкость для резервного запаса смазывающей жидкости в виде стакана, выполненного в передней части генератора с установленным внутри подпружиненным поршнем и заправочным устройством, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один передний подшипник установлен во втулке, которая сцентрирована в выступающей части корпуса, закрытого с другой стороны осью, зафиксированной от поворота и имеющей кольцевую проточку под обмотку и цилиндрический выступ, во внутренней расточке которого установлен, по меньшей мере, один задний подшипник, а внутри вала выполнено сквозное осевое отверстие. Между передним подшипником и ротором установлена регулировочная шайба. Обмотки возбуждения установлены в корпусе и зафиксированы штифтами от смещения. Пружина частично размещена внутри поршня. Заправочной устройство выполнено в виде клапана, установленного в канале штока, закрытом пробкой. Заправочное устройство выполнено в виде клапана, установленного в канале штока, закрытом пробкой.

Недостатки: низкая мощность и ресурс электрогенератора при ограниченных диаметральных габаритах.

Создание мощного электрогенератора ограничивается его диаметральными габаритами, а низкий ресурс объясняется тем, что для смазки многочисленных опор (подшипников) внутренняя полость электрогенератора заполняется смазывающей жидкостью, но из-за того, что в процессе эксплуатации внутрь электрогенератора попадает буровой раствор, содержащий абразивные частицы, подшипники, уплотнения и другие детали быстро изнашиваются.

Задачи создания изобретения – повышение мощности и ресурса электрогенератора при уменьшении его диаметральных габаритов.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что скважинный электрогенератор, содержащий узел крепления, ротор с рабочим колесом гидротурбины и, по меньшей мере, одну группу постоянных магнитов, кинематически связанную с гидротурбиной, и соответствующие им обмотки возбуждения, отличается тем, что кинематическая связь гидротурбины с группами постоянных магнитов выполнена через механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное. Механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное может быть выполнен в виде ведомого диска, установленного на роторе, ведущего диска, установленного на оси, и пружины, упирающейся в торец оси. Внутри узла крепления выполнены отверстия. Узел крепления может быть выполнен в передней или средней или в задней части статора.

Сущность изобретения поясняется на чертеже.

Скважинный электрогенератор, предназначенный для питания скважинной аппаратуры, установлен в колонне бурильных труб или в обсадной колонне и содержит узел крепления 1 на статоре 2. В узле крепления 1 выполнены отверстия «А» для прохода бурового раствора.

Скважинный электрогенератор содержит ротор 3 с гидротурбиной 4, конкретно с ее рабочим колесом и имеет наклонно установленные плоские лопатки, установленные под углом 20…45°. Сопловой аппарат гидротурбины для упрощения ее сборки не применяется.

Внутри статора 2 выполнена полость «Б», в которой установлен механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное 5. Этот механизм может быть выполнен любой конструкции, в конкретном примере он состоит из ведущего диска 6, на котором установлены шарики 7, и ведомого диска 8 с профилированными выступами 9 на его верхнем торце и пружины 10. Ведущий диск 6 установлен на роторе 3, ведомый диск 8 на оси 11, которая выполнена с возможностью возвратно-поступательного осевого перемещения. Это достигнуто, в частности, за счет пружины 10, упирающейся в нижний торец оси 11. На оси 11 установлена одна или несколько групп постоянных магнитов 12, напротив которых внутри статора 2 установлены обмотки возбуждения 13. Полость «Б» заполнена смазывающей жидкостью, которая заправляется через отверстие «В», выполненное в роторе 3 и закрытое винтом 14. Ротор 3 установлен в подшипнике 15 и уплотнен от окружающей среды уплотнением 16. В электрогенераторе в отличие от традиционных схем применен единственный подшипник 15. Это облегчает обеспечение его смазки и защиты от проникновения бурового раствора.

Полость «Б» отделана от полости «Г», в которой размещены обмотки возбуждения 13, перегородкой 17. В перегородке 17 на оси 11 установлено уплотнительное устройство 17. Уплотнительное устройство 17 уплотняет полость «Б» от полости «В» и работает в более легких условиях, чем уплотнительные устройства в электрогенераторах традиционных схем, т.к. колебательное движение оси 11 осуществляется с небольшой скоростью при небольшом диапазоне перемещения оси 11. Кроме того, полость «Г» также заполнена смазывающей или компенсаторной жидкостью и перепад давления между полостями «Б» и «Д» практически отсутствует.

От обмоток возбуждения 13 отходит (отходят) электрический (ие) провод (а) 18, они проходят по отверстиям «Д» и «Е», выполненным в статоре 2, и соединяются с разъемом 20. Если применен один провод, то функцию другого провода выполняет статор 2. Соединение обмоток возбуждения 13 может быть выполнено параллельным, последовательным или параллельно-последовательным. На разъем 20 может быть выведено напряжение с двух групп обмоток возбуждения 13 для питания электроэнергией различных независимых потребителей. Разъем 20 целесообразно выполнить коаксиальным.

При работе скважинного электрогенератора буровой раствор проходит через гидротурбину 4, которая начинает вращаться с ротором 3 и ведомым диском 6 механизма преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное 5. При этом шарики 7 периодически надавливают на профилированные выступы 9 и ось 11 перемещается вниз, а под действием пружины 10 возвращается вверх. Эти движения совершаются периодически, группа (группы) постоянных магнитов 12 совершают возвратно-поступательное движение внутри обмоток возбуждения 13. В обмотках возбуждения 13 вырабатывается электрический ток, который по проводам 19 передается на электрический разъем 20 и далее к потребителю электроэнергии.

Количество групп постоянных магнитов 12 и обмоток возбуждения 13 может быть выполнено сколь угодно большим. Это позволит спроектировать источник питания и скважинные приборы для бурильных и обсадных колонн очень малого диаметра.

Применение изобретения позволило:

1. Значительно уменьшить диаметральные габариты и вес скважинного электрогенератора за счет механического разделения гидротурбины и электрогенератора.

2. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах электрогенератора за счет применения большого числа групп постоянных магнитов и обмоток возбуждения.

3. Уменьшить дисбаланс ротора скважинного электрогенератора за счет уменьшения их диаметра в 1,5…2,0 раза.

4. Повысить надежность уплотнения полости скважинного электрогенератора за счет уменьшения диаметра уплотнений и за счет облегчения условий для работы уплотнительного устройства в перегородке: а именно, низких скоростей возвратно-поступательного перемещения оси и отсутствия перепада давления между смежными полостями.

5. Увеличить ресурс работы электрогенератора за счет уменьшения количества подшипников до одного и его надежной смазки и уплотнения от бурового раствора.

6. Упростить конструкцию скважинного электрогенератора за счет отказа от применения соплового аппарата турбины и максимального упрощения конструкции всех узлов и их унификации.

7. Упростить сборку и разборку скважинного электрогенератора за счет его выполнения модульной конструкции и применения коаксиального электрического разъема.

8. Улучшить ремонтопригодность скважинного электрогенератора за счет предельно простой конструкции, минимального числа деталей и простой конфигурации всех деталей.

Формула изобретения

1. Скважинный электрогенератор, содержащий узел крепления, ротор с рабочим колесом гидротурбины, и, по меньшей мере одну группу постоянных магнитов, кинематически связанную с гидротурбиной, и соответствующие им обмотки возбуждения, отличающийся тем, что кинематическая связь гидротурбины с группами постоянных магнитов выполнена через механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное.

2. Скважинный электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное выполнен в виде ведомого диска, установленного на роторе, ведущего диска, установленного на оси, и пружины, упирающейся в торец оси.

3. Скважинный электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что внутри узла крепления выполнены отверстия.

4. Скважинный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел крепления выполнен в передней части статора.

5. Скважинный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел крепления выполнен в средней части статора.

6. Скважинный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел крепления выполнен в задней части статора.

РИСУНКИ