ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ ПИТАНИЯ АВТОНОМНЫХ ЗАБОЙНЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ И НАВИГАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ Российский патент 2001 года по МПК E21B47/22 F03B13/02 

Изобретение относится к технологии обеспечения бурения скважин под нефть, газ и для других целей. Конкретно изобретение предназначено для преобразования энергии промывочной жидкости в электрическую и питания электроэнергией автономных скважинных навигационных и геофизических приборов в процессе бурения.

Известен генератор переменного тока для питания автономной скважинной аппаратуры в процессе бурения скважин малого диаметра, включающий неподвижный внутренний статор с коллектором и закрепленный на приводном валу внешний ротор, снабженный электромагнитами (патент РФ N 2060383, МКП E 21 В 47/022, 47/00 приоритет от 21.02.92 г.).

Известен генератор переменного тока для питания автономных забойные геофизических и навигационных комплексов, 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. Х. Скважинные автономные системы с магнитной регистрацией, М., Недра, 1979, с. 102-103). Он принят в качестве ближайшего аналога.

Этот генератор состоит из статора, размещенного внутри генератора, 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. Электрические разъемы находятся снизу генератора.

Для предотвращения попадания промывочной жидкости в электрогенератор и подшипниковые узлы установлены уплотняющие устройства, внутренняя полость электрогенератора заполнена трансформаторным маслом.

Ввиду того, что турбогенератор работает при различных температурах (от наружной температуры воздуха до +80...+130^oC на глубинах бурения скважин до 1200. . . 3500 м и более), а масло имеет высокий коэффициент температурного расширения, 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 известного генератора являются его небольшой ресурс, низкая надежность, недостаточная мощность, большие масса и габариты устройства. Кроме того, генератор очень сложен по конструкции и нетехнологичен. Эти недостатки обусловлены в первую очередь тем, что в качестве привода используется гидротурбина 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 генератора, 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.

Следующий недостаток обусловлен расположением всех разъемов с одной стороны генератора, что обуславливает подключение электрооборудования только с нижней стороны и ограничивает использование данной конструкции для устройств, требующих подключение сверху, таких как, например, аппаратура, использующая для передачи телеметрической информации на поверхность гидравлический канал связи.

Задачами создания изобретения являются повышение ресурса и надежности генератора, увеличение мощности с одновременным уменьшением габаритов и массы генератора.

Это достигается тем, что в предложенном генераторе переменного тока для питания автономных забойных геофизических и навигационных комплексов, содержащем герметичный статор, установленный на неподвижном полом валу, ротор, установленный на подшипниках, закрепленных на неподвижном полом валу и защищенных уплотняющими устройствами, и выполненный в виде внешнего корпуса, с внешней стороны которого установлены рабочие лопатки турбины, а с внутренней стороны установлены постоянные магниты, и установленные на валу электрические разъемы; одно из уплотняющих устройств снабжено пружиной и установлено с возможностью осевого перемещения для обеспечения компенсации давления и температурного расширения смазывающей жидкости, находящейся в подшипниковых узлах и в зазоре между ротором и статором, при этом электрические разъемы расположены с двух сторон вала, а рабочие лопатки установлены по краям корпуса. Герметичный статор может быть выполнен в монолите из неэлектропроводного и немагнитного материала, например стеклопластика.

Проведенные патентно-технические исследования показали, что предложенное техническое решение обладает новизной и изобретательским уровнем. Кроме того, оно является промышленно применимым, т.е. может быть изготовлено с использованием стандартного оборудования.

Следовательно, предложенное техническое решение удовлетворяет всем критериям изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлен предлагаемый генератор.

Генератор состоит из статора 1, выполненного герметичным в монолите из неэлектропроводного, немагнитного материала, например стеклопластика, установленного на неподвижном валу (оси) 2 с электрическими разъемами 3 на концах для подключения электронного скважинного оборудования, и ротора 4, выполненного в виде корпуса 5 с установленными с внешней стороны рабочими лопатками турбины - 6 и с внутренней стороны - постоянными магнитами 7. Корпус установлен на подшипниках 8 и 9, закрепленных на неподвижном валу (оси) 2. Подшипниковые узлы защищены уплотняющими устройствами 10 и 11, одно из которых 10 подвижно в осевом направлении и снабжено пружиной 12 для компенсации давления и температурного расширения смазывающей жидкости.

При прокачке промывочной жидкости, вращается ротор 4 (внешний), магнитное поле постоянных магнитов 7 индуцирует возникновение переменного тока в обмотках статора 1, который через электрические разъемы 3 подается к электронным узлам скважинных приборов (на чертеже скважинные приборы не показаны).

Если генератор используется для питания забойных геофизических комплексов с электромагнитным каналом связи, то используется нижний электрический разъем 3, а если с гидравлическим каналом связи, то верхний электрический разъем 3. Это обеспечивает одно из основных преимуществ предложенного генератора - возможность его использования для питания электроэнергией любых систем.

При погружении устройства в скважину в процессе бурения или спуске - подъемных операциях и соответственно изменении температуры и давления окружающей среды, изменяется объем масла и меняется положение уплотняющего устройства 10 до выравнивания внутреннего и внешнего давления сред с некоторым превышением внутреннего давления.

Применение предложенного изобретения дает следующие преимущества.

1. Наличие электрических разъемов с двух сторон вала позволяет соединить генератор с другими устройствами, расположенными как сверху, так и снизу генератора.

2. Выполнение ротора в виде внешнего корпуса, вращающегося при прокачке, промывочной жидкости, с расположенными по его краям (снаружи) рабочими лопатками турбины и с закрепленными с внутренней стороны постоянными магнитами позволяет достичь максимально возможной линейной скорости магнитного поля постоянных магнитов относительно обмоток статора и максимальной мощности.

3. Отсутствие струенаправляющего аппарата предотвращает заклинивание турбины в случае попадания посторонних предметов в буровой раствор или его некачественной очистки. Кроме того, отказ от направляющего аппарата позволяет значительно уменьшить диаметр генератора.

4. В предложенном генераторе ротор установлен на подшипниках, защищенных малогабаритными уплотняющими устройствами. Снабжение одного из них пружиной и выполнение его подвижным в осевом направлении позволяет ему дополнительно выполнять функции компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости, находящейся в подшипниковых узлах и в зазоре между статором и ротором. Это упрощает конструкцию генератора, так как позволяет исключить компенсатор давления и температурного расширения как отдельное устройство.

5. Выполнение статора на неподвижном полом валу, герметичным, в монолите из неэлектропроводного и немагнитного материала, например, стеклопластика, надежно предохраняет его от разгерметизации.

Изобретение относится к бурению скважин и предназначено для обеспечения электропитания автономных скважинных навигационных и геофизических приборов в процессе бурения. Задачей изобретения является повышение ресурса и надежности турбогенератора, повышение мощности с одновременным уменьшением габаритов и массы генератора. Для этого генератор содержит герметичный статор, установленный на неподвижном полом валу, ротор, установленный на подшипниках, закрепленных на неподвижном полом валу и защищенных уплотняющими устройствами. Ротор выполнен в виде внешнего корпуса, с внешней стороны которого по краям установлены рабочие лопатки турбины, а с внутренней стороны установлены постоянные магниты. На валу с двух сторон установлены электрические разъемы. Одно из уплотняющих устройств снабжено пружиной и установлено с возможностью осевого перемещения. Это обеспечивает компенсацию давления и температурного расширения смазывающей жидкости, находящейся в подшипниковых узлах и в зазоре между ротором и статором. Герметичный статор выполнен в монолите из неэлектропроводного и немагнитного материала, например стеклопластика. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Генератор переменного тока для питания автономных забойных геофизических и навигационных комплексов, содержащий герметичный статор, установленный на неподвижном полом валу, ротор, установленный на подшипниках, закрепленных на неподвижном полом валу и защищенных уплотняющими устройствами, и выполненный в виде внешнего корпуса, с внешней стороны которого установлены рабочие лопатки турбины, а с внутренней стороны установлены постоянные магниты, и установленные на валу электрические разъемы, отличающийся тем, что одно из уплотняющих устройств снабжено пружиной и установлено с возможностью осевого перемещения для обеспечения компенсации давления и температурного расширения смазывающей жидкости, находящейся в подшипниковых узлах и в зазоре между ротором и статором, при этом электрические разъемы расположены с двух сторон вала, а рабочие лопатки установлены по краям корпуса. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что герметичный статор выполнен в монолите из неэлектропроводного и немагнитного материала, например стеклопластика.