ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР Российский патент 2004 года по МПК E21B47/00 H02K5/12 H02K9/24 

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 №2060383, МКП Е 21 В 47/022, 47/00, приоритет от 21.02.92 г.).

Известен автономный турбинный агрегат, 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 пат. РФ №2173925 (прототип). Этот электрогенератор содержит устройство для его крепления, внешний ротор с корпусом турбины, статор, выполненный с осью, установленной на подшипниках, полость между внешним ротором и статором, заполненную смазывающей жидкостью, и компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, размещенный со стороны устройства для крепления, выполненный в виде поршня, установленного с возможностью осевого перемещения и уплотнения, при этом уплотнение выполнено торцевым и установлено за подшипником.

Недостаток - небольшой ресурс работы генератора, обусловленный износом торцевого уплотнения. Ресурс уплотнения составляет около 100 ч при благоприятных условиях, при некачественной сборке или дефектах в уплотнительных кольцах он может выйти из строя практически мгновенно, что приведет к прекращению работы забойной телеметрической системы и затратам на спуско-подъемные операции.

Задачами создания изобретения являются повышение ресурса и надежности генератора. Это достигается за счет новой компоновки электрогенератора.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что электрогенератор, содержащий устройство для его крепления, внешний ротор с турбиной, установленный через подшипник на оси, заодно с которой выполнен внутренний статор, внешний ротор и внутренний статор образуют полость, в которой с возможностью осевого перемещения установлен компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, выполненный в виде поршня, уплотненного по ротору и оси, отличается тем, что поршень уплотнен по оси резиновой армированной манжетой, установленной внутри компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости, с возможностью осевого перемещения вместе с поршнем. На оси в интервале перемещения поршня установлена съемная втулка. Съемная втулка зафиксирована от проворота. Рядом с резиновой армированной манжетой установлена дополнительная резиновая армированная манжета, при этом эластичные элементы обеих манжет обращены в противоположные стороны с образованием между ними полости. Полость между резиновыми армированными манжетами заполнена консистентной смазкой.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, т.е всеми критериями изобретения. Наличие изобретательского уровня подтверждено патентными исследованиями, новой компоновкой уплотнения и компенсатора температурного расширения смазывающей жидкости. Для изготовления всех узлов электрогенератора не требуются дефицитные материалы и вновь разработанные технологии.

Сущность изобретения поясняется на чертежах (фиг.1-3), где на фиг.1 приведен электрогенератор, на фиг.2 - резиновая армированная манжета, на фиг.3 - две резиновые армированные манжеты.

Электрогенератор (фиг.1) содержит устройство для крепления генератора 1, внешний ротор 2 с турбиной 3 и корпусом турбины 4, статор 5, выполненный с осью 6, электрообмоткой 7, подшипники 8, уплотнения 9 и компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости 10, который выполнен в виде поршня 11, установленного с возможностью осевого перемещения и подпружиненного пружиной 12. Пружина 12 упирается в стопорное кольцо 13. На оси 6 без зазора установлена втулка 14, зафиксированная штифтом 15 и уплотненная относительно вала уплотнительным кольцом 16. Внутри компенсатора давления и температурного расширения 10 установлено уплотнение в виде резиновой армированной манжеты 17. Эластичный элемент 18 резиновой армированной манжеты 17 направлен в сторону противоположную от опоры 1 (фиг.2). Возможна установка дополнительной манжеты 19 (фиг.3), при этом эластичный элемент 20 направлен в сторону опоры 1. Полость С между манжетами 17 и 19 заполнена консистентной смазкой. Конструкция резиновой армированной манжеты 17 совмещена с конструкцией компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости 10 в один узел. Манжеты резиновые армированные для валов, выполненные по ГОСТ 8752-79, предназначены для уплотнения вращающихся валов, а манжеты для гидравлических устройств по ГОСТ 14879-74 предназначены для уплотнения валов при поступательном перемещении. Особенностью уплотнения в виде резиновой армированной манжеты 17 является то, что она одновременно выполняет обе функции, уплотнение при вращении и одновременном перемещении, но конструктивно она выполнена по ГОСТ 8752-79. Значительное поступательное перемещение уплотнения в виде резиновой манжеты связано с тем, что, во-первых, температура смазывающей жидкости изменяется в широком диапазоне от отрицательных до +110°С, при этом запас смазывающей жидкости постепенно расходуется в окружающую среду (буровой раствор).

На одном из торцов электрогенератора выполнен заправочный узел 21, который включает пробку 22 с уплотнением 23, жиклер 24, шарик 25, пружину 26, отверстие Б. На другом торце установлен наконечник 27, провода герметизированы фигурной манжетой 28. Наконечник 27 содержит электроконтакты 29 и на наружной цилиндрической поверхности уплотнительные кольца 30.

Полость А между внешним ротором 2 и статором 5 заполнена смазывающей жидкостью.

Устройство работает следующим образом. Буровой раствор подается на турбину 3, при этом корпус турбины 4 и внешний ротор 2 вращаются. В электрообмотке 7 статора 3 возникает ЭДС. Давление бурового раствора через поршень 10 передается в полость А, в результате этого давление смазывающей жидкости становится больше, чем давление бурового раствора. Уплотнение 11, выполненное в виде резиновой армированной манжеты, герметизирует полость А и, в отличие от торцевого уплотнения, которое применялось в прототипе, практически не пропускает смазывающую жидкость наружу, а буровой раствор внутрь. Это обусловлено совмещением функций компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости с уплотнением. Такая конструкция обеспечила постоянное избыточное давление в полости А, это увеличивает межремонтный ресурс электрогенератора примерно в 10 раз, что подтверждено экспериментально. Наличие дополнительной резиновой манжеты и консистентной смазки в полости между ними улучшает работу уплотнений и дополнительно увеличивает ресурс.

Применение изобретения позволило:

1. По сравнению с применяемым ранее торцевым уплотнением повысить на порядок надежность и ресурс работы электрогенератора за счет обеспечения давления смазочной жидкости избыточного давления и исключения попадания бурового раствора в систему смазки, что подтверждено эспериментально.

2. Обеспечить температурную компенсацию расширения объема смазывающей жидкости.

3. Упростить конструкцию электрогенератора за счет отказа от применения направляющих аппаратов турбины и максимального упрощения конструкции уплотняющего устройства.

4. Уменьшить вес и габариты за счет отказа от сложного компенсатора, а также применения турбины без направляющих аппаратов.

5. Увеличить объем компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости при тех же габаритах электрогенератора.

6. Упростить сборку электрогенератора.

7. Улучшить условия работы деталей уплотнения поршня.

Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано для питания электроэнергией скважинных приборов. Электрогенератор содержит устройство для его крепления, внешний ротор с турбиной, установленный через подшипник на оси, заодно с которой выполнен внутренний статор. Внешний ротор и внутренний статор образуют полость, в которой с возможностью осевого перемещения установлен компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, выполненный в виде поршня, уплотненного по ротору и оси. Поршень уплотнен по оси резиновой армированной манжетой, установленной внутри компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости с возможностью осевого перемещения вместе с поршнем. На оси в интервале перемещения поршня может быть установлена съемная втулка, которая может быть зафиксирована от проворота. Рядом с резиновой армированной манжетой может быть установлена дополнительная резиновая армированная манжета, при этом эластичные элементы обеих манжет обращены в противоположные стороны с образованием между ними полости. Полость между резиновыми армированными манжетами может быть заполнена консистентной смазкой. Изобретение направлено на повышение надежности и увеличение межремонтного ресурса работы электрогенератора и упрощение его конструкции. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Электрогенератор, содержащий устройство для его крепления, внешний ротор с турбиной, установленный через подшипник на оси, заодно с которой выполнен внутренний статор, внешний ротор и внутренний статор образуют полость, в которой с возможностью осевого перемещения установлен компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, выполненный в виде поршня, уплотненного по ротору и оси, отличающийся тем, что поршень уплотнен по оси резиновой армированной манжетой, установленной внутри компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости, с возможностью осевого перемещения вместе с поршнем.2. Электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что на оси в интервале перемещения поршня установлена съемная втулка.3. Электрогенератор по п.2, отличающийся тем, что съемная втулка зафиксирована от проворота.4. Электрогенератор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что рядом с резиновой армированной манжетой установлена дополнительная резиновая армированная манжета, при этом эластичные элементы обеих манжет обращены в противоположные стороны с образованием между ними полости.5. Электрогенератор по п.4, отличающийся тем, что полость между резиновыми армированными манжетами заполнена консистентной смазкой.