ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР ПИТАНИЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2005 года по МПК E21B47/00 

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для смазки генератора питания скважинной аппаратуры. Электрогенератор преобразует энергию промывочной жидкости в электрическую, необходимую для питания скважинных навигационных и геофизических приборов в процессе бурения и передатчика электромагнитного канала связи.

Известен электрогенератор 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, МПК Е 21 В 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 электрогенератор 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. 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 электрогенератор питания телеметрических систем по св. РФ №34638, прототип.

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. Уплотнение в форме манжеты не держит больших давлений и плохо работает при одновременном окружном и осевом перемещении. На подшипники действуют большие осевые силы.

Задача создания изобретения - повышение надежности генератора, улучшение смазки и обеспечение надежного запуска генератора на малых расходах бурового раствора.

Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что в электрогенераторе питания телеметрической системы, содержащем заправочное устройство, полость между внешним ротором и статором, заполненную смазывающей жидкостью, и содержащем, по меньшей мере, один корпус турбины, установленный через передний и задний подшипники на статоре, выполненном в виде оси, с установленным торцовым уплотнением, указанный торец уплотнения упирается в кольцо из материала, устойчивого к абразивному износу, установленного на заднем торце внешнего ротора, а между внутренней частью корпуса турбины и передним торцом оси установлен шарик, воспринимающий осевую нагрузку. Торец оси и/или внутренняя часть корпуса турбины защищены сменными втулками. Сменные втулки выполнены с внутренней конической расточкой и установлены на резьбе. Под одной из втулок установлена регулировочная шайба. Заправочное устройство выполнено в виде канала в переднем корпусе турбины с пробкой и обратным клапаном.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, т.е. всеми критериями изобретения. Новизна подтверждена патентными исследованиями, изобретательский уровень достигается новыми функциями и 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 фиг.1 и 2, где:

на фиг.1 приведена схема смазки электрогенератора,

на фиг.2 - конструкция торцевого уплотнения.

Электрогенератор (фиг.1) содержит устройство для крепления генератора 1, внешний ротор 2 с турбинами 3 и корпусом турбины 4, статор 5, выполненный с осью 6, передний подшипник 7, задний подшипник 8. Между статором 5 и внешним ротором 2 образуется полость «А» для смазки. На оси 6 установлено торцовое уплотнение 9 (фиг.2), состоящее из двух деталей 10 и 11 и пружин 12. Торцовое уплотнение 9 упирается в кольцо из материала, устойчивое к абразивному износу 13, которое установлено на заднем торце «В» внешнего ротора 2. В передней части электрогенератора между внутренней частью корпуса турбины 4 и передним торцом оси 6 установлен шарик 14.

Шарик 14 может быть установлен между двумя шайбой и передним торцом «Б» оси 6, или между сменными втулками 16 и корпусом турбины 4, или между сменными втулками 15 и 16, выполненными соответственно в корпусе турбины 4 и на переднем торце оси 6. На фиг.1 показан только третий вариант установки шарика 14. Под сменной втулкой 16 установлена регулировочная шайба 17, предназначенная для регулировки зазора «Г» при сборке и после каждого рейса. В передней части электрогенератора выполнен заправочный узел, состоящий из пробки 18, обратного клапана, содержащего седло клапана 19, шарик клапана 20 и пружину 21.

Устройство работает следующим образом. При заправке отвинчивают пробку 18 и заправляют смазку через обратный клапан в полость «А» до вытекания смазки через торцовое уплотнение 9.

При эксплуатации в составе колонны бурильных труб буровой раствор подается на турбину 3, при этом корпус турбины 4 и внешний ротор 2 вращаются. В электрообмотке статора 5 возникает ЭДС (электрообмотка на чертежах не показана). Давление бурового раствора через торцовое уплотнение 9 передается на смазывающую жидкость и возможно незначительное проникновение небольшого расхода бурового раствора в полость «А». Шарик 14 воспринимает всю осевую нагрузку, действующую в электрогенераторе на его ротор, разгружая тем самым резиновые подшипники 7 и 8, не приспособленные для восприятия осевой нагрузки. После каждого рейса производят дозаправку полости «А» смазывающей жидкостью, вытесняя загрязненную смазку и полностью меняя ее на новую. Подбором регулировочной прокладки 17 можно регулировать зазор «Б», а также компенсировать износ втулок 15 и 16.

Применение изобретения позволило:

1. Повысить надежность генератора, надежность смазки.

2. Обеспечить запуск электрогенератора при малых расходах промывочной жидкости за счет применения шарика, выполняющего роль упорного подшипника.

3. Обеспечить промывку электрогенератора от попавшего через уплотнения бурового раствора после каждого рейса.

4. Облегчить и упростить процесс заправки системы смазывающей жидкостью.

5. Предотвратить попадание воздуха в систему смазки, что нежелательно в связи с тем, что устройство работает при очень высоких гидростатических давлениях.

6. Уменьшит заправочный объем смазывающей жидкости при уменьшении габаритов электрогенератора.

7. Повысить надежность и ресурс работы электрогенератора за счет применения резиновых подшипников.

8. Упростить конструкцию электрогенератора за счет отказа от применения направляющих аппаратов турбины и максимального упрощения конструкции уплотнения.

9. Уменьшить вес и габариты генератора за счет отказа от сложного компенсатора.

10. Упростить сборку и разборку электрогенератора и регулировку тепловых зазоров.

11. Улучшить ремонтопригодность электрогенератора.

Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано для питания скважинных приборов и передатчика канала связи в процессе бурения. Электрогенератор содержит внешний ротор и статор, выполненный в виде оси, с полостью между ними, заполненной смазывающей жидкостью. На статоре посредством переднего и заднего подшипников установлен, по меньшей мере, один корпус турбины. На заднем торце внешнего ротора установлено кольцо из материала, устойчивого к абразивному износу. На торце оси установлено уплотнение таким образом, что его торец упирается в кольцо, выполненное из материала, устойчивого к абразивному износу, и установленное на заднем торце ротора. Между внутренней частью корпуса турбины и передним торцом оси установлен шарик, воспринимающий осевую нагрузку. Для пополнения смазывающей жидкости имеется заправочное устройство. Торец оси и/или внутренняя часть корпуса турбины могут быть защищены сменными втулками. Сменные втулки могут выполняться с внутренней конической расточкой и устанавливаться на резьбе. Под одной из втулок возможна установка регулировочной шайбы. Заправочное устройство может быть выполнено в виде канала в переднем корпусе турбины с пробкой и обратным клапаном. Изобретение позволяет повысить надежность работы генератора. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрогенератор питания телеметрической системы, содержащий заправочное устройство, полость между внешним ротором и статором, заполненную смазывающей жидкостью, содержащий, по меньшей мере, один корпус турбины, установленный через передний и задний подшипники на статоре, выполненном c осью, с установленным торцовым уплотнением, отличающийся тем, что торец уплотнения упирается в кольцо из материала, устойчивого к абразивному износу, установленное на заднем торце внешнего ротора, а между внутренней частью корпуса турбины и передним торцом оси установлен шарик, воспринимающий осевую нагрузку.2. Электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что торец оси и/или внутренняя часть корпуса турбины защищены сменными втулками.3. Электрогенератор по п.2, отличающийся тем, что сменные втулки выполнены с внутренней конической расточкой и установлены на резьбе.4. Электрогенератор по 3, отличающийся тем, что под одной из втулок установлена регулировочная шайба.5. Электрогенератор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что заправочное устройство выполнено в виде канала в переднем корпусе турбины с пробкой и обратным клапаном.