СИСТЕМА СМАЗКИ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА ПИТАНИЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2005 года по МПК F01D25/18 H02K5/12 

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для смазки генератора питания скважинной аппаратуры. Генератор 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 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.). Система смазки представляет собой полость между ротором и статором, заполненную смазывающей жидкостью.

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 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.

Известна также система смазки электрогенератора по пат. РФ №2173925. Система смазки электрогенератора содержит устройство 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.

Известна система смазки электрогенератора для питания телеметрических систем по св. РФ №34638, прототип.

Эта система смазки электрогенератора содержащая 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 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.

Задача создания изобретения: повышение надежности уплотнения и работы компенсатора температурного расширения смазывающей жидкости.

Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что система смазки электрогенератора питания телеметрической системы, содержащая заправочное устройство на его переднем торце, полость, заполненную смазывающей жидкостью, между статором и внешним ротором, содержащим, по меньшей мере, один корпус турбины, установленный через передний и задний подшипник на статоре, выполненном в виде оси, компенсатор температурного расширения смазывающей жидкости, выполненный в виде подпружиненного поршня, установленного внутри ротора с возможностью осевого перемещения, при этом поршень установлен между корпусом турбины и втулкой, которая, в свою очередь, установлена и зафиксирована в корпусе турбины, а с торцом втулки контактирует пара торцового уплотнения. Одна из деталей, входящих в пару торцового уплотнения, имеет пазы и круглые отверстия, а другая - ответные выступы с продольными пазами на них против отверстий, через пазы и отверстия проходят соединительные штифты. Между двумя деталями торцового уплотнения установлены пружины. Втулка зафиксирована торцовыми выступами в пазах промежуточного кольца, на наружной поверхности которого выполнен штифт, входящий в прорезь корпуса турбины. На торце втулки выполнены сквозные пазы. Между ротором и передним подшипником установлено регулировочное кольцо, изменяющее усилие в торцовом уплотнении.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, т.е. всеми критериями изобретения. Новизна доказывается патентными исследованиями, изобретательский уровень - 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...3, где:

на фиг.1 приведена система смазки генератора,

на фиг.2 - сборка уплотнительного узла,

на фиг.3 - сборка торцового 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, передние подшипники 7, задние подшипники 8, уплотнения 9 и компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости 10, который выполнен в виде поршня 11, установленного с возможностью осевого перемещения на втулке 12, имеющей торец 13, и подпружиненного пружиной компенсатора 14. Пружина компенсатора 14 упирается в упорное кольцо 15 фиксируется при помощи выступов «А» и пазов «В», штифта 16 и стопорного кольца 17.

В качестве уплотнения 9 использовано торцовое уплотнение 18, при этом возле торца 13 втулки 12 смонтирована одна пара торцового уплотнения 19 (фиг.2), которая, в свою очередь, состоит из двух деталей 20 и 21, одна из которых 20 имеет пазы «С» и круглые отверстия «D», а другая - выступы «Е» и продольные пазы «F» (фиг.3). Между деталями торцового уплотнения 20 и 21 установлены пружины 22, а эти детали соединены между собой в узел соединительными штифтами 23, проходящими через отверстия «D» и продольные пазы «F». На торце втулки 13 выполнены сквозные пазы «G» для выравнивания давления в полостях по обе стороны торца втулки 13 (фиг.2). Детали торцового уплотнения 20 и 21 крепятся в оси 6 винтом 24.

На одном из торцов электрогенератора выполнен заправочный узел, который включает пробку 25 с уплотнением 26, седло клапана 27, шарик 28, пружину клапана 29. Между ротором 2 и передним подшипником 7 установлена регулировочная прокладка 30, предназначенная для регулирования давления в контакте торцового уплотнения 18.

Полость «Н» между внешним ротором 2 и статором 5 при работе должна быть заполнена смазывающей жидкостью.

Устройство работает следующим образом. После сборки поршень 11 занимает исходное положение (фиг.2) и в полости «Н» находится воздух. При заправке отвинчивают пробку 25 и заправляют смазывающую жидкость в полость «Н» до перемещения поршня 11 в крайне нижнее положение. При этом нижний торец поршня 11 выходит на уровень увеличенного диаметра и в образовавшийся зазор выходит смазывающая жидкость с пузырьками воздуха. Когда пузырьки воздуха перестанут выходить через зазор прекращают заправку генератора смазывающей жидкостью и завинчивают пробку 25.

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 поршень 11 передается в полость «Н». За счет дополнительного усилия, создаваемого пружиной компенсатора 14, давление смазывающей жидкости становится больше, чем давление бурового раствора. Торцовое уплотнение 18 герметизирует полость «Н» и практически не пропускает смазывающую жидкость наружу, а буровой раствор внутрь. Это обусловлено разделением функций компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости с уплотнением. Такая конструкция обеспечила постоянное избыточное давление в полости «Н», а это, как показал опыт эксплуатации, значительно увеличивает межремонтный ресурс электрогенератора. Подбором прокладки 30 можно регулировать удельное давление в парах торцового уплотнения.

Применение изобретения позволило:

1. Благодаря разделению функций уплотнения и компенсатора температурного расширения повысить надежность уплотнения полости электрогенератора.

2. Обеспечить промывку электрогенератора от попавшего через уплотнения бурового раствора.

3. Исключить повреждение уплотнения при заправке.

4. Регламентировать в электрогенераторе начальное давление.

5. Облегчить и упростить процесс заправки системы смазывающей жидкостью.

6. Предотвратить попадание воздушных пузырьков в систему смазки, что нежелательно в связи с тем, что устройство работает при очень высоких гидростатических давлениях.

7. Увеличить заправочный объем смазывающей жидкости при уменьшении габаритов электрогенератора, за счет размещения этого объема внутри конструкции и уменьшения металлоемкости деталей компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости.

8. Повысить надежность и ресурс работы электрогенератора за счет обеспечения избыточного давления смазывающей жидкости и исключения попадания бурового раствора в систему смазки за счет избыточного давления, создаваемого пружиной.

9. Обеспечить температурную компенсацию расширения объема смазывающей жидкости в широком диапазоне.

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

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

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

13. Упростить сборку электрогенератора.

14. Улучшить ремонтопригодность генератора.

Изобретение предназначено для смазки электрогенератора питания телеметрической системы. Задачи его создания - повышение надежности работы уплотнения и компенсатора температурного расширения смазывающей жидкости. Система смазки электрогенератора питания телеметрической системы содержит заправочное устройство на его переднем торце, полость, заполненную смазывающей жидкостью, между статором и внешним ротором, содержащим, по меньшей мере, один корпус турбины, установленный через передний и задний подшипник на статоре, выполненном с осью, компенсатор температурного расширения смазывающей жидкости, выполненный в виде подпружиненного поршня, установленного внутри ротора с возможностью осевого перемещения, при этом поршень установлен между корпусом турбины и втулкой, которая, в свою очередь, установлена и зафиксирована в корпусе турбины, а с торцом втулки контактирует пара торцового уплотнения. Одна из деталей, входящих в пару торцового уплотнения, имеет пазы и круглые отверстия, а другая - ответные выступы с продольными пазами на них против отверстий, через пазы и отверстия проходят соединительные штифты. Между двумя деталями торцового уплотнения установлены пружины. Втулка зафиксирована торцовыми выступами в пазах промежуточного кольца, на наружной поверхности которого выполнен штифт, входящий в прорезь корпуса турбины. На торце втулки выполнены сквозные пазы. Между ротором и передним подшипником установлено регулировочное кольцо, изменяющее усилие в торцовом уплотнении. 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система смазки электрогенератора питания телеметрической системы, содержащая заправочное устройство на его переднем торце, полость, заполненную смазывающей жидкостью, между статором и внешним ротором, содержащим, по меньшей мере, один корпус турбины, установленный через передний и задний подшипник на статоре, выполненном с осью, компенсатор температурного расширения смазывающей жидкости, выполненный в виде подпружиненного поршня, установленного внутри ротора с возможностью осевого перемещения, отличающаяся тем, что поршень установлен между корпусом турбины и втулкой, которая, в свою очередь, установлена и зафиксирована в корпусе турбины, а с торцом втулки контактирует пара торцового уплотнения.2. Система смазки по п.1, отличающаяся тем, что одна из деталей, входящих в пару торцового уплотнения, имеет пазы и круглые отверстия, а другая - ответные выступы с продольными пазами на них против отверстий, через пазы и отверстия проходят соединительные штифты.3. Система смазки по п.1, отличающаяся тем, что между двумя деталями торцового уплотнения установлены пружины.4. Система смазки по п.1, отличающаяся тем, что втулка зафиксирована торцовыми выступами в пазах промежуточного кольца, на наружной поверхности которого выполнен штифт, входящий в прорезь корпуса турбины.5. Система смазки по п.1, отличающаяся тем, что на торце втулки выполнены сквозные пазы.6. Система смазки по п.1, отличающаяся тем, что между ротором и передним подшипником установлено регулировочное кольцо, изменяющее усилие в торцовом уплотнении.7. Система смазки по п.2, отличающаяся тем, что между двумя деталями торцового уплотнения установлены пружины.8. Система смазки по п.2, отличающаяся тем, что втулка зафиксирована торцовыми выступами в пазах промежуточного кольца, на наружной поверхности которого выполнен штифт, входящий в прорезь корпуса турбины.9. Система смазки по п.2, отличающаяся тем, что на торце втулки выполнены сквозные пазы.10. Система смазки по п.2, отличающаяся тем, что между ротором и передним подшипником установлено регулировочное кольцо, изменяющее усилие в торцовом уплотнении.11. Система смазки по п.3, отличающаяся тем, что втулка зафиксирована торцовыми выступами в пазах промежуточного кольца, на наружной поверхности которого выполнен штифт, входящий в прорезь корпуса турбины.12. Система смазки по п.3, отличающаяся тем, что на торце втулки выполнены сквозные пазы.13. Система смазки по п.3, отличающаяся тем, что между ротором и передним подшипником установлено регулировочное кольцо, изменяющее усилие в торцовом уплотнении.14. Система смазки по п.4, отличающаяся тем, что на торце втулки выполнены сквозные пазы.15. Система смазки по п.4, отличающаяся тем, что между ротором и передним подшипником установлено регулировочное кольцо, изменяющее усилие в торцовом уплотнении.16. Система смазки по п.5, отличающаяся тем, что между ротором и передним подшипником установлено регулировочное кольцо, изменяющее усилие в торцовом уплотнении.