СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ Российский патент 2006 года по МПК H02K5/12 E21B47/22 

Описание патента на изобретение RU2290734C1

Изобретение относится к области электротехники, а именно к автономным источникам электропитания телеметрических систем при бурении нефтяных и газовых скважин со сложной пространственной траекторией проходки ствола.

Из уровня техники известен целый ряд конструктивно аналогичных объектов, содержащих, как правило, турбину (крыльчатку) с валом, на котором размещен ротор-индуктор, а вал посредством подшипников размещен в корпусе со статорной обмоткой, охватывающей (с зазором) ротор-индуктор. Турбина подобного объекта приводится во вращение потоком газа или жидкости, а обмотка статора подключается к потребителю электроэнергии (например, Пневматический шахтный светильник. М., ГТТИ, Горный журнал №3, 1958; СССР, описание изобретения №1379880, М. кл.4 Н 02 К 7/18, 1986; СССР, описание изобретения №1805530, M. кл.5 E 21 B 47/022, 1990; РФ, патент на полезную модель №11936, V1 М. кл.6 Н 02 К 5/12, E 21 B 47/022, 16.11.1999; РФ, патент на полезную модель №13123, V1 М. кл.6 Н 02 К 5/12, Е 21 В 7/02, 20.03.2000; РФ, описание изобретения №2172827, М. кл.6 Е 21 В 47/00, Н 02 К 5/12, 1999; РФ, описание изобретения №2244995 С1, М. кл.7 Н 02 К 5/12, Е 21 В 47/022, 2005).

Однако известные технические решения, несмотря на их конструктивные особенности, адаптирующие их к тем или иным требованиям потребителей и условиям эксплуатации, существенно ограничены в их основном параметре, то есть в генерировании электроэнергии достаточной мощности, это ограничение обусловлено конкретными скважинными условиями (преимущественно диаметром скважины). Попытки же одновременного использования (агрегатирования) нескольких подобных источников электропитания для работы на одного потребителя весьма осложняются проблемой их коммутации в скважинных условиях и прочими сопутствующими проблемами.

Наиболее близким техническим решением (иначе - прототипом) к заявляемому объекту является скважинный электромашинный источник питания (Научно-технический журнал "Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности", М., ОАО "ВНИИОНГ", №4, 2003, с.4-6) в так называемом "торцевом исполнении", включающий проточный кожух, внутри которого размещены (с возможностью обтекания жидкостью):

- неподвижная часть электрогенератора, содержащая статор с незамкнутым магнитопроводом и обмотку на нем;

- подвижная часть электрогенератора, содержащая гидротурбину с центральным валом и многополюсным ротором-индуктором, причем обе части сочленены между собой посредством не менее чем двух подшипников, размещенных на центральном валу и, соответственно, в гнездах неподвижной части;

- немагнитная перегородка, герметизирующая элементы статора от попадания жидкости (в глубинных скважинных условиях) со стороны ротора-индуктора. Незамкнутые торцы магнитопровода статора позиционированы относительно торцевых полюсов ротора индуктора таким образом, что магнитная цепь (магнитный контур) статора периодически замыкается вращающимися полюсами ротора-индуктора, но при этом в магнитном контуре электрогенератора есть "разъем" по немагнитной перегородке и конструктивному зазору, что приводит к потерям в преобразовании механической энергии в электрическую, к тому же переменный характер сцепления магнитных полюсов ротора-индуктора с магнитопроводом статора раскачивает консольно закрепленный вал в опорах вращения, что может привести к дисбалансу системы.

Кроме того, как отмечено в описании прототипа, его мощность существенно ограничена диаметральным габаритом и от его линейного размера (то есть длины) практически не зависят.

Требуемый технический результат (иначе - цель создания заявляемого объекта) заключается в обеспечении известному техническому решению-прототипу более высоких потребительских свойств, а именно повышенной удельной мощности в стесненных габаритах бурильной колонны.

Требуемый технический результат при реализации (использовании) заявляемого объекта достигается тем, что в известном устройстве-прототипе, содержащем проточный кожух, внутри которого размещены (с возможностью обтекания жидкостью) неподвижная часть электрогенератора, содержащая статор с незамкнутым магнитопроводом и обмотку, подвижная часть электрогенератора, содержащая гидротурбину с центральным валом и многополюсным ротором-индуктором, сочлененная с неподвижной частью посредством не менее чем двух подшипников, размещенных на валу, и немагнитная, поперечная к геометрической оси О-О электрогенератора, перегородка для разобщения полостей обеих его частей, а незамкнутый магнитопровод статора с обмоткой на нем позиционирован относительно полюсов ротора-индуктора с возможностью электромагнитного взаимодействия этих элементов обеих частей электрогенератора через его немагнитную перегородку, незамкнутый магнитопровод статора снабжен дополнительным П-образным участком, замыкающим своими торцами его магнитную цепь, размещенным коаксиально ротору-индуктору по другую сторону немагнитной перегородки в полости подвижной части электрогенератора.

Требуемый технический результат обеспечен наличием в совокупности существенных признаков (характеризующих предлагаемый скважинный электромашинный источник питания) вышеуказанных отличительных признаков, а необнаружение в общедоступных источниках патентной и технической информации эквивалентных технических решений с теми же свойствами предполагает соответствие объекта "критериям" изобретения.

На чертежах представлены общий вид (фигура 1) скважинного электромашинного источника питания с внутренним расположением относительно магнитной цепи статора ротора-индуктора, на фигуре 2 изображен фрагмент А фигуры 1 этого источника питания, но с двухсторонним ротором-индуктором, охватывающим коаксиально магнитную цепь статора, а на фигуре 3 - тот же фрагмент А фигуры 1 с внешним охватом ротором-индуктором магнитной цепи статора.

Заявляемый объект содержит (см. фигуру 1) проточный кожух 1, в котором жестко закреплена неподвижная (статорная) часть 2 электрогенератора, включающая незамкнутый магнитопровод 3 с размещенной на нем обмоткой 4. С неподвижной частью 2 электрогенератора (он, как таковой, позицией не обозначен) сочленена его подвижная (роторная) часть 5, включающая гидротурбину 6 с центральным валом 7 (по геометрической оси 0-0 электрогенератора) и многополюсный ротор-индуктор 8. Сочленение неподвижной (2) и подвижной (5) частей электрогенератора осуществлено посредством подшипников 9 и 10.

Незамкнутый магнитопровод 3 статора и его обмотки 4 отсечены от подвижной части 5 электрогенератора поперечной к его геометрической оси 0-0 немагнитной перегородкой 11 с образованием полости 12, заполненной электроизоляционным материалом - герметиком, как это изображено на фигуре 1, при этом с другой стороны немагнитной поперечной перегородки 11 конструктивно образована полость 13, то есть полость подвижной части электрогенератора, так как в ней размещен центральный вал 7 с ротором-индуктором 8. Для обеспечения эффективного индуцирования Э.Д.С. в обмотке 4 статора заявляемый объект снабжен дополнительным П-образным участком 14 магнитопровода, замыкающим магнитопровод 3 статора по его торцам, то есть по плоскости Б на фигуре 1, где позицией 15 обозначена, условно, полная замкнутая магнитная цепь (магнитный контур) статора. Кроме того, на фигуре 1 приведены, но отдельными позициями не обозначены, узел электровыводов обмотки 4, узел подачи смазки в полость 13 подвижной части 5, а также ряд других, входящих в конструкцию заявляемого объекта вспомогательных элементов.

Скважинный электромашинный источник питания работает следующим образом. Поток жидкости (условно обозначен полыми стрелками на фигуре 1) вращает подвижную часть электрогенератора, взаимодействуя с гидротурбиной 6, а многополюсный ротор-индуктор 8 создает в магнитной цепи (контуре) 15 статора переменный магнитный поток, индуцирующий в обмотке 4 Э.Д.С. (или электрический ток при замыкании обмотки 4 на потребителя). Существенной особенностью заявляемого объекта является то, что в сравнении с прототипом, то есть в сравнении с аналогичным источником питания, в так называемом "торцевом" исполнении снимаемая с обмотки 4 мощность лимитируется не диаметром конструкции (при равных параметрах материалов постоянных магнитов ротора-индуктора и магнитопровода статора), а преимущественно линейными размерами, то есть длиной ротора индуктора и, соответственно, длиной П-образного дополнительного участка 14 магнитопровода 3 статора. Так, например, при использовании одинаковых соответственно материалов магнитов ротора-индуктора и магнитопроводов статора в объекте-прототипе конкретного диаметра максимально возможная вырабатываемая мощность скважинного генератора ограничена его полезной площадью поперечного сечения или торцевых поверхностей магнитов и магнитопровода и составляет 235 Вт при диаметре конструкции около 121 мм. Это может быть справедливо, так как, если в качестве оценочного критерия принять величину индукции, то по закону Фарадея индукция U, вычисляемая формулой:

, где:

ΔФ - приращение магнитного потока, Δt - продолжительность изменения магнитного потока, N - количество витков,

а Ф - магнитный поток равен:

;

где - нормальная составляющая магнитной индукции, А - площадь поперечного сечения поля.

При том же диаметре конструкции заявляемый объект обеспечивает мощность, которая также ограничена значением магнитной проницаемости материала магнитопровода и площадью его поперечного сечения, но может быть увеличена до 300 Вт на каждые 100 мм длины ротора в зависимости от его модификации, так как магниты ротора-индуктора взаимодействуют с ним (магнитопроводом) по всей своей длине, а этот параметр может быть легко изменяем по требованию потребителя.

Совокупность существенных признаков (в том числе и отличительных) заявляемого скважинного электромашинного источника питания обеспечивает достижение требуемого технического результата, соответствует "критериям" изобретения и подлежит защите охранным документом (патентом) РФ в соответствии с просьбой заявителя.

Похожие патенты RU2290734C1

название год авторы номер документа
СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 2003
  • Муравлев О.П.
  • Леонов С.В.
  • Каранкевич А.Г.
RU2242074C1
ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПИТАНИЯ СКВАЖИННЫХ УСТРОЙСТВ 2003
  • Абрамов Г.С.
  • Абрамов О.Л.
RU2244995C1
СКВАЖИННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ 1999
  • Абрамов Г.С.
  • Барычев А.В.
  • Плюснин Д.В.
RU2172827C2
СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 2000
  • Малевич Г.И.
  • Ким Ю.В.
  • Хорьков К.А.
  • Щипков А.А.
  • Леонов С.В.
RU2202849C2
ГИДРОАГРЕГАТ 2014
  • Дидов Владимир Викторович
  • Сергеев Виктор Дмитриевич
RU2549753C1
БИРОТАТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР 2007
  • Болотин Николай Борисович
RU2329377C1
САМОВРАЩАЮЩИЙСЯ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ 2010
  • Канарёв Филипп Михайлович
  • Зацаринин Сергей Борисович
  • Шевцов Анатолий Александрович
  • Сазонов Дмитрий Николаевич
  • Скляной Игорь Владимирович
RU2460200C2
БИРОТАТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПИТАНИЯ СКВАЖИННОГО ПРИБОРА 2007
  • Болотин Николай Борисович
RU2321744C1
ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВАЯ ВЕТРОУСТАНОВКА 2014
  • Дидов Владимир Викторович
  • Сергеев Виктор Дмитриевич
RU2548697C1
БЕСКОНТАКТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С АКСИАЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ 2010
  • Чернухин Владимир Михайлович
RU2437201C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 290 734 C1

Реферат патента 2006 года СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Изобретение относится к области электротехники, а именно - к автономным источникам электропитания телеметрических систем, используемых при бурении нефтяных и газовых скважин со сложной пространственной траекторией проходки ствола. Сущность изобретения состоит в том, что предлагаемый скважинный электромашинный источник питания содержит проточный кожух (1), внутри которого с возможностью обтекания жидкостью размещены неподвижная и подвижная части электрогенератора (2) и (5) соответственно. Неподвижная часть (2) содержит статор с незамкнутым магнитопроводом (3) и обмотку (4) статора, а подвижная часть (5) - гидротурбину (6) с центральным валом (7) и ротором-индуктором (8). Незамкнутый магнитопровод (3) и обмотка (4) статора отделены от подвижной части (5) немагнитной, поперечной по отношению к геометрической оси О-О электрогенератора, перегородкой (11) для разобщения двух полостей (12) и (13), соответственно обеих его частей (2) и (5), а незамкнутый магнитопровод статора с обмоткой на нем позиционирован относительно полюсов ротора-индуктора с возможностью электромагнитного взаимодействия этих элементов обеих частей электрогенератора через его немагнитную перегородку. При этом согласно данному изобретению незамкнутый магнитопровод статора снабжен дополнительным П-образным участком, замыкающим своими торцами его магнитную цепь, размещенным коаксиально ротору-индуктору по другую сторону немагнитной перегородки в полости подвижной части электрогенератора. Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, состоит в повышении удельной мощности СЭИП при прочих равных параметрах и условиях, в частности в стесненных габаритах бурильной колонны. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 290 734 C1

Скважинный электромашинный источник питания, включающий проточный кожух, внутри которого размещены (с возможностью обтекания жидкостью) неподвижная часть электрогенератора, содержащая статор с незамкнутым магнитопроводом и обмотку, подвижная часть электрогенератора, содержащая гидротурбину с центральным валом и многополюсным ротором-индуктором, сочлененная с неподвижной частью посредством не менее чем двух подшипников, размещенных на валу, и немагнитная поперечная к геометрической оси О-О электрогенератора перегородка для разобщения полостей обеих его частей, а незамкнутый магнитопровод статора с обмоткой на нем позиционирован относительно полюсов ротора-индуктора с возможностью электромагнитного взаимодействия этих элементов обеих частей электрогенератора через его немагнитную перегородку, отличающийся тем, что незамкнутый магнитопровод статора снабжен дополнительным П-образным участком, замыкающим своими торцами его магнитную цепь, размещенным коаксиально ротору-индуктору по другую сторону немагнитной перегородки в полости подвижной части электрогенератора.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2006 года RU2290734C1

Автоматизация, телемеханизация и связь нефтяной промышленности
- М.: ОАО «ВНИИОНТ», №4, 2003, с.4-6
ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПИТАНИЯ СКВАЖИННЫХ УСТРОЙСТВ 2003
  • Абрамов Г.С.
  • Абрамов О.Л.
RU2244995C1
СКВАЖИННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ 1999
  • Абрамов Г.С.
  • Барычев А.В.
  • Плюснин Д.В.
RU2172827C2
Преобразователь пневматической энергии в электрическую 1986
  • Кириченко Борис Мифодиевич
  • Лагунович Евгений Федорович
  • Люмет Семен Самуилович
  • Журавлев Вадим Георгиевич
  • Песок Семен Аронович
  • Торгашов Виктор Семенович
SU1379880A1
Погружной автономный источник для электропитания скважинных устройств 1990
  • Гайдук Владимир Григорьевич
  • Миракян Владимир Ильич
  • Чернык Мирон Антонович
SU1805530A1
RU 2060383 C1, 20.05.1996
Турбогенераторный агрегат для автономных скважинных приборов 1983
  • Сираев Альберт Хаккиевич
  • Валеев Рим Карамович
  • Кузнецов Геннадий Федорович
SU1191567A1
Бомба для электролиза под давлением 1928
  • Дроздов В.Н.
  • Мельников А.Х.
SU11936A1
ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ ИЗОЛИРОВАНИЯ ЛЕГКОПЛАВКИХ ПРОБОК ОТ НАГРЕВАНИЯ ПАРОМ В СПРИНКЛЕРНЫХ УСТАНОВКАХ 1927
  • Туранский В.А.
SU13123A1
US 4415823 A, 15.11.1983
СМАЗКА ДЛЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 1998
  • Курзанова С.З.
  • Сайдаков Ю.Н.
  • Ваганов В.К.
  • Кузнецова М.А.
RU2146695C1

RU 2 290 734 C1

Авторы

Абрамов Генрих Саакович

Абрамов Олег Леонидович

Даты

2006-12-27Публикация

2005-06-27Подача