АВТОНОМНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР Российский патент 2008 года по МПК E21B47/02 H02K5/12 

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для генератора питания скважинной аппаратуры и передающего устройства забойной телеметрической системы. Генератор преобразует энергию промывочной жидкости в электрическую, необходимую для питания скважинных навигационных и геофизических приборов в процессе бурения и передатчика электромагнитного канала связи. Для работы телеметрической системы на большой глубине требуется увеличение мощности передающего устройства до 1 кВт и более. Получить большую мощность при малых габаритах генератора весьма проблематично

Известен генератор 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, МКП Е21В 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 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 патенту РФ №2173925, основной особенностью которого можно считать систему смазки. 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 авт. св. РФ №34638.

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.

Известен генератор по авт. св. РФ №13123, который содержит ротор с турбиной, статор, узел крепления и емкость для резервного запаса смазывающей жидкости, выполненную в виде стакана, выполненного в передней части генератора с установленным внутри подпружиненным поршнем, и заправочное устройство. Генератор и турбина значительно отдалены друг от друга в осевом направлении и разобщены магнитной муфтой, что увеличивает габариты генератора и снижает надежность смазки.

Известен генератор по патенту РФ на изобретение №2264537, прототип, содержащий корпус с обмотками возбуждения, узел крепления, ротор с валом, магнитами и турбиной, установленный через подшипники в корпусе, и емкость для резервного запаса смазывающей жидкости в виде стакана, выполненного в передней части генератора с установленным внутри подпружиненным поршнем и заправочным устройством, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один передний подшипник установлен во втулке, которая сцентрирована в выступающей части корпуса, закрытого с другой стороны осью, зафиксированной от поворота и имеющей кольцевую проточку под обмотку и цилиндрический выступ во внутренней расточке которого установлен, по меньшей мере, один задний подшипник, а внутри вала выполнено сквозное осевое отверстие. Между передним подшипником и ротором установлена регулировочная шайба. Обмотки возбуждения установлены в корпусе и зафиксированы штифтами от смещения. Пружина частично размещена внутри поршня. Заправочное устройство выполнено в виде клапана, установленного в канале штока, закрытом пробкой. Заправочное устройство выполнено в виде клапана, установленного в канале штока, закрытом пробкой.

Недостаток - недостаточная мощность электрогенератора при ограниченных диаметтральных габаритах.

Задачи его создания - повышение мощности при уменьшении диаметральных габаритов и веса генератора.

Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что электрогенератор, содержащий защитный корпус и, по меньшей мере, один узел крепления, внешний ротор с гидротурбиной и постоянными магнитами, статор, на котором установлена обмотка возбуждения с электрическим разъемом, при этом концентрично ротору, на трех подшипниках, выполненных внутри него, установлен вал с ведомыми магнитами магнитной муфты и магниты возбуждения, а ведущие магниты магнитной муфты установлены против ведомых внутри ротора. Гидротурбины установлены рядом в передней части генератора. Провода от обмотки к электрическому разъему проходят через отверстия, выполненные в статоре. Внутренняя полость магнитной муфты заполнена смазывающей жидкостью, а внутренняя полость обмотки возбуждения и магнитов возбуждения заполнена компенсаторной жидкостью. Отверстие для заправки смазывающей жидкости выполнено сверху, а электрический разъем снизу. Электрический разъем выполнен коаксиальным.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, т.е. всеми критериями изобретения. Новизна подтверждается патентными исследованиями, изобретательский уровень - новой компоновкой генератора. Для изготовления всех узлов электрогенератора не требуются дефицитные материалы и вновь разработанные технологии, что гарантирует промышленную применимость.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 приведен сборочный чертеж электрогенератора,

на фиг.2 приведена конструкция вала,

на фиг.3 приведена схема расположения гидротурбин.

Автономный электрогенератор питания скважинной аппаратуры установлен в колонне бурильных труб или в обсадной колонне и содержит, по меньшей мере, одно устройство крепления генератора 1 на статоре 2. В устройстве крепления электрогенератора 1 выполнены отверстия «Б» для прохода бурового раствора.

Автономный электрогенератор содержит ротор 3 с гидротурбинами 4 и 5. Гидротурбина 4 имеет наклонно установленные плоские лопатки, установленные под углом 20...45°, а лопатки гидротурбины 5 выполнены профилированными для того, чтобы эффективнее сработать перепад давления на гидротурбиных, т.к. выполнение обеих турбин одинаковыми не позволило бы тработать перепад на второй по потоку турбине 5.

Статор 2 имеет в нижней части электрический разъем 6, а внутри установлена обмотка возбуждения 7.

Концентрично ротору 3 внутри него в передней части автономного электрогенератора выполнена магнитная муфта 8 с немагнитной перегородкой 9, по обе стороны от которой размещены ведомые магниты 10 и ведущие магниты 11. На трех подшипниках 12, 13 и 14 установлен вал 15.

Гидротурбины 4 и 5 установлены рядом, на расстоянии 2 ... 5 мм друг от друга в передней части генератора, для более полного съема перепада давления за счет профилирования лопаток турбины 5 и 6 с разным углом установки лопаток. Гидротурбина 4 является одновременно сопловым аппаратом для гидротурбины 5 (фиг.3). Это позволяет отказаться от применения сопловых аппаратов, что упростит сборку генератора и уменьшит его диаметральные габариты и вес генератора. На валу 15 в его нижней части установлены магниты возбуждения 16. Уплотнение ротора относительно статора 2 осуществляют тремя уплотнениями 17, причем скорость относительного проскальзывания по среднему уплотнению практически равна нулю, что обеспечивает его надежность

Внутренняя полость автономного электрогенератора «В» заполнена смазывающей жидкостью. Отверстие «Г» для заправки внутренней полости генератора «Г» смазывающей жидкостью выполнено в верхней части ротора 3 и закрыто винтом 18.

Вал 15 выполнен ступенчатым с буртом 19, при этом диаметр ступеней вала сверху до бурта 19 ступенчато увеличивается, а ниже бурта 19 уменьшается. Это сделано не только из условий сборки, но и для того, чтобы установить в статоре упорный подшипник 14 на ступень «К» гораздо больших размеров, чем радиальные подшипники 12 и 13, которые разгружены от осевых нагрузок и устанавливаются на ступени «Ж» и «И» соответственно (фиг.2). В торец бурта 19 снизу упирается втулка 20 (фиг.1), которая передает осевое усилие от ротора 3 на упорный подшипник 14. Упорный подшипник 14 выполнен закрытым, заполненным консистентной смазкой. Полость «Е», в которой находятся обмотка возбуждения 7 и возбуждающие магниты 16, заполнена компенсаторной жидкостью. Компенсаторная жидкость имеет удельный объемный коэффициент расширения, равный удельному объемному коэффициенту расширения металла, из которого выполнен статор, при этом компенсаторная жидкость не обязательно должна иметь смазывающие свойства.

Провода 21 от обмотки возбуждения 7 к электрическому разъему 6 проходят через отверстия «Д», выполненные в статоре 2. Электрический разъем 6 выполнен на нижнем торце статора 2 снизу и загерметизирован эластичным компаундом 22. На статоре 2 в нижней части выполнено заправочное отверстие для компенсаторной жидкости, закрытое винтом 23.

При работе генератора буровой раствор проходит через гидротурбины 4 и 5, которые начинают вращаться с ротором 3 и ведущими магнитами 10.

Магнитные поля, создаваемые ведущими магнитами 10, проходят через немагнитную перегородку 9, приводят в действие ведомые магниты 11, которые вращаются с угловыми скоростями, соответствующими скорости вращения ротора 3.

При этом первая по потоку гидротурбина 4 будет выполнять роль соплового аппарата для второй по потоку гидротурбины 5. Это позволит упростить сборку генератора, отказаться от применения направляющих аппаратов и увеличить КПД и мощность турбины. Также появилась возможность значительно уменьшить диаметральные габариты генератора или увеличить его мощность примерно в 2 раза при тех же габаритах и весе. Это позволит спроектировать скважинные приборы для бурильных и обсадных колонн малого диаметра. Применение проводов для передачи электрической энергии, размещенных в отверстиях «Е» статора 2, позволит вывести значительную мощность без использования скользящих контактов. Генератор со скважинным прибором забойной телеметрической системы может устанавливаться в бурильную или обсадную колонну, собранную из труб длиной до 10...12 м, т.е. ограничение по длине не критично в отличие от ограничений по диаметру. Диаметр компоновки: генератор - скважинный прибор строго ограничен диаметром колонны. Электроэнергия по проводам 21 передается от обмотки возбуждения 10 электрическому разъему 11. Электрический разъем 6 предпочтительно выполнить коаксиальным, это позволит отказаться от угловой ориентации электрогенератора внутри колонны бурильных или обсадных труб при его стыковке со скважинным прибором (на фиг.1...3 скважинный прибор не показан).

Применение изобретения позволило:

1. Значительно уменьшить диаметральные габариты и вес автономного электрогенератора за счет увеличения его длины на длину магнитной муфты.

2. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах электрогенератора.

3. Значительно увеличить ресурс работы опор за счет применения трехопорных схем, уменьшения диаметра всех трех уплотнений до минимально возможного, т.е. до диаметра вала и минимизации скорости проскальзывания среднего уплотнения по валу относительно вала практически до нуля.

4. Уменьшить дисбаланс ротора автономного электрогенератора за счет уменьшения их диаметра в 1,5...2,0 раза.

5. Повысить надежность уплотнения полости электрогенератора за счет отделения масляной полости «В» от полости с компенсаторной жидкостью «Е» с объемным коэффициентом температурного расширения, равным объемному коэффициенту температурного расширения металла, из которого выполнен статор, и отказа от компенсатора температурного расширения, без которого электрогенераторы в забое обычно не применяются.

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

7. Упростить сборку и разборку электрогенератора за счет эго выполнения модульной конструкции и применения коаксиального электрического разъема.

8. Упростить и облегчить электрический монтаж проводов, т.к. провода соединяют невращающиеся обмотки возбуждения с электрическим разъемом на статоре и проходят внутри статора, что исключает их повреждение при работе.

9. Решит проблему с разгрузкой значительной осевой силы, разместив закрытый упорный подшипник больших размеров, чем радиальные подшипники в статоре в нижней части автономного электрогенератора, его полной изоляции от корпуса за счет применения закрытого подшипника с консистентной смазкой.

10. Улучшить ремонтопригодность автономного электрогенератора за счет предельно простой конструкции, минимального числа деталей и простой конфигурации всех деталей.

Изобретение относится к области электротехники, а именно - к электрическим машинам, и предназначено для использования в генераторах питания скважинной аппаратуры. Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, состоит в увеличении мощности генератора при одновременном уменьшении его диаметральных габаритов и веса. Указанный технический результат достигается за счет того, что в автономном электрогенераторе, содержащем защитный корпус и, по меньшей мере, один узел крепления, внешний ротор с гидротурбиной и постоянными магнитами, статор, на котором установлена обмотка возбуждения, и электрическим разъемом, согласно данному изобретению концентрично ротору, на трех подшипниках, выполненных внутри него, установлен вал с ведомыми магнитами магнитной муфты и магниты возбуждения, а ведущие магниты магнитной муфты установлены против ведомых внутри ротора. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Автономный электрогенератор, содержащий защитный корпус и, по меньшей мере, один узел крепления, внешний ротор с гидротурбиной и постоянными магнитами, статор, на котором установлена обмотка возбуждения, и электрическим разъемом, при этом концентрично ротору, на трех подшипниках выполненных внутри него, установлен вал с ведомыми магнитами магнитной муфты и магниты возбуждения, а ведущие магниты магнитной муфты установлены против ведомых внутри ротора.2. Электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что гидротурбины установлены рядом в передней части генератора.3. Электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что провода от обмотки к электрическому разъему проходят через отверстия, выполненные в статоре.4. Электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что внутренняя полость магнитной муфты заполнена смазывающей жидкостью, а внутренняя полость обмотки возбуждения и магнитов возбуждения заполнена компенсаторной жидкостью.5. Электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что отверстие для заправки смазывающей жидкости выполнено сверху, а электрический разъем снизу.6. Электрогенератор по п.5, отличающийся тем, что электрический разъем выполнен коаксиальным.