ГЕНЕРАТОР ПИТАНИЯ СКВАЖИННОЙ АППАРАТУРЫ Российский патент 2008 года по МПК E21B41/00 E21B47/00 H02K16/02 

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для 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 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, МКИ 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 пат. 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, 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.

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 (прототип). Генератор и турбина значительно отдалены друг от друга в осевом направлении и разобщены магнитной муфтой, что увеличивает габариты генератора и снижает надежность смазки.

Задача создания изобретения: повышение надежности работы опор генератора.

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.

Недостаток - быстрый износ подшипников качения из-за больших нагрузок, вибрациий и возможности проникновения бурового раствора.

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для генератора питания скважинной аппаратуры.

Задачи его создания - уменьшение диаметральных габаритов и веса генератора.

Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что генератор питания скважинной аппаратуры, содержащий защитный корпус и, по меньшей мере, один узел крепления, электрически разъем, основной ротор с основной турбиной, статор, обмотку возбуждения и постоянные магниты, отличается тем, что на одной оси с основным ротором установлен на опорах дополнительный ротор, вал которого проходит внутри него, и устройство для бесконтактной передачи электроэнергии, турбина выполнена биротативной, постоянные магниты установлены на основном роторе, а обмотка возбуждения внутри постоянных магнитов - на валу дополнительного ротора, устройство для бесконтактной передачи электроэнергии выполнено в виде первичной обмотки, установленной на валу дополнительного ротора, и вторичной обмотки, установленной внутри статора, обмотка возбуждения соединена электрическими проводами с первичной обмоткой устройства для бесконтактной передачи электроэнергии, а внутри нижнего ротора выполнена кольцевая полость для установки скважинного прибора, содержащего вторичную обмотку устройства для бесконтактной передачи электроэнергии. Ступени биротативной турбины установлены рядом в центральной части генератора, а статор выполнен из двух частей: верхней и нижней, установленных соответственно в верхней и нижней опорах, имеющих каналы для прохождения бурового раствора. Провода от обмотки к электрическому разъему проходят через отверстия, выполненные в статоре. Внутренняя полость генератора заполнена смазывающей жидкостью. Отверстие для заправки смазывающей жидкости выполнено сверху, а электрически разъем снизу. Вал дополнительного ротора выполнен из двух частей: верхней и нижней, соединенных между собой.

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 на чертеже.

Генератор питания скважинной аппаратуры установлен в защитном корпусе 1 (например, колонне бурильных труб или в обсадной колонне содержит, по меньшей мере, одно устройство для крепления генератора. Для примера на чертеже показан генератор, установленный внутри защитного корпуса 1 на двух опорах: верхней 2 и нижней 3. В верхней опоре 2 выполнены отверстия для прохода бурового раствора «А», в которых установлены втулки из сверхтвердого материала 4, в нижней опоре 3 выполнены отверстия «Б» для выхода бурового раствора. Основной особенностью генератора является то, что применена биротативная турбина, т.е. турбина с противоположно вращающимися ступенями турбины 5 и 6. Ступень основной турбины 5 установлена на корпусе турбины 7, который соединен с основным ротором 8. Основной ротор 8 с одной стороны установлен в подшипнике 9, а с другой стороны - на верхней части статора 10, которая, в свою очередь, установлена в верхней опоре 2.

Дополнительная ступень турбины 6 установлена на дополнительном роторе 11, который, в свою очередь, установлен на двух опорах 12 и 13 при помощи вала дополнительного ротора 14, который целесообразно выполнить из двух частей - верхней части 15 и нижней части 16 и соединить шлицевой муфтой 17. Дополнительный ротор 11 соединен с валом дополнительного ротора 14 при помощи шпонки 18. На валу дополнительного ротора 14, точнее на его верхней части 15 установлена обмотка возбуждения 19, концентрично ей внутри основного ротора установлены постоянные магниты 20. В нижней части генератора на нижней части вала дополнительной турбины 14 установлена первичная обмотка устройства бесконтактной передачи энергии 21, а концентрично ей внутри нижней части статора 22 установлена вторичная обмотка устройства бесконтактной передачи энергии 23, которая не входит в состав устройства, обмотка возбуждения 19 и первичная обмотка устройства бесконтактной передачи. Полость «В» внутри генератора заполнена смазывающей жидкостью. Заправка осуществляется по каналу «Г», который закрыт винтом 25. Уплотнение вращающихся частей роторов друг относительно друга и относительно статора осуществляется торцовыми уплотнениями 26, 27 и 28. С вторичной обмотки устройства беспроводной связи 23 передача энергии осуществляется по проводам 29 на скважинную аппаратуру 30.

При работе генератора буровой раствор проходит через ступени биротативной турбины 5 и 6. Ступени биротативной турбины 5 и 6 вращаются в разные стороны с примерно одинаковыми оборотами, например 3000 об/мин. Если учесть, что в классической турбине ротор вращается относительно статора с угловой скоростью 3000 об/мин, то относительная скорость вращения роторов 8 и 11 будет в два раза выше, а именно 6000 об/мин. При этом первая по потоку ступень биротативной турбины 5 будет выполнять роль соплового аппарата для второй по потоку ступени турбины 6. Это позволит отказаться от применения направляющих аппаратов и увеличить КПД и мощность турбины. Также появилась возможность значительно уменьшить диаметральные габариты генератора или увеличить его мощность в 2 раза при тех же габаритах и весе. Это позволит спроектировать скважинные приборы для бурильных и обсадных колонн малого диаметра. Применение устройства бесконтактной передачи электрической энергии может несколько увеличить осевые габариты генератора, однако это допустимо, т.к. генератор вместе со скважинным прибором может устанавливаться в бурильную или обсадную колонну, собранную из труб длиной до 10...12 м. Диаметр компоновки: генератор - скважинный прибор строго ограничен диаметром бурильной колонны. Электроэнергия по промежуточным проводам 24 передается от обмотки возбуждения 19 к первичной обмотке устройства бесконтактной передачи электроэнергии 21. Так как первичная обмотка 21 этого устройства вращается, в неподвижной вторичной обмотке 23, установленной вне генератора, электрическая энергия по проводам 29 передается к скважинной аппаратуре 30.

Уплотнение роторов друг относительно друга и относительно статора осуществляется торцовыми уплотнениями.

Применение изобретения позволило:

1. Значительно уменьшить диаметральные габариты и вес генератора.

2. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах генератора.

3. Значительно увеличить ресурс работы опор за счет применения многоопорных схем, уменьшения диаметра роторов и применения двух роторов вместо одного.

4. Уменьшить дисбаланс роторов генератора за счет уменьшения их диаметра в 1,5...2,0 раза.

5. Повысить надежность уплотнения полости электрогенератора за счет применения торцовых уплотнений.

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.

8. Упростить и облегчить электрический монтаж проводов, т.к. промежуточные провода соединяют обмотки, вращающиеся с одинаковыми скоростями, и проходят внутри вала дополнительного ротора, что исключает их повреждение при работе.

9. Улучшить ремонтопригодность электрогенератора.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электрических машинах для питания скважинной аппаратуры. Технический результат состоит в уменьшении диаметральных габаритов и веса. Генератор содержит защитный корпус и, по меньшей мере, один узел крепления, электрический разъем, основной ротор с основной турбиной, статор, обмотку возбуждения и постоянные магниты. На одной оси с основным ротором установлен на опорах дополнительный ротор, вал которого проходит внутри него. Турбина выполнена биротативной. Постоянные магниты установлены на основном роторе, а обмотка возбуждения внутри постоянных магнитов - на валу дополнительного ротора. Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии выполнено в виде первичной обмотки, установленной на валу дополнительного ротора, и вторичной обмотки, установленной внутри статора. Обмотка возбуждения соединена электрическими проводами с первичной обмоткой устройства для бесконтактной передачи электроэнергии. Оба ротора загерметизированы друг относительно друга и относительно статора торцовыми уплотнениями статора. Ступени биротативной турбины установлены рядом в центральной части генератора. Статор выполнен из верхней и нижней частей, установленных соответственно в верхней и нижней опорах с каналами для прохождения бурового раствора. Провода от обмотки к электрическому разъему проходят через отверстия в статоре. Внутренняя полость генератора заполнена смазывающей жидкостью. Отверстие для заправки смазывающей жидкости выполнено сверху, а электрический разъем - снизу. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Генератор питания скважинной аппаратуры, содержащий защитный корпус и, по меньшей мере, один узел крепления, электрический разъем, основной ротор с основной турбиной, статор, обмотку возбуждения и постоянные магниты, отличающийся тем, что на одной оси с основным ротором установлен на опорах дополнительный ротор, вал которого проходит внутри него, и устройство для бесконтактной передачи электроэнергии, турбина выполнена биротативной, постоянные магниты установлены на основном роторе, а обмотка возбуждения внутри постоянных магнитов - на валу дополнительного ротора, устройство для бесконтактной передачи электроэнергии выполнено в виде первичной обмотки, установленной на валу дополнительного ротора, и вторичной обмотки, установленной внутри статора, обмотка возбуждения соединена электрическими проводами с первичной обмоткой устройства для бесконтактной передачи электроэнергии, а оба ротора загерметизированы друг относительно друга и относительно статора торцовыми уплотнениями статора.2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что ступени биротативной турбины установлены рядом в центральной части генератора, а статор выполнен из двух частей, верхней и нижней, установленных соответственно в верхней и нижней опорах, имеющих каналы для прохождения бурового раствора.3. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что провода от обмотки к электрическому разъему проходят через отверстия, выполненные в статоре.4. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что его внутренняя полость заполнена смазывающей жидкостью.5. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что отверстие для заправки смазывающей жидкости выполнено сверху, а электрический разъем снизу.6. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что вал дополнительного ротора выполнен из двух частей, верхней и нижней, соединенных между собой.