СКВАЖИННЫЙ БИРОТАТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР Российский патент 2008 года по МПК E21B47/02 H02K5/00 

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для электрогенератора питания скважинной аппаратуры и передающего устройства забойной телеметрической системы. Электрогенератор 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 пат. РФ №2173925, основной особенностью которого можно считать систему смазки. Система смазки этого 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.

Известен скважинный электрогенератор питания телеметрических систем по 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 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.

Недостатки - недостаточная мощность электрогенератора при ограниченных диаметральных габаритах.

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

Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что скважинный биротативный электрогенератор, содержащий, узел крепления, ротор с рабочим колесом гидротурбины, установленной в передней части с комплектом постоянных магнитов, установленных на нем, статор на котором установлена обмотка возбуждения, отличается тем, что в задней части электрогенератора на дополнительном роторе установлено второе рабочее колесо гидротурбины и второй комплект постоянных магнитов, а обмотка возбуждения установлена в радиальной перегородке статора между двумя комплектами постоянных магнитов. Внутри узла крепления выполнен сопловой аппарат гидротурбины. Узел крепления выполнен в средней или в задней части статора. Узел крепления предпочтительно выполнить на расстоянии 2...5 мм от второго рабочего гидротурбины.

Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг.1, 2, где:

на фиг.1 приведен сборочный чертеж скважинного биротативного электрогенератора,

на фиг.2 приведена схема расположения гидротурбин, вид А-А.

Скважинный биротативный электрогенератор (фиг.1), предназначенный для питания скважинной аппаратуры, установлен в колонне бурильных труб или в обсадной колонне (на фиг.1 и 2 не показано) и содержит узел крепления 1 на статоре 2. В узле крепления 1 выполнены отверстия для прохода бурового раствора.

Скважинный биротативный электрогенератор содержит ротор 3 с рабочим колесом гидротурбины 4 и второе рабочее колесо гидротурбины 5, установленное на дополнительном роторе 6. Рабочее колесо гидротурбины 4 имеет наклонно-установленные плоские лопатки, установленные под углом 20...45°, а лопатки рабочего колеса второй гидротурбины 5 выполнены с противоположным углом наклона, чтобы эффективнее сработать перепад давления на гидротурбинах, т.к. выполнение обеих турбин одинаковыми не позволило бы сработать перепад на второй по потоку, т.е. задней гидротурбине 5. Для значительного повышения КПД скважинного электрогенератора внутри узла крепления 1 выполнен сопловой аппарат 7.

На статоре 2 в радиальной перегородке 8 установлена обмотка возбуждения 9. На роторе 3 установлен комплект постоянных магнитов 10. Ротор 3 установлен на подшипниках 11 и 12, при этом подшипник 11 выполнен упорным и воспринимает осевую нагрузку.

С другой стороны от радиальной перегородки 8 на дополнительном роторе 6 установлен второй комплект постоянных магнитов 13. Дополнительный ротор 6 установлен в подшипниках 14 и 15, при этом подшипник 15 является упорным, он воспринимает осевую нагрузку через втулку 16.

Внутренняя полость скважинного биротативного электрогенератора «Б» заполнена смазывающей жидкостью. Заправка смазывающей жидкостью полости «Б» осуществляется через канал «В», закрытый при работе винтом 17. Ротора 3 и 6 уплотнены относительно статора 2 уплотнениями 18.

При работе скважинного биротативного электрогенератора буровой раствор проходит через гидротурбины 4 и 5, которые начинают вращаться с роторами 3 и 6. Комплекты постоянных магнитов 10 и 13 вращаются в разные стороны, при этом создают быстровращающееся поле, вследствие действия которого в обмотке возбуждения 9 возникает электрический ток.

Выполнение соплового аппарата 7 внутри узла крепления 1 позволит упростить сборку электрогенератора. 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 изобретения позволило:

1) значительно уменьшить диаметральные габариты и вес скважинного биротативного электрогенератора за счет применения двухступенчатой гидротурбины;

2) увеличить мощность и напряжение на электрических выводах электрогенератора за счет применения двухступенчатой гидротурбины;

3) уменьшить дисбаланс ротора скважинного электрогенератора за счет уменьшения их диаметра в 1,5...2,0 раза;

4) повысить надежность уплотнения полости скважинного электрогенератора за счет уменьшения диаметра уплотнений;

5) упростить конструкцию скважинного биротативного электрогенератора, за счет применения только одного соплового аппарата турбины, его установки внутри узла крепления и максимального упрощения конструкции всех узлов;

6) упростить сборку и разборку скважинного биротативного электрогенератора за счет эго выполнения модульной конструкции и применения коаксиального электрического разъема;

7) улучшить ремонтопригодность скважинного биротативного 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 скважинном биротативном электрогенераторе, содержащем узел крепления, ротор с рабочим колесом гидротурбины, установленной в передней части с комплектом постоянных магнитов, установленных на нем, и статор, на котором установлена обмотка возбуждения, согласно данному изобретению, в задней части электрогенератора на дополнительном роторе установлено второе рабочее колесо гидротурбины и второй комплект постоянных магнитов, а обмотка возбуждения установлена в радиальной перегородке статора между двумя комплектами постоянных магнитов. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Скважинный биротативный электрогенератор, содержащий узел крепления, ротор с рабочим колесом гидротурбины, установленной в передней части с комплектом постоянных магнитов, установленных на нем, статор, на котором установлена обмотка возбуждения, отличающийся тем, что в задней части электрогенератора на дополнительном роторе установлено второе рабочее колесо гидротурбины и второй комплект постоянных магнитов, а обмотка возбуждения установлена в радиальной перегородке статора между двумя комплектами постоянных магнитов.2. Скважинный биротативный электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что внутри узла крепления выполнен сопловой аппарат гидротурбины.3. Скважинный биротативный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел крепления выполнен в средней части статора.4. Скважинный биротативный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел крепления выполнен в задней части статора.5. Скважинный биротативный электрогенератор по п.4, отличающийся тем, что узел крепления выполнен на расстоянии 2...5 мм от второго рабочего колеса гидротурбины.