БИРОТАТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР Российский патент 2008 года по МПК E21B47/22 H02K16/02 H02K5/12 

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. Недостатками этого устройства являются 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.

Недостатки - недостаточная мощность электрогенератора при ограниченных диаметральных габаритах.

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

Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что биротативный электрогенератор, содержащий, по меньшей мере, один узел крепления, внешний ротор с биротативной гидротурбиной и магнитами возбуждения, статор, на котором установлена обмотка возбуждения и электрический разъем, отличается тем, что внутренние полости статора и внешнего ротора загерметизированы магнитопроницаемыми перегородками, по обе стороны которых находятся ведомые магниты двух торцовых муфт, при этом концентрично внешнему ротору, на подшипниках, выполненных внутри него, установлены верхний промежуточный ротор с ведомыми магнитами, верхний внутренний вал, ведущие магниты торцовых магнитных муфт установлены против магнитопроницаемых перегородок во внутренней полости внешнего ротора, ведомые магниты торцовых магнитных муфт установлены против магнитопроницаемых перегородок во внутренней полости статора, при этом ведомые магниты внутренней торцовой магнитной муфты установлены на нижнем внутреннем валу, а ведомые магниты внешней магнитной муфты установлены на нижнем промежуточном валу, магниты возбуждения установлены на нижнем внутреннем валу. 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 на фиг.1...2, где:

на фиг.1 приведен сборочный чертеж биротативного генератора;

на фиг.2 приведена схема расположения гидротурбин.

Биротативный электрогенератор, предназначенный для 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.

Биротативный электрогенератор содержит внешний ротор 3 с задней гидротурбиной 4 и внутренний ротор 5 с передней гидротурбиной 6, т.е. гидротурбина выполнена двухступенчатой биротативной. Передняя гидротурбина 6 имеет наклонно-установленные плоские лопатки, установленные под углом 20...45°, а лопатки гидротурбины 4 выполнены профилированными для того, 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 турбине 4.

Статор 2 имеет в нижней части электрический разъем 7, а внутри статора 2 установлена обмотка возбуждения 8.

Генератор имеет две немагнитные перегородки 9 и 10, которые отделяют внешний ротор 3 от статора 2 и создают внутреннюю полость внешнего ротора «В» и внутреннюю полость статора «Е». По обе стороны от немагнитных перегородок 9 и 10 расположены магниты двух торцовых магнитных муфт, а именно: внутренней и внешней, конкретно ведомые магниты внутренней и внешней муфт, соответственно поз.11 и 12. Магниты 11 установлены на верхнем валу 13, а магниты 12 установлены на верхнем промежуточном валу 14, который установлен на подшипниках 15 и 16. Полость «В» заполнена смазывающей жидкостью. Заправка смазывающей жидкостью полости «В» осуществляется через канал «Г», закрытый при работе винтом 17. Внутри статора 2 у его верхнего торца около немагнитной перегородки 9 установлены ведомые магниты внутренней и внешней торцовых муфт 18 и 19 соответственно. На нижнем валу 20 установлены магниты возбуждения 21, а на нижнем промежуточном валу 22 установлена обмотка возбуждения 8. Нижний вал 20 установлен в подшипнике 23, а промежуточный вал 22 - на подшипнике 24. Нижний вал 20 имеет упорный бурт 25, под которым установлены токосъемные кольца 26, с которыми контактируют токосъемники 27. Провода 28 через отверстия «Д» соединены с электрическим разъемом 7 и загерметизированы компаундом 29. Для заправки полости «Е» компенсаторной жидкостью служит отверстие в статоре генератора 2, закрытое пробкой 30.

Гидротурбины 4 и 6 установлены рядом, на расстоянии 2 мм... 5 мм друг от друга в передней части генератора, для более полного срабатывания перепада давления за счет профилирования лопаток турбины 4 и 6 с разным углом установки лопаток. Гидротурбина 6 является одновременно сопловым аппаратом для гидротурбины 4 (фиг.3). Это позволяет отказаться от применения сопловых аппаратов, что упростит сборку генератора и уменьшит его диаметральные габариты и вес электрогенератора.

Внутренняя полость автономного электрогенератора «В» заполнена смазывающей жидкостью. Отверстие «Г» для заправки внутренней полости генератора «Г» смазывающей жидкостью выполнено в верхней части внутреннего ротора 5 и закрыто винтом 17.

Полость «Е», в которой находятся обмотка возбуждения 8 и возбуждающие магниты 20, заполнена компенсаторной жидкостью. Компенсаторная жидкость имеет удельный объемный коэффициент расширения, равный удельному объемному коэффициенту расширения металла, из которого выполнен статор 2, при этом компенсаторная жидкость не обязательно должна иметь смазывающие свойства.

На статоре 2 в нижней части выполнено заправочное отверстие для компенсаторной жидкости, закрытое винтом 30.

При работе генератора буровой раствор проходит через гидротурбины 6 и 4, которые начинают вращаться с ротором 3 и верхним внутренним валом 13 в разные стороны. Ведущие магниты кольцевой магнитной муфты 10 вращаются и создают магнитные поля, которые приводят в действие ведомые магниты кольцевой магнитной муфты 10, которые вращаются с угловыми скоростями, соответствующими скорости вращения внешнего ротора 3.

При этом первая по потоку гидротурбина 6 будет выполнять роль соплового аппарата для второй по потоку гидротурбины 4. Это позволит упростить сборку генератора, отказаться от применения направляющий 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 с использованием скользящих токосъемников 27. 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 27 передается от обмотки возбуждения 8 электрическому разъему 7. Электрический разъем 7 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 биротативного электрогенератора за счет применения биротативной турбины и увеличения его длины на длину магнитной муфты.

2. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах электрогенератора за счет применения биротативной турбины.

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

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

5. Повысить надежность уплотнения полости биротативного 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 биротативного электрогенератора за счет отказа от применения направляющих аппаратов турбины и максимального упрощения конструкции уплотнения.

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

8. Улучшить ремонтопригодность 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 - увеличение мощности генератора при одновременном уменьшении его диаметральных габаритов и веса. Указанный технический результат достигается за счет того, что биротативный электрогенератор, содержащий, по меньшей мере, один узел крепления, внешний ротор с биротативной гидротурбиной и магнитами возбуждения, статор, на котором установлена обмотка возбуждения и электрический разъем, отличается тем, что внутренние полости статора и внешнего ротора загерметизированы магнитопроницаемыми перегородками, по обе стороны которых находятся ведомые магниты двух торцовых муфт, при этом концентрично внешнему ротору, на подшипниках, выполненных внутри него, установлены верхний промежуточный ротор с ведомыми магнитами, верхний внутренний вал, ведущие магниты торцовых магнитных муфт установлены против магнитопроницаемых перегородок во внутренней полости внешнего ротора, ведомые магниты торцовых магнитных муфт установлены против магнитопроницаемых перегородок во внутренней полости статора, при этом ведомые магниты внутренней торцовой магнитной муфты установлены на нижнем внутреннем валу, ведомые магниты внешней магнитной муфты установлены на нижнем промежуточном валу, а магниты возбуждения установлены на нижнем внутреннем валу. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Биротативный электрогенератор, содержащий, по меньшей мере, один узел крепления, внешний ротор с биротативной гидротурбиной и магнитами возбуждения, статор, на котором установлена обмотка возбуждения и электрический разъем, отличающийся тем, что внутренние полости статора и внешнего ротора загерметизированы магнитопроницаемыми перегородками, по обе стороны которых находятся ведомые магниты двух торцовых муфт, при этом концентрично внешнему ротору, на подшипниках, выполненных внутри него, установлены верхний промежуточный ротор с ведомыми магнитами, верхний внутренний вал, ведущие магниты торцовых магнитных муфт установлены против магнитопроницаемых перегородок во внутренней полости внешнего ротора, ведомые магниты торцовых магнитных муфт установлены против магнитопроницаемых перегородок во внутренней полости статора, при этом ведомые магниты внутренней торцовой магнитной муфты установлены на нижнем внутреннем валу, а ведомые магниты внешней магнитной муфты установлены на нижнем промежуточном валу, магниты возбуждения установлены на нижнем внутреннем валу.2. Биротативный электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что гидротурбины установлены рядом в передней части генератора.3. Биротативный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что провода от обмотки к электрическому разъему проходят через отверстия, выполненные в статоре.4. Биротативный 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. Биротативный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что отверстие для заправки смазывающей жидкости выполнено сверху, а электрический разъем снизу.6. Биротативный электрогенератор по п.5, отличающийся тем, что электрический разъем выполнен коаксиальным.