ГЕНЕРАТОР ПИТАНИЯ ЗАБОЙНОЙ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2008 года по МПК E21B47/12 

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. 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 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 ротора 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 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.

Недостатком является недостаточная мощность электрогенератора при ограниченных диаметральных габаритах.

Задача изобретения: повышение мощности при уменьшении 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, внешний ротор с гидротурбиной и постоянными магнитами, статор с пустотелой осью, на которой установлена обмотка возбуждения, соединенная проводами с электрическим разъемом, отличается тем, что на опорах, которые установлены внутри пустотелой оси, расположен дополнительный ротор с дополнительной гидротурбиной и валом, проходящим концентрично внутри пустотелой оси, на валу дополнительного ротора установлены дополнительные постоянные магниты, гидротурбина внешнего ротора и дополнительная гидротурбина установлены в верхней части генератора на расстоянии 2-5 мм друг от друга с возможностью вращения в разные стороны за счет профилирования лопаток гидротурбин с углом их установки в разные стороны, а в статоре выполнены отверстия, через которые проходят провода от обмотки возбуждения к электрическому разъему. Внутренняя полость генератора заполнена смазывающей жидкостью. Отверстие для заправки смазывающей жидкости выполнено в верхней части дополнительного ротора, а электрический разъем выполнен на нижнем торце статора в нижней части генератора.

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 кинематическая схема электрогенератора,

на фиг.3 приведена схема расположения гидротурбин.

Генератор питания забойной телеметрической системы установлен в защитном корпусе 1 (например, колонне бурильных труб или в обсадной колонне) и содержит, по меньшей мере, одно устройство для крепления генератора. Для примера на фиг.1 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 «Б», в которых установлены втулки из сверхтвердого материала 4, в нижней опоре 3 выполнены отверстия «В» для выхода бурового раствора.

Генератор питания забойной телеметрической системы содержит внешний ротор 5 с гидротурбиной 6 и постоянными магнитами 7. Статор 8 выполнен с пустотелой осью 9, на которой установлена обмотка возбуждения 10, в состав статора входит электрический разъем 11, расположенный в нижней части генератора.

Внешний ротор 5 установлен на опорах 12.

Концентрично внешнему ротору 5 на опорах 13, которые установлены внутри пустотелой оси, выполнен дополнительный ротор 14 с дополнительной гидротурбиной 15 и валом дополнительного ротора 16, проходящим внутри пустотелой оси 9, на валу дополнительного ротора 16 установлены дополнительные постоянные магниты 17. Гидротурбины 6 и 15 установлены рядом, на расстоянии 2-5 мм друг от друга в передней части генератора, с возможностью вращения в разные стороны за счет профилирования лопаток турбины с углом установки лопаток в разные стороны. Такая турбина считается биротативной. Дополнительная гидротурбина 15 является одновременно сопловым аппаратом для гидротурбины 6 (фиг.2 и 3). Это позволяет отказаться от применения сопловых аппаратов, что упростит сборку генератора и уменьшит его диаметральные габариты и вес. Уплотнение роторов между собой и относительно статора осуществляют торцовые уплотнения 18, в конструкцию которых входят пружины 19.

Внутренняя полость генератора «Г» заполнена смазывающей жидкостью. Отверстие «Д» для заправки внутренней полости генератора «Г» смазывающей жидкостью выполнено в верхней части дополнительного ротора 14 и закрыто винтом 20.

Провода 21 от обмотки возбуждения 10 к электрическому разъему 11 проходят через отверстия «Е», выполненные в статоре 8. Электрический разъем 11 выполнен на нижнем торце статора 8 снизу и загерметизирован уплотнением 22.

При работе генератора буровой раствор проходит через гидротурбины 15 и 6. Гидротурбины 15 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 п₁=3000 об/мин, то дополнительный ротор вращается со скоростью п₂=3000 об/мин, а относительная скорость вращения роторов 5 и 14, учитывая, что они вращаются в разные стороны, будет в два раза выше, а именно п_о=6000 об/мин. Магнитные поля, создаваемые постоянными магнитами 7 и дополнительными постоянными магнитами 17, вращаются со скоростями, соответствующими относительным скоростям вращения роторов 5 и 14, т.е.

п_О=п₁+п₂

При этом первая по потоку гидротурбина 15 будет выполнять роль соплового аппарата для второй по потоку гидротурбины 6. 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 8, 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 некритично, в отличие от ограничений по диаметру. Диаметр компоновки: генератор - скважинный прибор и строго ограничен диаметром колонны. Электроэнергия по проводам 21 передается на обмотки возбуждения 10 по электрическому разъему 11. Электрический разъем 11 предпочтительно выполнить коаксиальным, это позволит отказаться от угловой ориентации генератора внутри защитного корпуса при его стыковке со скважинным прибором.

Применение изобретения позволило следующее.

1. Значительно уменьшить диаметральные габариты и вес турбогенератора.

2. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах турбогенератора.

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

4. Уменьшить дисбаланс роторов турбогенератора 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 турбогенератора за счет отказа от применения направляющих аппаратов турбины и максимального упрощения конструкции уплотнения.

7. Упростить сборку и разборку турбогенератора за счет его выполнения модульной конструкции.

8. Упростить и облегчить электрический монтаж проводов, т.к. провода, соединяющие обмотки с электрическими контактами, проходят внутри неподвижной оси, что исключает их повреждение при монтаже и при работе.

9. Улучшить ремонтопригодность генератора.

Изобретение относится к электрическим машинам и предназначено для питания скважинной аппаратуры. Техническим результатом изобретения является увеличение мощности генератора при уменьшении диаметральных габаритов и веса генератора. Для этого генератор содержит защитный корпус и, по меньшей мере, один узел крепления, внешний ротор с гидротурбиной и постоянными магнитами, статор с пустотелой осью, на которой установлена обмотка возбуждения, и электрическим разъемом. При этом концентрично пустотелой оси на опорах, выполненных внутри нее, установлен вал дополнительного ротора с дополнительной турбиной. На валу дополнительного ротора установлены дополнительные постоянные магниты. Гидротурбины установлены рядом в верхней части генератора с возможностью вращения в разные стороны. 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 электрический разъем снизу. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Генератор питания скважинной аппаратуры, содержащий защитный корпус и, по меньшей мере, один узел крепления, внешний ротор с гидротурбиной и постоянными магнитами, статор с пустотелой осью, на которой установлена обмотка возбуждения, соединенная проводами с электрическим разъемом, отличающийся тем, что на опорах, которые установлены внутри пустотелой оси, расположен дополнительный ротор с дополнительной гидротурбиной и валом, проходящим концентрично внутри пустотелой оси, на валу дополнительного ротора установлены дополнительные постоянные магниты, гидротурбина внешнего ротора и дополнительная гидротурбина установлены в верхней части генератора на расстоянии 2-5 мм друг от друга с возможностью вращения в разные стороны за счет профилирования лопаток гидротурбин с углом их установки в разные стороны, а в статоре выполнены отверстия, через которые проходят провода от обмотки возбуждения к электрическому разъему.2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что его внутренняя полость заполнена смазывающей жидкостью.3. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что отверстие для заправки смазывающей жидкости выполнено в верхней части дополнительного ротора, а электрический разъем выполнен на нижнем торце статора в нижней части генератора.