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

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, 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 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 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 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.

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. Заправочной устройство выполнено в виде клапана, установленного в канале штока, закрытом пробкой. Заправочное устройство выполнено в виде клапана, установленного в канале штока, закрытом пробкой.

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

Задача изобретения - повышение ресурса опор.

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, ротор с турбиной, статор, обмотку возбуждения и постоянные магниты, отличающийся тем, что на одной оси с ротором установлен на опорах дополнительный ротор, и устройство для бесконтактного съема электроэнергии, турбина выполнена биротативной, постоянные магниты установлены на одном из роторов, а обмотка возбуждения - на другом. Устройство для бесконтактной передачи энергии выполнено в виде первичной обмотки, установленной на одном из роторов, и вторичной обмотки, установленной на статоре. Генератор питания скважинной аппаратуры может содержать емкость для резервного запаса смазывающей жидкости в виде стакана, выполненного в передней части генератора с установленным внутри подпружиненным поршнем со штоком и заправочным каналом внутри него. Генератор может содержать неподвижную втулку, через которую проходят электрические провода от устройства бесконтактной передачи электрической энергии к электрическому разъему.

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 чертежом.

Генератор питания скважинной аппаратуры установлен в защитном корпусе (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 турбины 5 установлена на роторе 7. Ротор 7 установлен на пустотелом валу 8, который проходит внутри него в обе стороны.

Ступень турбина 6 установлена на дополнительном роторе 9, который, в свою очередь, установлен на двух опорах 10. На дополнительном роторе 9 установлены постоянные магниты 11, а напротив них на нижней части пустотелого вала 8 установлена обмотка возбуждения 12. Внутри пустотелого вала 8 проходит неподвижная втулка 13, предназначенная для вывода электрических проводов 14 к электрическому разъему 15, который загерметизирован уплотнением 16 от проникновения бурового раствора в полость генератора «В».

Для заправки полости генератора смазывающей жидкостью служит отверстие «Г», выполненное в статоре 17. Во внутренней полости статора 17 установлен поршень 18, подпружиненный пружиной 19. Отверстие «Г» заглушено винтом 20. В верхней части устройства размещено устройство бесконтактной передачи электроэнергии 21, которое содержит первичную обмотку 22, установленную на пустотелом валу 8, и вторичную обмотку 23, выполненную внутри статора 17. Промежуточные провода 24 соединяют первичную обмотку 22 и обмотку возбуждения 12 для передачи электроэнергии с обмотки возбуждения к обмотке устройства бесконтактной передачи электроэнергии. Электрические провода 14 соединяют вторичную обмотку 23 с электрическим разъемом 15.

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 7 и 9 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. скважинный прибор может устанавливаться в бурильную или обсадную колонну, собранную из труб длиной до 10...12 м. Электроэнергия по промежуточным проводам 24 передается от обмотки возбуждения 12 к первичной обмотке 22 устройства бесконтактной передачи электроэнергии 21. Так как первичная обмотка 22 этого устройства вращается, во вторичной неподвижной обмотке 23, закрепленной на статоре 17, возникает напряжение и электрическая энергия по электрическим проводам 14 передается к электрическому разъему 15.

Применение изобретения позволило:

1. 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.

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 его выполнения модульной конструкции.

8. Улучшить ремонтопригодность электрогенератора.

Изобретение относится к электрическим машинам и предназначено для генератора питания скважинной аппаратуры. Техническим результатом изобретения является уменьшение диаметральных габаритов и веса генератора. Для этого генератор содержит защитный корпус и, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с турбиной, установленный на пустотелом валу, статор, обмотку возбуждения и постоянные магниты. На пустотелом валу на опорах установлены дополнительный ротор и устройство для бесконтактного съема электроэнергии, выполненное в виде первичной и вторичной обмоток. Турбина выполнена биротативной с противоположно вращающимися ступенями, одна из которых установлена на роторе, а вторая - на дополнительном роторе. Постоянные магниты установлены на дополнительном роторе, а обмотка возбуждения установлена напротив постоянных магнитов на нижней части пустотелого вала, на котором установлена первичная обмотка устройства для бесконтактной передачи электроэнергии, вторичная обмотка которого установлена внутри статора. При этом первичная и вторичная обмотки соединены промежуточными проводами с обмоткой возбуждения для передачи электроэнергии. Внутри пустотелого вала установлена неподвижная втулка, через которую проходят провода от обмоток к электрическому разъему. Для заправки полости генератора смазывающей жидкостью в статоре выполнено заправочное отверстие, заглушенное винтом, а во внутренней полости статора установлен подпружиненный поршень. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Генератор питания скважинной аппаратуры, содержащий защитный корпус и, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с турбиной, установленный на пустотелом валу, статор, постоянные магниты и обмотку возбуждения, отличающийся тем, что на пустотелом валу на опорах установлены дополнительный ротор и устройство для бесконтактной передачи электроэнергии, выполненное в виде первичной и вторичной обмоток, а турбина выполнена биротативной с противоположно вращающимися ступенями, одна из которых установлена на роторе, а вторая - на дополнительном роторе, при этом постоянные магниты установлены на дополнительном роторе, а обмотка возбуждения установлена напротив постоянных магнитов на нижней части пустотелого вала, на котором установлена первичная обмотка устройства для бесконтактной передачи электроэнергии, вторичная обмотка которого установлена внутри статора, при этом первичная и вторичная обмотки соединены промежуточными проводами с обмоткой возбуждения для передачи электроэнергии, а внутри пустотелого вала установлена неподвижная втулка, через которую проходят провода от обмоток к электрическому разъему.2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что для заправки полости генератора смазывающей жидкостью в статоре выполнено заправочное отверстие, заглушенное винтом, а во внутренней полости статора установлен подпружиненный поршень.