ТУРБОГЕНЕРАТОР ПИТАНИЯ СКВАЖИННОЙ АППАРАТУРЫ Российский патент 2008 года по МПК E21B47/22 

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.

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

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

Генератор имеет большие диаметральные габариты. Спроектировать генератор для установки в буровые трубы диаметром менее 108 мм практически невозможно. Кроме того, для питания электроники и передающего устройства требуются источники энергии различной мощности и напряжения и подключение двух потребителей к одной обмотке вызывает их взаимное влияние и сбои в работе скважинной аппаратуры.

Задачи изобретения: уменьшение диаметральных габаритов и веса турбогенератора, повышение надежности его работы.

Решение указанных задач достигнуто в турбогенераторе питания скважинной аппаратуры, содержащем защитный корпус, по меньшей мере, один узел крепления, неподвижную ось со сквозным осевым отверстием, на которой размещены статор с обмоткой возбуждения, соединенный с электрическим разъемом, и размещенный на подшипниках ротор с, по меньшей мере, одной турбиной, внутри которого размещена группа постоянных магнитов, отличающемся тем, что внутри ротора установлена дополнительная группа постоянных магнитов, а на статоре - дополнительная обмотка возбуждения, соединенная с электрическим разъемом, размещенным на нижнем торце статора, при этом ротор выполнен из верхней и нижней частей, размещенных на трех подшипниках, установленных на неподвижной оси, которая также выполнена из верхней и нижней частей, соединенных между собой, причем одна из обмоток возбуждения выполнена слаботочной, а вторая - силовой, а провода от обмоток возбуждения к электрическому разъему проходят через сквозное осевое отверстие внутри неподвижной оси. Внутренняя полость турбогенератора заполнена смазывающей жидкостью. Отверстие для заправки смазывающей жидкости выполнено сверху и содержит винт.

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, в 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.

Турбогенератор содержит также статор 5 с неподвижной осью 6, внутри которой выполнено сквозное отверстии «В». На оси 6 установлены три подшипника 7, на которых установлен ротор 8 с турбиной 9. Турбин 9 может быть две и более. Для примера на чертеже приведена конструкция турбогенератора с одной турбиной 9. Внутри ротора размещены две группы постоянных магнитов 10 и 11. На статоре 5, конкретно на оси 6, размещены две обмотки возбуждения - слаботочная 12 и силовая 13. Электрический разъем 14 размещен на нижнем торце статора 5 и соединен с обмотками возбуждения 12 и 13 проводами 15. Фактически турбогенератор будет иметь два генератора, имеющие различную мощность и напряжение, что удобно для потребителей энергии.

Турбина 9 может быть установлена в центральной части турбогенератора, а ротор выполнен, по меньшей мере, из двух частей (верхней 16 и нижней 17), для обеспечения модульности конструкции и облегчения сборки и ремонта. Внутренняя полость «Г» заполнена смазывающей жидкостью. Отверстие для заправки смазывающей жидкости «Д» выполнено сверху и содержит винт 18.

При работе генератора буровой раствор проходит через турбину 9. Турбина 9 имеет частоту вращения от 6000 об/мин до 20000 об/мин. Если учесть, что в классической турбине ротор вращается относительно статора с угловой скоростью 3000 об/мин, то скорость вращения ротора 8 будет как минимум в два раза выше, а именно 6000 об/мин, что позволит в 2 раза уменьшить диаметр турбогенератора. Длина турбогенератора увеличится почти в 2 раза, но его вес будет на 20%...30% меньше. Кроме того, в буровой технике практически нет ограничений по длине, т.к. для буровой колонны применяется труба длиной до 12...18 м. Кроме того, раздельная компоновка силового (мощного) и слаботочного генераторов позволит исключить влияние работы передатчика на скважинный прибор и наоборот. Перекоммутация электронной аппаратуры с слаботочной обмотки генератора на силовую в случае повреждения слаботочной обмотки увеличит надежность системы в целом.

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 обмоток возбуждения вместо одной. Выход из строя малоточной обмотки возбуждения можно компенсировать перекоммутацией электронной аппаратуры на мощную обмотку возбуждения.

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 в виде 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 электрогенератора, т.к. выход из строя одной обмотки принесет меньше убытков, чем выход из строя единственной обмотки у прототипа.

Изобретение относится к электрическим машинам и предназначено для питания скважинной аппаратуры. Техническим результатом изобретения является уменьшение диаметральных габаритов и веса генератора. Для этого турбогенератор содержит защитный корпус, по меньшей мере, один узел крепления, неподвижную ось со сквозным осевым отверстием, на которой размещены статор с обмоткой возбуждения, соединенной с электрическим разъемом, и размещенный на подшипниках ротор с, по меньшей мере, одной турбиной, внутри которого размещена группа постоянных магнитов. Внутри ротора установлена дополнительная группа постоянных магнитов. На статоре установлена дополнительная обмотка возбуждения, соединенная с электрическим разъемом, размещенным на нижнем торце статора. При этом ротор выполнен из верхней и нижней частей, размещенных на трех подшипниках, установленных на неподвижной оси, которая также выполнена из верхней и нижней частей, соединенных между собой. Причем одна из обмоток возбуждения выполнена слаботочной, а вторая - силовой. Провода от обмоток возбуждения к электрическому разъему проходят через сквозное отверстие внутри неподвижной оси. Внутренняя полость турбогенератора заполнена смазывающей жидкостью. Отверстие для заправки смазывающей жидкостью выполнено сверху и содержит винт. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Турбогенератор питания скважинной аппаратуры, содержащий защитный корпус, по меньшей мере, один узел крепления, неподвижную ось со сквозным осевым отверстием, на которой размещены статор с обмоткой возбуждения, соединенной с электрическим разъемом, и размещенный на подшипниках ротор с, по меньшей мере, одной турбиной, внутри которого размещена группа постоянных магнитов, отличающийся тем, что внутри ротора установлена дополнительная группа постоянных магнитов, а на статоре - дополнительная обмотка возбуждения, соединенная с электрическим разъемом, размещенным на нижнем торце статора, при этом ротор выполнен из верхней и нижней частей, размещенных на трех подшипниках, установленных на неподвижной оси, которая также выполнена из верхней и нижней частей, соединенных между собой, причем одна из обмоток возбуждения выполнена слаботочной, а вторая - силовой, а провода от обмоток возбуждения к электрическому разъему проходят через сквозное отверстие внутри неподвижной оси.2. Турбогенератор по п.1, отличающийся тем, что его внутренняя полость заполнена смазывающей жидкостью.3. Турбогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что отверстие для заправки смазывающей жидкостью выполнено сверху и содержит винт.