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

Задачи его создания - уменьшение диаметральных габаритов и веса генератора.

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для генератора питания скважинной аппаратуры.

Задачи его создания - уменьшение диаметральных габаритов и веса генератора.

Решение указанной задачи достигнуто в генераторе питания скважинной аппаратуры, содержащем защитный корпус и, по меньшей мере, один узел крепления, электрический разъем, установленный на валу ротор с турбиной, статор, постоянные магниты и обмотку возбуждения, тем, что на валу на опорах установлены дополнительный ротор и устройство для бесконтактной передачи электроэнергии, выполненное в виде первичной и вторичной обмоток, одна из которых установлена на корпусе турбины, который соединен с основным ротором, а вторая - на дополнительном роторе, при этом статор и вал выполнены из двух частей - верхней и нижней, верхняя и нижняя части вала соединены между собой, обмотка возбуждения установлена на валу в верхней его части, концентрично с ней внутри основного ротора установлены постоянные магниты, на нижней части вала установлена первичная обмотка устройство для бесконтактной передачи электроэнергии, а концентрично ей внутри нижней части статора установлена вторичная обмотка, при этом первичная обмотка и обмотка возбуждения соединены электрически для бесконтактной передачи электроэнергии, а вторичная обмотка соединена с электрическим разъемом электрическими проводами, проходящими внутри отверстия, выполненного в нижней части статора, и выведенными наружу через герметизирующую изоляционную пробку. Внутренняя полость генератора заполнена смазывающей жидкостью посредством канала для заправки.

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 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: основной ступенью турбины 5 и дополнительной ступенью турбины 6. Основная ступень турбины 5 установлена на корпусе турбины 7, который соединен с основным ротором 8. Основной ротор 8 с одной стороны установлен на подшипнике 9, а с другой стороны - на верхней части статора 10, которая, в свою очередь, установлена в верхней опоре 2.

Дополнительная ступень турбины 6 установлена на дополнительном роторе 11, который, в свою очередь, установлен на двух опорах 12 и 13 при помощи вала дополнительного ротора 14, который целесообразно выполнить из двух частей - верхней части 15 и нижней части 16 и соединить шлицевой муфтой 17. Дополнительный ротор 11 соединен с валом дополнительного ротора 14 при помощи шпонки 18. На валу дополнительного ротора 14, точнее на его верхней части 15 установлена обмотка возбуждения 19, концентрично нее внутри основного ротора установлены постоянные магниты 20. В нижней части генератора на нижней части вала дополнительной турбины 14 установлена первичная обмотка устройства бесконтактной передачи энергии 21, а концентрично ей внутри нижней части статора 22 установлена вторичная обмотка устройства бесконтактной передачи энергии 23, которая не входит в состав устройства. Обмотка возбуждения 19 и первичная обмотка устройства бесконтактной передачи энергии соединены промежуточными проводами 24, которые проходят внутри вала дополнительного ротора 14. Полость «В» внутри генератора заполнена смазывающей жидкостью. Заправка осуществляется по каналу «Г», который закрыт винтом 25. Уплотнение вращающихся частей роторов друг относительно друга и относительно статора осуществляется торцовыми уплотнениями 26, 27 и 28. С вторичной обмотки устройства беспроводной связи 23 передача энергии осуществляется по проводам 29 через герметизирующую изоляционную пробку 30 на скважинную аппаратуру 31.

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 8 и 11 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 направляющий 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. генератор вместе со скважинным прибором может устанавливаться в бурильную или обсадную колонну, собранную из труб длиной до 10...12 м. Диаметр компоновки: генератор-скважинный прибор строго ограничен диаметром бурильной колонны. Электроэнергия по промежуточным проводам 24 передается от обмотки возбуждения 19 к первичной обмотке устройства бесконтактной передачи электроэнергии 21. Так как первичная обмотка 21 этого устройства вращается в неподвижной вторичной обмотке устройства бесконтактной передачи электроэнергии 23, установленной вне генератора. Электрическая энергия по проводам 29 передается к скважинной аппаратуре 31.

Уплотнение роторов друг относительно друга и относительно статора осуществляется торцовыми уплотнениями.

Применение изобретения позволило:

1. Значительно 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 за счет применения торцовых уплотнений.

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 эго выполнения модульной конструкции.

8. Упростить и облегчить электрический монтаж проводов, т.к. промежуточные провода соединяют обмотки, вращающиеся с одинаковыми скоростями, и проходят внутри вала дополнительного ротора, что исключает их повреждение при работе.

9. Улучшить ремонтопригодность электрогенератора.

Изобретение относится к электрическим машинам и предназначено для 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, электрический разъем, установленный на валу ротор с турбиной, статор, обмотку возбуждения и постоянные магниты. На валу на опорах установлены дополнительный ротор и устройство для бесконтактной передачи электроэнергии, выполненное в виде первичной и вторичной обмоток. Одна из обмоток установлена на корпусе турбины, который соединен с основным ротором, а вторая - на дополнительном роторе. При этом статор и вал выполнены из двух частей: верхней и нижней. Верхняя и нижняя части вала соединены между собой. Обмотка возбуждения установлена на валу в верхней его части. Концентрично с ней внутри основного ротора установлены постоянные магниты. На нижней части вала установлена первичная обмотка устройства для бесконтактной передачи электроэнергии, а концентрично ей внутри нижней части статора установлена вторичная обмотка. При этом первичная обмотка и обмотка возбуждения соединены электрически для бесконтактной передачи электроэнергии. Вторичная обмотка соединена с электрическим разъемом электрическими проводами, проходящими внутри отверстия, выполненного в нижней части статора, и выведенными наружу через герметизирующую изоляционную пробку. 1 з.п. ф-лы, 1ил.

1. Генератор питания скважинной аппаратуры, содержащий защитный корпус и, по меньшей мере, один узел крепления, электрический разъем, установленный на валу ротор с турбиной, статор, постоянные магниты и обмотку возбуждения, отличающийся тем, что на валу на опорах установлены дополнительный ротор и устройство для бесконтактной передачи электроэнергии, выполненное в виде первичной и вторичной обмоток, одна из которых установлена на корпусе турбины, который соединен с основным ротором, а вторая - на дополнительном роторе, при этом статор и вал выполнены из двух частей - верхней и нижней, верхняя и нижняя части вала соединены между собой, обмотка возбуждения установлена на валу в верхней его части, концентрично с ней внутри основного ротора установлены постоянные магниты, на нижней части вала установлена первичная обмотка устройства для бесконтактной передачи электроэнергии, а концентрично ей внутри нижней части статора установлена вторичная обмотка, при этом первичная обмотка и обмотка возбуждения соединены электрически для бесконтактной передачи электроэнергии, а вторичная обмотка соединена с электрическим разъемом электрическими проводами, проходящими внутри отверстия, выполненного в нижней части статора, и выведенными наружу через герметизирующую изоляционную пробку.2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что внутренняя полость генератора заполнена смазывающей жидкостью посредством канала для заправки.