СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР Российский патент 2008 года по МПК E21B47/12 

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.Х., «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. 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.

Недостаток - недостаточная мощность электрогенератора при ограниченных диаметральных габаритах.

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

Решение указанных задач достигнуто в скважинном электрогенераторе, содержащем узел крепления, установленный на верхних и нижних подшипниках, ротор с установленным в верхней части электрогенератора рабочим колесом гидротурбины, и постоянными магнитами, установленными на нем, и статор, на котором установлена обмотка возбуждения, отличающийся тем, что в нижней части электрогенератора на роторе установлено второе рабочее колесо гидротурбины, причем рабочее колесо гидротурбины, установленное в верхней части электрогенератора, имеет наклонно установленные плоские лопатки, установленные под углом 20-45°, а лопатки второго рабочего колеса гидротурбины, установленного в нижней части электрогенератора, выполнены с противоположным углом наклона, при этом узел крепления выполнен в средней части статора и внутри него выполнен сопловой аппарат гидротурбины, а нижний подшипник выполнен упорным и воспринимает осевую нагрузку через втулку.

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 чертежах, фиг.1 и 2, где:

на фиг.1 приведен сборочный чертеж скважинного электрогенератора,

на фиг.2 приведена схема расположения рабочих колес гидротурбины.

Скважинный электрогенератор (фиг.1), предназначенный для питания скважинной аппаратуры, установлен в колонне бурильных труб или в обсадной колонне и держит узел крепления 1 на статоре 2. В узле крепления 1 выполнены отверстия для прохода бурового раствора.

Скважинный электрогенератор содержит ротор 3 с верхним рабочим колесом гидротурбины 4 и нижним рабочим колесом гидротурбины 5, т.е. гидротурбина выполнена двухступенчатой. Верхнее рабочее колесо гидротурбины 4 имеет наклонно-установленные плоские лопатки, установленные под углом 20...45°, а лопатки нижнего рабочего колеса гидротурбины 5 выполнены с противоположным углом наклона, чтобы эффективнее сработать перепад давления на рабочих колесах гидротурбины, т.к. выполнение обеих рабочих колес гидротурбины одинаковыми не позволило бы сработать перепад давления на втором по потоку нижнем колесе гидротурбины 5. Для значительного повышения КПД скважинного электрогенератора внутри узла крепления 1 выполнен сопловой аппарат 6.

На статоре 2 во внутренней полости скважинного электрогенератора Б установлена обмотка возбуждения 7. На роторе 3 установлены постоянные магниты 8. Ротор 3 установлен на подшипниках: верхнем 9 и нижнем 10, при этом нижний подшипник 10 выполнен упорным и воспринимает осевую нагрузку через втулку 11.

Внутренняя полость генератора Б заполнена смазывающей жидкостью. Заправка смазывающей жидкостью полости Б осуществляется через канал В, закрытый при работе винтом 12. Подшипники 9 и 10 защищены уплотнениями 13.

При работе скважинного электрогенератора буровой раствор проходит через гидротурбины 4 и 5, которые начинают вращаться с ротором 3. Постоянные магниты 7 создают вращающееся магнитное поле, вследствие воздействия которого в обмотке возбуждения 9 возникает электрический ток.

Выполнение соплового аппарата 6 внутри узла крепления 1 позволит упростить сборку электрогенератора. Также появилась возможность значительно уменьшить диаметральные габариты электрогенератора 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 изобретения позволило:

1. Значительно уменьшить диаметральные габариты и вес скважинного электрогенератора за счет применения двухступенчатой гидротурбины.

2. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах электрогенератора за счет применения двухступенчатой гидротурбины.

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

4. Повысить надежность уплотнения полости скважинного электрогенератора за счет уменьшения диаметра его уплотнений.

5. Упростить конструкцию биротативного электрогенератора, за счет применения только одного соплового аппарата турбины, его установки внутри узла крепления и максимального упрощения конструкции всех узлов.

6. Упростить ремонтопригодность скважинного электрогенератора за счет предельно простой конструкции, минимального числа деталей и простой конфигурации всех деталей.

Изобретение относится к электрическим машинам и предназначено для генератора питания скважинной аппаратуры. Техническим результатом изобретения является увеличение мощности генератора при уменьшении диаметральных габаритов и веса генератора. Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что скважинный электрогенератор, содержащий узел крепления, ротор с рабочим колесом гидротурбины, установленной в верхней части электрогенератора, и постоянными магнитами, установленными на нем, статор, на котором установлена обмотка возбуждения. При этом в нижней части электрогенератора на роторе установлено второе рабочее колесо гидротурбины. Внутри узла крепления выполнен сопловой аппарат гидротурбины. Узел крепления установлен в средней части статора. 2 ил.

Скважинный электрогенератор, содержащий узел крепления, установленный на верхних и нижних подшипниках ротор с установленным в верхней части электрогенератора рабочим колесом гидротурбины, и постоянными магнитами, установленными на нем, и статор, на котором установлена обмотка возбуждения, отличающийся тем, что в нижней части электрогенератора на роторе установлено второе рабочее колесо гидротурбины, причем рабочее колесо гидротурбины, установленное в верхней части электрогенератора, имеет наклонно установленные плоские лопатки, установленные под углом 20-45°, а лопатки второго рабочего колеса гидротурбины, установленного в нижней части электрогенератора, выполнены с противоположным углом наклона, при этом узел крепления выполнен в средней части статора и внутри него выполнен сопловый аппарат гидротурбины, а нижний подшипник выполнен упорным и воспринимает осевую нагрузку через втулку.