ГЕНЕРАТОР ПИТАНИЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2011 года по МПК E21B47/22 

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для генератора питания скважинной аппаратуры и передающего устройства забойной телеметрической системы. 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 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 электрогенератор по патенту РФ №2331149, прототип. Этот электрогенератор содержит защитный корпус, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной и устройство преобразования механической энергии в электрическую,

Недостатки электрогенератора - ненадежность и сложность конструкции, обуслоленная низкой надежностью обмоток возбуждения, недостаточная мощность электрогенератора при его ограниченных диаметральных габаритах.

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

Решение указанных задач достигнуто в генераторе питания телеметрической системы, содержащем защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной и устройство преобразования механической энергии в электрическую, отличающемся тем, что между ротором и устройством преобразования механической энергии в электрическую установлена магнитная муфта, имеющая ведущую и ведомую полумуфты, а устройство преобразования механической энергии в электрическую выполнено в виде генератора Ван де Граафа, вал которого соединен с ротором через конический редуктор и ведомую полумуфту. Генератор Ван де Граафа выполнен в виде закрепленных на ведущем и ведомом валах соответственно ведущего шкива из электроизоляционного материала и ведомого шкива, выполненного из металла и диэлектрической ленты, натянутой между этими шкивами. Между ведомым валом и ведомым шкивом установлена электроизоляционная втулка. С ведомым шкивом соединен токосъемный диск. Магнитная муфта может быть выполнена торцовой или цилиндрической.

Между ведомой и ведущей полумуфтами магнитной муфты выполнена герметичная перегородка, содержащая части из магнитопроницаемого материала, при этом ведущая полумуфта соединена с ротором. Внутренняя полость ведущей муфты заполнена смазывающей жидкостью. Отверстие для заправки смазывающей жидкости полости ведущей полумуфты выполнено сверху. Генератор содержит, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с полостью ведущей полумуфты.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2,

где на фиг.1 приведена схема генератора,

на фиг.2 приведены гидротурбина и компенсаторы давления и температурного расширения.

Электрогенератор питания скважинной аппаратуры (фиг.1 и 2) установлен в колонне бурильных труб или в обсадной колонне (на фиг.1 и 2 не показано) и содержит защитный корпус 1 и, по меньшей мере, одно устройство крепления 2. В устройстве крепления 2 электрогенератора выполнены отверстия 3 для прохода бурового раствора.

Электрогенератор содержит ротор 4 с гидротурбиной 5. Гидротурбина 5 имеет наклонно установленные плоские лопатки, установленные под углом 20…60°.

Защитный корпус 1 имеет в нижней части электрический разъем 6, к которому подсоединены провода 7 от устройства предобразования механической энергии в электрическую 8. Между ротором 4 и устройством преобразования механической энергии в электрическую 8 установлена магнитная муфта 9.

Магнитная муфта 9 содержит ведущую и ведомую полумуфты 10 и 11 с постоянными магнитами 12 и герметичной перегородкой 13 между ними, имеющей магнитопроницаемые части 14. При этом возможны два варианта исполнения магнитной муфты 9: торцовая муфта и цилиндрическая муфта.

Устройство преобразования механической энергии в электрическую 8 содержит генератор Ван де Граафа 15, соединенный через конический редуктор 16 и вал 17 с ведомой полумуфтой 11.

Редуктор 16 содержит ведущую шестерню 18 и ведомую шестерню 19. Генератор Ван де Граафа 15 имеет два вала: ведущий и ведомый, соответственно 20 и 21. На ведущем валу 20 установлен ведущий шкив 22, выполненный из электроизоляционного материала, а на ведомом валу 21 установлен ведомый шкив 23, выполненный из металла. С ведомым шкивом 23 связан токосъемный диск 24, выполненный из металла, обладающего хорошей электропроводностью (меди), кроме того, ведомый шкив 23 в случае применения двухпроводной схемы может быть отделен от ведомого вала 21 электроизоляционной втулкой 25. На шкивы 22 и 23 надета лента 26 из диэлектрического материала (резины или шелка). В районе расположения ведущего шкива 22 с лентой 26 контактирует первый токосъемник 27, а с токосъемным диском 24 контактирует второй токосъемник 28. Для однопроводной схемы второй токосъемник 28 может быть соединен с защитным корпусом 1.

Полость 29 ведущей полумуфты 10 изолирована от полости 30 ведомой полумуфты 11 герметичной перегородкой 13. Полость 30 сообщается с полостью 31 устройства преобразования механической энергии в электрическую 8 отверстием 32, выполненным в перегородке 33. Полости 30 и 31 выполнены абсолютно герметичными, т.е. без применения уплотнений, например, с применением сварки и полностью заполнены смазывающей жидкостью с хорошими электроизоляционными свойствами.

Для заполнения смазывающей жидкостью полости 29 ведущей полумуфты 10 предусмотрено осевое отверстие 34, выполненное в роторе 4 и заглушенное винтом 35.

Ротор 4 установлен на подшипнике 36, который защищен уплотнением (уплотнениями) 37.

Для компенсации расхода смазывающей жидкости, температурных расширений и переменного давления в скважине предусмотрен, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения 38, выполненный в передней части корпуса 1 электрогенератора (фиг.2). Наиболее целесообразно выполнить 2…8 компенсаторов давления и температурного расширения 38 и разместить их внутри защитного корпуса 1 со стороны гидротурбины 5, так как в компенсации нуждается только полость 29, а полости 30 и 31 выполнены абсолютно герметичными, могут быть заполнены инертным газом и не нуждаются в компенсации при условии выполнения стенок защитного корпуса достаточной толщины.

Каждый компенсатор давления и температурного расширения 38 содержит компенсационный поршень 39, установленный и уплотненный относительно защитного корпуса 1. Полость 40 (фиг.2) под компенсационным поршнем 39 отверстием (отверстиями) 41 соединена с полостью 26 ведущей полумуфты 10, а полость 42 над компенсационным поршнем 39 соединена отверстием (отверстиями) 43 с окружающей средой для компенсации изменения давления и температурного расширения смазывающей жидкости. Компенсационный поршень 39 подпружинен пружиной 44 в сторону ведущей полумуфты 10 (фиг.2) для создания избыточного давления в полости 29.

При работе генератора (фиг.1) буровой раствор проходит через гидротурбину 5, которая начинает вращаться с ротором 4 и ведущей полумуфтой 10. Магнитный поток проходит через магнитопроводящие части 14 и приводит во вращение ведомую полумуфту 11. Ведомая полумуфта 11 приводит во вращение вал 17, который приводит в действие конический редуктор 16. При этом приводится во вращение ведущий вал 20 с ведущим шкивом 22 и перемещается лента 26.

Лента 26 перемещает электроны (статическое электричество) к первому токосъемнику 27. Второй токосъемник 28 может быть заземлен. По проводам 7 электрический ток подается на электрический разъем 6. Провода 7 проложены в отверстиях в защитном корпусе 1 и герметизированы компаундом. Изменение напряжения (его снижение) может быть выполнено в скважинном приборе (на фиг.1 и 2 не показано).

При изменении объема смазывающей жидкости в полости 29 по любой причине осуществляется соответствующее перемещение компенсационного поршня 39. Вследствие этого внутри полости 20 всегда поддерживается давление на 2…4 атм больше, чем давление окружающей среды. Это препятствует проникновению абразивных частиц, содержащихся в буровом растворе внутрь полости 29. Если применено несколько компенсаторов давления и температурного расширения 38, то при засорении одного из отверстий 43 (или нескольких отверстий 43, если применено 4…8 компенсаторов давления и температурного расширения 38) остальные компенсаторы давления и температурного расширения 38 будут выполнять свою функцию, даже при работе одного из них. Это значительно повышает надежность генератора и его ресурс.

Применение изобретения позволило:

1. Упростить конструкцию генератора за счет отказа от применения обмоток возбуждения и постоянных магнитов.

2. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах генератора за счет применения генератора Ван де Граафа, способного создавать напряжение до 30 млн Вольт.

3. Значительно увеличить ресурс работы подшипника за счет уменьшения диаметра ротора до минимально возможного.

4. Уменьшить дисбаланс ротора генератора за счет уменьшения его диаметра и длины. На роторе закреплены только гидротурбина и ведомая полумуфта.

5. Повысить надежность электрогенератора за счет полной герметизации его основных полостей: полости ведомой полумуфты и генератора Ван де Граафа и за счет выполнения уплотнения полости ведущей полумуфты по относительно небольшому диаметру ротора.

6. Улучшить ремонтопригодность генератора.

Изобретение относится к электрическим машинам и предназначено для изготовления генератора питания скважинной аппаратуры. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, увеличение надежности и мощности генератора при уменьшении диаметральных габаритов и веса электрогенератора, для чего в генераторе питания телеметрической системы, содержащем защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной и устройство преобразования механической энергии в электрическую, установлена магнитная муфта, имеющая ведущую и ведомую полумуфты, и устройство преобразования механической энергии, выполненное в виде генератора Ван де Граафа, вал которого соединен с ротором гидротурбины через конический редуктор и ведомую магнитную полумуфту. Генератор Ван де Граафа выполнен в виде закрепленных на ведущем и ведомом валах соответственно ведущего шкива из электроизоляционного материала и ведомого шкива, выполненного из металла и диэлектрической ленты, натянутой на эти шкивы. С ведомым шкивом соединен токосъемный диск. Генератор содержит, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с полостью ведущей полумуфты. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Генератор питания телеметрической системы, содержащий защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной и устройство преобразования механической энергии в электрическую, отличающийся тем, что между ротором и устройством преобразования механической энергии в электрическую установлена магнитная муфта, имеющая ведущую и ведомую полумуфты, а устройство преобразования механической энергии в электрическую выполнено в виде генератора Ван де Граафа, вал которого соединен с ротором через конический редуктор и ведомую полумуфту.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что генератор Ван де Граффа выполнен в виде закрепленных на ведущем и ведомом валах соответственно ведущего шкива из электроизоляционного материала и ведомого шкива, выполненного из металла и диэлектрической ленты, натянутой между этими шкивами.

3. Генератор по п.2, отличающийся тем, что между ведомым валом и ведомым шкивом установлена электроизоляционная втулка.

4. Генератор по п.2, отличающийся тем, что с ведомым шкивом соединен токосъемный диск.

5. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что магнитная муфта выполнена торцевой.

6. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что магнитная муфта выполнена цилиндрической.

7. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что между ведомой и ведущей полумуфтами магнитной муфты выполнена герметичная перегородка, содержащая части из магнитопроницаемого материала, при этом ведущая полумуфта соединена с ротором.

8. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что внутренняя полость ведущей муфты заполнена смазывающей жидкостью.

9. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что отверстие для заправки смазывающей жидкости полости ведущей полумуфты выполнено сверху.

10. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с полостью ведущей полумуфты.