БИРОТАТИВНЫЙ СКВАЖИННЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2011 года по МПК E21B47/22 

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для генератора, устанавливаемого в скважину и предназначенного, например, для питания скважинного прибора. 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°C, 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, обусловленная 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 указанной задачи достигнуто в биротативном скважинном генераторе, содержащем защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной, постоянные магниты, ротор генератора и обмотки возбуждения, неподвижно установленные внутри защитного корпуса, тем, что между ротором гидротурбины и генератора выполнен промежуточный вал, магниты и обмотки возбуждения выполнены кольцевой формы, уложены внутри защитного корпуса с чередованием и осевыми зазорами между ними, между ротором генератора или ротором гидротурбины и промежуточным валом выполнен мультипликатор, а на роторе генератора закреплены диски, имеющие радиальные пазы, в которых установлены магнитопроницаемые вставки, при этом диски установлены между обмотками возбуждения и постоянными магнитами. Между ротором и промежуточным валом может быть установлена магнитная муфта, содержащая ведущую и ведомую полумуфты и магнитопроницаемую перегородку между ними. Магнитная муфта может быть выполнена торцевой. Магнитная муфта выполнена цилиндрической. Между ведомой и ведущей полумуфтами выполнена герметичная магнитопроницаемая перегородка, содержащая части из магнитопроницаемого материала, при этом ведущая полумуфта соединена с ротором гидротурбины, а ведомая - с промежуточным валом. Внутренняя полость ведущей муфты заполнена смазывающей жидкостью. На верхнем торце ротора выполнено отверстие для заправки смазывающей жидкости в полость ведущей полумуфты. Генератор содержит, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с полостью ведущей полумуфты.

Сущность изобретения поясняется на фиг 1…7, где:

на фиг.1 представлена первая схема генератора,

на фиг.2 представлена схема расположения дисков, постоянных магнитов и обмоток возбуждения,

на фиг.3 представлена схема установки постоянных магнитов,

на фиг.4 представлена схема размещения обмоток возбуждения,

на фиг.5 представлена конструкция диска,

на фиг.6 представлено устройство компенсации давления и температурного расширения в рабочем положении,

на фиг.7 приведен скважинный генератор с магнитной муфтой.

Скважинный генератор (фиг.1…7) установлен в колонне бурильных труб или в обсадной колонне (на фиг.1…7 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 обмоток возбуждения 8. Обмотки возбуждения 8 размещены в цилиндрических корпусах 9 с центральным отверстием 10 из неэлектропроводного материала и залиты компаундом (фиг.2 и 3). Постоянные магниты 11 установлены в цилиндрических корпусах 12 с центральным отверстием 13. (Фиг.1 и 4). Ротор 4 установлен на подшипнике 14, который закрыт уплотнением 15. На подшипниках 16 и 17 установлен ротор генератора 18. Между ротором 4 гидротурбины 5 и ротором генератора 18 установлен промежуточный вал 19. Подшипник 16 уплотнен уплотнениями 20. Между ротором 4 и промежуточным валом 19 выполнен мультипликатор 21. Мультипликатор 21 установлен в полости 22.

Для заполнения смазывающей жидкостью полости 22, в которой размещен ротор 4, предусмотрено осевое отверстие 23, выполненное в роторе 4 и заглушенное винтом 24.

На роторе генератора 18 закреплены диски 25 с вставками из магнитопроницаемого материала 26, установленные в радиальных пазах 27 и с центральными отверстиями 28 (фиг.2 и 5). По обе стороны каждого диска 25 установлены обмотки возбуждения 8. Обмотки возбуждения 8 размещены с чередованием с постоянными магнитами 11 и могут быть соединены последовательно, параллельно или последовательно-параллельно.

Для компенсации расхода смазывающей жидкости, температурных расширений и переменного давления в скважине предусмотрен, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения 29 (фиг.1 и 2), выполненный в передней части защитного корпуса 1 генератора (фиг.2). Наиболее целесообразно выполнить 2…8 компенсаторов давления и температурного расширения 29 и разместить их внутри защитного корпуса 1 со стороны гидротурбины 5, так как в компенсации нуждается только полость 19, а другие полости выполнены герметичными и могут быть заполнены инертным газом и не нуждаются в компенсации при условии выполнения стенок защитного корпуса достаточной толщины.

Для дренажа воздуха при заполнении полости 19 смазывающей жидкостью предусмотрены дренажные отверстия 30, закрытые пробками 31.

Каждый компенсатор давления и температурного расширения 29 (фиг.6) содержит компенсационный поршень 32. Полость 33 под компенсационным поршнем 32 отверстием (отверстиями) 34 соединена с полостью 19, а полость 35 над компенсационным поршнем 32 соединена отверстием (отверстиями) 36 с окружающей средой для компенсации изменения давления и температурного расширения смазывающей жидкости. Компенсационный поршень 32 подпружинен пружиной 37 в сторону, противоположную гидротурбине 5 для создания избыточного давления в полости 11. В конструкции генератора предусмотрена магнитная муфта 38 (фиг.7).

Магнитная муфта 38 содержит ведущую и ведомую полумуфты 39 и 40 с постоянными магнитами 41 и герметичной перегородкой 42 между ними, выполненной полностью магнитопроницаемой или имеющей магнитопроницаемые части 43. Ведущая полумуфта 39 установлена в полости 44, а ведомая полумуфта 39 установлена в герметичной полости 45. При этом возможны два варианта исполнения магнитной муфты 38: торцевая муфта или цилиндрическая муфта. Полость 45 ведомой полумуфты 39 изолирована от полости 46, в которой размещены детали ротора генератора 22: обмотки возбуждения 11, постоянные магниты 11 и диски 25, перегородкой 47. Полости 45 и 46 выполнены герметичными, герметизация между ними может быть не предусмотрена. Перегородка 47 между этими полостями предназначена для установки подшипника 48 и уплотнения 49. Эти полости могут быть заполнены инертным газом или неэлектропродной жидкостью.

При работе генератора (фиг.1…7) буровой раствор проходит через гидротурбину 5, которая начинает вращаться с ротором 4 (фиг.1) и ведущей полумуфтой 39 (фиг.7) при ее наличии. Магнитный поток проходит через магнитопроницаемую перегородку 42 или магнитопроводящие части 43 и приводит во вращение ведомую полумуфту 40. Ведомая полумуфта 40 приводит во вращение вал генератора 18, который приводит во вращение диски 25 с магнитопроницаемымыми вставками 26, которые периодически пересекают магнитное поле, проходящее через обмотки возбуждения 8. В обмотках возбуждения 8 вырабатывается электричество и по проводам 7 передается на электрический разъем 6.

При изменении объема смазывающей жидкости в полости 22 (фиг.1) или 44 (фиг.7) по любой причине осуществляется соответствующее перемещение компенсационного поршня 32. Вследствие этого внутри полости 22 (или 44, см. фиг.7) всегда поддерживается давление на 2…5 атм больше, чем давление окружающей среды. Это препятствует проникновению абразивных частиц, содержащихся в буровом растворе внутрь полости 22 или 44. Если применено несколько компенсаторов давления и температурного расширения 29, то при засорении одного из отверстий 34 (или нескольких отверстий 34, если применено 4…8 компенсаторов давления и температурного расширения 29), остальные компенсаторы давления и температурного расширения 29 будут выполнять свою функцию, даже при работе одного из них. Это значительно повышает надежность генератора и его ресурс.

Применение изобретения позволило следующее.

1. Упростить конструкцию генератора за счет применения обмоток большого количества одинаковых по конструкции деталей: обмоток возбуждения, дисков и постоянных магнитов.

2. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах генератора за счет применения электростатического генератора, способного создавать высокое напряжение.

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:

- отсутствия вращения обмоток возбуждения и постоянных магнитов и вращения тонких и легких дисков,

- полной герметизации его основных полостей: полости ведомой полумуфты и электростатического генератора и за счет выполнения уплотнения полости ведущей полумуфты по относительно небольшому диаметру ротора.

6. Улучшить ремонтопригодность генератора за счет простоты конструкции и унификации его основных узлов и деталей: постоянных магнитов, обмоток возбуждения и дисков.

Изобретение относится к электрическим машинам для питания скважинных генераторов. В предложенном скважинном генераторе, содержащем защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной, постоянные магниты, ротор генератора и неподвижно установленные обмотки возбуждения, между ротором гидротурбины и генератора выполнен промежуточный вал, магниты и обмотки возбуждения выполнены кольцевой формы и уложены внутри защитного корпуса с чередованием и осевыми зазорами между ними, при этом между ротором генератора или ротором гидротурбины и промежуточным валом выполнен мультипликатор, а на роторе генератора закреплены диски, имеющие радиальные пазы, в которых установлены магнитопроницаемые вставки. Закрепленные диски размещены между обмотками возбуждения и постоянными магнитами. Между ротором и промежуточным валом установленная магнитная муфта содержит ведущую и ведомую полумуфты с магнитопроницаемой перегородкой между ними, где ведущая полумуфта соединена с ротором гидротурбины, а ведомая - с промежуточным валом. Генератор содержит, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с полостью ведущей полумуфты. Высокая надежность, повышение мощности при уменьшении габаритов конструкции электрогенератора является техническим результатом изобретения. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Биротативный скважинный генератор, содержащий защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной, постоянные магниты, ротор генератора и обмотки возбуждения, неподвижно установленные внутри защитного корпуса, отличающийся тем, что между ротором гидротурбины и генератора выполнен промежуточный вал, магниты и обмотки возбуждения выполнены кольцевой формы, уложены внутри защитного корпуса с чередованием и осевыми зазорами между ними, между ротором генератора или ротором гидротурбины и промежуточным валом выполнен мультипликатор, а на роторе генератора закреплены диски, имеющие радиальные пазы, в которых установлены магнитопроницаемые вставки, при этом диски установлены между обмотками возбуждения и постоянными магнитами.

2. Биротативный скважинный генератор по п.1, отличающийся тем, что между ротором и промежуточным валом установлена магнитная муфта, содержащая ведущую и ведомую полумуфты и магнитопроницаемую перегородку между ними.

3. Биротативный скважинный генератор по п.2, отличающийся тем, что магнитная муфта выполнена торцевой.

4. Биротативный скважинный генератор по п.2, отличающийся тем, что магнитная муфта выполнена цилиндрической.

5. Биротативный скважинный генератор по п.2, отличающийся тем, что между ведомой и ведущей полумуфтами выполнена герметичная магнитопроницаемая перегородка, содержащая части из магнитопроницаемого материала, при этом ведущая полумуфта соединена с ротором гидротурбины, а ведомая - с промежуточным валом.

6. Биротативный скважинный генератор по п.2, отличающийся тем, что внутренняя полость ведущей муфты заполнена смазывающей жидкостью.

7. Биротативный скважинный генератор по п.2, отличающийся тем, что на верхнем торце ротора выполнено отверстие для заправки смазывающей жидкости в полость ведущей полумуфты.

8. Биротативный скважинный генератор по п.2, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с полостью ведущей полумуфты.