СКВАЖИННЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2012 года по МПК E21B47/00 H02K21/38 

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 надежность обмоток возбуждения, недостаточная мощность электрогенератора при его ограниченных диаметральных габаритах, обусловленная тем, что увеличение частоты вращения ротора генератора ограничено нагрузками на детали ротора от центробежных сил. Кроме того, резко возрастает износ подшипников и уплотнений и, как следствие, снижается надежность генератора. Появляется потребность полной разборки генератора и замены подшипников и уплотнений после каждого рейса.

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

Решение указанной задачи достигнуто в скважинном генераторе, содержащем защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с рабочим колесом гидротурбины, постоянные магниты и обмотки возбуждения, неподвижно установленные внутри защитного корпуса, тем, что, гидротурбина выполнена биротативной, между защитным корпусом и ротором установлен дополнительный ротор, на торце которого закреплены постоянные магниты, на роторе закреплен диск, имеющий радиальные пазы, в которых установлены магнитопроницаемые вставки, при этом диски установлены между обмотками возбуждения и постоянными магнитами, второе рабочее колесо биротативной гидротурбины закреплено на дополнительном роторе. На роторе между обмотками возбуждения и защитным корпусом может быть закреплен второй диск, в котором также установлены магнитопроницаемые вставки, а на внутреннем торце защитного корпуса установлены дополнительные постоянные магниты. Внутренняя полость генератора разделена на две полости: верхнюю и нижнюю. Верхняя внутренняя полость заполнена смазывающей жидкостью. На верхнем торце ротора выполнено отверстие для заправки смазывающей жидкости в верхнюю полость. Генератор может содержать, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с верхней внутренней полостью.

Сущность изобретения поясняется фиг 1…6, где:

на фиг.1 представлена первая схема генератора,

на фиг.2 представлена вторая схема генератора,

на фиг.3 представлено устройство компенсации давления и температурного расширения, в рабочем положении,

на фиг.4 приведена схема расположения постоянных магнитов,

на фиг.5 приведена схема расположения магнитопроницаемых вставок в диске,

на фиг.6 представлена вторая схема генератора.

Скважинный генератор (фиг.1…6) установлен в колонне бурильных труб или в обсадной колонне (на фиг.1…4 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 неподвижно установлены внутри защитного корпуса 1. Ротор 4 установлен на подшипниках 9…11, который уплотнены уплотнениями 12. Обмотки возбуждения 8 могут быть соединены последовательно, параллельно или последовательно-параллельно.

Генератор содержит дополнительный ротор 13, установленный между защитным корпусом 1 и ротором 4 на подшипнике 14. К торцу дополнительного ротора 13 прикреплены постоянные магниты 15. На роторе 4 закреплен диск 16, в радиальных пазах 17 которого установлены магнитопроницаемые вставки 18. Сам диск 16 выполнен из магнитонепроницаемого материала.

Гидротурбина выполнена биротативной и содержит, кроме рабочего колеса гидротурбины 5, дополнительное рабочее колесо 19, установленное рядом на расстоянии 2…5 мм от него ниже по потоку бурового раствора.

Внутренняя полость генератора разделена на две: верхнюю внутреннюю полость 20 и нижнюю внутреннюю полость 21 (фиг.1). При этом следует учитывать, что возможен вариант исполнения генератора с одной внутренней полостью (на фиг.1…6 не показано).

Для заполнения смазывающей жидкостью верхней внутренней полости 20 предусмотрено отверстие 22, выполненное в роторе 4 и заглушенные винтом 23.

Обмотки возбуждения 8 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 24 (фиг.1 и 2), выполненный в передней части защитного корпуса 1 генератора (фиг.2). Наиболее целесообразно выполнить 2…8 компенсаторов давления и температурного расширения 24 и разместить из внутри защитного корпуса 1 со стороны второго рабочего колеса гидротурбины 19, так как в компенсации нуждается только полость 11, а другие полости выполнены герметичными и могут быть заполнены инертным газом и не нуждаются в компенсации при условии выполнения стенок защитного корпуса достаточной толщины. Каждый компенсатор давления и температурного расширения 24 содержит компенсационный поршень 25. Полость 26 под компенсационным поршнем 25 отверстием (отверстиями) 27 соединена с полостью 20, а полость 28 над компенсационным поршнем 25 соединена отверстием (отверстиями) 29 с окружающей средой для компенсации изменения давления и температурного расширения смазывающей жидкости. Компенсационный поршень 25 подпружинен пружиной 30 в сторону, противоположную гидротурбине 5, для создания избыточного давления в полости 21.

Полость 21 отделена от полости 20 перегородкой 30, уплотнена несколькими уплотнениями 12 и может быть заполнена инертным газом или неэлектропроводной жидкостью. На боковой поверхности защитного корпуса 1 выполнено дренажное отверстие 32, выходящее в полость 20. Дренажное отверстие 32 предназначено для дренажа воздуха из полости 31 при ее заправке смазывающей жидкостью и при работе закрыто пробкой 33.

На фиг.6 приведена вторая схема генератора, которая содержит дополнительный диск 34. Дополнительный диск 34 закреплен на роторе 4. В радиальных пазах 35 этого диска установлены магнитопроницаемые вставки 36. Сам дополнительный диск 34 выполнен из магнитонепроницаемого материала. На нижнем внутреннем торце 37 защитного корпуса 1 установлены радиально дополнительные постоянные магниты 38.

При работе генератора (фиг.1…6) буровой раствор проходит через рабочие колеса гидротурбин 5 и 19, которые начинают вращаться в противоположные стороны с ротором 4 и дополнительным ротором 13 (фиг.1). Магнитный поток от постоянных магнитов 15 проходит через диски 16 с магнитопроницаемыми вставками 18, которые часто изменяют и прерывают прохождение магнитного потока и обмотках возбуждения 8 вырабатывается электричество и по проводам 7 передается на электрический разъем 6. Применение дополнительного диска 34 (фиг.6) и дополнительных постоянных магнитов 37 позволит увеличить мощность генератора на 30…35% почти без изменения габаритов генератора.

При изменении объема смазывающей жидкости в верхней внутренней полости 20 по любой причине осуществляется соответствующее перемещение компенсационного поршня 25. Вследствие этого внутри полости 20 всегда поддерживается давление на 2…5 атм больше, чем давление окружающей среды. Это препятствует проникновению абразивных частиц, содержащихся в буровом растворе, внутрь верхней внутренней полости 20. Если применено несколько компенсаторов давления и температурного расширения 24, то при засорении одного из отверстий 29 (или нескольких отверстий 29, если применено 4..8 компенсаторов давления и температурного расширения 24), остальные компенсаторы давления и температурного расширения 24 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 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 биротативной схемы генератора, способного создавать высокое напряжение и большую мощность за счет противоположного вращения роторов.

3. Значительно увеличить ресурс работы подшипников за счет применения многоопорных схем.

4. Уменьшить дисбаланс роторов генератора за счет применения многоопорной схемы установки обеих роторов и их относительно.

5. Повысить надежность генератора за счет надежной герметизации его нижней внутренней полости и компенсации объема смазывающей жидкости, происходящее по любой причине в верхней внутренней полости.

6. Улучшить ремонтопригодность генератора за счет простоты конструкции и унификации его основных узлов и деталей.

Изобретение относится к электрическим машинам и предназначено для питания скважинного прибора. Техническим результатом изобретения является увеличение надежности и мощности генератора при уменьшении габаритов и веса электрогенератора. Скважинный генератор оборудован защитным корпусом, электрическим разъемом, по меньшей мере, одним узлом крепления, ротором с гидротурбиной, постоянными магнитами и обмотками возбуждения, неподвижно установленными внутри защитного корпуса. Гидротурбина выполнена биротативной. Между защитным корпусом и ротором установлен дополнительный ротор, на торце которого закреплены постоянные магниты. На роторе закреплен диск, имеющий радиальные пазы, в которых установлены магнитопроницаемые вставки. При этом диск установлен между обмотками возбуждения и постоянными магнитами. Вторая ступень биротативной турбины закреплена на дополнительном роторе. На роторе между обмотками возбуждения и защитным корпусом может быть закреплен второй диск, в котором также установлены магнитопроницаемые вставки. Внутренняя полость генератора может быть разделена на дне полости - верхнюю и нижнюю. Верхняя внутренняя полость заполнена смазывающей жидкостью. На верхнем торце ротора может быть выполнено отверстие для заправки смазывающей жидкости в верхнюю полость. Генератор может содержать, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с верхней внутренней полостью. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Скважинный генератор, содержащий защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с рабочим колесом гидротурбины, постоянные магниты и обмотки возбуждения, неподвижно установленные внутри защитного корпуса, отличающийся тем, что гидротурбина выполнена биротативной, между защитным корпусом и ротором установлен дополнительный ротор, на торце которого закреплены постоянные магниты, на роторе закреплен диск, имеющий радиальные пазы, в которых установлены магнитопроницаемые вставки, при этом диск установлен между обмотками возбуждения и постоянными магнитами, второе рабочее колесо биротативной турбины закреплено на дополнительном роторе.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что на роторе между обмотками возбуждения и защитным корпусом закреплен дополнительный диск, в котором также установлены магнитопроницаемые вставки, а на нижнем внутреннем торце защитного корпуса установлены дополнительные постоянные магниты.

3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что внутренняя полость генератора разделена на две полости - верхнюю и нижнюю.

4. Генератор по п.3, отличающийся тем, что верхняя внутренняя полость заполнена смазывающей жидкостью.

5. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что на верхнем торце ротора выполнено отверстие для заправки смазывающей жидкости в верхнюю полость.

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