СКВАЖИННЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2012 года по МПК E21B47/00 H02K5/12 H02K21/22 

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°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 надежность обмоток возбуждения, и низкая надежность, из-за неблагоприятных условий работы обмотки возбуждения.

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 гидротурбиной и постоянными магнитами и обмотку возбуждения, неподвижно установленную во внутренней полости защитного корпуса, тем, что согласно изобретению между постоянными магнитами и обмоткой возбуждения выполнена герметичная магнитопроницаемая перегородка. К ротору прикреплен диск. Постоянные магниты могут быть установлены на торце диска, а магнитопроницаемая перегородка выполнена радиальной. Постоянные магниты могут быть установлены на цилиндрической поверхности диска, а магниопроницаемая перегородка выполнена цилиндрической. Магнитопроницаемая перегородка может содержать магнитопроницаемые части. На верхнем торце ротора может быть выполнено отверстие для заправки смазывающей жидкости в полость ротора. Генератор может содержать, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с полостью ведущей полумуфты. Обмотка возбуждения и электрический разъем могут быть соединены проводами, проходящими через отверстия, выполненные в защитном корпусе и залитые компаундом.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и 2, где на фиг.1 представлен первый вариант генератора, на фиг.2 представлен второй вариант генератора,

Скважинный генератор (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° к оси.

Защитный корпус 1 имеет в нижней части электрический разъем 6, к которому подсоединены высоковольтные провода 7, соединяющие электрический разъем 6 с обмоткой (обмотками) возбуждения 8. Обмотка возбуждения 8 неподвижно установлена во внутренней герметичной полости 9 защитного корпуса 1. Генератор содержит постоянные магниты 10, определенным образом связанные с ротором 4, и герметичную магнитопроницаемую перегородку 11 между обмоткой возбуждения 8 и постоянными магнитами 10. Магнитопроницаемая перегородка 11 может иметь магнитопроницаемые части 12, а в целом выполнена из прочной стали. Ротор 4 установлен на подшипниках 13 и 14. Подшипник 13 со стороны гидротурбины защищен уплотнением 15 для предотвращения утечки смазывающей жидкости из полости 16, в которой размещен ротор 4 и которую невозможно выполнить абсолютно герметичной. Установка подшипника 14 в скважинном генераторе не обязательна при хорошей балансировке ротора 4 и гидротурбины 5.

Для заполнения смазывающей жидкостью полости 16 предусмотрено осевое отверстие 17, выполненное в роторе 4, в его верхней части, и заглушенное винтом 18.

Для компенсации расхода смазывающей жидкости, температурных расширений и переменного давления в скважине должен быть предусмотрен, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения 19 (фиг.2 и 3), выполненный в передней части защитного корпуса 1 генератора (фиг.2). Наиболее целесообразно выполнить 2…8 компенсаторов давления и температурного расширения 19 небольших габаритов и разместить их внутри защитного корпуса 1 со стороны гидротурбины 5, так как в компенсации нуждается только полость 16, а внутренняя полость 9 выполнена герметичной и может быть заполнена инертным газом или неэлектропроводной компенсаторной жидкостью, или компаундом и не нуждается в компенсации при условии выполнения стенок защитного корпуса 1 достаточной толщины для противодействия гидростатическому давлению в скважине 600…1000 атм.

Каждый компенсатор давления и температурного расширения 19 содержит компенсационный поршень 20, установленный и уплотненный относительно защитного корпуса 1. Полость 21 под компенсационным поршнем 20 отверстием (отверстиями) 22 соединена с полостью 16, а полость 23 над компенсационным поршнем 20 соединена отверстием (отверстиями) 24 с окружающей средой для компенсации изменения давления и температурного расширения смазывающей жидкости. Компенсационный поршень 20 подпружинен пружиной 25 в сторону, противоположную от гидротурбины 5, для создания избыточного давления в полости 16. Это исключит попадания бурового раствора, содержащего абразивные частица, внутрь полости 16.

К ротору 4 прикреплен диск 26, на торце которого радиально установлены постоянные магниты 10. При этом магнитопроницаемая перегородка 11 выполнена радиальной (фиг.1).

Возможен вариант исполнения генератора (фиг.2), в котором на диске 16 закреплена цилиндрическая часть 26, на которой установлены постоянные магниты 10. При этом магнитопроницаемая перегородка 11 выполнена цилиндрической и соединена с внутренним торцом 27 защитного корпуса 1 и внутренней перегородкой 28 с образованием внутренней герметичной полости 9. На боковой поверхности защитного корпуса 1 выполнено дренажное отверстие 29, закрытое пробкой 30, предназначенное для выпуска воздуха при заправке полости 16 смазывающей жидкостью. Для вывода проводов 7 предназначены отверстия 31, залитые компаундом после монтажа проводов 7, это также способствует полной герметизации внутренней герметичной полости 9, в которой находится обмотка (обмотки) возбуждения 8.

При работе генератора (фиг.1 и 2) буровой раствор проходит через гидротурбину 5, которая начинает вращаться с ротором 4 и диском 26. Магнитный поток проходит через магнитопроницаемую перегородку 11 (или ее магнитопроницаемые части 12) и возбуждает электрический ток в обмотке возбуждения 8. Полученное напряжение по проводам 7 передается на электрический разъем 6.

При изменении объема смазывающей жидкости в полости 16 по любой причине осуществляется соответствующее перемещение компенсационного поршня 20. Вследствие этого внутри полости 16 всегда поддерживается давление на 2…5 атм больше, чем давление окружающей среды. Это препятствует проникновению абразивных частиц, содержащихся в буровом растворе внутри полости 16. Если применено несколько компенсаторов давления и температурного расширения 19, то при засорении одного из отверстий 22 (или нескольких отверстий 22, если применено 4…8 компенсаторов давления и температурного расширения 19) остальные компенсаторы давления и температурного расширения 19 будут выполнять свою функцию, даже при работе только одного из них. Это значительно повышает надежность генератора и его ресурс.

Применение изобретения позволило:

1. Упростить конструкцию генератора и повысить его надежность за счет применения неподвижных обмоток возбуждения и их размещения в абсолютно герметичной полости.

2. Значительно увеличить ресурс работы подшипников за счет уменьшения диаметра ротора до минимально возможного.

3. Уменьшить дисбаланс ротора генератора за счет уменьшения его диаметра и длины. На роторе закреплены только гидротурбина и диск.

4. Упростить конструкцию генератора.

5. Уменьшить осевые габариты генератора, особенно при радиальном расположении постоянных магнитов на торце диска (фиг.1).

6. Улучшить ремонтопригодность генератора за счет выполнения обмоток возбуждения неразборными и заполнения полости, в которой они установлены, инертным газом или неэлектропроводной жидкостью, или компаундом.

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для скважинного генератора. Скважинный генератор содержит защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной и постоянными магнитами и обмотку возбуждения. Обмотка возбуждения неподвижно установлена во внутренней полости защитного корпуса. К ротору прикреплен диск. Между постоянными магнитами и обмоткой возбуждения выполнена герметичная магнитопроницаемая перегородка. Магнитопроницаемая перегородка содержит магнитопроницаемые части. При этом генератор содержит, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, имеющий компенсационный поршень. Поршень установлен и уплотнен относительно защитного корпуса. Причем полость под компенсационным поршнем отверстиями соединена с полостью, в которой размещен ротор, а полость над компенсационным поршнем соединена отверстиями с окружающей средой. При этом компенсационный поршень подпружинен пружиной в сторону, противоположную от гидротурбины, для создания избыточного давления в полости, в которой размещен ротор. Техническим результатом является упрощение конструкции, увеличение надежности и мощности генератора при уменьшении диаметральных габаритов и веса электрогенератора. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Скважинный генератор, содержащий защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной и постоянными магнитами и обмотку возбуждения, неподвижно установленную во внутренней полости защитного корпуса, отличающийся тем, что между постоянными магнитами и обмоткой возбуждения выполнена герметичная магнитопроницаемая перегородка, к ротору прикреплен диск, а магнитопроницаемая перегородка содержит магнитопроницаемые части, при этом генератор содержит, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, имеющий компенсационный поршень, установленный и уплотненный относительно защитного корпуса, причем полость под компенсационным поршнем отверстиями соединена с полостью, в которой размещен ротор, а полость над компенсационным поршнем соединена отверстиями с окружающей средой, при этом компенсационный поршень подпружинен пружиной в сторону, противоположную от гидротурбины, для создания избыточного давления в полости, в которой размещен ротор.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты установлены на торце диска, а магнитопроницаемая перегородка выполнена радиальной.

3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты установлены на цилиндрической поверхности диска, а магниопроницаемая перегородка выполнена цилиндрической.

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

5. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что обмотка возбуждения и электрический разъем соединены проводами, проходящими через отверстия, выполненные в защитном корпусе и залитые компаундом.