Скважинный гидрогенератор Российский патент 2022 года по МПК F03B13/10 E21B47/12 

Изобретение относится к промысловой геофизике и предназначено для исследования скважин в процессе бурения, в частности для питания электрической схемы скважинного прибора, к электрическим машинам для питания передающих устройств скважинной аппаратуры и может быть использовано для питания автономных забойных, геофизических и навигационных комплексов.

Существуют конструкции Скважинных гидрогенераторов, в которых электрическая машина находится в масляном пространстве, это требует сложного обслуживания генератора, требует специального масляного исполнения электрической машины и не защищает от попадания бурового раствора через вращающееся уплотнение вала при износе уплотнения.

Заявленная компоновка Скважинного гидрогенератора упрощает конструкцию, обслуживание, защищает электрическую машину от попадания бурового раствора через уплотнение вала и увеличивает надежность и срок службы электрической машины за счет того, что электрическая машина находится в воздушном пространстве и защищена от бурового раствора посредством разделителя сред.

Известен Турбогенератор питания скважинной аппаратуры, содержащий статор с неподвижной осью, на которой установлены три подшипника, на которых установлен ротор с турбиной, внутри ротора размещены две группы постоянных магнитов, на статоре, конкретно на оси, размещены две обмотки возбуждения - слаботочная и силовая, электрический разъем размещен на нижнем торце статора и соединен с обмотками возбуждения и проводами. Фактически турбогенератор будет иметь два генератора, имеющие различную мощность и напряжение, что удобно для потребителей энергии (патент РФ №2333353, Е21В 47/022, опубл. 10.09.2008 г., прототип).

Недостатками данного технического решения в том, что внутренняя полость заполнена смазывающей жидкостью и это приводит к сложности конструкции и сложности обслуживания при эксплуатации гидрогенератора, так же недостатком является размещение турбины поверх обмоток и магнитов электрической машины, что приводит к увеличению диаметра конструкции гидрогенератора.

Технический результат заключается в уменьшение диаметральных габаритных размеров скважинного гидрогенератора, что дает возможность эксплуатировать генератор в бурильных трубах меньшего размера диаметра, и при этом увеличить надежность и срок службы скважинного гидрогенератора.

Поставленный технический результат достигается тем, что Скважинный гидрогенератор содержит статор гидротурбины, ротор гидротурбины, постоянные магниты, вал, на котором установлены подшипники, и снабжен корпусом, выполненным с возможностью последовательного расположения внутри него электрической машины, состоящей из электрического статора, электрического ротора и схемы управления, выполненной с возможностью преобразования энергии вращения вала в электрический ток стабилизированного напряжения, и узла бесконтактной передачи вращения, состоящего из разделителя сред, установленного с возможностью разделения воздуха и бурового раствора, и системы постоянных магнитов, размещенных с возможностью передачи вращения из одной среды в другую среду через разделитель сред, и подшипников, при этом электрическая машина и узел бесконтактной передачи вращения соединены между собой посредством муфты, разделитель сред представляет собой герметичную перегородку заданной формы, узел бесконтактной передачи вращения закреплен с возможностью вращения на одном конце вала, а ротор гидротурбины закреплен на противоположном конце вала с возможностью передачи ему вращения, статор гидротурбины размещен на внешней поверхности корпуса с возможностью формирования направления потока бурового раствора для ротора гидротурбины.

На фиг. изображен Скважинный гидрогенератор.

Скважинный гидрогенератор содержит корпус 1, который выполнен с возможностью последовательного расположения внутри него электрической машины 2, узла бесконтактной передачи вращения 3, вала 4 и подшипников 5, и с возможностью расположения статора гидротурбины 6 на внешней поверхности корпуса 1, и ротор гидротурбины 7.

Электрическая машина 2 состоит из электрического статора, электрического ротора и блока (схемы) управления, выполненного с возможностью преобразования механической энергии вращения вала 4 в электрический ток стабилизированного напряжения.

Узел бесконтактной передачи вращения 3 состоит из разделителя сред 8, установленного с возможностью разделения воздуха и бурового раствора, и системы постоянных магнитов 9, размещенных с возможностью передачи вращения из одной среды в другую среду через разделитель сред 8.

Разделитель сред 8 представляет собой герметичную перегородку заданной формы и закреплен на одном конце вала 4 с возможностью вращения вала 4. На противоположном конце вала 4 закреплен ротор гидротурбины 7 посредством крепежного элемента 10, например, винта, с возможностью передачи валу 4 вращения.

Система постоянных магнитов размещена в узле бесконтактной передачи вращения 3 с возможностью передачи вращения из одной среды, например, воздуха, в другую, например, бурового раствора, через разделитель сред 8.

Электрическая машина 2 и узел бесконтактной передачи вращения 3 соединены между собой посредством соединительной муфты 11.

Статор 6 размещен на внешней поверхности корпуса 1 с возможностью формирования направления потока бурового раствора для ротора гидротурбины 7.

Корпус 1 выполнен с возможностью установления его в бурильной трубе 12 заданных размеров, например, в бурильных трубах 12 с внутренним диаметром 56 мм, с возможностью расположения внутри него электрической машины 2, узла бесконтактной передачи вращения 3, вала 4 и подшипников 5 и с возможностью расположения статора гидротурбины 6 на внешней его поверхности.

Подшипники 5, установленные внутри корпуса 1 на валу 4, защищены заданным небольшим зазором между корпусом 1 и валом 4 от попадания крупных частиц с небольшим диаметром, что снижает механический момент вращения создаваемый подшипниками 5.

Подшипники 5 представляет собой, например, вращающиеся опоры вала 4, и обеспечивают валу 4 опору в осевом и радиальном направлениях.

Каждый из подшипников 5 выполнен из материала с твердостью выше чем твердость частиц бурового раствора, позволяя увеличить срок эксплуатации гидрогенератора без замены подшипников 5.

Скважинный гидрогенератор работает следующим образом:

Скважинный гидрогенератор устанавливают в скважине внутри бурильной трубы 12 меньшего размера диаметра, например, в бурильных трубах с внутренним диаметром 56 мм.

Осуществляют подачу бурового раствора на ротор гидротурбины 7. Проходя мимо статора гидротурбины 6, буровой раствор получает заданное направление для ротора гидротурбины 7, осуществляя вращение гидротурбины.

Буровой раствор, проходя через ротор гидротурбины 7, вращает гидротурбину с заданной скоростью, обеспечивающей работу электрической машины 2, а именно, преобразование механической энергии в электрический ток стабилизированного напряжения, а за счет блока (схемы) управления, в котором введены заданные параметры процесса преобразования механической энергии в электрический ток стабилизированного напряжения, в том числе уровень стабилизации выходного напряжения и защитные ограничения, осуществляет управление заданными параметрами.

Ротор гидротурбины 7, вращаясь, передает вращение на вал 4.

Вал 4, вращаясь, осуществляет вращение узла бесконтактной передачи вращения 3, который в свою очередь передает вращение на электрическую машину 2.

Электрическая машина 2 при своем вращении вырабатывает электроэнергию, которая поступает к потребителю.

Пример.

Скважинный гидрогенератор устанавливают в скважине внутри бурильной трубы 12 с внутренним размером диаметра 56 мм для осуществления бурения.

В процессе бурения подают буровой раствор внутри бурильной трубы 12 на ротор гидротурбины 7, который проходит мимо статора гидротурбины 6, размещенного на внешней поверхности корпуса 1. Статор гидротурбины 6 формирует направление потока бурового раствора, изменяя его направление для ротора гидротурбины 7 и обеспечивая вращение ротора гидротурбины 7 с скоростью более 1000 оборотов в минуту.

Ротор гидротурбины 7 преобразует движение потока бурового раствора во вращение, тем самым вращая вал 4 потоком бурового раствора. Вал 4 передает свое вращение в узел бесконтактной передачи вращения 3, который обеспечивает передачу вращения через неподвижный разделитель сред 8 в виде герметичной металлической перегородки с заданной формы, разделяющей воздух в электрической машине 2 и буровой раствор внутри корпуса, при этом система постоянных магнитов 9 передает вращение из одной среды в виде воздуха в другую в виде бурового раствора через разделитель сред 8.

Буровой раствор, проходя через ротор гидротурбины 7, узел бесконтактной передачи вращения 3 вращает электрическую машину 2 со скоростью более 1000 оборотов в минуту, обеспечивая ее работу: преобразуя механическую энергию - энергию вращения вала 4 в электрический ток стабилизированного напряжения, при этом посредством блока (схемы) управления осуществляют управлением процессом преобразования энергии вращения вала 4 в электрический ток стабилизированного напряжения в автоматическом режиме, управляя параметрами процесса, в том числе уровнем стабилизации выходного напряжения и защитными ограничениями.

Электрическая машина 2 при своем вращении вырабатывает электроэнергию мощностью до 100 Вт и более, которая поступает к потребителю.

Заявленное техническое решение позволяет осуществлять его использования в бурильных трубах меньшего размера диаметра за счет компоновки с уменьшенными диаметральными габаритными размерами скважинного гидрогенератора, при этом увеличивая надежность и срок службы скважинного гидрогенератора.

Изобретение относится к скважинному гидрогенератору. Скважинный гидрогенератор содержит статор гидротурбины, ротор гидротурбины, постоянные магниты и вал, на котором установлены подшипники. Скважинный гидрогенератор имеет корпус, выполненный с возможностью последовательного расположения внутри него электрической машины и узла бесконтактной передачи вращения. Электрическая машина состоит из электрического статора, электрического ротора, схемы управления и узла бесконтактной передачи вращения. Схема управления выполнена с возможностью преобразования энергии вращения вала в электрический ток стабилизированного напряжения. Узел бесконтактной передачи вращения состоит из разделителя сред, системы постоянных магнитов и подшипников. Электрическая машина и узел бесконтактной передачи вращения соединены между собой посредством муфты. Разделитель сред представляет собой герметичную перегородку заданной формы. Узел бесконтактной передачи вращения закреплен с возможностью вращения на одном конце вала, а ротор гидротурбины закреплен на противоположном конце вала. Статор гидротурбины размещен на внешней поверхности корпуса с возможностью формирования направления потока бурового раствора для ротора гидротурбины. Технический результат заключается в защите электрической машины от попадания бурового раствора через уплотнение вала, а также в увеличении надежности работы и срока ее службы. 1 ил.

Скважинный гидрогенератор, содержащий статор гидротурбины, ротор гидротурбины, постоянные магниты, вал, на котором установлены подшипники, отличающийся тем, что снабжен корпусом, выполненным с возможностью последовательного расположения внутри него электрической машины, состоящей из электрического статора, электрического ротора и схемы управления, выполненной с возможностью преобразования энергии вращения вала в электрический ток стабилизированного напряжения, и узла бесконтактной передачи вращения, состоящего из разделителя сред, установленного с возможностью разделения воздуха и бурового раствора, и системы постоянных магнитов, размещенных с возможностью передачи вращения из одной среды в другую среду через разделитель сред, и подшипников, при этом электрическая машина и узел бесконтактной передачи вращения соединены между собой посредством муфты, разделитель сред представляет собой герметичную перегородку заданной формы, узел бесконтактной передачи вращения закреплен с возможностью вращения на одном конце вала, а ротор гидротурбины закреплен на противоположном конце вала с возможностью передачи ему вращения, статор гидротурбины размещен на внешней поверхности корпуса с возможностью формирования направления потока бурового раствора для ротора гидротурбины.