Brevet FR2488070A1 — publié le 19820205

X La présente invention concerne un généra- teur pour la production d'énergie électrique en vue de l'alimentation de circuits consommateurs agencés à l'intérieur d'un trou de sonde, en particulier d'ap- pareilsde saisie de données de mesure, de transmis- sion et de télécommande, dans le cas o le généra- teur est disposé dans une chambre de lavage parcou- rue par le fluide de lavage à l'intérieur d'un trou de sonde, qui comprend un stator et un rotor coaxial monté avec un interstice radial par rapport au sta- tor et le rotor est accouplé avec un moteur entraîné par le fluide de lavage. Les appareils de saisie de données de mesure, de transmission et de télécommande à l'inté- rieur d'un trou de sonde ont pour fonction deprocu- rer une information rapide sur la position de l'outil de forage et d'autres grandeurs caractéristiques, outre d'influencer la direction de forage et facilitent ainsi le forage sûr d'un objet fixé, par exemple un gisement présumé. Du fait qu'en particulier dans les appareils de transmission et de télécommande, des organes méca- niques sont actionnés par voie électromagnétique ou des mouvements asservis sont amorcés, il faut dispo- ser d'une quantité d'énergie électrique relativement élevée, qui ne peut être apportée de manière écono- mique uniquement au moyen de cellules primaires ou secondaires. Pour la production de cette énergie, on a déjà conçu des appareils de mesure et de trans- mission mis en oeuvre sur le chantier qui compren- nent un générateur accouplé avec un moteur actionné par le fluide de lavage. Tandis que la puissance d'entraînement mécanique peut être obtenue sans peinepour tous les cas d'application prévusau moyen des moteurs hydrau- liques connus pour les dimensions données du trou de sonde, les machines électriques de dimensions habi- tuelles en exécution blindée, en raison de leurs dimensions radiales, ne sont pas utilisables pour les puissances électriques analogues nécessaires. Il faut abandonner le blindage pour rapprocher les dimensions des organes électriques actifs du for- mat optimal pour une puissance exigée déterminée. En raison des conditions de milieu régnant à l'inté- rieur d'un trou de sonde, le but de l'invention est de permettre,par des mesures de construction particulièresle fonctionnement dans un fluide abra- sif se trouvant sous haute pression et d'offrir l'avan- tage d'un montage et d'un démontage faciles des or- ganes d'un générateur destiné à la production de l'énergie électrique pour l'alimentation de cir- cuits consommateurs agencés dans un trou de sonde. Pour un générateur du type décrit ci-des- sus, ce but est atteint par le fait que le stator comprend un induit de générateur et le rotor un inducteur équipé d'aimants permanents, l'inter- stice entre le stator et le rotor se trouve en com- munication avec la chambre de lavage intérieure, tan- dis qu'un trajet de communication est ménagé à l'amont pour partie à contre-courant ou en angle aigu par rapport au courant de lavage,et le rotor est porté par des paliers radiaux et axiaux sans bourrage qui résistent à l'érosion et à l'abrasion. L'agencement de l'induit de générateur dans le stator permet une liaison directe de l'en- roulement avec le circuit consommateur raccordé sans baves collectrices ni balais. Les phénomènes de frottement et les courts-circuits par conduction- ionique du fluide de lavage sont supprimés. En ou- tre, un montage et un remontage simples sont possi- blesaprès les travaux d'entretien du fait qu'aucun ajustement précis ne doit être réalisé. L'inter- stice entre le rotor et le stator se trouve en com- munication par un trajet de communication avec la chambre de lavage intérieure, de sorte que le fluide de lavage qui a pénétré peut circuler et qu'une sédi- mentation des particules flottant dans le fluide et les phénomènes d'abrasion qui en résultent sont supprimés. Le trajet de communication d'amont, le terme amont désignant la direction d'écou- lement du fluide de lavage, est pour partie à contre-courant dans le domaine de la dé- rivation de la chambre de lavage ou orienté suivant un angle aigu par rapport au courant de lavage afin que les particules flottant dans le fluide soient, en raison de leur inertie, sensible- ment empêchées de pénétrer dans le trajet de commu- nication. L'utilisation de paliers radiaux et axiaux sans bourrage résistants à l'érosion et à l'abrasion assure une plus longue durée de service des surfa- ces d'appui. La lubrification est assurée par le fluide de lavage. Au contraire des paliers avec bourrage remplis d'un lubrifiant, qui sont très sen- sibles à la pénétration du fluide de lavage lorsque celui-ci se trouve sous haute pression et qui sont donc en défaillance totale après peu de temps, les paliers sans bourrage résistants à l'abrasion of- frent un service sûr de quelques centaines d'heures et, en outre, un montage et un démontage aisés du stator et du rotor du générateur. Pour protéger l'induit contre une lixivia- tion par le fluide se trouvant dans l'interstice et tournant sous l'impulsion du rotor, la surface de l'induit est revêtue d'une mince couche de protec- tion élastique et résistante à l'abrasion. Pour empêcher que los particules de la dimension de la largeur de l'interstice qui flottent dans le fluide de lavage se coincent dans l'interstice entre le rotor et le stator dès le premier passage du fluide et mettent ainsi la couche de protection en danger, la largeur de fente radiale du trajet de communication est plus petite que la plus petite largeur d'interstice entre le rotor et le stator. Le trajet de communication peut aussi être plus long et réalisé à la forme d'un joint à laby- rinthe. Au moyen d'éléments de fixation particu- lièrement simples pour les paliers du générateur, on obtient une version dans laquelle les paliers radiaux du rotor soutiennent celui-ci contre le tu- be extérieur. Ainsi, les coquilles des paliers du rotor sont appuyées à l'amont contre un épaulement du rotor, tandis que les coquilles des paliers du stator s'appliquent du même côté,par l'intermédiaire d'une douille d'écartement, sur un épaulement du tube extérieur. Entre le palier d'a- mont et le palier d'aval sont insérés des corps d'écartement qui peuvent être formés, par exemple, par les aubages de rotor et de stator d'une turbine. Le palier d'aval est fixé du côté des coquilles du rotor par une douille filetée et du côté des coquil- les du stator par un bout fileté d'un autre segment de tube extérieur et d'autres corps d'écar- tement. Les coquilles de paliers sont de préférence faites en métal dur. L'avantage d'un tel agencement consiste dans le fait que les pièces utilisées exer- cent plusieurs fonctions, comme la fixation axiale mutuelle des paliers et aubages de turbine et,par frottement, la protection contre la rotation ou le transfert du couple. En raison des importantes forces axiales qui sont exercées sur le rotor du générateur, celui-ci comprend comme palier axial de préférence un palier diamanté, qui se caractérise par une usure particulièrement faible, même sous forte sollici- tation. Ce palier est fixé avec sa coquille de palier d'amont sur la douille filetée précitée, qui sert à la fixation des coquilles de paliers de rotor,et par son palier d'aval sur un prolongement réalisé en forme de broche qui sert, en outre, exté- rieurement,comme corps d'écartement pour la fixa- tion des coquilles des paliers radiaux du stator, et intérieurement,à soutenir l'arbre d'induit. L'ar- bre d'induit du stator,à son tourprésente à l'amont une saillie extérieure filetée et est vissé dans une pièce intérieure d'amont. Dans ce cas également, la saillie est utilisée avec avantage simultanément pour remplir plusieurs fonctions, ce qui facilite le montage et limite à une petite valeur le nombre des différentes pièces. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortent des revendications et de la description donnée ci-après avec référence aux des- sins représentant, à titre d'exemple,une forme de réalisation de l'objet de l'invention. Dans les dessins: - Les Fig. 1 a, b sont des coupes longitudinales dans un train de tiges montrant l'agencement du gé- nérateur,de l'unité de transmission et de l'unité de saisie de données et le choix de divers entraîne- ments; - La Fig. 2 est une vue en coupe longitudinale dans un générateur. - La Fig. la représente la partie inférieure d'un train de tiges comprenant, au-dessus de l'outil de forage, un appareil pour la saisie des données et la transmission. L'appareil comprend une unité de détection et de traitement de données i, une unité de trans- mission 2, un générateur 3 et un moteur d'entraîne- ment 4,qui est réalisé suivant le principe de Moineau sous la forme d'un moteur à refoulement. La Fig. lb ne diffère de la Fig. la que par la différence d'entraînement du générateur 3,qui est équipé, en l'occurrence, d'une turbine 5 montée sur le générateur. La Fig. 2 est une vue en coupe longitudi- nale dans le générateur 3 entraîné par turbine représenté à la Fig. lb. Le générateur se trouve à l'intérieur d'un train de tiges dans lequel circule le fluide de lavage. Le train de tiges comprend un tube extérieur 6 muni d'un taraudage 7 dans le- quel s'adapte un autre tube extérieur 8 muni d'un bout fileté 9. A l'intérieur du tube extérieur 6, le fluide de lavage est pompé en sens descendant en direction de l'outil de forage, s'échappe par des ajutages ou sor- ties, puis revient par un espace annulaire entre le tube extérieur et la paroi du trou de sonde jusqu'à la surface du terrain. La direction d'écoulement à l'intérieur du train de tiges se fait de l'amont-l0 vers l'aval 11. Le volume intérieur rempli de fluide de lavage est appelé chambre de lavage 12. Un partie de la chambre de lavage constitue une chambre de turbine 13 dans laquelle sont agencées les aubages de rotor 14 et les aubages de stator d'une turbine à plusieurs étages 5, qui sert de moteur d'entraînement pour un générateur à courant triphasé à excitation permanente-indiqué dans son ensemble par 16. Les couronnes extérieures des aubages de stator 15 sont appliquées sur la paroi inté- rieure du tube extérieur 6, tandis que les aubages de rotor 14 entourent un segment de rotor cylindri- que 17. Des paliers radiaux en métal dur 18, 19 sont agencés aux deux côtés de la turbine 5 et font porter le segment de rotor cylindrique 17 par le tube extérieur 6. Les paliers radiaux en métal dur sont constitués chacun par une coquille de palier de stator 20, 22 qui comporte un canal axial 24, 25 pour le fluide de lavage et par une coquille-de palier de rotor 21, 23. Les surfaces de glisement sont chacune garnies d'un revêtement de métal dur 25. A l'amont, l'ensemble de paliers et d'étages de turbine est fixé,par l'intermédiaire d'une douille d'écartement 26,à un épaulement 27 du tube extérieur 6 et directement à un épaulement 28 du segment de rotor 17. A l'aval, l'ensemble est serré par l'intermédiaire d'une douille d'écartement 29 et d'une pièce intérieure 30,qui comporte un canal axial 31 pour le fluide de lavagecontre un épaule- ment 32 du bout fileté 9 ou contre un épaule- ment 33 d'une douille filetée 34+. La douille filetée 34 est vissée à l'aval dans le segment de rotor cylindrique 17. La coquille de palier de rotor d'amont 35 d'un palier axial diamanté 36 est logée dans la douille filetée 34 dont la pièce complémen- taire,qui est la coquille de palier de stator d'a- val 38,est fixée à la pièce intérieure 50. -Le pa- lier diamanté 36 porte,sur les surfaces de glisement des deux coquilles de paliers,un revêtement 37 de diamants noyé dans un liant. Le générateur 16 est disposé coaxialement par rapport à la turbine 5. Il consiste en un, inducteur qui est formé par le segment de rotor cylindrique 17 et les aimants per- manents 39 qui y sont fixés ainsi qu'en un induit fixe qui comprend, d'autre part, essentiellement un arbre 40, un empilement de tôles magnétiques 41 et un enroulement 42. Une autre particularité de construc- tion est que l'enroulement est noyé dans une masse d'enrobage 43 et muni d'une couche de protection 44 en caoutchouc résistant à l'abrasion. En continuité de ce revêtement, une douille 45 est posée à l'amont et une autre douille 46 est posée à l'aval, la douil- le d'aval constituant une cuvette ouverte sur une face et étant serrée sur l'arbre 40 contre la surface d'about de la masse d'enrobage 43 au moyen d'un écrou 47. A l'aval, l'arbre 40 est soutenu dans un alésage de la pièce intérieure 30, tandis qu'à l'a- montil repose dans une autre douille comprenant une saillie filetée extérieurement 47 qui, à son tour, est vissée dans l'alésage taraudé d'un corps cy- lindrique +8. L'arbre +0 comporte, à l'aval, trois alé- sages axiaux 49 répartis à sa périphérie dans lesquels sont logés les câbles formant la communication entre l'enroulement d'induit 42 et les circuits consomma- teurs. Une chambre intérieure 50 de la seconde douil- le 47 est vide et protégée par un bourrage 51 contre la pression du-fluide de lavage. Une douille 52 est glis- sée par-dessus la surface extérieure du corps cylindrique >8 et s'applique, à son tour, axialement sur une sur- face en saillie extérieure du segment de rotor cy- lindrique 17 et délimite,entre la chambre de lavage 12 et l'espace intermédiaire entre le rotor et le stator, appelé 'aussi interstice 54,un trajet de communication 53 à contre-courant du fluide de lava- ge. Dans la forme de construction décrite ci- dessus, on effectue le montage en vissant dans le corps cylindrique 48 l'induit préalablement monté au complet, puis en insérant la douille d'écartement 26 et le bloc complètement assemblé formé du segment de rotor cylindrique 17, des coquilles de paliers de rotor 21, 23, des aubages de turbine de rotor 14 ainsi que des coquilles de paliers de stator 20, 22 et aubages de turbine de stator 15 insérés par-dessus et entre ces éléments. Au moyen de la douille filetée 34, les éléments du rotor sont serrés sans possibilité de glissement et finalement la couille d'écartement 29 et la pièce intérieure 30 sont glissées dans le tu- be extérieur 6, tandis que la pièce intérieure 30 reçoit simultanément l'arbre 40. Par vissage du bout 9 dans le filet intérieur 7 du tube extérieur 6, les organes faisant partie du stator de turbine sont serrés sans possibilité de glissement contre le tube extérieur 6. Pendant la conduite du forage, le fluide de lavage passe par la chambre de lavage 12 et donc aussi dans la chambre de turbine 13 et fait ainsi tourner la turbine ainsi que le moteur du généra- teur qui y est accouplé. De la sorte, les aimants permanents qui tournent entretiennent un champ tour- nant dans l'induit fixe et induisent un courant tri- phasé dans l'enroulement de celui-ci, qui est un en- roulement triphasé. RE V E N DI C A T I0 NS 1.- Générateur pour la production d'éner- gie électrique en vue de l'alimentation de circuits consommateurs agencés à l'intérieur d'un trou de sonde, en particulier d'appareils de saisie de données de mesure, de transmission et de télécom- mande, dans le cas o le générateur est disposé dans une chambre de lavage (12) parcourue par le fluide de la- vage à l'intérieur d'un trou de sonde, qui comprend un stator et un rotor coaxial monté avec un interstice ra- dial (54)par rapport au stator et le rotor est accou- plé avec un moteur entraîné par le fluide de lavage, caractérisé en ce que le stator comprend un induit de générateur (40...46) et le rotor un inducteur (39) équipé d'aimants permanents, l'interstice (54) entre le stator et le rotor se trouve en communica- tion avec la chambre de lavage intàdeure Q.2), tadis cp'tn trajet de communication (53) est ménagé à l'amont dans le domaine de la dérivation de la chambre de lavage à contre-courant ou en angle aigu par rapport au courant de lavage et le rotor est porté par des paliers radiaux (18, 19) et axiaux (36) sans bourrage qui résistent à l'érosion et à l'abrasion. 2.- Générateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'induit de générateur (40...46) est muni, du côté de l'interstice (54), d'une couche de protection (44) élastique et résistante à l'abrasion. 3.Générateur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la largeur de fente ra- diale du trajet de communication (53), au moins dans un domaine partiel est inférieure à la plus petite largeur d'intervalle (54) entre le rotor et le sta- tor. 4.- Générateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le ll trajet de communication (55) est réalisé en forme de joint à labyrinthe. 5.- Générateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les paliers radiaux (18, 19) sont appuyés contre le tube extérieur (6) du train de tiges. 6.- Générateur suivant la revendication , caractérisé en ce que le palier radial d'amont (18) est appliqué par la face d'about d'amont de sa coquille de palier de rotor (21) contre un épaulement (28) d'un segment de rotor (17) et par sa coquille de palier de stator (20), par l'intermédiaire d'une dail- le d'écartement (26), contre un épaulement (27) du tube extérieur (6), des corps d'écartement (l14, 15) sont disposés entre la face d'about d'aval du palier ra- dial précité (18) et la face d'about d'amont du pa- lier radial d'aval (19) et le palier radial d'aval (19) est fixé par la face d'about d'aval de sa coquille de palier de rotor (23),au moyen d'une douille filetée à épaulement (34),sur le segment de rotor (17), tandis qu'il est fixé, par la face d'about d'aval de sa coquille de palier de stator (22),à l'intervention de corps d'écartement (29, 30), au moyen de la face d'about (32) d'un bout fileté (9) d'un autre segment (8) de tube extérieur. 7.- Générateur suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les corps d'écartement entre les paliers radiaux (18, 19) sont constitués par les roues à ailettes de rotor (14) et de stator (15) en cascade du moteur, réalisé sous forme de tur- bine (5), actionnant le générateur. 8.- Générateur suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé.en ce que les paliers radiaux (18, 19) portent un revêtement de métal dur (25) sur leurs surfaces de glissement. 9.- Générateur suivant la revendication , caractérisé en ce que la douille filetée (34) porte à l'arrière la coquille de palier de ro- tor (35) du palier axial (36), tandis que la co- quille de palier de stator (38) est fixée sur une pièce intérieure (30) servant de corps d'écartement pour la fixation des paliers radiaux (18, 19). O10.- Générateur suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le palier axial (36) est un palier diamanté. 11.- Générateur suivant la revendication 1, O10 caractérisé en ce que le stator présente à l'amont une saillie filetée extérieurement (47), est vissé dans un corps cylindrique (48) et est centré contre le tube extérieur (6), et le stator est centré à l'aval ra- dialement dans la pièce intérieure (30).