ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР ПИТАНИЯ СКВАЖИННОЙ АППАРАТУРЫ
ELECTRO-GENERATOR OF POWER SUPPLY FOR BOREHOLE EQUIPMENT

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для генератора питания скважинной аппаратуры и передающего устройства забойной телеметрической системы. 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 генератор переменного тока для питания телеметрической системы в процессе бурения скважин малого диаметра, включающий неподвижный внутренний статор с коллектором и закрепленный на приводном валу внешний ротор, снабженный электромагнитами (патент РФ №2060383, МКП Е21В 47/022, 47/00, приоритет от 21.02.92 г.). Система смазки представляет собой полость между ротором и статором, заполненную смазывающей жидкостью.
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 также электрогенератор по пат. РФ №2173925, основной особенностью которого можно считать систему смазки. Система смазки этого электрогенератора содержит устройство заправочное устройство на его переднем торце, полость между внешним ротором и статором, заполненную смазывающей жидкостью, и компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, размещенный со стороны устройства для крепления генератора, выполненный в виде поршня, установленного с возможностью осевого перемещения и уплотнения, установленного внутри поршня с возможностью осевого перемещения вместе с ним. Недостатком этого устройства является сложность заправки системы смазывающей жидкостью и низкий ресурс уплотнения.
Известен электрогенератор питания телеметрических систем по св. РФ № 34638.
Этот электрогенератор содержит заправочное устройство в его передней части, полость между внешним ротором и статором, заполненную смазывающей жидкостью, и компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, размещенный со стороны устройства для крепления генератора, выполненный в виде поршня, установленного внутри ротора с возможностью осевого перемещения, и уплотнения, установленного, в свою очередь, внутри поршня с возможностью осевого перемещения вместе с ним, поршень выполнен с возможностью дренажа смазывающей жидкости в полностью заправленном положении в зазор между ротором и узлом крепления генератора.
Недостатком этой системы смазки является то, что из-за совмещения функций компенсатора и уплотнения снижается их ресурс.
Известен генератор по патенту РФ на изобретение №2264537, содержащий корпус с обмотками возбуждения, узел крепления, ротор с валом, магнитами и турбиной, установленный через подшипники в корпусе, и емкость для резервного запаса смазывающей жидкости в виде стакана, выполненного в передней части генератора с установленным внутри подпружиненным поршнем и заправочным устройством, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один передний подшипник установлен во втулке, которая сцентрирована в выступающей части корпуса, закрытого с другой стороны осью зафиксированной от поворота и имеющей кольцевую проточку под обмотку и цилиндрический выступ, во внутренней расточке которого установлен, по меньшей мере, один задний подшипник, а внутри вала выполнено сквозное осевое отверстие. Между передним подшипником и ротором установлена регулировочная шайба. Обмотки возбуждения установлены в корпусе и зафиксированы штифтами от смещения. Пружина частично размещена внутри поршня. Заправочной устройство выполнено в виде клапана, установленного в канале штока, закрытом пробкой. Заправочное устройство выполнено в виде клапана, установленного в канале штока, закрытом пробкой.
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, сложность конструкции, 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 электрогенераторе питания скважинной аппаратуры, содержащем защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной и устройство преобразования механической энергии в электрическую, тем, что согласно изобретению между ротором и устройством преобразования механической энергии в электрическую установлена магнитная муфта, а устройство преобразования механической энергии в электрическую выполнено в виде пьезоэлектрического пакета и установленных с обеих сторон от него механизмов механической деформации. Механизмы механической деформации выполнены в виде закрепленных на валу водил с осями и деформирующими роликами на них. Пьезоэлектрический пакет выполнен в виде биморфных пьезоэлектрических колец, установленных внутри защитного корпуса на втулке. Магнитная муфта может быть выполнена торцовой или цилиндрической. Магнитная муфта выполнена в виде ведомой и ведущей полумуфт и герметичной перегородки между ними, содержащей части из магнитопроницаемого материала, при этом ведущая полумуфта соединена с ротором, а ведомая - с валом. Внутренняя полость ведущей полумуфты заполнена смазывающей жидкостью, а внутренняя полость ведомой полумуфты и устройства преобразования механической энергии в электрическую объединены, выполнены герметичными и заполнены смазывающей жидкостью. Отверстие для заправки смазывающей жидкости внутренней полости ведущей полумуфты выполнено сверху. Заправочное отверстие внутренней полости устройства ведомой полумуфты и устройства преобразования механической энергии в электрическую содержит заправочное и дренажное отверстия, выполненные на боковой поверхности корпуса и заглушенные пробками. Электрогенератор может содержать, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с полостью ведущей полумуфты.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:
на фиг.1 приведена схема электрогенератора,
на фиг.2 приведена схема торцовой магнитной муфты,
на фиг.3 приведена схема цилиндрической магнитной муфты,
на фиг.4 приведены гидротурбина и компенсаторы давления и температурного расширения.
Электрогенератор питания скважинной аппаратуры (фиг.1…4) 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 устройства предобразования механической энергии в электрическую 8. Между ротором 4 и устройством преобразования механической энергии в электрическую 8 установлена магнитная муфта 9.
Магнитная муфта 9 содержит ведущую и ведомую полумуфты 10 и 11 с постоянными магнитами 12 и герметичной перегородкой 13 между ними, имеющей магнитопроницаемые части 14. При этом возможны два варианта исполнения магнитной муфты 9: торцовая муфта (фиг.2) и цилиндрическая муфта (фиг.3).
Устройство преобразования механической энергии в электрическую 8 содержит, пьезоэлектрический пакет 15 и размещенные по обе стороны от него механизмы механической деформации 16, которые преобразуют вращательно движение ротора 5 в деформацию пьезоэлектрического пакета 15.
Механизмы деформации 16 могут быть выполнены, например, в виде соединенного с ведомой полумуфтой 11 посредством вала 17 водило 18 с осями 19, на которых установлены с возможностью вращения ролики 20. В механизме деформации 18 может быть выполнено два ролика 20 для компенсации центробежных сил или несколько пар - для увеличения мощности, вырабатываемой электрогенератором. Между роликами 20 двух механизмов деформации установлен пьезоэлектрический пакет 15. Пьезоэлектрических пакет 15 содержит несколько биморфных пьезоэлектрических колец 21, которые установлены друг на друга внутри защитного корпуса 1 с радиальным зазором относительно него, сцентрированы на втулке 22 и разделены друг от друга по периметру гибкими кольцами 23, передающими деформацию, а по внутреннему диаметру - электроизолирующими кольцами 24. Втулка 22 должна быть выполнена из электроизоляционного материала (или из металла с электроизоляционным покрытием). Соединение биморфных пьезоэлектрических колец 21 между собой может быть выполнено последовательно, параллельно или последовательно-параллельно в зависимости от требуемого напряжения. Полость 25 ведущей полумуфты 10 изолирована от полости 26 ведомой полумуфты 11. Полость 27 устройства преобразования механической энергии в электрическую 8 сообщается с полостью 26 ведомой полумуфты 11 отверстием 28, выполненным в перегородке 29 для облегчения заправки полостей 26 и 27 смазывающей жидкостью. Полости 26 и 27 выполнены абсолютно герметичными, т.е. без применения уплотнений, например, с применением сварки, и полностью заполнены смазывающей жидкостью с хорошими электроизоляционными свойствами. Для заполнения этих полостей смазывающей жидкостью предусмотрены заправочное и дренажное отверстия 30 и 31, соответственно, заглушенные пробками 32 и 33. Заправочное отверстие 30 выполнено для заправки смазывающей жидкости, а дренажное отверстие 31 - для дренажа воздуха из полостей 26 и 27 при их заправке смазывающей жидкости.
Для заполнения смазывающей жидкостью полости 25 предусмотрено осевое отверстие 34, выполненное в роторе 4 и заглушенные винтом 35.
Ротор 4 установлен на подшипнике 36, который защищен уплотнением (уплотнениями) 37.
Для компенсации расхода смазывающей жидкости, температурных расширений и переменного давления в скважине предусмотрен, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения 38, выполненный в передней части корпуса 1 электрогенератора (фиг.4). Наиболее целесообразно выполнить 2…8 компенсаторов давления и температурного расширения и разместить из внутри защитного корпуса 1 со стороны гидротурбины 5, так как в компенсации нуждается только полость 25, а полости 26 и 27 выполнены абсолютно герметичными, полностью заполнены смазывающей жидкостью и не нуждаются в компенсации при условии выполнения стенок защитного корпуса достаточной толщины, или за счет применения смазывающей жидкости, имеющей такой же линейный температурный коэффициент расширения, что и у материала защитного корпуса 1. Каждый компенсатор давления и температурного расширения 38 содержит компенсационный поршень 39, установленный и уплотненный относительно защитного корпуса 1 Полость 40 (фиг.2…4) под компенсационным поршнем 39 отверстием (отверстиями) 41 соединена с полостью 26 ведущей полумуфты 10, а полость 42 над компенсационным поршнем 39 соединена отверстием (отверстиями) 43 с окружающей средой для компенсации изменения давления и температурного расширения смазывающей жидкости. Компенсационный поршень 39 подпружинен пружиной 44 в сторону ведущей полумуфты 10 (фиг.2…4) для создания избыточного давления в полости 25.
При работе электрогенератора (фиг.1) буровой раствор проходит через гидротурбину 5, которая начинают вращаться с ротором 4 и ведущей полумуфтой 10. Магнитный поток проходит через магнитопроводящие части 14 и приводит во вращение ведомую полумуфту 11. Ведомая полумуфта 11 приводит во вращение вал 17, который приводит во вращение оба механизма деформации 16. При этом ролики 20 обоих механизмов деформации 16 вращаются и перекатываются по гибким кольцам 22, деформируют биморфные пьезоэлектрические кольца 20, входящие в состав пьезоэлектрического пакета 15 с обеих сторон. В пьезоэлектрическом пакете 15 возникает электрический ток. По проводам 7 электрический ток подается на электрический разъем 6. Провода 7 проложены в отверстиях в защитном корпусе 1 и герметизированы компаундом. При изменении объема смазывающей жидкости в полости 25 про любой причине осуществляется соответствующее перемещение компенсационного поршня 39. Вследствие этого внутри полости 25 всегда поддерживается давление на 2…4 атм больше, чем давление окружающей среды. Это препятствует проникновению абразивных частиц, содержащихся в буровом растворе внутрь полости 26. Если применено несколько компенсаторов давления и температурного расширения 38, то при засорении одного из отверстий 43 (или нескольких отверстий 43, если применено 4..8 компенсаторов давления и температурного расширения 38) остальные компенсаторы давления и температурного расширения 38 будут выполнять свою функцию, даже при работе одного из них. Это значительно повышает надежность электрогенератора и его ресурс.
Применение изобретения позволило:
1. Значительно уменьшить диаметральные габариты и вес электрогенератора.
2. Упростить конструкцию электрогенератора за счет отказа от применения обмоток возбуждения и постоянных магнитов и унификации основных деталей, предназначенных для выработки электроэнергии (биморфных пьезоэлектрических колец).
3. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах электрогенератора за счет применения двух механизмов деформации пьезоэлектрического пакета, расположенных по обе стороны от него. В случае применения только одного механизма преобразования вращения в механическую деформацию его воздействие на нижние биморфные пьезоэлектрические кольца было бы незначительным.
4. Значительно увеличить ресурс работы подшипника за счет уменьшения диаметра ротора до минимально-возможного.
5. Уменьшить дисбаланс ротора электрогенератора за счет уменьшения его диаметра и длины. На роторе закреплены только гидротурбина и ведомая полумуфта, остальные вращающиеся узлы и детали не связаны с ротором, а пьезоэлектрический пакет не вращается.
6. Повысить надежность электрогенератора за счет полной герметизации его основных полостей: полости ведомой полумуфты и пьезоэлектрического пакета и за счет выполнения уплотнения полости ведущей полумуфты по относительно небольшому диаметру ротора.
7. Упростить и облегчить электрический монтаж проводов, т.к. провода соединяют невращающиеся биморфные пьезоэлектрические кольца с электрическим разъемом на защитном корпусе и проходят внутри защитного корпуса, надежно изолированы от металлических деталей, что исключает их повреждение при монтаже и в работе.
8. Улучшить ремонтопригодность электрогенератора за счет предельно простой конструкции, минимального числа деталей и простой конфигурации всех деталей и их унификации. При этом периодическому ремонту подвергаются детали, связанные с ротором: гидротурбина, подшипник ротора, уплотнение, а остальные узлы и детали не подвергаются разборке и ремонту и имеют чрезвычайно большой ресурс работы.