ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПИТАНИЯ СКВАЖИННОЙ АППАРАТУРЫ
GENERATOR SUPPLYING POWER FOR BOREHOLE EQUIPMENT

Изобретение относится к области промысловой геофизики и предназначено для снабжения электроэнергией автономной скважинной аппаратуры путем преобразования энергии потока промывочной жидкости в электрическую энергию.
Известен генератор переменного тока с маслозаполненной внутренней полостью, содержащий масляный резиновый компенсатор и уплотнительное устройство приводного вала, включающее торцовое уплотнение (авторское свидетельство СССР №1006738, МКИ E21B 47/022, опубл. 1983 г.).
Недостатком известного генератора является большая вероятность выхода его из строя при работе в скважине в результате потери герметичности торцового уплотнения, которое имеет невысокий срок службы при работе в жестких условиях высокого давления, вибрации, температуры и абразивного износа.
Наиболее близкой к предлагаемой является конструкция генератора, описанная в патенте РФ №2404370, МПК F03B 13/02, заявл. 27.05.2009. Генератор имеет герметичный корпус, в котором размещены внешний статор и внутренний ротор, расположенный на валу генератора. Вал установлен в подшипниках качения, расположенных по обе стороны ротора. На валу размещены два уплотняющих устройства. Герметичный корпус заполнен смазочно-охлаждающей жидкостью. Генератор содержит два компенсирующих устройства. Первое устройство расположено внутри корпуса турбогенератора и заполнено смазочно-охлаждающей жидкостью. Второе устройство установлено в обойме, которая закрывает герметичный корпус генератора. Первое уплотняющее устройство отделяет внутреннюю полость первого компенсатора от бурового раствора. Второе уплотняющее устройство разделяет внутреннюю полость первого компенсатора, заполненного смазочно-охлаждающей жидкостью, от герметичного корпуса генератора, также заполненного смазочно-охлаждающей жидкостью.
Данная конструкция имеет следующие недостатки:
1. Известный генератор характеризуется наличием двух последовательно расположенных полостей, заполненных смазочно-охлаждающей жидкостью. Однако совместная работа двух компенсаторов при их последовательном расположении возможна только при одинаковом расходе смазочно-охлаждающей жидкости через торцевые уплотнения, что маловероятно. Таким образом, в реальности из двух компенсаторов будет работать только один.
2. Используемая во внутреннем контуре генератора жидкость выполняет две функции: смазывает подшипники качения и охлаждает обмотку генератора. Обычно для этого используют трансформаторное масло, которое не может обеспечить оптимальное выполнение сразу двух функций. При нагреве выше 120-150°C начинается деструкция масла, сопровождающаяся образование углерода, что приводит к появлению проводимости, снижению сопротивления и межвитковому пробою, или даже к пробою на корпус. С другой стороны трансформаторное масло не является оптимальным и в качестве смазки, т.к. при температуре выше 100°C имеет низкую вязкость и низкое поверхностное натяжение.
3. Замена подшипников, проводимая при всех регламентных и ремонтных работах, требует полной разборки генератора, промывки обмоток статора, распайки подводящих проводов и гермовводов. Многократные операции пайки-распайки также снижают надежность генератора.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности генератора и снижение трудоемкости проведения ремонтных и профилактических работ.
Решение указанной задачи достигнуто тем, что герметичный корпус генератора разделен на три герметичных контура - электрический, кинематический и защитный, при этом электрический контур содержит статор, снабжен собственной диафрагмой-компенсатором, заполнен диэлектрической охлаждающей жидкостью и отделен от кинематического контура экраном, выполненным из немагнитного материала, кинематический контур содержит ротор, установленный на валу с подшипниками, заполнен смазочной жидкостью и отделен системой манжетных уплотнений и внутренней диафрагмой от защитного контура компенсатора торцевого уплотнения, заполненного смазочной жидкостью в объеме, ограниченном наружной диафрагмой. Электрический контур заполнен диэлектрической охлаждающей жидкостью без избыточного давления, кинематический контур заполнен смазочной жидкостью без избыточного давления, защитный контур заполнен смазочной жидкостью с избыточным давлением. Защитный контур может быть заполнен смазочной жидкостью, имеющей высокую вязкость и высокое поверхностное натяжение. Нулевая точка обмоток статора соединена с корпусом через пробку-контакт. Система заправки защитного и кинематического контуров содержит золотник для переключения заправляемых контуров при вакуумировании и закачивании смазочной жидкости. Жесткость диафрагм электрического и кинематического контуров выше, чем жесткость наружной диафрагмы защитного контура.
На Фиг.1 представлена схема генератора. Генератор содержит корпус 1, с установленным в нем статором 2, отделенным от ротора 3 экраном 4, выполненным из немагнитного материала, и диафрагмой электрического контура 5. Нейтраль обмоток подведена через пробку-контакт 6 к корпусу 1. Вал 7 с ротором 3, установленный в корпусе 1 на подшипниках 8, вращается турбиной 9 под действием потока бурового раствора. Кинематический контур смазки подшипников 8 отделен системой манжетных уплотнений 10 и внутренней диафрагмой кинематического контура 11 от защитного контура компенсатора торцевого уплотнения 12. Наружная диафрагма компенсатора 13 обеспечивает для торцевого уплотнения 12 маневровый запас смазочной жидкости, находящейся под давлением.
Защитный и кинематический корпусы генератора заправляют через отверстие в валу 7, закрытое пробкой 14, и золотник 15, обеспечивающий последовательную заправку внутреннего и наружного контуров.
Кинематический контур с подшипниками 8 заправляют смазочной жидкостью без создания избыточного давления. В зависимости от температуры эксплуатации можно использовать минеральное, синтетическое или полусинтетическое масло.
Защитный контур торцевого уплотнения 12 заправляют с избыточным давлением, используя упругость диафрагмы компенсатора 13. В качестве смазочной жидкости можно использовать такое же масло, как и в кинематическом контуре подшипников. Для уменьшения скорости расхода масла и увеличения ресурса непрерывной работы генератора между заправками может быть использовано другое масло, с более высокой вязкостью и высоким поверхностным натяжением, например гипоидное.
Электрический контур вакуумируют и заполняют через отверстие в корпусе без избыточного давления охлаждающей жидкостью, неподверженной деструкции при нагреве, например силиконовой. Таким образом, исключается возможность пробоя статора.
Для удобства проверки генератора при эксплуатации и регламенте нулевую точку обмоток соединяют с корпусом через пробку-контакт 6, что позволяет прозванивать каждую обмотку генератора при его отключении.
При эксплуатации буровой раствор обтекает турбину 9 генератора и приводит во вращение вал 8 с ротором 3. В обмотках статора 2 вырабатывается электрический ток. Давление бурового раствора через наружную диафрагму компенсатора 13 передается на внутреннюю диафрагму кинематического контура 11 и диафрагму электрического контура 5. Таким образом, во всех трех контурах генератора - защитном, кинематическом и электрическом, обеспечивается равенство давления. Расход смазывающей жидкости через торцевое уплотнение 12 предотвращает попадание бурового раствора, содержащего абразивные частицы, в подшипники 8.
Для снижения действия пульсации бурового раствора на внутренние контуры жесткость диафрагм электрического и кинематического контуров 5 и 11 должна быть выше, чем жесткость наружной диафрагмы защитного контура 13.
Конструкция генератора отличается высокой надежностью. Электрическая схема генератора имеет тройную защиту:
- маневровый запас смазочной жидкости в защитном контуре торцевого уплотнения 12 обеспечивает работу генератора в течение рейса;
- в случае полного расхода маневрового запаса смазочной жидкости и проникновения бурового раствора в защитный контур, торцевое уплотнение 12 будет выполнять функцию лабиринтного и не пропустит частицы песка к манжетному уплотнению 10;
- выход из строя манжетного уплотнения 10 и проникновение бурового раствора в кинематический контур также не приведет к отказу генератора и позволит провести рейс до конца, т.к. электрический контур отделен от кинематического экраном 4 и диафрагмой 5.
Проведены эксплуатационные испытания генератора при бурении в разных регионах. Реальные условия отличались использованием различных буровых растворов с разными электрическими характеристиками, высокими уровнями нагрузок и вибраций. Генератор показал 100% надежность, не было ни одного отказа во время рейса. Ресурс генератора вырос более чем в два раза.
Разделение электрического и кинематического контуров позволяет провести замену подшипников, не затрагивая статор. Исключение многократных операций пайки-распайки проводов и гермовводов уменьшает трудоемкость проведения регламентных и ремонтных работ и повышает надежность генератора.