СКВАЖИННЫЙ ТУРБОГЕНЕРАТОР

МКИ: Е21В47/00
СКВАЖИННЫИ ТУРБОГЕНЕРАТОР
Полезная модель относится к области геофизических исследований нефтяных и газовых скважин и, в частности, к устройствам для электропитания геофизической аппаратуры, работающей в процессе бурения.
Известны скважинные турбогенераторы, работающие от потока промывочной жидкости и обеспечивающие питание электронной схемы скважинного прибора (А.с. СССР № 251102, МКИ G 01V, Б.И. № 27, 1969 г.)
В этих турбогенераторах приводом электромашинного генератора является одно- или многоступенчатая турбина, связанная со статором турбогенератора, размещенного в маслонаполненном корпусе, причем ротор жестко закреплен на неподвижном валу.
Известны турбогенераторы, нашедшие широкое применение в практике геофизических и технологических исследований в процессе бурения наклонных и горизонтальных скважин в качестве источника питания забойной телеметрической системы (Молчанов А.А. Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин. - М.: Недра, 1983, с. 89-90).
В качестве электромашинных генераторов в условиях ограничения диаметральных размеров могут быть использованы, например, синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов. В этих турбогенераторах получение мощности, необходимой для питания электронной схемы и формирования выходного сигнала, обеспечивается в основном скоростью вращения турбины, которая определяется расходом промывочной жидкости. При этом расход ее устанавливается не с позиций оптимизации работы скважинного турбогенератора, а исходя из необходимости обеспечения режима бурения, задаваемого герлого-техническими условиями.
в этих условиях возможные пути повышения мощности турбогенератора определяются выводами из анализа известной формулы машинной постоянной Арнольда (Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988). Из этой формулы вытекает зависимость:
где: Р - электромагнитная мощность, кВА;
А - линейная нафузка, А/см;
Вб -магнитная индукция, Тл;
D - диаметр ротора, см;
п - число оборотов ротора, об/мин.
Как видно из зависимости, повышение мощности турбогенератора легко достигается увеличением диаметра ротора и числа оборотов ротора. Однако для скважинной аппаратуры этот путь неприемлем в силу жесткого ограничения диаметральных размеров. Повышение мощности за счет увеличения числа оборотов турбины неприемлемо, поскольку механическая прочность постоянных магнитов не обеспечивается в условиях значительных центробежных сил.
Целью настоящего предложения является повышение мощности турбогенератора путем увеличения относительной скорости вращения ротора и статора и обеспечение оптимальной мощности и напряжения в щироком диапазоне расхода промывочной жидкости.
Для достижения этой цели в скважинном турбогенераторе, включающем маслонаполненный корпус, неподвижный вал, размещенный на валу с возможностью вращения статор с турбиной и ротор с обмоткой, причем ротор снабжен дополнительной турбиной, которая выполнена сменной, а наoUS JUj) 4f-t
,0.5../ Уд, 36-10
клон ее лопаток и лопаток основной турбины могут быть выполнены как противоположного направления, так и направленными в одну сторону, но под разными углами к оси турбогенератора, а на валу смонтирован токосъемник.
Существенным отличием заявленного решения от известных является то, что, ротор размещен на неподвижном валу не жестко, а с возможностью вращения и снабжен отдельной сменной турбиной. Сменная турбина может иметь лопатки, направленные в одну сторону с лопатками основной турбины, но под разными углами к оси турбогенератора, или снабжаться лопатками противоположного направления. Для снятия напряжения с обмотки ротора предусмотрен токосъемник с щетками и контактными кольцами.
Задача увеличения мощности турбогенератора решается увеличением
относительной скорости Ур и УС вращения ротора относительно статора,
так как наклон лопаток турбин статора и ротора направлен противоположно, что позволяет им при прохождении потока вращаться в разные стороны.
На фиг. 1 показан общий вид турбогенератора.
Скважинный турбогенератор включает корпус 1, встроенный в бурильную колонну, неподвижный вал 2, на котором размещены с возможностью вращения, например на подшипниках качения (на фиг. 1 не показаны), статор 3, с установленными на нем постоянными магнитами и ротор 4 с обмоткой. Статор 3 связан с турбиной 5, а ротор 4 - с турбиной 6, причем лопатки турбин 5 и 6 имеют наклон в противоположные стороны относительно общей оси. На валу 2 смонтирован токосъемник 7 для снятия напряжения с обмотки ротора.
Статор 3 и ротор 4 с подшипниками качения размещены в маслонаполненном корпусе 8, имеющем скользящие уплотнители и компенсатор давления (на фиг.1 не показаны).
На фиг. 2 показан общий вид турбогенератора, имеющего лопатки турбин 5 и 6 с одним направлением, но разными углами сКр и ос.
Турбогенератор работает следующим образом.
При наличии в корпусе 1 потока промывочной жидкости турбины 5 и 6
вращаются в противоположные стороны с одинаковой скоростью 3fp и Oi,
обеспечивая вращение в противоположные стороны статора 3 с постоянными магнитами и ротора 4 - с обмоткой (фиг.1). Вследствие увеличения относительной скорости вращения ротора относительно статора увеличивается электрическая мощность генератора. Напряжение с обмотки ротора 4 поступает через кольцевой токосъемник 7 к электрической схеме, расположенной в скважинном приборе.
Таким образом, предлагаемый турбогенератор обеспечивает получение оптимальной мощности и напряжения в щироком диапазоне расхода промывочной жидкости.
Предлагаемый турбогенератор обладает повыщенной мощностью по сравнению с аналогами при неизменном расходе промывочной жидкости и обеспечивает получение достаточной мощности при малых расходах.