СКВАЖИННЫЙ ГЕНЕРАТОР
WELL GENERATOR

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для генератора, устанавливаемого в скважину и предназначенного, например, для питания скважинного прибора. 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 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 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 - ненадежность и сложность конструкции, обусловленная низкой надежностью обмоток возбуждения, 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 скважинном генераторе, содержащем защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной, постоянные магниты, ротор генератора и обмотки возбуждения, неподвижно установленные внутри защитного корпуса, тем, что, согласно изобретению магниты и обмотки возбуждения выполнены кольцевой формы, уложены внутри цилиндра с чередованием и осевыми зазорами между ними, генератор содержит дополнительный ротор, установленный концентрично ротору и соединенный с ним через редуктор, а на дополнительном роторе закреплен диск, в котором установлены вставки из магнитопроницаемого материала, при этот диск установлен между обмоткой возбуждения и постоянными магнитами. Ротор и дополнительный ротор могут быть выполнены с возможностью вращения в противоположные стороны.
Скважинный генератор содержит, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…4, где:
на фиг.1 представлена первая схема генератора,
на фиг.2 представлена схема расположения дисков, постоянных магнитов и обмоток возбуждения,
на фиг.3 представлена схема установки постоянных магнитов,
на фиг.4 представлена конструкция компенсатора давления и температурного расширения.
Скважинный генератор (фиг.1…4) установлен в колонне бурильных труб или в обсадной колонне (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.
Скважинный генератор 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 обмоток возбуждения 8. Обмотки возбуждения 8 размещены в защитном корпусе 1 в его нижней части, провода 7 к ним проведены через отверстия 9, которые после сборки залиты компаундом 10. Постоянные магниты 11 установлены в цилиндрических корпусах 12. Ротор 4 установлен на подшипниках 13, 14 и 15, закрытых уплотнениями 16, 17 и 18. Для заполнения смазывающей жидкостью полости 19, в которой размещен ротор 4, предусмотрено осевое отверстие 20, выполненное в роторе 4 и заглушенное винтом 21.
Скважинный генератор содержит дополнительный ротор 22. Дополнительный ротор 22 установлен на подшипниках 23 и 24, выполненных в торцовых стенках 25 и 26. Дополнительный ротор 22 соединен с ротором 4 через редуктор 27.
Редуктор 27 может быть выполнен любой конструкции. Приведенный на фиг.1 редуктор 27 содержит ведущую шестерню 28, связанную с ротором 4, промежуточную шестерню 29, установленную на валу 30, и ведомую шестерню 31, связанную с дополнительным ротором 22. Предпочтительно редуктор 27 выполнить такой конструкции, чтобы он обеспечивал противоположное вращение ротора 4 и дополнительного ротора 22.
На дополнительном роторе 22 закреплен диск 32 с вставками 33 из магнитопроницаемого материала (фиг.1…3).
Для компенсации расхода смазывающей жидкости, температурных расширений и переменного давления в скважине предусмотрен, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения 34 (фиг.1 и 4), выполненный в передней части защитного корпуса 1 генератора (фиг.2). Наиболее целесообразно выполнить 2…8 компенсаторов давления и температурного расширения 34 и разместить их внутри защитного корпуса 1 со стороны гидротурбины 5, так как в компенсации нуждается только полость 19, а другие полости выполнены герметичными и могут быть заполнены инертным газом и не нуждаются в компенсации при условии выполнения стенок защитного корпуса достаточной толщины.
Компенсаторы давления и температурного расширения 34 (фиг.4) содержат корпус 35, выполненный в виде пустотелого цилиндра, внутри которого установлены компенсационный поршень 36 и пружина 37. Пружина 37 установлена в верхней полости 38, которая отверстием 39 сообщается с окружающей средой, нижняя полость 40 отверстием 41 сообщается с полостью 19.
Для дренажа воздуха при заполнении полости 19 смазывающей жидкостью предусмотрены дренажные отверстия 42, закрытые пробками 43. Дополнительный ротор 22 и редуктор 27 размещены в полости 44. Отверстие 45 предназначено для заполнения внутренней полости редуктора 27. Полости 19 и 44 полностью заполнены смазывающей жидкостью.
При работе генератора (фиг.1…4) буровой раствор проходит через гидротурбину 5, которая начинает вращаться с ротором 4 (фиг.1) Одновременно через редуктор 27 приводится во вращение дополнительный ротор 22, который приводит во вращение диск 32 с вставками 33, выполненными из магнитопроницаеммого материала, которые периодически пересекают магнитное поле, проходящее через обмотку возбуждения 8, тем самым значительно повышают частоту изменения магнитного поля. В обмотке возбуждения 8 вырабатывается электричество и по проводам 7 передается на электрический разъем 6.
При изменении объема смазывающей жидкости в полости 19 (фиг.1) по любой причине осуществляется соответствующее перемещение компенсационного поршня 36. Вследствие этого внутри полости 19 всегда поддерживается давление на 2…5 атм больше, чем давление окружающей среды. Это препятствует проникновению абразивных частиц, содержащихся в буровом растворе, внутрь полости 19 или 44. Если применено несколько компенсаторов давления и температурного расширения 34, то при засорении одного из отверстий 41 (или нескольких отверстий 41, если применено 4..8 компенсаторов давления и температурного расширения 34) остальные компенсаторы давления и температурного расширения 34 будут выполнять свою функцию даже при работе одного из них. Это значительно повышает надежность скважинного генератора и его ресурс.
Применение изобретения позволило:
1. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах скважинного генератора за счет увеличения частоты изменения переменного магнитного поля, пересекающего обмотку возбуждения.
2. Значительно увеличить ресурс работы подшипников за счет уменьшения диаметра ротора до минимально возможного.
3. Уменьшить дисбаланс ротора скважинного генератора за счет уменьшения его диаметра и установки его на трех подшипниках. На роторе закреплены только гидротурбина и диск с постоянными магнитами.
4. Повысить надежность электрогенератора за счет:
- отсутствия вращения обмотки возбуждения и вращения относительно тонких и легких дисков,
- полной герметизации его основных полостей: полости ведомой полумуфты и электростатического генератора, и за счет выполнения уплотнения полости.
5. Улучшить ремонтопригодность генератора за счет простоты конструкции и унификации его основных узлов и деталей.