ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР БИРОТАТИВНЫЙ ДЛЯ ПИТАНИЯ СКВАЖИННОГО ПРИБОРА
BIROTARY ELECTRIC GENERATOR FOR POWER SUPPLY TO DOWNHOLE INSTRUMENT

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 E21B 47/022, 47/00, приоритет от 21.02.92). 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°C, 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 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 св. РФ № 13123, который содержит ротор с турбиной, статор, узел крепления и емкость для резервного запаса смазывающей жидкости, выполненную в виде стакана, выполненного в передней части генератора с установленным внутри подпружиненным поршнем и заправочное устройство. Генератор и турбина значительно отдалены друг от друга в осевом направлении и разобщены магнитной муфтой, что увеличивает габариты генератора и снижает надежность смазки.
Известен генератор по патенту РФ на изобретение №2264537, прототип, 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.
Недостатком является недостаточная мощность электрогенератора при ограниченных диаметральных габаритах из-за небольшой скорости вращения ротора.
Задача его создания - повышение мощности при уменьшении диаметральных габаритов и веса генератора.
Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что электрогенератор биротативный, содержащий биротативную гидротурбину, имеющую две ступени, корпус, содержащий основание с узлом крепления, на заднем торце основания выполнен электрический разъем, а провода от обмотки к электрическому разъему проходят через отверстия, выполненные в основании, к торцу основания жестко прикреплена втулка, внутри которой на подшипниках установлен внутренний ротор с постоянными магнитами, первая ступень гидротурбины закреплена на внутреннем роторе, внешний ротор установлен на подшипниках на втулке, вторая ступень гидротурбины закреплена на его цилиндрической поверхности, обмотки возбуждения размещены внутри, при этом согласно изобретению между основанием и постоянными магнитами размещено устройство бесконтактной передачи энергии, а втулка содержит участок между постоянными магнитами и обмотками возбуждения, выполненными из чередующихся элементов, выполненных из магнитопроницаемого и магнитонепроницаемого материала и участок внутри устройства бесконтактной передачи энергии из диамагнитного материала. Обе ступени гидротурбины установлены рядом в передней части генератора. Устройство бесконтактной передачи энергии содержит передающие и приемные обмотки, размещенные по обе стороны от участка втулки, выполненного из диамагнитного материала. Внутренняя полость электрогенератора заполнена смазывающей жидкостью. На внутреннем роторе сверху выполнено отверстие для заправки смазывающей жидкости. Электрический разъем выполнен коаксиальным. Внутри основания выполнен по меньшей мере один компенсатор давления и температурного расширения.
Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг.1…3, где:
на фиг.1 приведен сборочный чертеж электрогенератора биротативного,
на фиг.2 приведен разрез А-А,
на фиг.3 приведен разрез Б-Б.
Электрогенератор биротативный для питания скважинного прибора содержит биротативную гидротурбину 1, имеющую две ступени первую 2 и вторую 3, корпус 4, содержащий основание 5 с узлом крепления 6, на заднем торце 7 основания 5 выполнен электрический разъем 8, а провода 9 к электрическому разъему 8 проходят через отверстия 10, выполненные в основании 5 и заполненные компаундом, к заднему торцу 7 основания 5 жестко прикреплена втулка, 11 внутри которой на подшипниках 12 и 13 установлен внутренний ротор 14 с постоянными магнитами 15. Первая ступень гидротурбины 2 закреплена на внутреннем роторе 14. Внешний ротор 16 установлен на подшипниках 17 и 18 на втулке 11. Вторая ступень гидротурбины 3 закреплена на его цилиндрической поверхности 19, обмотки возбуждения 20 размещены внутри корпуса 4. При этом между основанием 5 и постоянными магнитами 15 размещено устройство бесконтактной передачи энергии 21, а втулка 11 содержит участок 22 между постоянными магнитами 15 и обмотками возбуждения 20, выполненный из чередующихся элементов, выполненных из магнитопроницаемого и магнитонепроницаемого материала, соответственно 23 и 24 и участок 25 внутри устройства бесконтактной передачи энергии из диамагнитного материала. Обе ступени гидротурбины 2 и 3 установлены рядом в передней части генератора. Устройство бесконтактной передачи энергии 21 содержит передающие 26 и приемные 27 обмотки, размещенные в герметичной полости 28 по обе стороны от участка втулки 23, выполненного из диамагнитного материала. Внутренняя полость 29 электрогенератора заполнена смазывающей жидкостью. На внутреннем роторе 14 сверху выполнено отверстие 30 для заправки смазывающей жидкости, закрытое винтом 31. Электрический разъем 8 выполнен коаксиальным. Внутри основания 5 выполнен по меньшей мере один компенсатор давления и температурного расширения 32, который содержит поршень 33 и отверстие 37, сообщающее полость 35 под поршнем 33 с окружающей средой. Поршень 33 подпружинен пружиной 36. Компенсатор (компенсаторы) 32 предназначен для компенсации температурных расширений смазывающей жидкости, переменного давления окружающей среды и расхода смазывающей жидкости.
При работе генератора буровой раствор проходит через ступени гидротурбины 2 и 3, которые начинают вращаться с роторами 14 и 16 (фиг.3) в разные стороны. Постоянные магниты 15 вращаются и создают магнитные поля, которые проходят через чередующиеся элементы, выполненные из магнитопроницаемого и магнитонепроницаемого материала, соответственно 23 и 24, которые не вращаются и пересекают обмотки возбуждения 20, которые вращаются с угловыми скоростями, соответствующими скорости вращения внешнего ротора 16.
При этом первая по потоку ступень гидротурбины 2 будет выполнять роль соплового аппарата для второй по потоку ступени гидротурбины 3. Это позволит упростить сборку генератора, отказаться от применения направляющих аппаратов и увеличить КПД и мощность турбины. Также появилась возможность значительно уменьшить диаметральные габариты генератора или увеличить его мощность примерно в 2 раза, при тех же габаритах и весе. Это позволит спроектировать скважинные приборы (на фиг.1…3 не показано) для бурильных и обсадных колонн малого диаметра. Применение устройства бесконтактной передачи энергии, приемные обмотки которого неподвижны и установлены в герметичной полости, позволит вывести значительную мощность без использования скользящих токосъемников. Электрогенератор со скважинным прибором забойной телеметрической системы может устанавливаться в бурильную или обсадную колонну, собранную из труб длиной до 10…12 м, т.е. ограничение по длине некритично, в отличие от ограничений по диаметру. Диаметр компоновки: генератор - скважинный прибор строго ограничен внутренним диаметром колонны труб.
Применение изобретения позволило:
1. Значительно уменьшить диаметральные габариты и вес электрогенератора за счет применения биротативной турбины и увеличения его длины на длину устройства для бесконтактной передачи энергии.
2. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах электрогенератора биротативного за счет применения биротативной турбины и биротативной схемы собственно электрогенератора.
3. Значительно увеличить ресурс работы подшипников за счет применения двухопорных схем для обеих роторов, уменьшения диаметра большинства уплотнений до минимально возможного, т.е. до диаметра вала.
4. Уменьшить дисбаланс роторов электрогенератора биротативного за счет уменьшения абсолютных частот вращения в 1,5…2,0 раза и уменьшения осевых габаритов роторов.
5. Повысить надежность электрогенератора за счет размещения приемных обмоток устройства бесконтактной передачи энергии в герметичной полости внутри неподвижных (невращающихся) деталей.
6. Упростить конструкцию электрогенератора за счет отказа от применения сопловых аппаратов турбины и максимального упрощения конструкции уплотнения.
7. Упростить сборку и разборку электрогенератора за счет его выполнения модульной конструкции, отказа от сопловых аппаратов и применения коаксиального электрического разъема.
8. Упростить и облегчить электрический монтаж проводов, т.к. провода соединяют невращающиеся приемные обмотки устройства бесконтактной передачи энергии с электрическим разъемом, выполненным на заднем (нижнем) торце основания корпуса и проходят в загерметизированных компаундом отверстиях внутри невращающихся деталей, что исключает их повреждение при работе.
9. Решить проблему с разгрузкой осевой силы, разместив упорный подшипник в полости, заполненный смазывающей жидкостью.
10. Улучшить ремонтопригодность автономного электрогенератора за счет предельно простой конструкции, минимального числа деталей и простой конфигурации всех деталей.