ТУРБОГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПИТАНИЯ СКВАЖИННОЙ АППАРАТУРЫ

Полезная модель относится к исследованиям в процессе бурения скважин и может быть использована для питания электроэнергией скважинных приборов в процессе бурения.
Известен турбогенератор для питания скважинной аппаратуры, содержащий внутренний статор с обмоткой, выполненной на оси, и размещенной в герметичном корпусе, на наружной поверхности которого выполнены винтовые канавки, внешний ротор с корпусом и рабочими лопатками турбины, установленный на подшипниках скольжения, внутренние и внешние рабочие поверхности которых выполнены из твердого износостойкого материала с высокой теплопроводностью, содержащий герметизирующий элемент, предотвращающий сквозной проток промывочной жидкости через зазор между статором и ротором, выполненный в виде крышки, установленной на верхнем торце ротора (патент РФ на изобретение №2561642, МПК Е21В 47/00, заявл. 27.05.2014). Осевая нагрузка воспринимается упорным подшипником, включающим в свой состав пяту (установлена на роторе) и подпятник (установлен на статоре), представляющие собой кольца из того же материала, что и радиальные подшипники. Пята и подпятник контактируют друг с другом по плоской поверхности своих торцов.
Недостатком этого турбогенератора является большая мощность потерь на трение в упорном подшипнике, состоящем из двух составных частей - пяты (вращающаяся часть, входит в состав ротора) и подпятника (неподвижная часть, входит в состав статора). Величина этих потерь может быть рассчитана по формуле
P=F⋅V,
где Р - мощность потерь на трение в упорном подшипнике, Вт;
F - сила трения пяты по подпятнику, Н;
V - скорость скольжения пяты по подпятнику, м/с.
В свою очередь значения сомножителей этой формулы могут быть рассчитаны по следующим формулам:
F=f⋅N,
где f - коэффициент трения пяты по подпятнику (зависит от многих факторов - состава жидкой среды, омывающей упорный подшипник, материала трущихся поверхностей, скорости скольжения и др., но в рамках настоящего расчета может считаться постоянной величиной: f=const);
N - осевая сила, воспринимаемая упорным подшипником, Н (величина переменная, зависит от многих факторов - расхода промывочной жидкости, конструкции турбины генератора, величины гидравлической мощности, снимаемой с лопаток рабочего колеса турбины генератора, частоты вращения ротора генератора и др., но в рамках настоящего расчета может считаться постоянной величиной: N=const).
V=2⋅π⋅R⋅n,
где n - скорость вращения ротора генератора, об/с (величина переменная, зависит от многих факторов - расхода промывочной жидкости, конструкции турбины генератора, величины гидравлической мощности, снимаемой с лопаток рабочего колеса турбины генератора и др., но в рамках настоящего расчета может считаться постоянной величиной: n=const);
π≈3,14 - число Пи;
R - эффективный радиус скольжения пяты по подпятнику, м (то есть радиус такой кольцевой площадки бесконечно малой ширины в радиальном направлении, что, если бы вся осевая нагрузка N и вся сила трения пяты о подпятник F были сосредоточены на этой площадке, мощность потерь на трение в этой площадке равнялась бы фактической мощности потерь на трение в реальном упорном подшипнике), принимается, что он равен радиусу инерции кольцевой площадки трения:
.
В случае кольцевой площадки трения малой (по сравнению с диаметром) радиальной ширины формулу можно упростить:
,
где D - внешний диаметр кольцевой площадки, м;
d - внутренний диаметр кольцевой площадки, м;
ср
D=(D+d)/2 - средний диаметр кольцевой площадки, м.
Подставив полученные расчетные формулы в исходную формулу мощности потерь на трение в упорном подшипнике, получим итоговую формулу мощности потерь:
P=F⋅V=(f⋅N)⋅(2⋅π⋅R⋅n);
ср.
Р=π⋅f⋅N⋅n⋅D
Другим недостатком этого турбогенератора является невозможность передачи значительной осевой силы от верхней точки турбогенератора к статору в любом направлении (как вверх, так и вниз) при монтаже турбогенератора с закрепленным за его нижнюю часть скважинным прибором внутрь бурильной трубы, так как захват турбогенератора монтажным приспособлением возможен только за верхнюю часть ротора, а осевая фиксация ротора относительно статора не рассчитана на восприятие существенных нагрузок, направленных в противоположную сторону от рабочей.
Задачей создания полезной модели является уменьшение мощности потерь на трение в упорном подшипнике ротора генератора.
Указанная задача решена за счет того, что в турбогенераторе для питания скважин ной аппаратуры, содержащем внутренний статор с обмоткой, выполненной на оси и размещенной в герметичном корпусе, на наружной поверхности которого выполнены винтовые канавки, внешний ротор с корпусом и рабочими лопатками турбины, установленный на подшипниках скольжения, внутренние и внешние рабочие поверхности которых выполнены из твердого износостойкого материала с высокой теплопроводностью, герметизирующий элемент, предотвращающий сквозной проток промывочной жидкости через зазор между статором и ротором, выполненный в виде крышки, установленной на верхнем торце ротора, упорный подшипник ротора генератора содержит пяту и подпятник, которые представляют собой детали цилиндрической формы, контактирующие друг с другом по торцовым поверхностям, причем подпятник расположен на верхнем торце статора, а пята размещена в крышке ротора.
Дополнительной задачей создания полезной модели является обеспечение возможности передачи значительной осевой силы от верхней точки турбогенератора к статору в любом направлении (как вверх, так и вниз) при монтаже турбогенератора с закрепленным за его нижнюю часть скважинным прибором внутрь бурильной трубы.
Эта задача решена за счет того, что крышка ротора с размещенной в ней пятой закреплена на статоре подвижно, с возможностью вращения.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведен общий вид верхней части статора турбогенератора с крышкой ротора, закрепленной на статоре подвижно, с возможностью вращения. На фиг. 2 приведен общий вид верхней части ротора турбогенератора. На фиг. 3 приведен общий вид верхней части турбогенератора в собранном виде (ротор установлен на статор).
Турбогенератор состоит из трех основных составных частей - статора 1, ротора 2 и крышки ротора 3.
В верхнем торце статора 1 установлен (например, запрессован) подпятник 4, представляющий собой цилиндрическую деталь с плоским рабочим торцом 5. На статоре закреплены внутренние втулки подшипников скольжения - верхняя 6 и нижняя (не показана).
Крышка ротора 3 закреплена на статоре 1 подвижно, с возможностью вращения, любым известным способом, например, с помощью гайки 7. Такая конструкция крепления крышки ротора 3 позволяет поднимать за бурт подъемной головки 8 (верхняя часть крышки ротора 3) турбогенератор вместе с закрепленным за нижнюю часть турбогенератора скважинным прибором при монтаже его в бурильную трубу. Пята 9 запрессована в центральное отверстие крышки ротора 3. На крышке ротора 3 имеется канавка 10 под уплотнительное кольцо 11, отверстия для промывки 12 внутренней полости упорного подшипника (и подачи в нее смазки), отверстия 13 для передачи вращающего момента на крышку через винт-поводок 14 (вариант исполнения, может применяться и любой другой известный способ передачи вращающего момента на крышку 3, например - шпонка, установленная на крышке 3, и ответный паз в роторе 2), лыски (или шестигранник) 15 для гаечного ключа.
На внутренней поверхности ротора 2 закреплены внешние втулки подшипников скольжения - верхняя 16 и нижняя (не показана). На внешней поверхности ротора 2 имеется посадочное место 17 под установку рабочего колеса турбины 18. Для крепления рабочего колеса турбины 18 винтом-поводком 14 в роторе 2 имеется резьбовое отверстие 19. Ответное отверстие 20 имеется на рабочем колесе турбины 18.
Сборку турбогенератора производят следующим образом:
- в канавку 10 крышки ротора 3 устанавливают уплотнительное кольцо 11,
- наружную поверхность статора 1 густо смазывают консистентной смазкой,
- ротор 2 надевают на статор 1 (в том числе и на крышку ротора 3),
- крышку ротора 3 поворачивают гаечным ключом за лыски (шестигранник) 15 до совпадения отверстия 13 в крышке ротора 3 и отверстия 19 в роторе 2,
- на ротор 2 устанавливают рабочее колесо турбины 18 так, чтобы отверстие 20 в нем совпало с отверстием 19 в роторе 2 и, соответственно, с отверстием 13 в крышке ротора 3,
- через отверстие 20 в рабочем колесе турбины 18 в отверстие 19 вворачивают винт-поводок 14, который крепит рабочее колесо турбины 18 к ротору 2 и, одновременно, передает вращающий момент на крышку ротора 3 (вариант исполнения, вращающий момент на крышку ротора 3 может передаваться каким-либо другим известным способом, например, через шпонку, установленную на крышке 3, и через ответный паз в роторе 2).
Собранный турбогенератор с закрепленным за его нижнюю часть скважинным прибором с помощью монтажного приспособления подвешивают за бурт подъемной головки 8 и устанавливают внутри бурильной трубы. При этом осевая нагрузка от веса монтируемой сборки передается через гайку 7 непосредственно на статор 1 и может достигать значительной величины.
Во время работы турбогенератора поток промывочной жидкости проходит через лопатки рабочего колеса турбины 18, приводя его и, соответственно, ротор 2 и крышку 3 с пятой 9, во вращение. При этом возникает осевая сила N, действующая на лопатки рабочего колеса турбины 18, которая передается на подпятник 4 статора 1 через пяту 9.
ц
Круговая площадка трения пяты 9 по подпятнику 4 имеет диаметр D. Эффективный радиус скольжения пяты по подпятнику в случае круговой площадки трения определяется как радиус инерции этой круговой площадки (очень приближенно, так как в процессе работы пята и подпятник изнашиваются так, что приобретают сферическую форму и, в результате, фактический радиус скольжения на самом деле становится существенно меньше приведенного):
.
Мощность потерь на трение пяты 9 по подпятнику 4 может быть рассчитана по следующим формулам:
ц
ц
P=F⋅V=(f⋅N)⋅(2⋅π⋅R⋅n);
ц
ц
ц.
Р=2⋅0,353⋅π⋅f⋅N⋅n⋅D=0,707⋅π⋅f⋅N⋅n⋅D
Сравнивая полученное значение мощности потерь на трение в упорном подшипнике с цилиндрическими пятой и подпятником с мощностью потерь на трение в упорном подшипнике с кольцевыми пятой и подпятником, получаем:
.
В реальных образцах турбогенераторов (изготовленных и испытанных) размеры упорных подшипников были следующими:
- упорный подшипник с кольцевыми пятой и подпятником D=40 мм, d=29 мм,
ц
- упорный подшипник с цилиндрическими пятой и подпятником D=12 мм.
.
Таким образом, мощность потерь на трение в упорном подшипнике с цилиндрическими пятой и подпятником по сравнению с мощностью потерь на трение в упорном подшипнике с кольцевыми пятой и подпятником меньше в 4 раза.
По окончании работы турбогенератор с закрепленным за его нижнюю часть скважинным прибором извлекают из бурильной трубы за бурт подъемной головки 8 с помощью монтажного приспособления. Турбогенератор разбирают (в порядке, обратном порядку сборки). Все поверхности составных частей (наружную поверхность статора 1, внутренние поверхности ротора 2 и крышки 3) отмывают от остатков промывочной жидкости, сушат, смазывают и собирают турбогенератор вновь.
Применение полезной модели позволило:
1. Уменьшить потери на трение в упорном подшипнике ротора генератора.
2. Обеспечить возможность передачи значительной осевой силы от верхней точки турбогенератора к статору в любом направлении (как вверх, так и вниз) при монтаже турбогенератора с закрепленным за его нижнюю часть скважинным прибором внутрь бурильной трубы.