ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР ПИТАНИЯ СКВАЖИННОГО ПРИБОРА
ELECTRIC GENERATOR FOR WELL LOGGING INSTRUMENT FEED

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 Е21В 47/022, 47/00, приоритет от 21.02.92 г). 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°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 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 патенту РФ на изобретение № 2264537, 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.
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 - сложность конструкции, 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 электрогенераторе питания скважинного прибора, содержащем защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной и устройство преобразования механической энергии в электрическую, тем, что согласно изобретению между ротором и устройством преобразования механической энергии в электрическую установлена магнитная муфта, а устройство преобразования механической энергии в электрическую выполнено в виде закрепленного на валу водила с осью и деформирующими роликами на ней и пьезоэлектрического пакета биморфных пьезоэлектрических колец, установленных внутри защитного корпуса на втулке. Магнитная муфта может быть выполнена торцевой. Магнитная муфта может быть выполнена цилиндрической. Магнитная муфта выполнена в виде ведомой и ведущей полумуфт и герметичной перегородки между ними, содержащей части из магнитопроницаемого материала, при этом ведущая полумуфта соединена с ротором, а ведомая - с валом. Один провод пьезоэлектрического пакета проходит к электрическому разъему через втулку. Внутренняя полость ведущей муфты заполнена смазывающей жидкостью, а внутренняя полость ведомой муфты и устройства преобразования механической энергии в электрическую сообщаются между собой, выполнены герметичными и заполнены смазывающей жидкостью. Отверстие для заправки смазывающей жидкости внутренней полости ведомой полумуфты выполнено сверху. Заправочное отверстие внутренней полости устройства ведомой полумуфты и устройства преобразования механической энергии в электрическую содержит заправочное и дренажное отверстия, выполненные на боковой поверхности корпуса и заглушенные пробками. Электрогенератор содержит компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с полостью ведущей полумуфты. Электрический разъем может быть выполнен коаксиальным и установлен на заднем торце защитного корпуса.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:
на фиг.1 приведена схема электрогенератора,
на фиг.2 приведена схема торцевой магнитной муфты,
на фиг.3 приведена схема цилиндрической магнитной муфты,
на фиг.4 приведены гидротурбина и компенсаторы давления и температурного расширения.
Электрогенератор питания скважинного прибора (фиг1…3) установлен в колонне бурильных труб или в обсадной колонне 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.
Электрогенератор 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 устройства предобразования механической энергии в электрическую 8. Между ротором 4 и устройством преобразования механической энергии в электрическую 8 установлена магнитная муфта 9.
Магнитная муфта 9 содержит ведущую и ведомую полумуфты 10 и 11 с постоянными магнитами 12 и герметичной перегородкой 13 между ними, имеющей магнитопроницаемые части 14. При этом возможны два варианта исполнения магнитной муфты 9: торцевая муфта (фиг.2) и цилиндрическая муфта (фиг.3).
Устройство преобразования механической энергии в электрическую 8 содержит соединенное с ведомой полумуфтой 11 посредством вала 15 водило 16 с осью 17, на которой установлены с возможностью вращения ролики 18. Роликов 18 может быть выполнено или два для компенсации центробежных сил или несколько пар для увеличения мощности, вырабатываемой электрогенератором. Под роликами 18 установлен пьезоэлектрический пакет 19. Пьезоэлектрических пакет 19 содержит несколько биморфных пьезоэлектрических колец 20, которые установлены друг на друга внутри защитного корпуса 1 с радиальным зазором относительно него и на втулке 21 и разделены друг от друга по периметру гибкими кольцами 22, передающими деформацию, а по внутреннему диаметру - электроизолирующими кольцами 23. Втулка 21 должна быть выполнена из электроизоляционного материала (или из металла с электроизоляционным покрытием). Под пьезоэлектрическим пакетом 19 установлено опорно-контактное кольцо 24, к которому подсоединен один из проводов 7, а под ним установлена изолирующая прокладка 25 для электрической изоляции всего пакета биморфных пьезоэлектрических пластин 19 от защитного корпуса 1. Соединение биморфных пьезоэлектрических колец 20 между собой может быть выполнено последовательно, параллельно или последовательно-параллельно, в зависимости от требуемого напряжения. Полость 26 ведущей полумуфты 10 изолирована от общей полости 27 ведомой полумуфты и устройства преобразования механической энергии в электрическую 8.
В перегородке 29 выполнено отверстие 28 для облегчения заправки полости 27 смазывающей жидкостью. Полость 27 выполнена абсолютно герметичной, т.е. без применения уплотнений и полностью заполнена смазывающей жидкостью с хорошими электроизоляционными свойствами. Для заполнения этой полости смазывающей жидкостью предусмотрены отверстия 30 и 31, заглушенные соответственно пробками 32 и 33. Отверстие 30 выполнено для заправки смазывающей жидкости, а отверстие 31 - для дренажа воздуха из полостей 26 и 27 при заправке смазывающей жидкости.
Для заполнения смазывающей жидкостью внутренней полости 26 предусмотрено осевое отверстие 34, выполненное в роторе 4 и заглушенное винтом 35.
Ротор 4 установлен на подшипнике 36, который защищен уплотнением 37.
Для компенсации расхода смазывающей жидкости, температурных расширений и переменного давления в скважине предусмотрен, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения 38, выполненный в передней части корпуса 1 электрогенератора (фиг.4). Наиболее целесообразно выполнить 2…8 компенсаторов давления и температурного расширения и разместить их внутри защитного корпуса 1 со стороны гидротурбины 5, так как в компенсации нуждается только полость 26, а полость 27 выполнена абсолютно герметично, полностью заполнена смазывающей жидкостью и не нуждается в компенсации при условии выполнения стенок защитного корпуса достаточной толщины или за счет применения смазывающей жидкости, имеющей такой же линейный температурный коэффициент расширения, что и у материала защитного корпуса 1.
Каждый компенсатор давления и температурного расширения 38 содержит компенсационный поршень 39, установленный и уплотненный относительно защитного корпуса 1. Полость 40 (фиг.2…4) под компенсационным поршнем 39 отверстием (отверстиями) 41 соединена с полостью 26 ведущей полумуфты 10, а полость 42 над компенсационным поршнем 39 соединена отверстием (отверстиями) 43 с окружающей средой для компенсации изменения давления и температурного расширения смазывающей жидкости. Поршень 39 подпружинен пружиной 44 в сторону ведущей полумуфты (фиг.2…4).
При работе электрогенератора (фиг.1) буровой раствор проходит через гидротурбину 5, которая начинают вращаться с ротором 4 и ведущей полумуфтой 10. Магнитный поток проходит через мегнитопроводящие части 14 и приводит во вращение ведомую полумуфту 11. Ведомая полумуфта 11 приводит во вращение водило 17 с осью 17. При этом ролики 18 вращаются и перекатываются по гибким кольцам 22, деформируют биморфные пьезоэлектрические кольца 20, в которых возникает электрический ток. По проводам 7 электрический ток подается на электрический разъем 6. Один из проводов 7 может быть проложен внутри пустотелой оси 23. Выводы проводов герметизированы компаундом. При изменении объема смазывающей жидкости в полости 23 про любой причине осуществляется соответствующее перемещение компенсационного поршня 37. Вследствие этого внутри полости 26 всегда поддерживается давление на 2…4 атм больше, чем давление окружающей среды. Это препятствует проникновению абразивных частиц, содержащихся в буровом растворе, внутрь полости 26. Если применено несколько компенсаторов давления и температурного расширения 38, то при засорении одного из отверстий 41 (или нескольких, если применено 4…8 компенсаторов давления и температурного расширения 38), остальные компенсаторы давления и температурного расширения 38 будут выполнять свою функцию. Это значительно повышает надежность электрогенератора и его ресурс.
Применение изобретения позволило:
1. Значительно уменьшить диаметральные габариты и вес электрогенератора.
2. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах электрогенератора.
3. Значительно увеличить ресурс работы подшипника за счет уменьшения диаметра ротора до минимально-возможного.
4. Уменьшить дисбаланс ротора электрогенератора за счет уменьшения его диаметра и длины.
5. Повысить надежность электрогенератора за счет полной герметизации его полости и за счет выполнения уплотнения полости ведомой полумуфты по относительно небольшому диаметру ротора.
6. Упростить конструкцию электрогенератора за счет отказа от применения обмоток возбуждения и постоянных магнитов и унификации основных деталей, предназначенных для выработки электроэнергии (биморфных пьезоэлектрических колец).
7. Упростить и облегчить электрический монтаж проводов, т.к. провода соединяют невращающиеся биморфные пьезоэлектрические кольца с электрическим разъемом на защитном корпусе и проходят внутри защитного корпуса, надежно изолированы от металлических деталей, что исключает их повреждение при монтаже и в работе.
8. Улучшить ремонтопригодность автономного электрогенератора за счет предельно простой конструкции, минимального числа деталей и простой конфигурации всех деталей и их унификации.