ГЕНЕРАТОР ПИТАНИЯ СКВАЖИННОЙ АППАРАТУРЫ
GENERATOR OF POWER SUPPLY FOR BOREHOLE EQUIPMENT

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°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, содержащий защитный 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. Заправочное устройство выполнено в виде клапана, установленного в канале штока, закрытом пробкой. Заправочное устройство выполнено в виде клапана, установленного в канале штока, закрытом пробкой.
Недостатки: недостаточная мощность электрогенератора при ограниченных диаметральных габаритах.
Известен генератор питания скважинной аппаратуры по патенту РФ № 2333353, прототип. Этот генератор содержит защитный корпус, по меньшей мере, один узел крепления, неподвижную ось, ротор, соединенный с гидротурбиной, постоянные магниты, обмотку возбуждения и электрический разъем.
Недостатки: низкая мощность генератора из-за того, что частота вращения ротора небольшая 500…1000 об/мин. Увеличение частоты вращения ротора за счет применения мультипликатора приведет к увеличению его веса и габаритов.
Задачи его создания: повышение мощности при уменьшении диаметральных габаритов и веса генератора.
Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что генератор питания скважинной аппаратуры, содержащий защитный корпус, по меньшей мере, один узел крепления, неподвижную ось, ротор, соединенный с гидротурбиной, постоянные магниты, обмотку возбуждения и электрический разъем, отличается тем, что постоянные магниты установлены на неподвижной оси, обмотка возбуждения установлена внутри защитного корпуса, ротор выполнен из чередующихся магнитопроницаемых и магнитонепроницаемых элементов и установлен между неподвижной осью и обмотками возбуждения. Гидротурбина установлена в передней части генератора. На защитном корпусе выполнено два узла крепления, обеспечивающих прохождение бурового раствора, при этом внутри первого узла крепления установлены лопатки, раскручивающие поток бурового раствора после гидротурбины. Провода от обмотки к электрическому разъему проходят через отверстия, выполненные в защитном корпусе. Внутренняя полость заполнена смазывающей жидкостью. В нижней части защитного корпуса выполнено дренажное отверстие, закрытое пробкой. Отверстие для заправки смазывающей жидкости выполнено сверху, а электрический разъем снизу. Электрический разъем выполнен коаксиальным.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…3, где:
на фиг.1 приведен сборочный чертеж генератора,
на фиг.2 приведен разрез А-А,
на фиг.3 приведен вид Б.
Генератор питания скважинной аппаратуры (фиг.1…3) содержит защитный корпус 1, по меньшей мере, один узел крепления, предназначенный для установки в колонне бурильных труб. Для примера приведен генератор с двумя узлами крепления 2 и 3. Кроме того, генератор содержит неподвижную ось 4 и ротор 5, соединенный с гидротурбиной 6, постоянные магниты 7, обмотку возбуждения 8 и электрический разъем 9. При этом постоянные магниты 7 установлены на неподвижной оси 4, обмотка возбуждения 8 установлена внутри защитного корпуса 1, ротор 5 выполнен из чередующихся магнитопроницаемых и магнитонепроницаемых элементов, соответственно 10 и 11, и установлен между неподвижной осью 4 и обмоткой (обмотками) возбуждения. 8. Ротор 5 установлен на подшипниках 12 и 13. Подшипник 12 уплотнен уплотнением 14.
Гидротурбина 6 может быть установлена в передней части генератора. На защитном корпусе 1 может быть выполнено два узла крепления 2 и 3, обеспечивающих прохождение бурового раствора, при этом внутри первого узла крепления 2 установлены раскручивающие лопатки 15, раскручивающие поток бурового раствора после гидротурбины 6. Провода 16 от обмотки возбуждения 8 к электрическому разъему 9 проходят через отверстия 17, выполненные в защитном корпусе 1. Внутренняя полость 18 генератора заполнена смазывающей жидкостью. В нижней части защитного корпуса 1 выполнено дренажное отверстие 19, закрытое пробкой 20. Отверстие для заправки смазывающей жидкости 21 выполнено сверху и заглушено винтом 22. Электрический разъем 9 выполнен снизу. Электрический разъем 9 может быть выполнен коаксиальным.
При работе генератора буровой раствор проходит через гидротурбину 6, которая начинает вращаться с ротором 5, имеющим чередующиеся магнитопроницаемые и магнитонепроницаемые элементы, соответственно 10 и 11, которые вращаются и, пересекая магнитные поля, создаваемые постоянными магнитами 7, создают переменные магнитные поля, которые воздействуют на обмотку возбуждения 8, в которой возникает электрический ток. После гидротурбины 6 буровой раствор проходит через раскручивающие лопатки 15.
Предложенная конструкция позволит упростить сборку генератора, увеличить частоту вырабатываемого тока, его напряжение и силу тока и, как следствие, мощность. 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 для бурильных и обсадных колонн малого диаметра. Применение проводов для передачи электрической энергии, размещенных в отверстиях 17 защитного корпуса 1, позволит вывести значительную мощность без использования скользящих токосъемников. Генератор 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 не критично, в отличие от ограничений по диаметру. Диаметр компоновки: генератор-скважинный прибор строго ограничен диаметром колонны. Электроэнергия по проводам 16 передается от обмотки возбуждения 8 к электрическому разъему 9. Электрический разъем 9 предпочтительно выполнить коаксиальным, это позволит отказаться от угловой ориентации электрогенератора внутри колонны бурильных или обсадных труб при его стыковке со скважинным прибором (на фиг.1…3 скважинный прибор не показан). Генератор оборудован компенсатором давления (компенсатор давления на фиг.1…3 не показан).
Применение изобретения позволило:
1. Увеличить напряжение, силу тока, частоту, а следовательно, мощность на электрических выводах электрогенератора за счет применения ротора и чередующихся магнитопроницаемых и магнитонепроницаемых элементов.
2. Уменьшить габариты генератора при постоянной мощности.
3. Упростить конструкцию электрогенератора.
4. Упростить сборку и разборку электрогенератора за счет выполнения модульной конструкции и применения коаксиального электрического разъема.
5. Упростить и облегчить электрический монтаж проводов, т.к. провода соединяют невращающиеся обмотки возбуждения с электрическим разъемом на защитном корпусе и проходят внутри защитного корпуса, что исключает их повреждение при работе.
6. Решить проблему с разгрузкой значительной осевой силы.
7. Улучшить ремонтопригодность генератора за счет предельно простой конструкции, минимального числа деталей и простой конфигурации всех деталей.