СКВАЖИННЫЙ ГЕНЕРАТОР
BOREHOLE GENERATOR

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для генератора, устанавливаемого в скважину и предназначенного, например, для питания скважинного прибора. Энергию промывочной жидкости генератор преобразует 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 надежность обмоток возбуждения, недостаточная мощность электрогенератора при его ограниченных диаметральных габаритах.
Задачи его создания - упрощение конструкции, повышение мощности при уменьшении осевых 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 и обмотки возбуждения, ротор содержит несколько дисков со сквозными радиальными пазами, в которых установлены постоянные магниты, при этом полюса постоянных магнитов направлены параллельно оси генератора и чередуются, обмотки возбуждения установлены по обе стороны каждого диска, полость генератора заполнена смазывающей жидкостью, на верхнем торце ротора выполнено отверстие для заправки смазывающей жидкости в полость генератора, генератор содержит, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с полостью генератора.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1-5, где
на фиг.1 представлен генератор,
на фиг.2 представлено устройство компенсации давления и температурного расширения в исходном положении,
на фиг.3 представлен диск с постоянными магнитами,
на фиг.4 представлена схема установки постоянных магнитов в дисках,
на фиг.5 приведена конструкция контейнера обмок возбуждения.
Скважинный генератор (фиг.1-5) установлен в колонне бурильных труб или в обсадной колонне (на фиг.1-5 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 высоковольтные провода 7 от обмоток возбуждения 8.
Ротор генератора 4 содержит, по меньшей мере, один диск 9 с установленными в радиальных прорезях 10 постоянными магнитами 11 (фиг.3 и 4). Обмотки возбуждения 8 установлены в герметичных контейнерах 12 (фиг.12), выполненных из магнитопроницаемого материала. Их внутренние полости залиты компаундом. Ротор 4 установлен на подшипниках 13 и 14, подшипник 13 защищен уплотнениями 15. Для заполнения смазывающей жидкостью полости 16 предусмотрено осевое отверстие 17, выполненное в роторе 4 и заглушенное винтом 18.
Для компенсации расхода смазывающей жидкости, температурных расширений и переменного давления в скважине предусмотрен, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения 19 (фиг.1 и 2), выполненный в передней части защитного корпуса 1 генератора (фиг.2). Наиболее целесообразно выполнить 2…8 компенсаторов давления и температурного расширения 19 и разместить радиально внутри защитного корпуса 1 со стороны гидротурбины 5, так как в компенсации нуждается полость 16. Каждый компенсатор давления и температурного расширения 19 содержит компенсационный поршень 20, установленный и уплотненный относительно защитного корпуса 1. Полость 21 под компенсационным поршнем 20 отверстием (отверстиями) 22 соединена с полостью 16, а полость 23 над компенсационным поршнем 20 соединена отверстием (отверстиями) 24 с окружающей средой для компенсации изменения давления и температурного расширения смазывающей жидкости. Компенсационный поршень 20 подпружинен пружиной 25 в сторону продольной оси генератора.
В защитном корпусе 1 выполнены отверстия 26 для прокладки проводов 7, залитые компаундом.
При работе генератора (фиг.1) буровой раствор проходит через гидротурбину 5, которая начинают вращаться с ротором 4. Ротор 4 приводит в действие диски 1 с постоянными магнитами 11. Магнитный поток пересекает обмотки возбуждения 18 и в них возникает электрический ток, который по проводам 7 поступает на электрический разъем 6.
При изменении объема смазывающей жидкости в полости 16 (фиг.1) по любой причине осуществляется соответствующее перемещение компенсационного поршня 20. Вследствие этого внутри полости 16 всегда поддерживается давление на 2…5 атм больше, чем давление окружающей среды. Это препятствует проникновению абразивных частиц, содержащихся в буровом растворе, внутрь полости 16. Если применено несколько компенсаторов давления и температурного расширения 19, то при засорении одного из отверстий 22 (или нескольких отверстий 22, если применено 4…8 компенсаторов давления и температурного расширения 19) остальные компенсаторы давления и температурного расширения 19 будут выполнять свою функцию, даже при работе одного из них. Это значительно повышает надежность генератора и его ресурс.
Применение изобретения позволило:
1. Увеличить мощность генератора за счет применения обмоток возбуждения с двух сторон от постоянных магнитов.
2. Упростить конструкцию генератора за счет применения унифицированных деталей простой конструкции (дисков).
3. Значительно увеличить ресурс работы подшипников за счет уменьшения диаметра ротора до минимально возможного.
4. Уменьшить дисбаланс ротора генератора за счет унификации и простоты конструкции основных деталей ротора - дисков. На роторе закреплены только гидротурбина и диски.
5. Улучшить ремонтопригодность генератора за счет простоты конструкции.
6. Обеспечить надежную компенсацию изменения давления и температуры окружающей среды и смазывающей жидкости.