Турбогенератор для питания скважинной аппаратуры
TURBINE GENERATOR FOR POWERING DOWNHOLE EQUIPMENT

Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано для питания автономных забойных геофизических и навигационных комплексов.
Известен турбогенератор для питания скважинной аппаратуры по патенту RU 2184225, опубл. 27.06.2002, содержащий внешний ротор с корпусом и рабочими лопатками турбины, внутренний статор с обмоткой, выполненный на оси, обмотка залита герметичным неэлектропроводным материалом, устойчивым к абразивному износу, внешний ротор установлен на подшипниках скольжения, внутренние рабочие поверхности подшипников скольжения выполнены из эластичного материала, например резины, со сквозными каналами и смонтированы на съемных втулках с буртиками, а втулки закреплены на оси, причем верхний подшипник скольжения закрыт с торца обтекателем с образованием кольцевого зазора между ним и корпусом. Между нижним подшипником скольжения и опорой генератора может быть установлена коническая резиновая втулка. Сквозные каналы могут иметь в поперечном сечении форму многоугольника. Рабочие лопатки турбины установлены с обеих сторон корпуса с образованием двух рабочих ступеней турбины. На корпусе между первой и второй рабочими ступенями турбины могут быть выполнены два ряда окон.
Недостатками этого турбогенератора являются его низкая надежность, обусловленная тем, что буровой раствор, в котором содержатся абразивные частицы, проходя в узком зазоре между статором и ротором, может вызвать заклинивание ротора, а также низкий рабочий ресурс вследствие быстрого износа верхней и нижней пар подшипник скольжения-втулка и конической резиновой втулки.
Известен турбогенератор для питания скважинной аппаратуры по патенту RU 128656, опубл. 27.05.2013, содержащий внешний ротор с корпусом и рабочими лопатками турбины, внутренний статор с обмоткой, выполненный на оси, внешний ротор установлен на подшипниках скольжения, отличающийся тем, что обмотка статора размещена в герметичном корпусе, на наружной поверхности которого выполнены винтовые канавки, а на внутренней поверхности ротора, между подшипниками, выполнены продольные канавки, проходящие между магнитами.
Недостатками известного турбогенератора являются низкая надежность и снижение рабочего ресурса, обусловленные тем, что при вращении внешнего ротора на него действует прижимная сила, обусловленная давлением бурового раствора на рабочие лопатки турбины, что приводит к интенсивному износу торцевой части верхнего подшипника скольжения, опирающегося на выступ статора. Износ подшипника влечет увеличение зазора между ротором и статором и приводит к снижению технических характеристик турбогенератора.
Технической проблемой, которую решает настоящее изобретение, является улучшение механического сопряжения ротора со статором и условий для самоочистки внутреннего пространства турбогенератора за счет введения в конструкцию турбогенератора постоянных магнитов, образующих магнитный подвес, и антифрикционной шайбы.
Техническим результатом является повышение надежности и рабочего ресурса турбогенератора за счет уменьшения трения между элементами конструкции, уменьшения износа вращающихся частей и динамической модуляции зазора для подачи бурового раствора между ротором и статором турбогенератора.
Поставленная техническая проблема решается за счет использования в турбогенераторе для питания скважинной аппаратуры, содержащем внешний ротор с корпусом и рабочими лопатками турбины, внутренний статор с обмоткой, выполненный на оси, причем внешний ротор установлен на верхнем и нижнем подшипниках скольжения, при этом верхний подшипник скольжения закрыт с торца обтекателем, обмотка статора размещена в герметичном корпусе, на наружной поверхности которого выполнены винтовые канавки, а на внутренней поверхности ротора, между подшипниками выполнены продольные канавки, проходящие между постоянными магнитами, установленными между внешним ротором и корпусом. Вместе с тем дополнительно установлены на верхнем подшипнике скольжения образующие магнитный подвес постоянные магниты, верхний из которых выполнен в форме кольца, а нижний представляет собой два магнитных полукольца, соединенных клеем и зафиксированных обечайкой. Верхний магнит размещен на нижнем торце верхнего подшипника скольжения, а нижний магнит - в поперечной канавке на наружной поверхности корпуса статора. Верхний магнит и нижний магнит обращены друг к другу одноименными полюсами.
Дополнительно на внутренней стороне обтекателя установлена шайба из антифрикционного материала. Антифрикционный материал представляет собой фторопласт или бериллиевую бронзу.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен продольный разрез турбогенератора; на фиг. 2 - поперечный разрез (сечение А-А) в плоскости верхнего магнита; на фиг. 3 - поперечный разрез (сечение Б-Б) в плоскости нижнего магнита; на фиг. 4 - поперечный разрез (сечение В-В) ротора турбогенератора.
Турбогенератор для питания скважинной аппаратуры содержит внешний ротор 1 и внутренний статор 2. Внешний ротор 1 состоит из корпуса 3 с рабочими лопатками 4 турбины. Обмотка внутреннего статора 2 размещена в герметичном корпусе статора 5, на наружной поверхности которого выполнены винтовые канавки 6. Между внешним ротором 1 и герметичным корпусом статора 5 имеется зазор, образующий канал 7, через который проходит буровой раствор, обеспечивающий смазку подшипников скольжения и охлаждение обмотки генератора. В турбогенераторе установлены подшипники скольжения: верхний 8 и нижний 9 (по направлению потока бурового раствора). Верхний подшипник скольжения 8 сверху закрыт с торца обтекателем 10 с образованием кольцевого зазора 11, связанного с каналом 7. Герметичный корпус статора 5 установлен на фланце турбогенератора 20, предназначенной для крепления турбогенератора к буровой колонне. Хвостовик 12 предназначен для крепления скважинной аппаратуры (не показана).
На внутренней поверхности корпуса ротора 3 закреплена втулка 13 из немагнитного материала, в которой размещены постоянные магниты 14. Между магнитами на втулке 13 размещены продольные канавки 15.
Между верхним подшипником скольжения 8 и корпусом статора 5 установлен верхний магнит 19, имеющий форму кольца и закрепленный на нижнем торце верхнего подшипника скольжения 8, например, с помощью клея.
В поперечной канавке 21 на наружной поверхности корпуса статора 5 установлен нижний магнит 16, состоящий из двух полуколец, склеенных между собой и зафиксированных обечайкой 17. Верхний магнит 19 и нижний магнит 16 обращены друг к другу одноименными полюсами.
На внутренней стороне обтекателя 10 установлена шайба 18 из антифрикционного материала, например, фторопласта, для уменьшения износа и демпфирования осевых вибрационных и ударных воздействий на ротор 1.
Турбогенератор для питания скважинной аппаратуры работает следующим образом. Буровой раствор, проходя между лопатками 4 ротора 1, приводит его во вращение. Часть бурового раствора через зазор 11 поступает в канал 7 и отбирает тепло, образующееся в подшипниках скольжения 8 и 9 и обмотке статора 2. Помимо канала 7 буровой раствор проходит через винтовые канавки 6 в корпусе статора 5 и продольные канавки 15 в роторе 1, что позволяет уменьшить зазор в канале 7 и максимально приблизить магниты 14 к корпусу 5. При попадании крупных частиц из бурового раствора в канал 7, они перемещаются винтовыми канавками 6 в продольные канавки 15 и выносятся наружу.
Для снижения трения между верхним подшипником скольжения 8 и корпусом статора 5 размещены два магнита - нижний 16 и верхний 19, образующие магнитный подвес, который создает для вращающегося ротора 1 левитирующий эффект. Благодаря этому резко уменьшается трение в области соединения ротора 1 со статором 2, значительно уменьшается износ подшипников скольжения, повышается надежность изделия в целом.
При выключенном насосе поток бурового раствора прекращается, турбина ротора 1 неподвижна, взаимное отталкивание магнитов 16 и 19 максимально и ротор 1 упирается в шайбу 18. В этом положении попадание крупных частиц бурового раствора из межтрубного пространства во внутренний канал 7 исключается. При включении насоса поток бурового раствора раскручивает турбину ротора 1 и одновременно создает осевое усилие на вращающийся ротор 1, направленное сверху вниз, которое отжимает ротор 1 от шайбы 18, модулируя таким образом кольцевой зазор 11. Вследствие этого уменьшается трение между шайбой 18 и ротором 1, а также увеличивается зазор между ними, что позволяет буровому раствору интенсивнее поступать в полость между ротором 1 и статором 2, обеспечивая охлаждение и смазку подшипников скольжения 8 и 9 и обмотки статора 2 турбогенератора. Модуляция кольцевого зазора в моменты пуска/остановки бурового насоса, а также при изменении расхода бурового раствора в процессе бурения приводит к более интенсивной очистке внутреннего пространства от мусора и крупных частиц бурового раствора, уменьшению вероятности заклинивания ротора.
За счет усовершенствования конструкции турбогенератора для питания скважинной аппаратуры решена техническая проблема уменьшения износа подшипников скольжения и других вращающихся частей турбогенератора, что позволяет увеличить ресурс и межремонтный интервал изделия, а также увеличена надежность работы турбогенератора за счет улучшения условий очистки внутреннего канала изделия от мусора и крупных частиц бурового раствора за счет динамической модуляции кольцевого зазора при манипуляциях буровым насосом.