устройство для уплотнения вала ротора скважинных приборов

Формула изобретения

1. Устройство для уплотнения вала ротора скважинных приборов, содержащее герметичный полый статор с обмотками, внутри которого установлен ротор на подшипниках, защищенный на выходе из статора скользящим подпружиненным торцовым уплотнением, корпус которого выполнен с ослабляющей проточкой, внутри которой помещена фигурная прокладка из упругого материала, отличающееся тем, что подпружиненное торцовое уплотнение выполнено в виде двух функционально равнозначных отдельных частей, корпуса которых установлены кромками друг к другу и разделены дополнительными уплотнительными элементами, при этом одна часть подпружиненного торцового уплотнения, подвижная в осевом направлении, расположена на соединительной втулке, установленной на валу ротора с зазором, а ослабляющая проточка указанной части образует с ее корпусом дополнительный буртик, воспринимающий давление внутри скважинного прибора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительные уплотнительные элементы между частями подпружиненного торцового уплотнения выполнены в виде двух кольцевых манжет, выполненных, например, из твердого сплава.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пружины равнозначных частей торцового уплотнения тарированы на одну нагрузку.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области геофизических исследований бурящихся нефтегазовых скважин и может быть использовано в силовых электрических машинах, обеспечивающих электроэнергией автономные скважинные навигационные и геофизические приборы, используемые в процессе бурения.

Известен турбогенератор, представляющий собой электрическую машину переменного тока на постоянных магнитах, использующую для привода энергию потока промывочной жидкости в процессе бурения.

(Разработка методики и аппаратуры каротажа в процессе бурения для системы АГИС: Отчет ОКР. / ВНИИГИС; Рук. Молчанов А.А. - №: ГР 77013469 - Октябрьский, 1979. - 74 стр.)

Турбогенератор содержит прочный корпус, внутри которого закреплен герметичный кожух, несущий на себе все элементы конструкции. Внутри кожуха размещен статор, внутри которого вращается ротор, вал которого установлен на трех шарикоподшипниках и уплотняется на выходе торцовым уплотнителем. Для улучшения условий работы уплотнения и для разгрузки подшипников от гидростатического скважинного давления генератор выполнен маслонаполненным, а уплотняющий элемент торцового уплотнения установлен с возможностью осевого перемещения и снабжен пружиной.

На валу консольно закреплена втулка, несущая на себе две статорные секции стандартной турбины. Статоры турбины закреплены в обойме неподвижно относительно кожуха генератора.

Во внутренней полости втулки выполнен поршневой компенсатор, через который скважинное давление передается внутрь генератора. Поршень подпружинен таким образом, что давление внутри генератора несколько выше, чем наружное. Перемещение поршня во втулке компенсирует температурные изменения объема масла.

При работе в скважинных условиях одной из причин отказов турбогенераторов является износ кольцевых и торцовых уплотнений из-за тяжелых режимов работы (перепад давления, вибрация, высокая температура), приводящих к выдавливанию защитного маслонаполнителя промывочной жидкостью и попаданию ее внутрь генератора, что является причиной электрического пробоя статорных обмоток.

При резком увеличении внешнего давления пружина торцового уплотнения может не скомпенсировать скачок давления, и уплотнитель торцового уплотнения отойдет от уплотняющей кромки. В этом случае происходит разгерметизация внутреннего объема и, как следствие, - электрический пробой статорных обмоток, что приводит к уменьшению ресурса работы. Таким образом, недостатками известного генератора являются низкая надежность и невысокий ресурс его работы.

Известно также устройство генератора переменного тока для питания автономных забойных геофизических и навигационных комплексов в процессе бурения (патент РФ №2170348; Е 21 В 47/022, приоритет 07.04.2000 г.).

Устройство содержит герметичный статор, установленный на неподвижном полом валу, ротор, установленный на подшипниках, закрепленных на неподвижном полом валу и защищенных уплотняющими устройствами, и выполненный в виде внешнего корпуса, с внешней стороны которого установлены рабочие лопатки турбины, а с внутренней стороны установлены постоянные магниты, и установленные на валу электрические разъемы; одно из уплотняющих устройств снабжено пружиной и установлено с возможностью осевого перемещения для обеспечения компенсации давления и температурного расширения смазывающей жидкости, находящейся в подшипниковых узлах и в зазоре между статором и ротором, при этом электрические разъемы расположены с двух сторон вала, а рабочие лопатки установлены по краям корпуса. Герметичный статор может быть выполнен в монолите из неэлектропроводного и немагнитного материала, например, стеклопластика.

При погружении устройства в скважину в процессе бурения или спускоподъемных операциях и, соответственно, изменении температуры и давления окружающей среды изменяется объем масла и меняется положение уплотняющего устройства до выравнивания внутреннего и внешнего давления сред с некоторым превышением внутреннего давления.

Поскольку конструкция торцового уплотнения аналогична устройству, раскрытому в отчете ВНИИГИС, то ему присущи те же недостатки.

Таким образом, недостатком известного турбогенератора является недостаточная надежность торцового уплотнения, что уменьшает ресурс работы турбогенератора в скважинных условиях.

Целью предлагаемого устройства является повышение надежности торцового уплотнения вала ротора и увеличение ресурса работы скважинных приборов, например, электрической машины за счет сохранения герметичности внутри корпуса статора с обмотками.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для уплотнения вала ротора скважинных приборов, содержащем герметичный полый статор с обмотками, внутри которого установлен ротор на подшипниках, защищенный на выходе из статора скользящим подпружиненным торцовым уплотнением, корпус которого выполнен с ослабляющей проточкой, внутри которой помещена фигурная прокладка из упругого материала, подпружиненное торцовое уплотнение выполнено в виде двух функционально равнозначных отдельных частей, корпуса которых установлены кромками друг к другу и разделены дополнительными уплотнительными элементами. При этом одна часть подпружиненного торцового уплотнения, подвижная в осевом направлении, расположена на соединительной втулке, установленной на валу ротора с зазором, а ослабляющая проточка указанной части образует с ее корпусом дополнительный буртик, воспринимающий давление внутри скважинного прибора.

Кроме того, дополнительные уплотнительные элементы между частями подпружиненного торцового уплотнения выполнены в виде двух кольцевых манжет, выполненных, например, из твердого сплава, а пружины равнозначных частей торцового уплотнения тарированы на одну нагрузку.

На чертеже представлена конструкция скважинного турбогенератора, который представляет собой электрическую машину, использующую для привода энергию потока промывочной жидкости.

Внутри герметичного корпуса 1 помещен статор с обмотками 2, внутри которого расположен ротор 3, вращающийся на подшипниках 4 и уплотняющийся на выходе из статора подпружиненным торцовым уплотнением, состоящим из двух функционально равнозначных отдельных частей 5 и 6, на корпусах которых имеются пружины 7 и 8.

Причем указанные корпуса имеют ослабляющие проточки, в которых размещены фигурные прокладки 9 и 10, выполненные из упругого материала, например, резины. Между корпусами 5 и 6 помещены дополнительные уплотнительные элементы 11 и 12. На валу ротора 2 установлена соединительная втулка 13, имеющая выступ 14, на котором с зазором 15 установлен корпус 6 одной части торцового уплотнения, который установлен с возможностью осевого перемещения. При этом его ослабляющая проточка образует с корпусом 6 буртик 16, воспринимающий внутриприборное давление.

Ротор 3 вращается под действием гидротурбины 17, воспринимающей движение потока промывочной жидкости в скважине. Дополнительные уплотнительные элементы 11 и 12 могут быть выполнены в виде двух кольцевых манжет, выполненных, например, из твердого сплава.

Фигурные прокладки 9 и 10, помещенные внутри ослабляющих проточек в корпуса 5 и 6, могут иметь форму коромысел или клина и выполнены, например, из резины.

Пружины 7 и 8 тарированы на одну нагрузку.

Устройство работает следующим образом.

При прокачке промывочной жидкости вращается ротор 3 с магнитами, магнитное поле которых индуцирует возникновение переменного тока в обмотках статора 2, который через электроразъемы подается к электрической схеме скважинного прибора (на чертеже не показано).

Герметичность внутри корпуса со статорными обмотками обеспечивает двойное подпружиненное торцовое уплотнение из двух частей.

Ротор 3 вращается под действием гидротурбины 17, воспринимающей движение промывочной жидкости в скважине. Поскольку на устье скважины используют поршневые насосы, то происходит неравномерная подача промывочной жидкости в скважину, в результате торцовое уплотнение на валу испытывает разнопеременные нагрузки давления.

В случае повышения давления в корпусе 1 одна часть 6 торцового уплотнения, установленная с возможностью осевого перемещения, не дает открываться зазору между уплотняющими кольцами 11 и 12 за счет усилия пружины 8, которая раздвигает стенки корпуса 6, а буртик 16, воспринимающий давление внутри корпуса 6, способствует поджатию колец 11 и 12.

В случае повышения наружного давления часть 5 торцового уплотнения с пружиной 7 будет поджиматься к части 6 и уплотнять кольца 11 и 12.

Таким образом, при любом изменении давления будет работать соответствующая часть торцового уплотнения, а уплотнительные кольца 11 и 12 будут надежно герметизировать корпус электрической машины (турбогенератора).

Уплотнительные кольца 11 и 12 выполнены из твердого сплава, что повышает их износостойкость.

Использование уплотнения из двух частей позволяет увеличить ресурс работы за счет надежного перекрытия доступа скважинной жидкости внутрь генератора к статорным обмоткам.

Для плавности работы торцового уплотнения пружины 7 и 8 тарированы на одну нагрузку.