скважинный генератор

Формула изобретения

1. Скважинный генератор, содержащий защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной и постоянными магнитами и обмотку возбуждения, неподвижно установленную во внутренней полости защитного корпуса, отличающийся тем, что между постоянными магнитами и обмоткой возбуждения выполнена герметичная магнитопроницаемая перегородка, к ротору прикреплен диск, а магнитопроницаемая перегородка содержит магнитопроницаемые части, при этом генератор содержит, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, имеющий компенсационный поршень, установленный и уплотненный относительно защитного корпуса, причем полость под компенсационным поршнем отверстиями соединена с полостью, в которой размещен ротор, а полость над компенсационным поршнем соединена отверстиями с окружающей средой, при этом компенсационный поршень подпружинен пружиной в сторону, противоположную от гидротурбины, для создания избыточного давления в полости, в которой размещен ротор.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты установлены на торце диска, а магнитопроницаемая перегородка выполнена радиальной.

3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты установлены на цилиндрической поверхности диска, а магниопроницаемая перегородка выполнена цилиндрической.

4. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что на верхнем торце ротора выполнено отверстие для заправки смазывающей жидкости в полость ротора.

5. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что обмотка возбуждения и электрический разъем соединены проводами, проходящими через отверстия, выполненные в защитном корпусе и залитые компаундом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для генератора, устанавливаемого в скважину и предназначенного, например, для питания скважинного прибора. 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 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, обуслоленная низкой надежность обмоток возбуждения, и низкая надежность, из-за неблагоприятных условий работы обмотки возбуждения.

Задачи его создания - упрощение конструкции, повышение мощности при уменьшении диаметральных 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 и постоянными магнитами и обмотку возбуждения, неподвижно установленную во внутренней полости защитного корпуса, тем, что согласно изобретению между постоянными магнитами и обмоткой возбуждения выполнена герметичная магнитопроницаемая перегородка. К ротору прикреплен диск. Постоянные магниты могут быть установлены на торце диска, а магнитопроницаемая перегородка выполнена радиальной. Постоянные магниты могут быть установлены на цилиндрической поверхности диска, а магниопроницаемая перегородка выполнена цилиндрической. Магнитопроницаемая перегородка может содержать магнитопроницаемые части. На верхнем торце ротора может быть выполнено отверстие для заправки смазывающей жидкости в полость ротора. Генератор может содержать, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с полостью ведущей полумуфты. Обмотка возбуждения и электрический разъем могут быть соединены проводами, проходящими через отверстия, выполненные в защитном корпусе и залитые компаундом.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и 2, где на фиг.1 представлен первый вариант генератора, на фиг.2 представлен второй вариант генератора,

Скважинный генератор (фиг.1 и 2) установлен в колонне бурильных труб или в обсадной колонне (на фиг.1 и 2 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.

Электрогенератор содержит ротор 4 с гидротурбиной 5. Гидротурбина 5 имеет наклонно установленные плоские лопатки, установленные под углом 20 60° к оси.

Защитный корпус 1 имеет в нижней части электрический разъем 6, к которому подсоединены высоковольтные провода 7, соединяющие электрический разъем 6 с обмоткой (обмотками) возбуждения 8. Обмотка возбуждения 8 неподвижно установлена во внутренней герметичной полости 9 защитного корпуса 1. Генератор содержит постоянные магниты 10, определенным образом связанные с ротором 4, и герметичную магнитопроницаемую перегородку 11 между обмоткой возбуждения 8 и постоянными магнитами 10. Магнитопроницаемая перегородка 11 может иметь магнитопроницаемые части 12, а в целом выполнена из прочной стали. Ротор 4 установлен на подшипниках 13 и 14. Подшипник 13 со стороны гидротурбины защищен уплотнением 15 для предотвращения утечки смазывающей жидкости из полости 16, в которой размещен ротор 4 и которую невозможно выполнить абсолютно герметичной. Установка подшипника 14 в скважинном генераторе не обязательна при хорошей балансировке ротора 4 и гидротурбины 5.

Для заполнения смазывающей жидкостью полости 16 предусмотрено осевое отверстие 17, выполненное в роторе 4, в его верхней части, и заглушенное винтом 18.

Для компенсации расхода смазывающей жидкости, температурных расширений и переменного давления в скважине должен быть предусмотрен, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения 19 (фиг.2 и 3), выполненный в передней части защитного корпуса 1 генератора (фиг.2). Наиболее целесообразно выполнить 2 8 компенсаторов давления и температурного расширения 19 небольших габаритов и разместить их внутри защитного корпуса 1 со стороны гидротурбины 5, так как в компенсации нуждается только полость 16, а внутренняя полость 9 выполнена герметичной и может быть заполнена инертным газом или неэлектропроводной компенсаторной жидкостью, или компаундом и не нуждается в компенсации при условии выполнения стенок защитного корпуса 1 достаточной толщины для противодействия гидростатическому давлению в скважине 600 1000 атм.

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, противоположную от гидротурбины 5, для создания избыточного давления в полости 16. Это исключит попадания бурового раствора, содержащего абразивные частица, внутрь полости 16.

К ротору 4 прикреплен диск 26, на торце которого радиально установлены постоянные магниты 10. При этом магнитопроницаемая перегородка 11 выполнена радиальной (фиг.1).

Возможен вариант исполнения генератора (фиг.2), в котором на диске 16 закреплена цилиндрическая часть 26, на которой установлены постоянные магниты 10. При этом магнитопроницаемая перегородка 11 выполнена цилиндрической и соединена с внутренним торцом 27 защитного корпуса 1 и внутренней перегородкой 28 с образованием внутренней герметичной полости 9. На боковой поверхности защитного корпуса 1 выполнено дренажное отверстие 29, закрытое пробкой 30, предназначенное для выпуска воздуха при заправке полости 16 смазывающей жидкостью. Для вывода проводов 7 предназначены отверстия 31, залитые компаундом после монтажа проводов 7, это также способствует полной герметизации внутренней герметичной полости 9, в которой находится обмотка (обмотки) возбуждения 8.

При работе генератора (фиг.1 и 2) буровой раствор проходит через гидротурбину 5, которая начинает вращаться с ротором 4 и диском 26. Магнитный поток проходит через магнитопроницаемую перегородку 11 (или ее магнитопроницаемые части 12) и возбуждает электрический ток в обмотке возбуждения 8. Полученное напряжение по проводам 7 передается на электрический разъем 6.

При изменении объема смазывающей жидкости в полости 16 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 внутри 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 только одного из них. Это значительно повышает надежность генератора и его ресурс.

Применение изобретения позволило:

1. Упростить конструкцию генератора и повысить его надежность за счет применения неподвижных обмоток возбуждения и их размещения в абсолютно герметичной полости.

2. Значительно увеличить ресурс работы подшипников за счет уменьшения диаметра ротора до минимально возможного.

3. Уменьшить дисбаланс ротора генератора за счет уменьшения его диаметра и длины. На роторе закреплены только гидротурбина и диск.

4. Упростить конструкцию генератора.

5. Уменьшить осевые габариты генератора, особенно при радиальном расположении постоянных магнитов на торце диска (фиг.1).

6. Улучшить ремонтопригодность генератора за счет выполнения обмоток возбуждения неразборными и заполнения полости, в которой они установлены, инертным газом или неэлектропроводной жидкостью, или компаундом.