RU2425973C1

RU2425973C1 - Bore-hole generator

Info

Publication number: RU2425973C1
Application number: RU2010106847/03A
Authority: RU
Inventors: Николай Борисович Болотин (RU); Николай Борисович Болотин
Original assignee: Николай Борисович Болотин
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2011-08-10

Abstract

FIELD: oil and gas industry. ^ SUBSTANCE: bore-hole generator is equipped with protective housing, electrical connection, at least one attachment fitting, rotor with hydraulic turbine, constant magnets, rotor of generator and excitation windings fixed inside protective housing. At that, magnets and excitation windings are made in circumferential direction and installed in cylindrical housings with central hole with alternation and axial gaps between them. Discs having radial slots in which magnetic permeable inserts are installed are fixed on generator rotor. At that, discs are installed between excitation windings and constant magnets. ^ EFFECT: simpler design, improved reliability and increased power of generator at decreased diametrical dimensions and weight of electric generator. ^ 8 cl, 7 dwg

Description

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.The invention relates to electric machines. Specifically, the invention is intended for a generator installed in a well and intended, for example, to power a downhole tool. The generator converts the energy of the flushing fluid into electrical energy, which is necessary to power the downhole navigation and geophysical instruments during drilling and the transmitter of the electromagnetic communication channel. For the telemetry system to work at great depths, an increase in the power of the transmitting device to 1 kW or more is required. To get more power with the small dimensions of the generator is very problematic.

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).A self-contained turbine unit (electric generator), also designed to supply electric energy to the telemetry system, containing a hydraulic turbine driven by a wash fluid stream, an oil-filled stator filled with an epoxy compound, and a rotor of an alternating current generator with permanent magnets located on the same shaft with a hydraulic turbine ( Molchanov A.A., Siraev A.X., “Borehole autonomous systems with magnetic recording”, M., Nedra, 1979, pp. 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.This generator consists of a stator located inside the unit and a six-pole annular magnetic rotor made from the outside. The rotor is also a casing for the working blades of a three-stage hydraulic turbine. In front of each stage of the working blades of the hydraulic turbine, in turn, there are three stages of guide vanes assembled on the outer casing, which increases the diameter of the device. To prevent the flushing fluid from entering the generator and the bearing units, sealing devices are installed, the internal cavity of the generator is filled with transformer oil.

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.Due to the fact that the generator operates in the temperature range from -40 to + 130 ° C, at drilling depths of up to 3500 m or more, and the oil volume changes with temperature, a pressure compensator and thermal expansion of the lubricating fluid (oil) are introduced. The compensator for pressure and thermal expansion of the lubricating fluid is made inside the inlet fairing of the generator. It consists of two thin profile plates, one of which is convex, and the other is concave. The compensator for pressure and thermal expansion of the lubricating fluid is designed to compensate for changes in the volume of oil in the oil-filled cavity of the generator under operating conditions with increasing temperature, as well as equalizing the pressure inside and outside the generator.

Недостатками этого генератора являются: низкая надежность, малый ресурс, большие габариты и масса устройства, сложность конструкции.The disadvantages of this generator are: low reliability, low resource, large dimensions and weight of the device, design complexity.

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.These shortcomings are caused, first of all, by the fact that a multistage turbine with guide vanes is used as a drive. The use of a hydraulic turbine with guide vanes as a drive places high demands on the quality of cleaning the washing liquid from fractions of drill cuttings and foreign objects, the ingress of which into the gap between the working and guide vanes of the hydraulic turbine can cause it to stop (jamming). The presence of guiding devices of a hydraulic turbine increases the diametrical dimension of the electric generator, which is undesirable when drilling wells of relatively small diameter.

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.The second design flaw is the complexity and unreliability of the pressure compensator and thermal expansion of the lubricating fluid. Due to the elasticity of the walls of the compensator, the pressure of the lubricating fluid is always less than the pressure of the environment. This can result in flushing fluid entering the generator’s lubrication system and in the wear of bearings, seals and other parts.

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.Known electric generator according to the patent of the Russian Federation No. 2331149, prototype. This generator contains a protective housing, at least one attachment point, a rotor with a turbine and a device for converting mechanical energy into electrical energy.

Недостатки электрогенератора - ненадежность и сложность конструкции, обусловленная низкой надежностью обмоток возбуждения, недостаточная мощность электрогенератора при его ограниченных диаметральных габаритах.The disadvantages of the generator are the unreliability and complexity of the design, due to the low reliability of the field windings, insufficient power of the generator with its limited diametrical dimensions.

Задачи его создания - упрощение конструкции, повышение мощности при уменьшении диаметральных габаритов и веса электрогенератора.The tasks of its creation are to simplify the design, increase power while reducing the diametrical dimensions and weight of the generator.

Решение указанной задачи достигнуто в скважинном генераторе, содержащем защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной, постоянные магниты, ротор генератора и обмотки возбуждения, неподвижно установленные внутри защитного корпуса, отличающийся тем, что магниты и обмотки возбуждения выполнены по кольцу, установлены в цилиндрических корпусах с центральным отверстием с чередованием и осевыми зазорами между ними, а на роторе генератора закреплены диски, имеющие радиальные пазы, в которых установлены магнитопроницаемые вставки, при этом диски установлены между обмотками возбуждения и постоянными магнитами. Между ротором и ротором генератора установлена магнитная муфта, содержащая ведущую и ведомую полумуфты и магнитопроницаемую перегородку между ними. Магнитная муфта может быть выполнена торцовой. Магнитная муфта может быть выполнена цилиндрической. Между ведомой и ведущей полумуфтами выполнена герметичная магнитопроницаемая перегородка, содержащая части из магнитопроницаемого материала, при этом ведущая полумуфта соединена с ротором, а ведомая - с ротором генератора. Внутренняя полость ведущей муфты заполнена смазывающей жидкостью. На верхнем торце ротора выполнено отверстие для заправки смазывающей жидкости в полость ведущей полумуфты. Генератор содержит, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с полостью ведущей полумуфты.The solution to this problem was achieved in a downhole generator containing a protective housing, an electrical connector, at least one attachment point, a rotor with a hydraulic turbine, permanent magnets, a generator rotor and field windings fixedly installed inside the protective body, characterized in that the magnets and field windings made in a ring, installed in cylindrical housings with a central hole with alternation and axial gaps between them, and disks having radial grooves are fixed on the generator rotor, in which magnetically permeable inserts are installed, while the disks are installed between the field windings and the permanent magnets. A magnetic coupling is installed between the rotor and the rotor of the generator, containing the leading and driven half-couplings and a magnetically permeable partition between them. The magnetic coupling can be made face. The magnetic coupling may be cylindrical. A sealed magneto-permeable partition is made between the driven and leading half-couplings, which contains parts of magnetically-permeable material, while the leading half-coupling is connected to the rotor, and the driven half to the generator rotor. The inner cavity of the drive clutch is filled with lubricant. At the upper end of the rotor, a hole is made for filling the lubricating fluid into the cavity of the driving coupling half. The generator contains at least one pressure compensator and thermal expansion, communicating with the cavity of the leading coupling half.

Сущность изобретения поясняется на фиг 1…7, где:The invention is illustrated in Fig 1 ... 7, where:

на фиг.1 представлена первая схема генератора,figure 1 presents the first diagram of the generator,

на фиг.2 представлена схема расположения дисков, постоянных магнитов и обмоток возбуждения,figure 2 presents the arrangement of disks, permanent magnets and field windings,

на фиг.3 представлена схема установки постоянных магнитов,figure 3 presents the installation diagram of permanent magnets,

на фиг.4 представлена схема размещения обмоток возбуждения,figure 4 presents the layout of the field windings,

на фиг.5 представлена конструкция диска,figure 5 presents the design of the disk,

на фиг.6 представлено устройство компенсации давления и температурного расширения в рабочем положении,figure 6 presents a device for compensating pressure and thermal expansion in the working position,

на фиг.7 приведен скважинный генератор с магнитной муфтой.Fig.7 shows a downhole generator with a magnetic coupling.

Скважинный генератор (фиг.1...7) установлен в колонне бурильных труб или в обсадной колонне (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.The downhole generator (Fig. 1 ... 7) is installed in the drill pipe string or in the casing (not shown) and contains a protective housing 1 and at least one fastening device 2. In the fastening device 2 of the electric generator, openings 3 are made for passage drilling mud.

Электрогенератор содержит ротор 4 с гидротурбиной 5. Гидротурбина 5 имеет наклонно установленные плоские лопатки, установленные под углом 20…60°.The generator contains a rotor 4 with a turbine 5. The turbine 5 has obliquely mounted flat blades mounted at an angle of 20 ... 60 °.

Защитный корпус 1 имеет в нижней части электрический разъем 6, к которому подсоединены провода 7 от обмоток возбуждения 8. Обмотки возбуждения 8 выполнены по кольцу и размещены в цилиндрических корпусах 9 с центральным отверстием 10 из неэлектропроводного материала и залиты компаундом (фиг.2 и 3). Постоянные магниты 11 выполнены по кольцу и установлены в цилиндрических корпусах 12 с центральным отверстием 13 (фиг.1 и 4). Ротор 4 установлен на подшипниках 14 и 15, которые закрыты уплотнениями 16, 17 и 18. Для заполнения смазывающей жидкостью полости 19, в которой размещен ротор 4, предусмотрено осевое отверстие 20, выполненное в роторе 4 и заглушенное винтом 21.The protective case 1 has an electrical connector 6 at the bottom, to which wires 7 are connected from the field windings 8. Field windings 8 are made in a ring and placed in cylindrical bodies 9 with a central hole 10 of non-conductive material and filled with a compound (FIGS. 2 and 3) . Permanent magnets 11 are made in a ring and installed in cylindrical housings 12 with a Central hole 13 (Fig.1 and 4). The rotor 4 is mounted on bearings 14 and 15, which are sealed with seals 16, 17 and 18. To fill the cavity 19 in which the rotor 4 is placed with lubricating fluid, an axial hole 20 is provided in the rotor 4 and is plugged with a screw 21.

Ротор генератора 22 установлен на подшипниках 15 и 23. Подшипник 23 защищен уплотнением 24. На роторе генератора 22 закреплены диски 25 с вставками из магнитопроницаемого материала 26, установленные в радиальных пазах 27 и с центральными отверстиями 28 (фиг.2 и 5). По обе стороны каждого диска 25 установлены обмотки возбуждения 8. Обмотки возбуждения 8 размещены с чередование с постоянными магнитами 11 и могут быть соединены последовательно, параллельно или последовательно-параллельно.The rotor of the generator 22 is mounted on bearings 15 and 23. The bearing 23 is protected by a seal 24. On the rotor of the generator 22 are fixed disks 25 with inserts of magnetically permeable material 26 mounted in radial grooves 27 and with central holes 28 (FIGS. 2 and 5). On both sides of each disk 25, field windings 8 are installed. Field windings 8 are arranged alternately with permanent magnets 11 and can be connected in series, in parallel or in series-in parallel.

Для компенсации расхода смазывающей жидкости, температурных расширений и переменного давления в скважине предусмотрен, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения 29 (фиг.1 и 2), выполненный в передней части защитного корпуса 1 генератора (фиг.2). Наиболее целесообразно выполнить 2…8 компенсаторов давления и температурного расширения 29 и разместить их внутри защитного корпуса 1 со стороны гидротурбины 5, так как в компенсации нуждается только полость 19, а другие полости выполнены герметичными и могут быть заполнены инертным газом и не нуждаются в компенсации при условии выполнения стенок защитного корпуса достаточной толщины.To compensate for the flow of lubricating fluid, thermal expansions and variable pressure in the well, at least one compensator for pressure and thermal expansion 29 (Figs. 1 and 2) is provided, made in front of the protective housing 1 of the generator (Fig. 2). It is most advisable to perform 2 ... 8 pressure compensators and thermal expansion 29 and place them inside the protective housing 1 from the side of the hydraulic turbine 5, since only the cavity 19 needs compensation, and the other cavities are sealed and can be filled with an inert gas and do not need compensation when provided that the walls of the protective casing are of sufficient thickness.

Для дренажа воздуха при заполнении полости 19 смазывающей жидкостью предусмотрены дренажные отверстия 30, закрытые пробками 31.For air drainage when filling the cavity 19 with lubricating fluid, drainage holes 30 are provided, which are closed by plugs 31.

Каждый компенсатор давления и температурного расширения 29 (фиг.6) содержит компенсационный поршень 32. Полость 33 под компенсационным поршнем 32 отверстием (отверстиями) 34 соединена с полостью 19, а полость 35 над компенсационным поршнем 32 соединена отверстием (отверстиями) 36 с окружающей средой для компенсации изменения давления и температурного расширения смазывающей жидкости. Компенсационный поршень 32 подпружинен пружиной 37 в сторону, противоположную гидротурбине 5, для создания избыточного давления в полости 19. В конструкции генератора предусмотрена магнитная муфта 38 (фиг.7).Each compensator for pressure and thermal expansion 29 (Fig.6) contains a compensation piston 32. The cavity 33 under the compensation piston 32 with the hole (s) 34 is connected to the cavity 19, and the cavity 35 above the compensation piston 32 is connected with the hole (s) 36 with the environment for compensation for changes in pressure and thermal expansion of the lubricating fluid. The compensation piston 32 is spring-loaded by a spring 37 in the direction opposite to the hydraulic turbine 5 to create excess pressure in the cavity 19. A magnetic coupling 38 is provided in the generator design (Fig. 7).

Магнитная муфта 38 содержит ведущую и ведомую полумуфты 39 и 40 с постоянными магнитами 41 и герметичной перегородкой 42 между ними, выполненной полностью магнитопроницаемой или имеющей магнитопроницаемые части 43. Ведущая полумуфта 39 установлена в полости 44, а ведомая полумуфта 39 установлена в герметичной полости 45. При этом возможны два варианта исполнения магнитной муфты 38: торцовая муфта или цилиндрическая муфта. Полость 45 ведомой полумуфты 39 изолирована от полости 46, в которой размещены детали ротора генератора 22: обмотки возбуждения 8, постоянные магниты 11 и диски 25, перегородкой 47. Полости 45 и 46 выполнены герметичными, герметизация между ними может быть не предусмотрена. Перегородка 47 между этими полостями предназначена для установки подшипника 48 и уплотнения 49. Эти полости могут быть заполнены инертным газом или неэлектропродной жидкостью.The magnetic coupling 38 contains a leading and driven half-coupling 39 and 40 with permanent magnets 41 and a sealed partition 42 between them, made completely magnetically permeable or having magnetically permeable parts 43. The leading coupling half 39 is installed in the cavity 44, and the driven coupling half 39 is installed in the sealed cavity 45. When There are two possible versions of the magnetic coupling 38: a mechanical coupling or a cylindrical coupling. The cavity 45 of the driven coupling half 39 is isolated from the cavity 46, in which the rotor parts of the generator 22 are located: field windings 8, permanent magnets 11 and discs 25, a baffle 47. The cavities 45 and 46 are sealed, sealing between them may not be provided. The baffle 47 between these cavities is intended for mounting the bearing 48 and the seal 49. These cavities can be filled with an inert gas or non-electrode liquid.

При работе генератора (фиг.1…7) буровой раствор проходит через гидротурбину 5, которая начинает вращаться с ротором 4 (фиг.1) и ведущей полумуфтой 39 (фиг.7) при ее наличии. Магнитный поток проходит через магнитопроницаемую перегородку 42 или магнитопроводящие части 43 и приводит во вращение ведомую полумуфту 40. Ведомая полумуфта 40 приводит во вращение вал генератора 22, который приводит во вращение диски 25 с магнитопроницаемыми вставками 26, которые периодически пересекают магнитное поле, проходящее через обмотки возбуждения 8. В обмотках возбуждения 8 вырабатывается электричество и по проводам 7 передается на электрический разъем 6.When the generator (Fig. 1 ... 7), the drilling fluid passes through a hydraulic turbine 5, which begins to rotate with the rotor 4 (Fig. 1) and the leading coupling half 39 (Fig. 7), if any. The magnetic flux passes through a magnetically permeable baffle 42 or magnetically conductive parts 43 and rotates the driven half-coupling 40. The driven half-coupling 40 rotates the shaft of the generator 22, which rotates the discs 25 with magnetically permeable inserts 26, which periodically intersect the magnetic field passing through the field windings 8. Electricity is generated in the field windings 8 and transmitted via wires 7 to the electrical connector 6.

При изменении объема смазывающей жидкости в полости 19 (фиг.1) или 44 (фиг.7) по любой причине осуществляется соответствующее перемещение компенсационного поршня 32. Вследствие этого внутри полости 19 (или 44) всегда поддерживается давление на 2…5 атм больше, чем давление окружающей среды. Это препятствует проникновению абразивных частиц, содержащихся в буровом растворе внутрь полости 19 или 44. Если применено несколько компенсаторов давления и температурного расширения 29, то при засорении одного из отверстий 34 (или нескольких отверстий 34, если применено 4..8 компенсаторов давления и температурного расширения 29), остальные компенсаторы давления и температурного расширения 29 будут выполнять свою функцию, даже при работе одного из них. Это значительно повышает надежность генератора и его ресурс.When the volume of the lubricating fluid in the cavity 19 (Fig. 1) or 44 (Fig. 7) changes for any reason, the compensation piston 32 is moved accordingly. As a result, a pressure of 2 ... 5 atm is always maintained inside the cavity 19 (or 44) more than environmental pressure. This prevents the penetration of abrasive particles contained in the drilling fluid into the cavity 19 or 44. If several pressure compensators and thermal expansion 29 are used, then one of the holes 34 (or several holes 34, if 4..8 pressure and thermal expansion compensators are used) 29), the remaining pressure compensators and thermal expansion 29 will perform their function, even when one of them. This significantly increases the reliability of the generator and its resource.

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1. Упростить конструкцию генератора за счет применения обмоток большого количества одинаковых по конструкции деталей: обмоток возбуждения, дисков и постоянных магнитов.1. To simplify the design of the generator through the use of windings of a large number of identical in design parts: field windings, disks and permanent magnets.

2. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах генератора за счет применения электростатического генератора, способного создавать высокое напряжение.2. Increase the power and voltage at the electrical terminals of the generator through the use of an electrostatic generator capable of creating high voltage.

3. Значительно увеличить ресурс работы подшипника за счет уменьшения диаметра ротора до минимально возможного.3. Significantly increase the service life of the bearing by reducing the diameter of the rotor to the minimum possible.

4. Уменьшить дисбаланс ротора генератора за счет уменьшения его диаметра и длины. На роторе закреплены только гидротурбина и ведомая полумуфта.4. To reduce the imbalance of the rotor of the generator by reducing its diameter and length. Only a hydraulic turbine and a driven coupling half are fixed on the rotor.

5. Повысить надежность электрогенератора за счет:5. To increase the reliability of the generator by:

- отсутствия вращения обмоток возбуждения и постоянных магнитов и вращения тонких и легких дисков,- lack of rotation of the field windings and permanent magnets and rotation of thin and light disks,

- полной герметизации его основных полостей: полости ведомой полумуфты и электростатического генератора и за счет выполнения уплотнения полости ведущей полумуфты по относительно небольшому диаметру ротора.- complete sealing of its main cavities: the cavity of the driven coupling half and the electrostatic generator and due to the sealing of the cavity of the driving coupling half with respect to the relatively small diameter of the rotor.

6. Улучшить ремонтопригодность генератора за счет простоты конструкции и унификации его основных узлов и деталей: постоянных магнитов, обмоток возбуждения и дисков.6. To improve maintainability of the generator due to the simplicity of design and unification of its main components and parts: permanent magnets, field windings and disks.

Claims

1. A downhole generator comprising a protective housing, an electrical connector, at least one attachment point, a rotor with a hydraulic turbine, permanent magnets, a generator rotor and field windings fixedly installed inside the protective body, characterized in that the magnets and field windings are made in a ring are installed in cylindrical housings with a central hole with alternation and axial gaps between them, and disks having radial grooves in which magnetically permeable inserts are mounted on the generator rotor are fixed ki, with the disks installed between the field windings and permanent magnets.

2. The downhole generator according to claim 1, characterized in that between the rotor and the rotor of the generator a magnetic coupling is installed, containing the leading and driven half-couplings and a magnetically permeable partition between them.

3. The generator according to claim 2, characterized in that the magnetic coupling is made face.

4. The generator according to claim 2, characterized in that the magnetic coupling is cylindrical.

5. The generator according to claim 2, characterized in that between the driven and the leading coupling halves there is a sealed magnetically permeable partition containing parts of magnetically permeable material, while the driving coupling coupling is connected to the rotor, and the driven coupling to the generator rotor.

6. The generator according to claim 2, characterized in that the inner cavity of the drive clutch is filled with a lubricating fluid.

7. The generator according to claim 2, characterized in that at the upper end of the rotor a hole is made for filling the lubricating fluid into the cavity of the driving coupling half.

8. The generator according to claim 2, characterized in that it contains at least one compensator for pressure and thermal expansion, communicating with the cavity of the leading coupling half.