RU2426875C1

RU2426875C1 - Borehole generator

Info

Publication number: RU2426875C1
Application number: RU2010106930/03A
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: 2011-08-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: generator includes protective housing, electric connector, at least one attachment assembly, rotor with hydraulic turbine, constant magnets and excitation windings. At that, rotor includes several discs with through radial slots in which constant magnets are installed. Poles of constant magnets are directed parallel to generator axis and alternate. Excitation windings are installed on both sides of each disc. Generator cavity is filled with lubricating fluid. On upper edge of rotor there is filling opening of lubricating fluid to the cavity of generator. Generator includes at least one pressure and temperature expansion compensator interconnected with generator cavity.

EFFECT: simplifying the design, improving reliability and power of generator at decrease of axial dimensions and weight of electric generator.

5 dwg

Description

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 проблематичноThe 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 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) is also known, which is also designed to supply electric power to the telemetry system, containing a hydraulic turbine driven by a washing 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 compensator for pressure and thermal expansion of the lubricating fluid (oil) is 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 надежность 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, the insufficient power of the generator with its limited diametrical dimensions.

Задачи его создания - упрощение конструкции, повышение мощности при уменьшении осевых габаритов и веса электрогенератора.The tasks of its creation are to simplify the design, increase power while reducing the axial 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 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.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 and field windings, the rotor contains several disks with through radial grooves in which permanent magnets are installed, while the poles of permanent magnets are directed parallel to the axis of the generator and alternate, the field windings are installed on both sides of each disk, the cavity of the generator is filled with lubricating fluid, at the upper end the rotor has an opening for refilling the lubricating fluid in the cavity generator, the generator comprises at least one pressure compensator and thermal expansion, the generator communicating with the cavity.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-5, гдеThe invention is illustrated in figures 1-5, where

на фиг.1 представлен генератор,figure 1 presents the generator,

на фиг.2 представлено устройство компенсации давления и температурного расширения в исходном положении,figure 2 presents a device for compensating for pressure and thermal expansion in the initial position,

на фиг.3 представлен диск с постоянными магнитами,figure 3 presents a disk with permanent magnets,

на фиг.4 представлена схема установки постоянных магнитов в дисках,figure 4 presents a diagram of the installation of permanent magnets in the disks,

на фиг.5 приведена конструкция контейнера обмок возбуждения.figure 5 shows the design of the container winding excitation.

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.The downhole generator (Figs. 1-5) is installed in the drill pipe string or in the casing (not shown in Figs. 1-5) and contains a protective housing 1 and at least one fastening device 2. In the fastening device 2, the electric generators are made holes 3 for the passage of drilling fluid. The downhole generator contains a rotor 4 with a hydraulic turbine 5. The hydraulic turbine 5 has obliquely mounted flat blades mounted at an angle of 20 ... 60 °. The protective housing 1 has an electrical connector 6 at the bottom, to which high-voltage wires 7 from the field windings 8 are connected.

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.The rotor of the generator 4 contains at least one disk 9 with permanent magnets 11 installed in the radial slots 10 (FIGS. 3 and 4). Field windings 8 are installed in sealed containers 12 (FIG. 12) made of magnetically permeable material. Their internal cavities are filled with a compound. The rotor 4 is mounted on bearings 13 and 14, the bearing 13 is protected by seals 15. To fill the cavity 16 with lubricating fluid, an axial hole 17 is provided, made in the rotor 4 and plugged with a screw 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.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 19 (Figs. 1 and 2) is provided, made in front of the protective housing 1 of the generator (Fig. 2). It is most advisable to make 2 ... 8 pressure compensators and thermal expansion 19 and place radially inside the protective housing 1 from the side of the hydraulic turbine 5, since the cavity 16 needs compensation. Each pressure compensator and thermal expansion 19 contains a compensation piston 20 mounted and sealed relative to the protective housing 1. The cavity 21 under the compensation piston 20 with the hole (s) 22 is connected to the cavity 16, and the cavity 23 above the compensation piston 20 is connected with the hole (s) 24 medium to compensate for changes in pressure and thermal expansion of the lubricant. The compensation piston 20 is spring-loaded with a spring 25 in the direction of the longitudinal axis of the generator.

В защитном корпусе 1 выполнены отверстия 26 для прокладки проводов 7, залитые компаундом.In the protective housing 1, holes 26 are made for laying wires 7, filled with a compound.

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.During the operation of the generator (Fig. 1), the drilling fluid passes through a hydraulic turbine 5, which begins to rotate with the rotor 4. The rotor 4 drives the disks 1 with permanent magnets 11. The magnetic flux crosses the field windings 18 and an electric current arises in them, which is carried by wires 7 goes to electrical connector 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.When changing the volume of the lubricating fluid in the cavity 16 (Fig. 1), for any reason, the compensation piston 20 is moved accordingly. As a result, the pressure inside the cavity 16 is always 2 ... 5 atm higher than the ambient pressure. This prevents the penetration of abrasive particles contained in the drilling fluid into the cavity 16. If several pressure compensators and thermal expansion 19 are used, then one of the holes 22 is clogged (or several holes 22, if 4 ... 8 pressure compensators and thermal expansion 19 are used) the remaining pressure compensators and thermal expansion 19 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. Увеличить мощность генератора за счет применения обмоток возбуждения с двух сторон от постоянных магнитов.1. Increase the power of the generator through the use of field windings on both sides of the permanent magnets.

2. Упростить конструкцию генератора за счет применения унифицированных деталей простой конструкции (дисков).2. To simplify the design of the generator through the use of unified parts of a simple design (disks).

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

4. Уменьшить дисбаланс ротора генератора за счет унификации и простоты конструкции основных деталей ротора - дисков. На роторе закреплены только гидротурбина и диски.4. To reduce the imbalance of the rotor of the generator due to the unification and simplicity of the design of the main parts of the rotor - disks. Only a hydraulic turbine and discs are mounted on the rotor.

5. Улучшить ремонтопригодность генератора за счет простоты конструкции.5. Improve maintainability of the generator due to the simplicity of the design.

6. Обеспечить надежную компенсацию изменения давления и температуры окружающей среды и смазывающей жидкости.6. Provide reliable compensation for changes in pressure and ambient temperature and lubricating fluid.

Claims

A downhole generator comprising a protective housing, an electrical connector, at least one attachment point, a rotor with a hydraulic turbine, permanent magnets and field windings, characterized in that the rotor contains several disks with through radial grooves in which permanent magnets are installed, while the poles permanent magnets are directed parallel to the axis of the generator and alternate, the field windings are installed on both sides of each disk, the cavity of the generator is filled with lubricating fluid, at the upper end of the rotor an opening for filling lubricating fluid into the cavity of the generator, the generator contains at least one compensator for pressure and thermal expansion in communication with the cavity of the generator.