Электрогенератор

 

Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано для питания электроэнергией скважинных приборов. Электрогенератор содержит устройство для его крепления, внешний ротор с турбиной, установленный через подшипник на оси, заодно с которой выполнен внутренний статор. Внешний ротор и внутренний статор образуют полость, в которой с возможностью осевого перемещения установлен компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, выполненный в виде поршня, уплотненного по ротору и оси. Поршень уплотнен по оси резиновой армированной манжетой, установленной внутри компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости с возможностью осевого перемещения вместе с поршнем. На оси в интервале перемещения поршня может быть установлена съемная втулка, которая может быть зафиксирована от проворота. Рядом с резиновой армированной манжетой может быть установлена дополнительная резиновая армированная манжета, при этом эластичные элементы обеих манжет обращены в противоположные стороны с образованием между ними полости. Полость между резиновыми армированными манжетами может быть заполнена консистентной смазкой. Изобретение направлено на повышение надежности и увеличение межремонтного ресурса работы электрогенератора и упрощение его конструкции. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технологии обеспечения бурения скважин под нефть, газ и для других целей. Конкретно изобретение предназначено для преобразования энергии промывочной жидкости в электрическую и питания электроэнергией автономных скважинных навигационных и геофизических приборов в процессе бурения.

Известен генератор переменного тока для питания автономной скважинной аппаратуры в процессе бурения скважин малого диаметра, включающий неподвижный внутренний статор с коллектором и закрепленный на приводном валу внешний ротор, снабженный электромагнитами (патент РФ №2060383, МКП Е 21 В 47/022, 47/00, приоритет от 21.02.92 г.).

Известен автономный турбинный агрегат, 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 также электрогенератор по пат. РФ №2173925 (прототип). Этот электрогенератор содержит устройство для его крепления, внешний ротор с корпусом турбины, статор, выполненный с осью, установленной на подшипниках, полость между внешним ротором и статором, заполненную смазывающей жидкостью, и компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, размещенный со стороны устройства для крепления, выполненный в виде поршня, установленного с возможностью осевого перемещения и уплотнения, при этом уплотнение выполнено торцевым и установлено за подшипником.

Недостаток - небольшой ресурс работы генератора, обусловленный износом торцевого уплотнения. Ресурс уплотнения составляет около 100 ч при благоприятных условиях, при некачественной сборке или дефектах в уплотнительных кольцах он может выйти из строя практически мгновенно, что приведет к прекращению работы забойной телеметрической системы и затратам на спуско-подъемные операции.

Задачами создания изобретения являются повышение ресурса и надежности генератора. Это достигается за счет новой компоновки электрогенератора.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что электрогенератор, содержащий устройство для его крепления, внешний ротор с турбиной, установленный через подшипник на оси, заодно с которой выполнен внутренний статор, внешний ротор и внутренний статор образуют полость, в которой с возможностью осевого перемещения установлен компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, выполненный в виде поршня, уплотненного по ротору и оси, отличается тем, что поршень уплотнен по оси резиновой армированной манжетой, установленной внутри компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости, с возможностью осевого перемещения вместе с поршнем. На оси в интервале перемещения поршня установлена съемная втулка. Съемная втулка зафиксирована от проворота. Рядом с резиновой армированной манжетой установлена дополнительная резиновая армированная манжета, при этом эластичные элементы обеих манжет обращены в противоположные стороны с образованием между ними полости. Полость между резиновыми армированными манжетами заполнена консистентной смазкой.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, т.е всеми критериями изобретения. Наличие изобретательского уровня подтверждено патентными исследованиями, новой компоновкой уплотнения и компенсатора температурного расширения смазывающей жидкости. Для изготовления всех узлов электрогенератора не требуются дефицитные материалы и вновь разработанные технологии.

Сущность изобретения поясняется на чертежах (фиг.1-3), где на фиг.1 приведен электрогенератор, на фиг.2 - резиновая армированная манжета, на фиг.3 - две резиновые армированные манжеты.

Электрогенератор (фиг.1) содержит устройство для крепления генератора 1, внешний ротор 2 с турбиной 3 и корпусом турбины 4, статор 5, выполненный с осью 6, электрообмоткой 7, подшипники 8, уплотнения 9 и компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости 10, который выполнен в виде поршня 11, установленного с возможностью осевого перемещения и подпружиненного пружиной 12. Пружина 12 упирается в стопорное кольцо 13. На оси 6 без зазора установлена втулка 14, зафиксированная штифтом 15 и уплотненная относительно вала уплотнительным кольцом 16. Внутри компенсатора давления и температурного расширения 10 установлено уплотнение в виде резиновой армированной манжеты 17. Эластичный элемент 18 резиновой армированной манжеты 17 направлен в сторону противоположную от опоры 1 (фиг.2). Возможна установка дополнительной манжеты 19 (фиг.3), при этом эластичный элемент 20 направлен в сторону опоры 1. Полость С между манжетами 17 и 19 заполнена консистентной смазкой. Конструкция резиновой армированной манжеты 17 совмещена с конструкцией компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости 10 в один узел. Манжеты резиновые армированные для валов, выполненные по ГОСТ 8752-79, предназначены для уплотнения вращающихся валов, а манжеты для гидравлических устройств по ГОСТ 14879-74 предназначены для уплотнения валов при поступательном перемещении. Особенностью уплотнения в виде резиновой армированной манжеты 17 является то, что она одновременно выполняет обе функции, уплотнение при вращении и одновременном перемещении, но конструктивно она выполнена по ГОСТ 8752-79. Значительное поступательное перемещение уплотнения в виде резиновой манжеты связано с тем, что, во-первых, температура смазывающей жидкости изменяется в широком диапазоне от отрицательных до +110°С, при этом запас смазывающей жидкости постепенно расходуется в окружающую среду (буровой раствор).

На одном из торцов электрогенератора выполнен заправочный узел 21, который включает пробку 22 с уплотнением 23, жиклер 24, шарик 25, пружину 26, отверстие Б. На другом торце установлен наконечник 27, провода герметизированы фигурной манжетой 28. Наконечник 27 содержит электроконтакты 29 и на наружной цилиндрической поверхности уплотнительные кольца 30.

Полость А между внешним ротором 2 и статором 5 заполнена смазывающей жидкостью.

Устройство работает следующим образом. Буровой раствор подается на турбину 3, при этом корпус турбины 4 и внешний ротор 2 вращаются. В электрообмотке 7 статора 3 возникает ЭДС. Давление бурового раствора через поршень 10 передается в полость А, в результате этого давление смазывающей жидкости становится больше, чем давление бурового раствора. Уплотнение 11, выполненное в виде резиновой армированной манжеты, герметизирует полость А и, в отличие от торцевого уплотнения, которое применялось в прототипе, практически не пропускает смазывающую жидкость наружу, а буровой раствор внутрь. Это обусловлено совмещением функций компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости с уплотнением. Такая конструкция обеспечила постоянное избыточное давление в полости А, это увеличивает межремонтный ресурс электрогенератора примерно в 10 раз, что подтверждено экспериментально. Наличие дополнительной резиновой манжеты и консистентной смазки в полости между ними улучшает работу уплотнений и дополнительно увеличивает ресурс.

Применение изобретения позволило:

1. По сравнению с применяемым ранее торцевым уплотнением повысить на порядок надежность и ресурс работы электрогенератора за счет обеспечения давления смазочной жидкости избыточного давления и исключения попадания бурового раствора в систему смазки, что подтверждено эспериментально.

2. Обеспечить температурную компенсацию расширения объема смазывающей жидкости.

3. Упростить конструкцию электрогенератора за счет отказа от применения направляющих аппаратов турбины и максимального упрощения конструкции уплотняющего устройства.

4. Уменьшить вес и габариты за счет отказа от сложного компенсатора, а также применения турбины без направляющих аппаратов.

5. Увеличить объем компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости при тех же габаритах электрогенератора.

6. Упростить сборку электрогенератора.

7. Улучшить условия работы деталей уплотнения поршня.

Формула изобретения

1. Электрогенератор, содержащий устройство для его крепления, внешний ротор с турбиной, установленный через подшипник на оси, заодно с которой выполнен внутренний статор, внешний ротор и внутренний статор образуют полость, в которой с возможностью осевого перемещения установлен компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, выполненный в виде поршня, уплотненного по ротору и оси, отличающийся тем, что поршень уплотнен по оси резиновой армированной манжетой, установленной внутри компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости, с возможностью осевого перемещения вместе с поршнем.

2. Электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что на оси в интервале перемещения поршня установлена съемная втулка.

3. Электрогенератор по п.2, отличающийся тем, что съемная втулка зафиксирована от проворота.

4. Электрогенератор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что рядом с резиновой армированной манжетой установлена дополнительная резиновая армированная манжета, при этом эластичные элементы обеих манжет обращены в противоположные стороны с образованием между ними полости.

5. Электрогенератор по п.4, отличающийся тем, что полость между резиновыми армированными манжетами заполнена консистентной смазкой.

РИСУНКИ