Электрогенератор питания забойной телеметрической системы

Изобретение относится к области бурения и может быть использовано для питания скважинных навигационных и геофизических приборов в процессе бурения. Электрогенератор содержит статор и внешний ротор с расположенными на нем не менее чем двумя турбинами, каждая из которых содержит наклонные лопатки. Лопатки всех турбин выполнены с разными углами подъема так, что у каждой последующей турбины угол подъема лопаток меньше, чем у предыдущей. Преимущественно на роторе выполнены две ступени турбины: передняя и задняя. Возможно выполнение передней ступени турбины конической. Изобретение направлено на повышение мощности генератора без применения направляющего аппарата. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для смазки генератора питания скважинной аппаратуры. Электрогенератор преобразует энергию промывочной жидкости в электрическую, необходимую для питания скважинных навигационных и геофизических приборов в процессе бурения и передатчика электромагнитного канала связи.

Известен электрогенератор переменного тока для питания телеметрической системы в процессе бурения скважин малого диаметра, включающий неподвижный внутренний статор с коллектором и закрепленный на приводном валу внешний ротор, снабженный электромагнитами (патент РФ №2060383, кл. Е 21 В 47/022, 47/00, приоритет от 21.02.92 г.). Система смазки представляет собой полость между ротором и статором, заполненную смазывающей жидкостью.

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 электрогенератор 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.

Недостатками этого генератора являются: низкая надежность, малый ресурс, очень большие габариты (пять ступеней турбины) и 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 питания телеметрических систем по св. РФ №34638, прототип.

При работе, проходя через первую турбину, поток бурового раствора закручивается и если лопатки второй ступени установлены под тем же углом, то поток попадает во вторую турбину вдоль ее лопаток, не производя работы. Для компенсации этого недостатка необходимо установить перед второй турбиной направляющий аппарат, но это усложнит конструкцию, увеличит вес и габариты электрогенератора.

Задача создания изобретения - повышение мощности электрогенератора.

Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что электрогенератор питания телеметрической системы, содержащий статор, внешний ротор с не менее чем двумя турбинами на нем, каждая из которых содержит наклонные лопатки, при этом лопатки всех турбин выполнены с разными углами подъема, причем у каждой последующей турбины угол подъема лопаток меньше, чем у предыдущей. Наиболее оптимальный вариант, когда на внешнем роторе выполнено две ступени турбины: передняя и задняя. Передняя ступень турбины предпочтительно выполнить конической.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, т.е. всеми критериями изобретения. Новизна подтверждена патентными исследованиями, изобретательского уровня - новыми функциями и компоновкой. Для изготовления всех узлов электрогенератора не требуются дефицитные материалы и вновь разработанные технологии.

Сущность изобретения поясняется на чертеже.

Электрогенератор содержит внешний ротор 1 с не менее чем двумя турбинами. В дальнейшем изобретение проиллюстрировано на примере электрогенератора с двумя турбинами: передней турбиной 2 и задней турбиной 3. Лопатки передней ступени турбины 4 и лопатки задней ступени турбины 5 установлены с разными углами подъема, соответственно γ₁>γ₂.

При эксплуатации в составе колонны бурильных труб буровой раствор, имеющий только осевую составляющую скорости, подается сначала на переднюю турбину 2, воздействуя при этом на лопатки передней турбины 4 и передавая ей часть мощности. Потом поток бурового раствора подается на лопатки задней турбины 5, также передавая ей часть мощности за счет разных углов подъема лопаток турбины. На вторую (заднюю) турбину 3 буровой раствор попадает под таким же углом к поверхности лопатки, что и на первую, за счет чего эта турбина развивает мощность, соизмеримую с мощностью первой турбины.

Применение изобретения позволило повысить мощность электрогенератора при его незначительных габаритах и весе без применения направляющего аппарата.

1. Электрогенератор питания телеметрической системы, содержащий статор, внешний ротор с не менее чем двумя турбинами на нем, каждая из которых содержит наклонные лопатки, отличающаяся тем, что лопатки всех турбин выполнены с разными углами подъема, причем у каждой последующей турбины угол подъема лопаток меньше, чем у предыдущей.

2. Электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что на внешнем роторе выполнено две ступени турбины, передняя и задняя.

3. Электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что передняя ступень турбины выполнена конической.