Генератор для питания скважинной аппаратуры

Изобретение относится к области промысловой геофизики и предназначено для снабжения электроэнергией автономной скважинной аппаратуры. Техническим результатом является повышение надежности генератора и снижение трудоемкости проведения ремонтных и профилактических работ. Генератор, внешний статор, размещенный в герметичном корпусе, внутренний ротор, установленный на валу генератора с подшипниками качения в герметичной полости, заполненной смазочно-охлаждающей жидкостью, и уплотнительные элементы. При этом герметичный корпус генератора разделен на три герметичных контура - электрический, кинематический и защитный. Электрический контур статора снабжен собственной диафрагмой-компенсатором, заполнен диэлектрической охлаждающей жидкостью и отделен от кинематического контура экраном из немагнитного материала. Кинематический контур подшипников заполнен смазочной жидкостью и отделен системой манжетных уплотнений и внутренней диафрагмой от защитного контура компенсатора торцевого уплотнения, заполненного смазочной жидкостью в объеме, ограниченном наружной диафрагмой. Электрический контур заполнен диэлектрической охлаждающей жидкостью без избыточного давления, кинематический контур заполнен смазочной жидкостью без избыточного давления, защитный контур заполнен смазочной жидкостью с избыточным давлением. Кроме того, защитный контур может быть заполнен смазочной жидкостью, имеющей более высокую вязкость и высокое поверхностное натяжение по сравнению со смазочной жидкостью кинематического контура. Нулевая точка обмоток статора соединена с корпусом через пробку-контакт. Система заправки защитного и кинематического контуров содержит золотник для переключения заправляемых контуров при вакуумировании и закачивании смазочной жидкости. Жесткость диафрагм электрического и кинематического контуров выше, чем жесткость наружной диафрагмы защитного контура. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области промысловой геофизики и предназначено для снабжения электроэнергией автономной скважинной аппаратуры путем преобразования энергии потока промывочной жидкости в электрическую энергию.

Известен генератор переменного тока с маслозаполненной внутренней полостью, содержащий масляный резиновый компенсатор и уплотнительное устройство приводного вала, включающее торцовое уплотнение (авторское свидетельство СССР №1006738, МКИ E21B 47/022, опубл. 1983 г.).

Недостатком известного генератора является большая вероятность выхода его из строя при работе в скважине в результате потери герметичности торцового уплотнения, которое имеет невысокий срок службы при работе в жестких условиях высокого давления, вибрации, температуры и абразивного износа.

Наиболее близкой к предлагаемой является конструкция генератора, описанная в патенте РФ №2404370, МПК F03B 13/02, заявл. 27.05.2009. Генератор имеет герметичный корпус, в котором размещены внешний статор и внутренний ротор, расположенный на валу генератора. Вал установлен в подшипниках качения, расположенных по обе стороны ротора. На валу размещены два уплотняющих устройства. Герметичный корпус заполнен смазочно-охлаждающей жидкостью. Генератор содержит два компенсирующих устройства. Первое устройство расположено внутри корпуса турбогенератора и заполнено смазочно-охлаждающей жидкостью. Второе устройство установлено в обойме, которая закрывает герметичный корпус генератора. Первое уплотняющее устройство отделяет внутреннюю полость первого компенсатора от бурового раствора. Второе уплотняющее устройство разделяет внутреннюю полость первого компенсатора, заполненного смазочно-охлаждающей жидкостью, от герметичного корпуса генератора, также заполненного смазочно-охлаждающей жидкостью.

Данная конструкция имеет следующие недостатки:

1. Известный генератор характеризуется наличием двух последовательно расположенных полостей, заполненных смазочно-охлаждающей жидкостью. Однако совместная работа двух компенсаторов при их последовательном расположении возможна только при одинаковом расходе смазочно-охлаждающей жидкости через торцевые уплотнения, что маловероятно. Таким образом, в реальности из двух компенсаторов будет работать только один.

2. Используемая во внутреннем контуре генератора жидкость выполняет две функции: смазывает подшипники качения и охлаждает обмотку генератора. Обычно для этого используют трансформаторное масло, которое не может обеспечить оптимальное выполнение сразу двух функций. При нагреве выше 120-150°C начинается деструкция масла, сопровождающаяся образование углерода, что приводит к появлению проводимости, снижению сопротивления и межвитковому пробою, или даже к пробою на корпус. С другой стороны трансформаторное масло не является оптимальным и в качестве смазки, т.к. при температуре выше 100°C имеет низкую вязкость и низкое поверхностное натяжение.

3. Замена подшипников, проводимая при всех регламентных и ремонтных работах, требует полной разборки генератора, промывки обмоток статора, распайки подводящих проводов и гермовводов. Многократные операции пайки-распайки также снижают надежность генератора.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности генератора и снижение трудоемкости проведения ремонтных и профилактических работ.

Решение указанной задачи достигнуто тем, что герметичный корпус генератора разделен на три герметичных контура - электрический, кинематический и защитный, при этом электрический контур содержит статор, снабжен собственной диафрагмой-компенсатором, заполнен диэлектрической охлаждающей жидкостью и отделен от кинематического контура экраном, выполненным из немагнитного материала, кинематический контур содержит ротор, установленный на валу с подшипниками, заполнен смазочной жидкостью и отделен системой манжетных уплотнений и внутренней диафрагмой от защитного контура компенсатора торцевого уплотнения, заполненного смазочной жидкостью в объеме, ограниченном наружной диафрагмой. Электрический контур заполнен диэлектрической охлаждающей жидкостью без избыточного давления, кинематический контур заполнен смазочной жидкостью без избыточного давления, защитный контур заполнен смазочной жидкостью с избыточным давлением. Защитный контур может быть заполнен смазочной жидкостью, имеющей высокую вязкость и высокое поверхностное натяжение. Нулевая точка обмоток статора соединена с корпусом через пробку-контакт. Система заправки защитного и кинематического контуров содержит золотник для переключения заправляемых контуров при вакуумировании и закачивании смазочной жидкости. Жесткость диафрагм электрического и кинематического контуров выше, чем жесткость наружной диафрагмы защитного контура.

На Фиг.1 представлена схема генератора. Генератор содержит корпус 1, с установленным в нем статором 2, отделенным от ротора 3 экраном 4, выполненным из немагнитного материала, и диафрагмой электрического контура 5. Нейтраль обмоток подведена через пробку-контакт 6 к корпусу 1. Вал 7 с ротором 3, установленный в корпусе 1 на подшипниках 8, вращается турбиной 9 под действием потока бурового раствора. Кинематический контур смазки подшипников 8 отделен системой манжетных уплотнений 10 и внутренней диафрагмой кинематического контура 11 от защитного контура компенсатора торцевого уплотнения 12. Наружная диафрагма компенсатора 13 обеспечивает для торцевого уплотнения 12 маневровый запас смазочной жидкости, находящейся под давлением.

Защитный и кинематический корпусы генератора заправляют через отверстие в валу 7, закрытое пробкой 14, и золотник 15, обеспечивающий последовательную заправку внутреннего и наружного контуров.

Кинематический контур с подшипниками 8 заправляют смазочной жидкостью без создания избыточного давления. В зависимости от температуры эксплуатации можно использовать минеральное, синтетическое или полусинтетическое масло.

Защитный контур торцевого уплотнения 12 заправляют с избыточным давлением, используя упругость диафрагмы компенсатора 13. В качестве смазочной жидкости можно использовать такое же масло, как и в кинематическом контуре подшипников. Для уменьшения скорости расхода масла и увеличения ресурса непрерывной работы генератора между заправками может быть использовано другое масло, с более высокой вязкостью и высоким поверхностным натяжением, например гипоидное.

Электрический контур вакуумируют и заполняют через отверстие в корпусе без избыточного давления охлаждающей жидкостью, неподверженной деструкции при нагреве, например силиконовой. Таким образом, исключается возможность пробоя статора.

Для удобства проверки генератора при эксплуатации и регламенте нулевую точку обмоток соединяют с корпусом через пробку-контакт 6, что позволяет прозванивать каждую обмотку генератора при его отключении.

При эксплуатации буровой раствор обтекает турбину 9 генератора и приводит во вращение вал 8 с ротором 3. В обмотках статора 2 вырабатывается электрический ток. Давление бурового раствора через наружную диафрагму компенсатора 13 передается на внутреннюю диафрагму кинематического контура 11 и диафрагму электрического контура 5. Таким образом, во всех трех контурах генератора - защитном, кинематическом и электрическом, обеспечивается равенство давления. Расход смазывающей жидкости через торцевое уплотнение 12 предотвращает попадание бурового раствора, содержащего абразивные частицы, в подшипники 8.

Для снижения действия пульсации бурового раствора на внутренние контуры жесткость диафрагм электрического и кинематического контуров 5 и 11 должна быть выше, чем жесткость наружной диафрагмы защитного контура 13.

Конструкция генератора отличается высокой надежностью. Электрическая схема генератора имеет тройную защиту:

- маневровый запас смазочной жидкости в защитном контуре торцевого уплотнения 12 обеспечивает работу генератора в течение рейса;

- в случае полного расхода маневрового запаса смазочной жидкости и проникновения бурового раствора в защитный контур, торцевое уплотнение 12 будет выполнять функцию лабиринтного и не пропустит частицы песка к манжетному уплотнению 10;

- выход из строя манжетного уплотнения 10 и проникновение бурового раствора в кинематический контур также не приведет к отказу генератора и позволит провести рейс до конца, т.к. электрический контур отделен от кинематического экраном 4 и диафрагмой 5.

Проведены эксплуатационные испытания генератора при бурении в разных регионах. Реальные условия отличались использованием различных буровых растворов с разными электрическими характеристиками, высокими уровнями нагрузок и вибраций. Генератор показал 100% надежность, не было ни одного отказа во время рейса. Ресурс генератора вырос более чем в два раза.

Разделение электрического и кинематического контуров позволяет провести замену подшипников, не затрагивая статор. Исключение многократных операций пайки-распайки проводов и гермовводов уменьшает трудоемкость проведения регламентных и ремонтных работ и повышает надежность генератора.

1. Генератор для питания скважинной аппаратуры, содержащий внешний статор, размещенный в герметичном корпусе, внутренний ротор, установленный на валу генератора с подшипниками качения в герметичной полости, заполненной смазочно-охлаждающей жидкостью, и уплотнительные устройства, отличающийся тем, что герметичный корпус генератора разделен на три герметичных контура - электрический, кинематический и защитный, при этом электрический контур содержит статор, снабжен собственной диафрагмой-компенсатором, заполнен диэлектрической охлаждающей жидкостью и отделен от кинематического контура экраном, выполненным из немагнитного материала, кинематический контур содержит ротор, установленный на валу с подшипниками, заполнен смазочной жидкостью и отделен системой манжетных уплотнений и внутренней диафрагмой от защитного контура компенсатора торцевого уплотнения, заполненного смазочной жидкостью в объеме, ограниченном наружной диафрагмой.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что электрический контур заполнен диэлектрической охлаждающей жидкостью без избыточного давления, кинематический контур заполнен смазочной жидкостью без избыточного давления, защитный контур заполнен смазочной жидкостью с избыточным давлением.

3. Генератор по п.2 отличающийся тем, что смазочная жидкость, заполняющая защитный контур, имеет более высокую вязкость и высокое поверхностное натяжение по сравнению со смазочной жидкостью кинематического контура.

4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что система заправки защитного и кинематического контуров содержит золотник для переключения заправляемых контуров при вакуумировании и закачивании смазочной жидкости.

5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что нулевая точка обмоток статора соединена с корпусом через пробку-контакт.

6. Генератор по п.1, отличающийся тем, что жесткость диафрагм электрического и кинематического контуров выше, чем жесткость наружной диафрагмы защитного контура.