RU2453698C2

RU2453698C2 - Downhole generator

Info

Publication number: RU2453698C2
Application number: RU2010106932/03A
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: 2012-06-20
Also published as: RU2010106932A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: proposed generator comprises protective casing, connector assembly, at least one attachment assembly, rotor with hydraulic turbine and permanent magnets, and excitation winding. Said excitation winding is fixed inside said protective casing. Disk is attached to rotor. Tight inducting baffle is arranged between permanent magnets and excitation winding. Said baffle comprises inducting parts. Note here that generator comprises, at least, one compensator of pressure and thermal expansion with compensation piston. Piston is sealed relative to protective casing. Note also that chamber under compensation piston communicates via openings with chamber accommodating rotor while chamber above compensation piston communicates via holes with ambient medium. Note that compensation piston is spring loaded toward the side opposite hydraulic turbine to create surplus pressure in chamber accommodating rotor.

EFFECT: simplified design, higher reliability and power output, smaller sizes.

5 cl, 2 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 power the telemetry system, contains 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 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, small resource, large dimensions and weight of the device, the complexity of the design.

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 due primarily to the fact that a multistage turbine with guide vanes is used as a drive. The use of a hydraulic turbine with guiding devices 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 lead to its 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 electric generator contains a protective housing, at least one attachment point, a rotor with a hydraulic turbine and a device for converting mechanical energy into electrical energy.

Недостатки электрогенератора - ненадежность и сложность конструкции, обуслоленная низкой надежность обмоток возбуждения, и низкая надежность, из-за неблагоприятных условий работы обмотки возбуждения.The disadvantages of the generator are the unreliability and complexity of the design, due to the low reliability of the field windings, and low reliability, due to adverse operating conditions of the field coil.

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 и постоянными магнитами и обмотку возбуждения, неподвижно установленную во внутренней полости защитного корпуса, тем, что согласно изобретению между постоянными магнитами и обмоткой возбуждения выполнена герметичная магнитопроницаемая перегородка. К ротору прикреплен диск. Постоянные магниты могут быть установлены на торце диска, а магнитопроницаемая перегородка выполнена радиальной. Постоянные магниты могут быть установлены на цилиндрической поверхности диска, а магниопроницаемая перегородка выполнена цилиндрической. Магнитопроницаемая перегородка может содержать магнитопроницаемые части. На верхнем торце ротора может быть выполнено отверстие для заправки смазывающей жидкости в полость ротора. Генератор может содержать, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с полостью ведущей полумуфты. Обмотка возбуждения и электрический разъем могут быть соединены проводами, проходящими через отверстия, выполненные в защитном корпусе и залитые компаундом.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 and permanent magnets and an excitation winding, motionlessly installed in the inner cavity of the protective housing, so that according to the invention between the permanent magnets and the field winding is sealed magnetically permeable partition. A disc is attached to the rotor. Permanent magnets can be mounted on the end of the disk, and the magnetically permeable partition is made radial. Permanent magnets can be mounted on the cylindrical surface of the disk, and the magnesium-permeable partition is made cylindrical. The magnetically permeable partition may comprise magnetically permeable parts. At the upper end of the rotor, a hole can be made for filling the lubricant into the rotor cavity. The generator may contain at least one compensator for pressure and thermal expansion, communicating with the cavity of the leading coupling half. The field winding and the electrical connector can be connected by wires passing through holes made in a protective housing and filled with a compound.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и 2, где на фиг.1 представлен первый вариант генератора, на фиг.2 представлен второй вариант генератора,The invention is illustrated in FIG. 1 and 2, where Fig. 1 shows a first embodiment of a generator, Fig. 2 shows a second embodiment of a generator,

Скважинный генератор (фиг.1 и 2) установлен в колонне бурильных труб или в обсадной колонне (на фиг.1 и 2 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 (FIGS. 1 and 2) is installed in the drill pipe string or in the casing (not shown in FIGS. 1 and 2) 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.

Электрогенератор содержит ротор 4 с гидротурбиной 5. Гидротурбина 5 имеет наклонно установленные плоские лопатки, установленные под углом 20…60° к оси.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 ° to the axis.

Защитный корпус 1 имеет в нижней части электрический разъем 6, к которому подсоединены высоковольтные провода 7, соединяющие электрический разъем 6 с обмоткой (обмотками) возбуждения 8. Обмотка возбуждения 8 неподвижно установлена во внутренней герметичной полости 9 защитного корпуса 1. Генератор содержит постоянные магниты 10, определенным образом связанные с ротором 4, и герметичную магнитопроницаемую перегородку 11 между обмоткой возбуждения 8 и постоянными магнитами 10. Магнитопроницаемая перегородка 11 может иметь магнитопроницаемые части 12, а в целом выполнена из прочной стали. Ротор 4 установлен на подшипниках 13 и 14. Подшипник 13 со стороны гидротурбины защищен уплотнением 15 для предотвращения утечки смазывающей жидкости из полости 16, в которой размещен ротор 4 и которую невозможно выполнить абсолютно герметичной. Установка подшипника 14 в скважинном генераторе не обязательна при хорошей балансировке ротора 4 и гидротурбины 5.The protective housing 1 has an electrical connector 6 at the bottom, to which high-voltage wires 7 are connected, connecting the electrical connector 6 to the field winding (s) 8. Field coil 8 is fixedly mounted in the internal sealed cavity 9 of the protective housing 1. The generator contains permanent magnets 10, in a certain way connected with the rotor 4, and a sealed magnetically permeable partition 11 between the field winding 8 and the permanent magnets 10. The magnetically permeable partition 11 may have magnetically permeable hours and 12 and generally made of solid steel. The rotor 4 is mounted on bearings 13 and 14. The bearing 13 on the side of the hydraulic turbine is protected by a seal 15 to prevent leakage of the lubricating fluid from the cavity 16 in which the rotor 4 is located and which cannot be made absolutely airtight. The installation of the bearing 14 in the downhole generator is not necessary with good balancing of the rotor 4 and the hydraulic turbine 5.

Для заполнения смазывающей жидкостью полости 16 предусмотрено осевое отверстие 17, выполненное в роторе 4, в его верхней части, и заглушенное винтом 18.To fill the cavity 16 with lubricating fluid, an axial hole 17 is provided, made in the rotor 4, in its upper part, and plugged with a screw 18.

Для компенсации расхода смазывающей жидкости, температурных расширений и переменного давления в скважине должен быть предусмотрен, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения 19 (фиг.2 и 3), выполненный в передней части защитного корпуса 1 генератора (фиг.2). Наиболее целесообразно выполнить 2…8 компенсаторов давления и температурного расширения 19 небольших габаритов и разместить их внутри защитного корпуса 1 со стороны гидротурбины 5, так как в компенсации нуждается только полость 16, а внутренняя полость 9 выполнена герметичной и может быть заполнена инертным газом или неэлектропроводной компенсаторной жидкостью, или компаундом и не нуждается в компенсации при условии выполнения стенок защитного корпуса 1 достаточной толщины для противодействия гидростатическому давлению в скважине 600…1000 атм.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. 2 and 3) must be provided 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 of small dimensions and place them inside the protective housing 1 from the side of the turbine 5, since only the cavity 16 needs compensation, and the internal cavity 9 is sealed and can be filled with an inert gas or non-conductive compensatory fluid, or compound, and does not need compensation, provided that the walls of the protective housing 1 are of sufficient thickness to counter hydrostatic pressure in the well 600 ... 100 0 atm.

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, противоположную от гидротурбины 5, для создания избыточного давления в полости 16. Это исключит попадания бурового раствора, содержащего абразивные частица, внутрь полости 16.Each compensator for pressure 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 has a hole (s) 22 connected to the cavity 16, and the cavity 23 above the compensation piston 20 is connected with a hole (s) 24 s environment to compensate for pressure changes and thermal expansion of the lubricant. The compensation piston 20 is spring-loaded by a spring 25 in the direction opposite to the hydraulic turbine 5 to create excess pressure in the cavity 16. This will prevent the drilling fluid containing abrasive particles from entering the cavity 16.

К ротору 4 прикреплен диск 26, на торце которого радиально установлены постоянные магниты 10. При этом магнитопроницаемая перегородка 11 выполнена радиальной (фиг.1).A disk 26 is attached to the rotor 4, at the end of which permanent magnets 10 are radially mounted. The magnetically permeable partition 11 is made radial (Fig. 1).

Возможен вариант исполнения генератора (фиг.2), в котором на диске 16 закреплена цилиндрическая часть 26, на которой установлены постоянные магниты 10. При этом магнитопроницаемая перегородка 11 выполнена цилиндрической и соединена с внутренним торцом 27 защитного корпуса 1 и внутренней перегородкой 28 с образованием внутренней герметичной полости 9. На боковой поверхности защитного корпуса 1 выполнено дренажное отверстие 29, закрытое пробкой 30, предназначенное для выпуска воздуха при заправке полости 16 смазывающей жидкостью. Для вывода проводов 7 предназначены отверстия 31, залитые компаундом после монтажа проводов 7, это также способствует полной герметизации внутренней герметичной полости 9, в которой находится обмотка (обмотки) возбуждения 8.A generator embodiment is possible (FIG. 2), in which a cylindrical part 26 is mounted on the disk 16, on which permanent magnets 10 are mounted. The magnetically permeable partition 11 is cylindrical and connected to the inner end 27 of the protective housing 1 and the inner partition 28 to form an inner sealed cavity 9. On the side surface of the protective housing 1, a drainage hole 29 is made, closed by a plug 30, designed to release air when filling the cavity 16 with a lubricating fluid. For the conclusion of the wires 7, holes 31 are designed, filled with a compound after mounting the wires 7, this also contributes to the complete sealing of the internal sealed cavity 9, in which the excitation winding (s) 8 is located.

При работе генератора (фиг.1 и 2) буровой раствор проходит через гидротурбину 5, которая начинает вращаться с ротором 4 и диском 26. Магнитный поток проходит через магнитопроницаемую перегородку 11 (или ее магнитопроницаемые части 12) и возбуждает электрический ток в обмотке возбуждения 8. Полученное напряжение по проводам 7 передается на электрический разъем 6.During the operation of the generator (Figs. 1 and 2), the drilling fluid passes through a hydraulic turbine 5, which begins to rotate with the rotor 4 and the disk 26. The magnetic flux passes through the magnetically permeable baffle 11 (or its magnetically permeable parts 12) and excites an electric current in the field coil 8. The resulting voltage through wires 7 is transmitted to the electrical connector 6.

При изменении объема смазывающей жидкости в полости 16 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 внутри 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 только одного из них. Это значительно повышает надежность генератора и его ресурс.When the volume of the lubricating fluid in the cavity 16 is changed for any reason, the compensation piston 20 is moved accordingly. As a result, the pressure within the cavity 16 is always maintained at 2 ... 5 atm more than the ambient pressure. This prevents the penetration of abrasive particles contained in the drilling fluid inside the cavity 16. If several pressure compensators and thermal expansion 19 are used, then one of the holes 22 (or several holes 22, if 4 ... 8 pressure compensators and thermal expansion 19 is used) are used pressure compensators and thermal expansion 19 will perform their function, even when only 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 и повысить его надежность за счет применения неподвижных обмоток возбуждения и их размещения в абсолютно герметичной полости.1. Simplify the design of the generator and increase its reliability through the use of fixed field windings and their placement in a completely sealed cavity.

2. Значительно увеличить ресурс работы подшипников за счет уменьшения диаметра ротора до минимально возможного.2. Significantly increase the service life of bearings by reducing the diameter of the rotor to the minimum possible.

3. Уменьшить дисбаланс ротора генератора за счет уменьшения его диаметра и длины. На роторе закреплены только гидротурбина и диск.3. To reduce the imbalance of the rotor of the generator by reducing its diameter and length. Only a turbine and a disk are fixed to the rotor.

4. Упростить конструкцию генератора.4. Simplify the design of the generator.

5. Уменьшить осевые габариты генератора, особенно при радиальном расположении постоянных магнитов на торце диска (фиг.1).5. To reduce the axial dimensions of the generator, especially with a radial arrangement of permanent magnets at the end of the disk (figure 1).

6. Улучшить ремонтопригодность генератора за счет выполнения обмоток возбуждения неразборными и заполнения полости, в которой они установлены, инертным газом или неэлектропроводной жидкостью, или компаундом.6. Improve maintainability of the generator by performing excitation windings non-separable and filling the cavity in which they are installed with an inert gas or non-conductive liquid, or compound.

Claims

1. Скважинный генератор, содержащий защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной и постоянными магнитами и обмотку возбуждения, неподвижно установленную во внутренней полости защитного корпуса, отличающийся тем, что между постоянными магнитами и обмоткой возбуждения выполнена герметичная магнитопроницаемая перегородка, к ротору прикреплен диск, а магнитопроницаемая перегородка содержит магнитопроницаемые части, при этом генератор содержит, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, имеющий компенсационный поршень, установленный и уплотненный относительно защитного корпуса, причем полость под компенсационным поршнем отверстиями соединена с полостью, в которой размещен ротор, а полость над компенсационным поршнем соединена отверстиями с окружающей средой, при этом компенсационный поршень подпружинен пружиной в сторону, противоположную от гидротурбины, для создания избыточного давления в полости, в которой размещен ротор.1. A downhole generator comprising a protective housing, an electrical connector, at least one attachment point, a rotor with a hydraulic turbine and permanent magnets, and an excitation winding fixedly installed in the inner cavity of the protective housing, characterized in that a tight seal is made between the permanent magnets and the excitation winding magnetically permeable baffle, a disk is attached to the rotor, and the magnetically permeable baffle contains magnetically permeable parts, while the generator contains at least one pressure compensator I and thermal expansion, having a compensation piston mounted and sealed relative to the protective housing, the cavity under the compensation piston openings connected to the cavity in which the rotor is located, and the cavity above the compensation piston connected openings to the environment, while the compensation piston is spring-loaded sideways opposite from the turbine to create excess pressure in the cavity in which the rotor is placed.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты установлены на торце диска, а магнитопроницаемая перегородка выполнена радиальной.2. The generator according to claim 1, characterized in that the permanent magnets are mounted on the end of the disk, and the magnetically permeable partition is made radial.

3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты установлены на цилиндрической поверхности диска, а магниопроницаемая перегородка выполнена цилиндрической.3. The generator according to claim 1, characterized in that the permanent magnets are mounted on the cylindrical surface of the disk, and the magnesium-permeable partition is cylindrical.

4. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что на верхнем торце ротора выполнено отверстие для заправки смазывающей жидкости в полость ротора.4. The generator according to claim 1 or 2, characterized in that at the upper end of the rotor a hole is made for filling the lubricating fluid into the rotor cavity.

5. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что обмотка возбуждения и электрический разъем соединены проводами, проходящими через отверстия, выполненные в защитном корпусе и залитые компаундом. 5. The generator according to claim 1 or 2, characterized in that the field winding and the electrical connector are connected by wires passing through openings made in a protective housing and filled with a compound.