DE3029523A1

DE3029523A1 - Generator zur erzeugung elektrischer energie

Info

Publication number: DE3029523A1
Application number: DE19803029523
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr.-Ing. 3100 Osterloh Jürgens
Original assignee: Christensen Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 1980-08-04
Filing date: 1980-08-04
Publication date: 1982-02-18
Also published as: FR2488070B1; US4415823A; BE889726A; GB2081983B; CA1177513A; DE3029523C2; FR2488070A1; GB2081983A

Description

Generator zur Erzeugung elektrischer Energie

Die Erfindung betrifft einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie zur Versorgung von innerhalb eines Bohrloches angeordneten Verbrauchern, insbesondere Meßdatenerfassungs-, Obertragungs- und Fernsteuerungseinrichtungen, wobei der Generator in einem von Spülungsflüssigkeit durchflossenen Spülungsraum im Inneren eines Bohrstranges angeordnet ist, einen Stator und einen koaxial und mit radialem Spalt dazu angeordneten Rotor umfaßt und der Rotor mit einem durch die Spülungsflüssigkeit angetriebenen Motor gekoppelt ist.

Meßdatenerfassungs- Obertragungs- und Fernsteuereinrichtungen innerhalb eines Bohrloches dienen zur raschen Aufschlußgabe der Position des Bohrmeißels und anderer charakteristischer Größen sowie zur Einflußnahme auf die Bohrrichtung und erleichtern damit das sichere Anbohren eines festgelegten Zieles, z.B. einer vermuteten Lagerstätte. Da besonders bei den öbertraguns- und Fernsteuereinrichtungen mechanische Teile elektromagnetisch gesteuert oder servounterstützte Bewegungen initiiert werden, ist eine relativ hohe elektrische Energie erforderlich, die von Primär- oder Sekundärzellen allein nicht in wirtschaftlicher Weise aufgebracht werden kann. Zur Bereitstellung dieser Energie sind bereits im Feld eingesetzte Meßdaten- und Übertragungseinrichtungen mit einem Generator, der an einen durch die Spülungsflüssigkeit angetriebenen Motor gekoppelt ist, ausgestattet.

Während die mechanische Antriebsleistung für alle erwarteten Anwendungsfälle bei den gegebenen Bohrlochabmessungen von den bekannten Spülungsmotoren ohne weiteres aufgebracht werden kann, sind bei den entsprechend geforderten elektrischen Leistungen herkömmlich bemessene und gekapselt ausgeführte elektrische Maschinen wegen ihrer radialen Größe nicht einsetzbar. Zur Annäherung der Abmessungen der elektrisch aktiven Teile an die optimale Ausführung hinsichtlich einer bestimmten geforderten Leistung muß auf eine Kapselung .verzichtet werden. Angesichts der im Inneren des Bohrstranges herrschenden Umweltbedingungen besteht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, bei einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie zur Versorgung von innerhalb eines Bohrlochs angeordneten Verbrauchern durch besondere konstruktive Maßnahmen den Betrieb in abrasiver und unter hohem Druck stehender Spülung zu ermöglichen und eine einfache Montage und Demontage der Einzelteile zu bieten.

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Diese Aufgabe wird bei einem Generator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Stator einen Generatoranker und der Rotor einen mit Permanentmagneten ausgestatteten Erreger beinhalten, daß der Spalt zwischen Stator und Rotor mit dem inneren Splilungsraum in Verbindung steht, wobei der Verbindungsweg zulaufsei tig teilweise entgegengesetzt oder in spitzem Winkel zum Spülungsstrom geführt ist, und daß der Rotor mittels ungedichteter erosions- und abrasionsfester Radial und Axiallager gelagert ist.

Die Anordnung des Generatorankers im Stator ermöglicht eine direkte, unter Umgehung von Schleifringen oder Bürsten ausgeführte Verbindung der Wicklung zu den angeschlossenen Verbrauchern. Abnutzungserscheinungen und Kurzschlüsse durch Ionenleitung der Spülungsflüssigkeit werden vermieden. Ferner ist eine einfache Montage und Wiedermontage nach Wartungsarbeiten möglich, da keine präzischen Justagen vorzunehmen sind. Der Spalt zwischen Rotor und Stator steht duch einen Verbindungsweg mit dem inneren Spülungsraum in Verbindung, so daß eingedrungene Spülungsflüssigkeit zirkulieren kann und eine Sedimentation von in der Spülung schwebenden Teilen und sich daraus ergebende Abrieberscheinungen vermieden werden. Der zulaufsei ti ge Verbindungsweg, wobei sich zulaufsei tig auf die Fließrichtung der Spülungsflüssigkeit bezieht, ist im Bereich der Abzweigung vom Spülungsraum teilweise entgegengesetzt oder in einem Winkel zur Fließrichtung geführt, damit in der Spülung schwebende Teile aufgrund ihrer Massenträgheit von dem Eindringen in den Verbindungsweg weitgehend abgehalten werden.

Die Verwendung von ungedichteten und erosions- und abrasionsfesten Radial- und Axiallagern gestattet eine längere Lebensdauer der Lagerflächen. Die Schmierung erfolgt durch die Spülungsflüssigkeit. Im Gegensatz zu gedichteten, mit Schmiermittel gefüllten Lagern, die bei den hohen Drücken der Spülungsflüssigkeit sehr anfällig gegen eindringende Spülung sind und dann innerhalb kurzer Zeit völlig versagen, bieten die ungedichteten abrasionsfesten Lager eine sichere Lebensdauer von einigen 100 Betriebsstunden und darüberhinaus eine einfache Montage und Demontage von Generatorstator und -rotor.

Zum Schutz des Ankers vor Auswaschungen durch die im Spalt befindliche und durch die Drehung des Rotors rotierende Spülung ist die Ankeroberfläche mit einer dünnen elastischen,abrasionsfesten Schutzschicht überzogen.

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Um zu verhindern,daß sich in der Spülung schwebende Teilchen der Größe der Spaltweite beim ersten Eindringen von Spülung in den Spalt zwischen Rotor und Stator verkeilen und dabei die Schutzschicht in Mitleidenschaft ziehen, ist die radiale Spaltweite des Verbindungsweges kleiner als die kleinste Spaltweite zwischen Rotor und Stator. Der Verbindungsweg kann auch langer gewählt werden und nach Art einer Labyrinthdichtung ausgeführt sein.

Mit besonders einfachen Fixierungselementen für die Lager des Generators kommt eine Version aus, bei der die Radi al lager des Rotors diesen gegen das Außenrohr abstützen. So sind die Rotorlagerschalen zulaufseitig gegen einen Kragen des Rotors abgestützt, während die Statorlagerschalen an derselben Seite über eine Distanzhülse an einem Kragen des Außenrohres anliegen. Zwischen dem zu!aufsei ti gen Lager und dem ab!aufsei ti gen Lager befinden sich Distanzkörper, die z.B. durch die Rotor- und Statorschaufeln einer Turbine gebildet sein können. Das ablaubseitige Lager wird auf Seiten der Rotorschale durch eine Gewindehülse und auf Seiten der Statorschale durch einen Gewindeansatz eines weiteren Außenrohrstückes und weiterer Distanzkörper fixiert. Die Lagerschalen sind vorzugsweise aus Hartmetall. Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß die verwendeten Einzelteile mehrere Funktionen übernehmen wie gegenseitige axiale Fixierung von Lagern und Turbinenschaufeln und reibschlüssige Drehsicherung bzw. Drehmomentübertragung.

Wegen der starken axialen Kräfte, die auf den Generatorrotor ausgeübt werden, besitzt dieser als Axiallager vorzugsweise ein Diamantlager, welches sich durch einen besonders geringen Verschleiß auch bei starker Belastung auszeichnet. Dieses Lager ist mit seiner zu!aufsei ti gen Lagerschale auf der bereits erwähnten Gewindehülse, die zur Fixierung der Rotorlagerschalen dient, befestigt und mit seiner ablaufsei ti gen Lagerschale auf einem als Spinne ausgebildeten Einsatz, der zusätzlich außen als Distanzkörper zur Fixierung der Statorradi allagerschalen und innen zur Aufnahme der Ankerwelle dient. Die Ankerwelle des Stators wiederum weist zulaufseitig einen Außengewindeansatz auf und ist in .einem zulaufsei ti gen Innenteil verschraubt. Auch in diesem Falle wird in vorteilhafter Weise der Einsatz gleichzeitig zur Lösung mehrerer Aufgaben benützt, was die Montage erleichtert und die Zahl der Einzelteile auf ein geringes Maß beschränkt.

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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung veranschaulicht ist. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 a, b Längsschnitte durch einen Bohrstrang zur Veranschaulichung der Anordnungen von Generator, übertragungs- und Meßdatenerfassungseinheit und Wahl verschiedener Antriebsarten

Fig.2 einen Längsschnitt durch einen Generator

In Fig. 1 a ist der untere Teil eines Bohrstranges dargestellt, der oberhalb des Meißels eine Einrichtung zur Datenerfassung und -übertragung enthält.

Diese Einrichtung umfaßt eine Sensor- und Datenverarbeitungseinheit 1, eine Übertragungseinheit 2, einen Generator 3 und einen Antriebsmotor 4, der als Verdrängungsmotor nach dem Moineau-Prinzip aufgebaut ist.

Fig. 1 unterscheidet sich von Fig. 1 a nur durch den unterschiedlichen Antrieb des Generators 3, der hier mit einer auf den Generator aufgesetzten Turbine 5 ausgestattet ist.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch den in Fig. 1 b dargestellten Generator 3 mit Turbinenantrieb. Der Generator befindet sich im inneren eines Bohrstranges, der von Spülungsflüssigkeit durchströmt wird. Der Bohrstrang enthält einAußenrohr 6 mit einem Innengewinde 7, dem sich ein weiteres Rohrstück 8 mit einem Außengewindeansatz 9 anschließt.

Innerhalb des Außenrohres 6 wird Spülungsflüssigkeit abwärts zum Bohrmeißel gepumpt, tritt dort über Düsen oder Auslässe aus und kehrt durch einen Ringraum zwischen Außenrohr und Bohrlochwand zur Erdoberfläche zurück. Die Strömungsrichtung innerhalb des Bohrstranges verläuft von der ZuI aufsei te 10 zur AbI aufsei te 11. Der von Spülungsflüssigkeit ausgefüllte Innenraum wird als Spülungsraum 12 bezeichnet. Einen Teil des Spülungsraumes bildet ein Turbinenraum 13, in dem Rotorschaufeln 14 und Statorschaufeln 15 einer mehrstufigen Turbine 5 angeordnet sind, die als Antriebsmotor für einen als ganzes mit 16 bezeichneten permanent erregten Drehstromgenerator dient. Die Außen-

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ringe der Statorschaufeln 15 liegen an der Innenwand des Außenrohres 6 an, während die Rotorschaufeln 14 ein zylindrisches Rotorteil 17 umschließen. Zu beiden Seiten der Turbine 5 sind Hartmetall radiallager 18;19 angeordnet, die das zylindrische Rotorteil 17 gegen das Außenrohr 6 lagern. Die Hartmetallradiallager bestehen jeweils aus einer Statorlagerschale 20;22 die axial gerichtete Durchbrüche 24;25 für die Spülungsflüssigkeit besitzen, undja/eils einer Rotorlagerschale 21;23. Die Gleitflächen sind jeweils mit einer Hartmetall beschichtung 25 versehen. ZuI aufsei tig ist die Anordnung aus Lagern und Turbinenstufen über eine Distanzhülse 26 an einer Schulter 27 des Außenrohrs 6 bzw. direkt an einer Schulter 28 des Rotorteils 17 fixiert. AbI aufsei tig ist die Anordnung über eine Distanzhülse 29 und ein Innenteil 30, das axial gerichtete Durchbrüche 31 für die Spülungsflüssigkeit besitzt, gegen eine Schulter 32 des Außengewindeansatzes 9 bzw. gegen eine Schulter 33 einer Gewindehülse 34 verspannt. Die Gewindehülse 34 ist ab!aufseitig in das zylindrische Rotorteil 17 geschraubt. In die Gewindehülse 34 ist ferner die 2ulaufseitige Rotorlagerschale 35 eines Diamantaxi allagers eingebettet, deren Gegenstück, die ablaufsei ti ge Statorlagerschale 38, mit dem Innenteil 30 verbunden ist. Das Diamantlager 36 trägt an den Gleitflächen beider Lagerschalen eine Beschichtung 37 von in ein Bindemittel imprägnierten Diamanten. Koaxial zu der Turbine 5 ist der Generator 16 angeordnet. Dieser besteht aus einem Erreger, der aus dem zylindrischen Rotorteil 17 und darauf befestigten Permanentmagneten 39 gebildet ist, und aus einem feststehenden Anker, der seinerseits im wesentlichen eine Welle 40, ein darauf aufgebrachtes Paket aus Dynamoblechen 41, und eine Wicklung 42 umfaßt. Als weiteres konstruktives Merkmal ist die Wicklung durch Vergußmasse 43 vergossen und mit einer abrasionsfesten Schutzschicht 44 aus Gummi versehen. In Fortsetzung dieses Oberzugs ist zu!aufsei tig eine Hülse 45 und ablaufsei tig eine weitere Hülse 46 aufgeschoben, wobei die ablaufseitige Hülse als einseitig offener Topf ausgebildet ist und auf der Welle 40 gegen die Stirnfläche der Vergußmasse 43 mittels einer Gewindemutter 47 verspannt ist. Ablaufsei tig ist die Welle 40 in einer Bohrung des Innenteils 30 gelagert, während sie zulaufseitig in einer weiteren Hülse mit Außengewindeansatz 47 ruht, die ihrerseits in einer Gewindebohrung eines Einsatzes 48 verschraubt ist. Die Welle 40 weist zulaufseitig drei über den Umfang verteilte axial verlaufende Bohrungen 49 auf, in denen die von der Ankerwicklung 42 zu den Verbrauchern führenden Kabel untergebracht sind. Ein Innenraum 50 der weiteren

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Hülse 47 ist hohl und mittels einer Dichtung 51 gegen den Spülungsdruck abgedichtet. Auf diese Außenfläche des Einsatzes 48 ist eine Hülse 52 aufgeschoben, die ihrerseits axial über eine auskragende Oberfläche des zylindrischen Rotorteils 17 ragt und einen in Gegenrichtung zum Spülungsstrom weisenden Verbindungsweg 53 zwischen dem Spülungsraum 12 und dem Zwischenraum zwischen Rotor und Stator, auch als Spalt 54 bezeichnet, begrenzt.

Bei dem oben beschriebenen Aufbau erfolgt die Montage durch Verschrauben des komplett vormontierten Ankers im Einsatz 48 und anschließendes Einschieben der Distanzhülse 26 und des kompletten vormontierten Satzes aus dem zylindrischen Rotorteil 17, den Rotorlagerschalen 21;23, Rotorturbinenschaufeln 14 sowie den darauf und dazwischen gesteckten Statorlagerschalen 20,22 und Statorturbinenschaufeln 15. Mittels der Gewindehülse 34 werden die zum Rotor zählenden Teile reibschlüssig verspannt, anschließend wird der Distanzring 29 und das Innenteil in das Außenrohr 6 geschoben, wobei das Innenteil 30 gleichzeitig die Welle 40 aufnimmt. Durch Einschrauben des Gewindeansatzes 9 in das Innengewinde 7 des Außenrohrs 6 werden die zum Turbinenstator zählenden Teile reibschlüssig gegen das Außenrohr 6 verspannt.

Während des Bohrbetriebs strömt Spülungsflüssigkeit durch den Spülungsraum 12 und somit auch durch den Turbinenraum 13 und versetzt die Turbine mit dem daran gekoppelten Rotor des Generators in Drehung. Dabei erzeugen die rotierenden Permanentmagnete ein Drehfeld im feststehenden Anker und induzieren in dessen Wicklung, die als Drei-Phasen-Wicklung ausgebildet ist, einen Drehstrom.

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Claims

PATENTANWÄLTE Dr. V. Busse ■ Dipl.-lng. D. Busse

Dipl.-Ing. E. Bünemann _ _

4BOO Osnabrück · GroBhandelsring 6 Q\J Ζ.Ό0 £3

CHRISTENSEN, INC. Osnabrück, den 1. Aug. 1980

South 300 West Street DB/Ka

Salt Lake City, Utah 84115, U.S.A.

30. OuIi 1980

Generator zur Erzeugung elektrischer Energie Patentansprüche

[ 1. Generator zur Erzeugung elektrischer Energie zur Versorgung von innerhalb eines Bohrloches angeordneten Verbrauchern, insbesondere Meßdatenerfassungs-, übertragungs- und Fernsteuereinrichtungen, wobei der Generator in einem von Spülungsflüssigkeit durchflossenen Spülungsraum im Inneren eines Bohrstranges angeordnet ist, einen Stator und einen koaxial und mit radialem Spalt dazu angeordneten Rotor umfaßt und der Rotor mit einem durch die Spülungsflüssigkeit angetriebenen Motor gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator einen Generatoranker (40...46) und der Rotor einen mit Permanentmagneten ausgestatteten Erreger (39) beinhalten, daß der Spalt (54) zwischen Stator und Rotor mit dem inneren Spülungsraum (12) in Verbindung steht, wobei ein Verbindungsweg (53) zulaufseitig im Bereich der Abzwei'ung vom Spülungsraum (12) entgegengesetzt oder in spitzem Winkel zum Spülungsstrom geführt ist, und daß der Rotor mittels ungedichteter, erosions- und abrasionsfester Radial- (18;19) und Axiallager (36) gelagert ist.
2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generatoranker (40...46) zum Spalt (54) hin mit einer elastischen, abrasionsfesten Schutzschicht (44) versehen ist.
3. Generator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Spaltweite des Verbindungsweges (53) wenigstens während eines Teilbereiches kleiner ist als die kleinste Spaltweite (54) zwischen Rotor und Stator.

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4. Generator nach einem der Sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

der Verbindungsweg (53) nach Art einer Labyrinthdichtung ausgeführt ist.
5. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Radiallager (18;19) gegen das Außenrohr (6) des Bohrstranges abgestützt sind.
6. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zulaufseitige Radiallager (18) mit der zulaufsei ti gen Stirnseite seiner Rotorlagerschale (21) an einer Schulter (28) eines Rotorteils (17) und seiner Statorlagerschale (20) über eine Distanzhülse (26) an einer Schulter (27) des Außenrohres (6) anliegt, daß zwischen der ablaufsei ti gen Stirnseite des genannten Radial lagers (18) und der zulaufsei ti gen Stirnseite des ablaufseitigen Radiallagers (19) Distanzkörper (14;15) angeordnet sind und daß das ablaufseitige Radiallager (19) mit der ablaufseitigen Stirnseite seiner Rotorlagerschale (23) mittels einer auskragenden Gewindehülse (34) am Rotorteil (17) fixiert ist, während es mit der auf!aufsei ti gen Stirnseite seiner Statorlagerschale (22) über Distanzkörper (29;30) mittels der Stirnseite (32) eines Gewindeansatzes (9) eines weiteren Außenrohrstückes (8) fixiert ist.
7. Generator nach einem der Ansprüche 5 oder S, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzkörper zwischen den Radiallagern (18;19) durch kaskadierte Rotor- (14) und Statorschaufelräder (15) des als Turbine 5 ausgeführten Antriebsmotors für den Generator gebildet sind.
8. Generator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Radiallager (18;19) auf den Gleitflächen eine Hartmetallbeschichtung (25) besitzen.
9. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindehülse (34) rückseitig die Rotorlagerschale (35) des Axiallager (36) trägt, während die Statorlagerschale (38) auf einem bei der Fixierung der Radiallager (18;19) als Distanzkörper dienenden Innenteil (30) befestigt ist.

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10. Generator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Axiallager (36) als Diamantlager ausgebildet ist.
11. Generator nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, daß der Stator zulaufsei tig einen Außengewindeansatz (47) aufweist, in einem Einsatz (48) verschraubt und gegen das Außenrohr (6) zentriert ist und daß der Stator ablaufseitig in dem Innenteil (30) radial zentriert ist.

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