NO339473B1 - Anordning og fremgangsmåte for utvidelse av strømningsområde for en nedihullsturbin - Google Patents

Description

I mange nedihulls bore- og målesystemer, er det påkrevd med en nedihulls effektkilde. Effektkilden kan inkludere blant annet direkte effektytelse fra dreie-momentet og rotasjonen av borestrengen, elektriske lagringsbatterier og turbiner.

I en boreomgivelse hvor slamstrøm er til stede, er det anledning til å bruke en del av denne hydrauliske effekt til å drive en turbin. Turbinen kan i sin tur rotere et mangfold av elektriske, mekaniske eller andre innretninger for å omdanne den hydrauliske energi til en ønsket effektytelse.

Turbiner, selv om de er effektive, må opereres innenfor et smalt rotasjons-hastighetsområde for optimal effektytelse. Rotasjonshastigheten til turbinen er relatert til strømningsmengden eller hastigheten av boreslammet. Det er ønskelig å utvide eller maksimere området for strømningsmengder (minimum til maksimum) som optimal effektytelse kan oppnås over, slik at driften nede i hullet kan brukes med de bredest mulige hydrauliske parametere som er ønsket i boreprosessen.

Forskjellige teknikker har blitt utviklet for å håndtere strøm gjennom en turbin, så som US-patent nr. 6.402.465, bevilget til Maier. Maier-patentet tilveiebringer en ringventil for styring av turbinstrøm for industrielle turbiner med kompressibel strøm. I dette tilfelle fokuserer styringen av den samlede masse-strøm på anordningen, og viser ikke en løsningsmåte med hastighet hvor det brukes en inkompressibel strøm. Det er forskjellige andre nedihullssystemer, så som verktøy for måling under boring (measurement while drilling, MWD), turbobor, osv., som bruker turbiner til effektgenerering. Imidlertid, så langt det er kjent for søkerne, tilveiebringer ikke disse innretningene teknikker som er i stand til å utvide strømningsområder.

US 4,956,823 A vedrører utstyr for overføring av trykksignaler i en strømmende væske, og vedrører spesielt en nedihulls-sender for å frembringe slampulser i et såkalt slam-puls-telemetrisystem

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer midler for å utvide det strømn-ingsmengdeområde over hvilket en turbin vil returnere en effektytelse som er tilstrekkelig til å oppfylle minimumskravene til nedihullseffekt.

I et første aspekt tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en turbin som er nyttig for nedihulls effektgenerering over et strømningsområde, og som omfatter

en rotor som drives av en fluidstrøm; en stator, som kommuniserer hydraulisk med rotoren, med et fluidstrømløp som er tilstrekkelig til å påføre tangensiale og aksiale vektorstrømkomponenter på et fluid som strømmer forbi statoren; en aksel som er

koplet til rotoren; og én eller flere bremseskovler som er forbundet til rotoren for rotering med rotoren, der den ene eller de flere bremseskovlene påfører en økende motstandskraft på rotoren når rotoren og bremseskovlene roterer for å redusere graden av økning i hastighet, slik at rotasjonene per minutt senkes sammenlignet med ikke å ha én eller flere bremseskovler og i sin tur, til relativt å øke strømningsområdet ved høyere strømningsmengder, hvori turbinen i anvendes for effektgenerering nedihulls, og den økende motstandskraften øker med de høyere strømningsmengdene.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et arrangement av aksiale skovler som er plassert slik at rotasjonen av turbinen genererer en økende motstandskraft. Denne kraften virker på turbinen for å redusere graden av økning i hastighet, slik at de faktiske rotasjoner per minutt (rpm) er lavere enn det de ville ha vært hvis de aksiale skovler ikke var til stede. Dette øker i sin virkning strømningsområdet.

Det beskrives også et arrangement av et eller flere sluseelementer eller et eller flere stempelelementer som strekker seg radialt mellom turbinens stator-blader. Ved lav strøm er disse elementer utstrukket for å maksimere fluidhastighet i forhold til strømningsmengden, for å oppnå hastigheten og effekten for å drive turbinsystemene. Ved høy strømning trekkes elementet/elementene progressivt inn for å redusere hastigheten i forhold til strømningsmengden, slik at hastigheten og effekten begrenses på en slik måte at dette utvider strømningsmengden. Fremgangsmåten for utvidelse kan enten styres aktivt eller styres passivt.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer som nevnt en turbin som er nyttig for effektgenerering nede i hullet. Turbinen har en stator som har fluidstrømløp som er tilstrekkelig til å påføre tangensiale og aksiale vektorstrømkomponenter på et fluid som strømmer forbi statoren, en rotor som kommuniserer hydraulisk med statoren, som drives av den vektorpåførte fluidstrøm, en aksel som er koplet til rotoren, og, en eller flere bremseskovler som er forbundet til rotoren, som påfører en motstandskraft på rotoren når rotoren og bremseskovlene roterer. Turbinen kan drive en generator som er koplet til akselen. Akselen kan også være koplet til: mekaniske transmisjoner, så som tannhjul, kammer, tenner, skruer og lignende; hydrauliske transmisjoner, så som pumper, stempler, plungere og lignende; eller elektriske generatorer, så som en motor. Hver av de mekaniske transmisjoner, hydrauliske transmisjoner eller elektriske generatorer kan brukes til omdannelse av akseleffekt til anvendelig arbeid.

I en annen utførelse kan turbinen ha en stator som har et fluidstrømløp som er tilstrekkelig til å påføre tangensiale og aksiale vektorstrømkomponenter på et fluid som strømmer forbi statoren, en rotor som kommuniserer hydraulisk med statoren, som drives av den vektorpåførte fluidstrøm, en aksel som er koplet til rotoren, og, en eller flere restriksjonssammenstillinger som er forbundet til statoren for selektivt å styre en strømningshastighet til et fluid forbi statoren. Restriksjonssammenstillingen kan være forbundet til statoren ved et fluidstrømløp-innløp- eller utløp.

Restriksjonssammenstillingene kan styres aktivt eller styres passivt. Aktiv styring kan oppnås ved hjelp av hydraulisk aktuering gjennom trykkfall, hjelpeeffekt som virker på restriksjonssammenstillingene, eller stempler som aktueres av en ekstern kilde. Passiv styring kan skaffes fra fjærer, elastomeriske elementer eller plastiske elementer som påfører en effekt på restriksjonselementene.

I en annen utførelse kan turbinen ha en stator som har et fluidstrømløp som er tilstrekkelig til å påføre tangensiale og aksiale vektorstrømkomponenter på et fluid som strømmer forbi statoren, en rotor som kommuniserer hydraulisk med statoren, som drives av den vektorpåførte fluidstrøm, en aksel som er koplet til rotoren, en eller flere restriksjonssammenstillinger som er forbundet til statoren for selektivt å styre en strømningshastighet til et fluid forbi statoren, og, en eller flere bremseskovler som er forbundet til rotoren, som påfører en motstandskraft på rotoren når rotoren og bremseskovlene roterer.

I et annet aspekt tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for utvidelse av strømningsområdet for en nedihullsturbin som omfatter en rotor som drives av en fluidstrøm, og en aksel som er koplet til rotoren og som omfatter: innfesting av én eller flere restriksjonssammenstillinger på rotoren for selektivt å styre en strømningshastighet for et fluid gjennom rotoren; og

installering av én eller flere bremseskovler på rotoren for å påføre en motstandskraft på rotoren når rotoren og bremseskovlene roterer; hvori motstandskraften øker ved høyere strømningsmengden og

øking av fluidstrømningsmengden for å aktivere bevegelsen av turbinen, ved samtidig aktivering av restriksjonssammenstillingene for å moderere strømningshastigheten gjennom rotoren, hvori restriksjonssammenstillingene øker strømningshastigheten ved lavere strømningsmengden

Nedihullsturbinen kan videre omfatte en stator, i hydraulisk kommunikasjon med rotoren. Statoren har et fluidstrømløp som påfører tangensiale og aksiale vektorstrømkomponenter på et fluid som strømmer forbi statoren.

Strømningsområdet kan utvides ved installering av en eller flere bremseskovler på rotoren for å påføre en motstandskraft på rotoren når rotoren og bremseskovlene roterer, og øking av fluidstrømningsmengden for å aktivere bevegelsen av turbinen.

Strømningsområdet kan utvides ved innfesting av en eller flere restriksjonssammenstillinger på statoren for selektivt å styre en strømningshastighet for et fluid gjennom statoren og aktivering av den ene eller de flere restriksjonssammenstillinger for å moderere fluidstrømningshastigheten forbi statoren. Strømnings-området kan også utvides ved installering av en eller flere bremseskovler på rotoren for å påføre en motstandskraft på rotoren når rotoren og bremseskovlene roterer, og, innfesting av en eller flere restriksjonssammenstillinger på statoren for selektivt å styre en strømningshastighet for et fluid gjennom statoren, og øking av fluidstrømmen under samtidig moderering av restriksjonssammenstillingene for å moderere fluidstrømmen.

Kort beskrivelse av tegningene:

Figur 1 er en skjematisk tegning som illustrerer et tverrsnitt av en nedihullsturbin (kjent teknikk). Figur 2 er en skjematisk tegning av en nedihullsturbin med bremseskovler i henhold til en utførelse av oppfinnelsen. Figur 3 er en skjematisk tegning av en nedihullsturbin med bremseskovler i henhold til en utførelse av oppfinnelsen. Figur 4 er en skjematisk tegning av en nedihullsturbin med bremseskovler i henhold til en utførelse av oppfinnelsen. Figur 5 er en skjematisk tegning av en nedihullsturbin med bremseskovler i henhold til en utførelse av oppfinnelsen. Figur 6 er en grafisk representasjon av effekttap som en funksjon av turbinrotasjonshastighet for en nedihullsturbin med bremseskovler i henhold til en utførelse av oppfinnelsen. Figur 7 er en skjematisk tegning av en nedihullsturbin med restriksjonselementer i henhold til en utførelse av oppfinnelsen. Figur 8 er en skjematisk tegning av en nedihullsturbin med restriksjonselementer i henhold til en utførelse av oppfinnelsen. Figur 9 er en skjematisk tegning av en nedihullsturbin med restriksjonselementer i henhold til en utførelse av oppfinnelsen. Figur 10 er en skjematisk tegning av en nedihullsturbin med restriksjonselementer og bremseskovler i henhold til en annen utførelse av oppfinnelsen. Figur 11 er en skjematisk tegning av en nedihullsturbin med restriksjonselementer i henhold til en annen utførelse av oppfinnelsen. Figur 12 er en skjematisk tegning av en nedihullsturbin som har både restriksjonselementer og bremseskovler i henhold til en utførelse av oppfinnelsen. Figur 13 er en skjematisk tegning av en nedihullsturbin som har både restriksjonselementer og bremseskovler i henhold til en annen utførelse av oppfinnelsen. Figur 14 er en skjematisk tegning av en nedihullsturbin som har både restriksjonselementer og bremseskovler i henhold til en annen utførelse av oppfinnelsen. Figur 15a er en grafisk representasjon over de samlede estimerte effekt- og driftspunkter for en nedihullsturbin uten en brems som en funksjon av turbinrotasjonshastighet med en vannstrømningsmengde på 18,93 liter/sekund. Figur 15b er en grafisk representasjon over de samlede estimerte effekt- og driftspunkter for en nedihullsturbin med en brems, i henhold til en utførelse av oppfinnelsen, som en funksjon av turbinrotasjonshastighet med en vannstrømn-ingsmengde på 18,93 liter/sekund. Figur 16a er en grafisk representasjon over de samlede estimerte effekt- og driftspunkter for en nedihullsturbin uten en brems som en funksjon av turbinrotasjonshastighet med en vannstrømningsmengde på 45,42 liter/sekund. Figur 16b er en grafisk representasjon over de samlede estimerte effekt- og driftspunkter for en nedihullsturbin med en brems, i henhold til en utførelse av oppfinnelsen, som en funksjon av turbinrotasjonshastighet med en vannstrømn-ingsmengde på 45,42 liter/sekund. Figur 17a er en grafisk representasjon over de samlede estimerte effekt- og driftspunkter for en nedihullsturbin uten sluseelementer som en funksjon av turbinrotasjonshastighet med en vannstrømningsmengde på 12,62 liter/sekund. Figur 17b er en grafisk representasjon over de samlede estimerte effekt- og driftspunkter for en nedihullsturbin med sluseelementer, i henhold til en utførelse av oppfinnelsen, som en funksjon av turbinrotasjonshastighet med en vannstrømn-ingsmengde på 12,62 liter/sekund. Figur 17c er en grafisk representasjon over de samlede estimerte effekt- og driftspunkter for en nedihullsturbin med sluseelementer, i henhold til en utførelse av oppfinnelsen, som en funksjon av turbinrotasjonshastighet med en vann-strømningsmengde på 42,90 liter/sekund. Figur 1 er en skjematisk tegning som illustrerer tverrsnittet gjennom en typisk nedihullsturbin 10 ifølge kjent teknikk. Fluider, så som boreslam, vann, olje eller andre fluider som strømmer gjennom turbinen 10 strømmer i den retning som er vist med strømningsretningspilene 12. Statoren 14 er et stasjonært element som leder fluidstrømmen og som påfører en strømningsvektor, som har både aksiale og tangensiale komponenter, på fluidene som strømmer over rotoren 16. Den vektorpåførte fluidstrøm produserer et dreiemoment på rotoren 16, hvilket forårsaker at rotoren 16 roterer med en vinkelhastighet. Rotoren 16 er koplet til en aksel 18, som omdanner denne hydrauliske energi til mekanisk effekt. Akselen 18 kan være koplet til forskjellige andre innretninger, så som mekaniske, elektriske, hydrauliske eller andre midler, for å omdanne denne akseleffekten til anvendelig arbeid. Dette er en velkjent praksis som anvendes innen kjent teknikk. I tillegg til statoren 14 og rotoren 16, viser figur 1 andre forskjellige mekaniske elementer i en nedihullsturbin 10, som her ikke beskrives. Rotoren 16 kan være forbundet til akselen 18 som kan være koplet til en elektrisk generator (ikke vist). Generatoren omdanner den hydrauliske effekt i fluidstrømmen til elektrisk effekt. Figur 2 er en skjematisk tegning som illustrerer en nedihullsturbin 20 i henhold til en utførelse av oppfinnelsen. Retningen av fluidstrømmen er gitt av retningspilen 22. Nedihullsturbinen 20 kan ha en stator 24 og en rotor 26. Statoren 24 er et stasjonært element som leder fluidstrømmen og påfører en strømningsvektor, som har både aksiale og tangensiale komponenter, på fluidene som kommer inn i strømningsløpet mellom den innvendige vegg i turbinen og de utvendige overflater av rotoren 26. Den vektorpåførte fluidstrøm produserer et dreiemoment på rotoren 26, hvilket forårsaker at rotoren 26 roterer med en vinkelhastighet. Rotoren 26 er koplet til akselen 28, som omdanner denne hydrauliske energi til mekanisk effekt. Akselen 28 kan være koplet til forskjellige andre inn-

retninger, så som mekaniske, elektriske, hydrauliske eller andre midler, for å omdanne denne akseleffekten til anvendelig arbeid. Figur 2 viser andre forskjellige mekaniske elementer i en nedihulls turbinstator 24 og turbinrotorsammenstilling 26, som her ikke beskrives. Rotoren 26 er forbundet til akselen 28, som er koplet til en elektrisk generator (ikke vist). Generatoren omdanner den hydrauliske effekt i fluidstrømmen til elektrisk effekt.

Nedihullsturbinen 20 kan ha turbinrotorbremseskovler 27, lokalisert ned-strøms for rotoren 26. Turbinrotorbremseskovlene 27 kan her også refereres til som aksiale bremseskovler eller bremseribber. Bremseskovlene 27 er anordnet til å fremkalle motstandskraft sammen med rotasjonen av turbinrotoren 26. Bremseskovlene 27 kan være rektangulært utformede ribber, eller kan være av et mangfold av andre former som er egnet for øking av motstandskraften. Figurene 3 og 4 er representasjoner av en utførelse av partier av nedihullsturbinen 20. Figurene 3 og 4 illustrerer elementer i nedihullsturbinen 20, inkludert statoren 24, rotoren 26 og bremseskovlene 27. Rotoren 26 og bremseskovlene 27 roterer i den retning som er angitt med retningspilen 29.

I en alternativ utførelse kan nedihullsturbinen 20, som har bremseskovler 27, være som illustrert på figur 5. Nedihullsturbinen 20 kan opereres uten statoren 24, der hvor statoren 24 ikke brukes eller ikke er påkrevd.

Motstandskraften som påføres av bremseskovlene 27 kan tillate at strømn-ingsmengdeområdet for turbinen 20 blir utvidet. Motstandskraften fra bremseribbene 27 øker i proporsjon med kvadratet av rotasjonshastigheten, slik at en høyere (i motsetning til bare lineær) motstandskraft fremkalles ved de høyere hastigheter enn de lavere hastigheter. Motstandskraft, motstandsdreiemoment og effekttap kan estimeres som følger:

Bremseribbemotstandskraft (Fd):

Bremseribbemotstandsdreiemoment (Tbf):

Bremseribbeeffekttap (Pbf):

hvor Cd er ribbemotstandskoeffisienten, Td er ribbeavstanden fra rotasjonssenteret, w er vinkelhastigheten, Atms er arealet av ribbene, p er fluidtettheten og n er omdreininger per minutt av rotoren 26 og bremseribbene 27.

Effekttapet (Pbf, i watt) for et sett av nominelle dimensjoner, bruker et enkelt par av bremseribber 27 som er lokalisert på et rotornav, og hydraulisk strøm med vann kan estimeres ved bruk av de ovenstående ligninger, og vises grafisk, som gitt på figur 6. De ovenstående ligninger og figur 6 viser at effekttapet øker som en funksjon av turbinens rotasjonshastighet, n<3>. Selv om motstandskraften er til stede ved det nedre punkt av turbinens driftsområde (rpm og strømningsmengde), er motstandskraften således mye høyere ved det øvre område. Den økte motstandskraft øker virkningsfullt strømningsmengdeområdet, minimum til maksimum, som turbinen kan brukes over, hvilket er ytterligere eksemplifisert i eksempel 1 nedenfor.

Figur 7 illustrerer en annen utførelse av den foreliggende oppfinnelse som

er nyttig for utvidelse av strømningsmengdeområdet. Retningen av fluidstrømmen gjennom nedihullsturbinen 60 er gitt av retningspilen 62. Nedihullsturbinen 60 kan ha stator 64 og rotor 66. Utstrekkings- eller restriksjonselementer 65 kan brukes til å blokkere av valgte partier av statoren 64 og øke den lokale strømningshastighet over partier av statoren 64, hvilken påføres på innløpet til rotoren 66, hvilket resulterer i høyere hastigheter i forhold til strømmen ved den nedre ende av strømningsområdet. Når strømningsområdet øker, trekkes utstrekkingselementene 65 inn, og hastigheten til fluidet modereres slik at hastigheten og effekten kan oppnås normalt på grunn av bladstrømningsvinklene. Det virkningsfulle resultat er at den nedre endes hastighet og effekt økes på grunn av at denne selektive, lokale strømningshastighet øker. Denne hastighetsøkningen påfører mer fluidbeveg-elsesmengde på rotoren 66, hvilket tillater turbinoperasjon ved lavere strømnings-mengden

Posisjonen til elementene 65 i forhold til statoren 64 kan styres passivt. Økt strøm og motstandskraft kan brukes til å bevege elementene 65 på en slik måte at tilgangen til statorens strømningsareal vil bli økt ved høyere strømningsmengden Passive midler for styring, så som fjærer som påfører effekt på stempler eller sluseelementer, kan brukes til å aktuere elementene 65. Tilsvarende kan elastomersluseelementer eller plastiske sluseelementer som inkorporerer fjær-lignende oppførsel i sin struktur brukes som utvidelseselementer 65. I disse alternative aktueringsmidler, kan økt strøm og motstandskraft brukes til å trykke sammen fjærene eller avbøye elementene 65 på en slik måte at strømningsarealet vil bli modulert, hvilket tillater at turbinen opprettholdes innenfor et optimalt eller ønsket område.

Posisjonen til elementene 65 i forhold til statoren 64 kan også styres aktivt. Datamaskinstyring eller operatørstyring av posisjonen til elementene 65 kan anvendes, slik at posisjonen til sluseelementene 65 styres aktivt som respons på strømningsmengden eller rotorens rotasjonshastighet. Aktive midler for styring, så som hydraulisk aktuering gjennom trykkfall, hjelpeeffekt som virker på sluseelementene, stemplene, osv., kan brukes til å aktivere og/eller posisjonere utstrekkingselementene 65.

Driften av turbinen kan analyseres ved bruk av de følgende grunnleggende turbinligninger for beregning av virkningene av sluseelementene:

Grunnleggende turbindreiemoment fra tangensiale hastigheter:

Gjennomsnittlige hastigheter, inkompressibel strøm:

Massestrømningsmengde, omdreininger per minutt:

Kombinering av de ovenstående ligninger resulterer i dreiemoment og effekt som en funksjon av arealer og rpm:

hvorVaxer den aksiale strømningshastighet, a er statorens strømningsutgangs-vinkel, (3 er rotorens strømningsutgangsvinkel, Q er den totale strømningsmengde for fluidet, r er den midlere radius til rotoren, Astator er det aksiale strømningsareal til statoren, Arotor er det aksiale strømningsareal til rotoren, og n og w er som tidligere definert.

Som det kan ses av ligningene, øker dreiemoment og effekt når Astator minker på grunn av virkningen av sluseelementene. Disse ligningene er forenklet for klarhets skyld og/eller for å demonstrere det fundamentale prinsipp som her anvendes, at selektiv øking av strømningshastigheten ved statorutgangen ved redusering av strømningsarealet til statoren, øker effektoverføring ved lave strømningsmengden Ytterligere ligninger og matematiske antagelser kan brukes for å bestemme de samlede effekter av de forskjellige virkningsgrader og system-tap og vekselvirkninger, alt på en måte som er velkjent innen denne bransje.

I en alternativ utførelse kan nedihullsturbinen 60 være som illustrert på figur 8. Restriksjonselementene 65 kan være lokalisert på rotoren 66, og nedihullsturbinen 60 kan opereres uten statoren 64. I en annen alternativ utførelse, som illustrert på figur 9, kan restriksjonselementene 65 være lokalisert på rotoren 66, og nedihullsturbinen 60 kan opereres med statoren 64. I enda en alternativ utførelse, som illustrert på figur 10, kan restriksjonselementene 65 og bremseskovlene 67 være lokalisert på rotoren 66, og nedihullsturbinen 60 kan opereres med statoren 64.

I en annen alternativ utførelse kan nedihullsturbinen 60 være som illustrert på figur 11. Restriksjonselementene 65 kan være lokalisert på statoren 64, og restriksjonselementene 69 kan være lokalisert på rotoren 66. Restriksjonselementene 65 og 69 kan være av tilnærmet lik eller forskjellige design.

De utførelser som er beskrevet ovenfor kan brukes uavhengig eller i kombinasjon for å påvirke rotoren og/eller statoren, så som på figur 12. Disse fremgangsmåter kan kombineres for ytterligere å øke strømningsområdet for en turbin 70. Retningen av fluidstrøm gjennom nedihullsturbinen 70 er gitt av retn-ingspilene 72. Nedihullsturbinen 70 kan ha stator 74 og rotor 76. Ustrekkings-eller restriksjonselementer 75 kan brukes til å begrense strøm av fluid gjennom partier av statoren 74 for å øke den lokale strømningshastighet til fluidet over partier av statoren 74. Den økte hydrauliske energi i fluidet kan påføres på inn-løpet til rotoren 76, hvilket resulterer i høyere rotasjonshastigheter ved lavere fluid-strømningsmengder, som tidligere drøftet. Bremseskovler 77 kan være anordnet til å fremkalle motstandskraft sammen med rotasjon av rotoren 76, hvor motstandskraften øker med rotasjonshastigheten, som tidligere drøftet. På denne måte kan strømningsmengdeområdet til turbinen utvides til både høyere og lavere fluidstrømningsmengder.

I en alternativ utførelse kan nedihullsturbinen 70, som har bremseskovler 77, være som illustrert på figur 13. Restriksjonselementer 75 kan være lokalisert på rotoren 76, og nedihullsturbinen 70 kan opereres uten statoren 74.

I en annen alternativ utførelse kan nedihullsturbinen 70, som har bremseskovler 77, være som illustrert på figur 14. Restriksjonselementer 75 kan være lokalisert på statoren 74, og restriksjonselementer 79 kan være lokalisert på rotoren 76. Restriksjonselementene 75 og 79 kan være av tilnærmet lik eller forskjellig design.

Ytterligere variasjoner og kombinasjoner av de ovenstående fremgangsmåter som anvender de ovenstående prinsipper og omfanget av denne oppfinnelse går ikke utover omfanget av den foreliggende oppfinnelse.

Eksempel 1

Utvidelsen av strømningsmengdeområdet som er et resultat av bruk av en bremseribbe er vist grafisk på figurene 15a-15b og 16a-16b. Ved bruk av en turbin og samlede parametere for det elektriske og mekaniske system i et typisk

system for å bore og måle brønnboringer på 215,9 mm, kan de samlede estimerte effekt- og driftspunkter modelleres for systemer med og uten bremseribber. Figurene 15a og 16a illustrerer beregningsresultatene for et system uten bremseribber ved henholdsvis 18,93 liter/sekund og 45,42 liter/sekund vannstrøm. Figurene 15b og 16b illustrerer beregningsresultatene for et system med bremseribber ved like strømningsmengder, slik at det kan gjøres en direkte sammenligning. Hver graf viser to effektberegningsresultater - den krumme, stiplede linje representerer

den netto effekt som er et resultat av akselens rotasjon, og den heltrukne, krumme linje representerer den effekt som kan genereres fra en elektrisk, mekanisk eller hydraulisk innretning som opereres ved hjelp av rotorens rotasjon, brukt til å omdanne akselrotasjonseffekt til anvendelig arbeid (et effektgenereringssystem). Den lineære stiplede linje representerer den terskeleffekt som er påkrevd for å operere verktøyene. Verktøy-driftspunktet er typisk tatt som det største rpm-punkt for krysning med kravet til normal driftseffekt (lineær stiplet linje) og den effekt som genereres fra effektgenereringssystemet (krum, heltrukken linje).

Den normale driftseffekt som er påkrevd for verktøyene er ca. 120 watt. Ved sammenligning av figurene 15a og 15b, ved en vannstrømningsmengde på 18,93 liter/sekund, er verktøy-driftspunktet ca. 100 rpm lavere med en bremseribbe enn for et effektgenereringssystem som opereres uten en bremseribbe. Ved sammenligning av figurene 16a og 16b, ved en vannstrømningsmengde på 45,42 liter/sekund, er verktøy-driftspunktet ca. 400 rpm lavere med en bremseribbe 27 enn for et effektgenereringssystem som opereres uten en bremseribbe 27.

Siden turbinens rpm stort sett er lineær med strømmen, vil dette forholdet på 4:1 for reduksjon av turbinens rpm ved den høye og lave ende av strømnings-mengdeområdet respektivt resultere i et bredere strømningsområde. For dette eksempel estimeres strømningsmengdeområdet til å være 2,52 liter/sekund høyere ved den øvre ende av strømningsmengdeområdet og 0,63 liter/sekund høyere ved den lavere ende av strømningsmengdeområdet.

Eksempel 2

Utvidelsen av strømningsmengdeområdet som er et resultat av bruken av sluseelementer eller utstrekkingselementer er vist grafisk på figurene 17a-17c, hvor linjene representerer data som tidligere beskrevet for figurene 15a-15b og 16a-16b. Igjen, ved bruk av en turbin og samlede parametere for det elektriske og mekaniske system i et typisk system som brukes til å bore og måle brønnboringer på 215,9 mm, kan de samlede estimerte effekt- og driftspunkter modelleres for systemer med og uten sluseelementer. Figur 17a viser modellresultatene for et system uten restriksjonselementer, hvor statorarealet ikke er begrenset, dvs. 100% åpent, og ved en vannstrømningsmengde på 12,62 liter/sekund. Uten restriksjonselementer er effekten som genereres fra turbinen under den terskeleffekt som er påkrevd for å operere verktøyet. Ved den samme vannstrømnings- mengde på 12,62 liter/sekund, resulterer begrensning av strømmen gjennom statoren, hvor statorarealet er 50% åpent, i effektgenerering som tillater verktøy-ene å operere, som vist på figur 17b. Ved en strømningsmengde på 42,90 liter/- sekund med vann, opererer restriksjonselementene slik at de ikke begrenser strømmen gjennom statoren, hvilket resulterer i lignende modellresultater for systemer med og uten restriksjonselementer, som vist på figur 17c. Bruk av restriksjonselementer for å begrense strømmen gjennom statoren ved lave strømningsmengder tillot faktisk verktøyene å operere ved den lavere strømnings-mengde, hvilket utvider strømningsmengdeområdet.

Tallrike utførelser og alternativer av den foreliggende oppfinnelse har blitt offentliggjort. Selv om den ovenstående offentliggjøring inkluderer det som antas å være den beste modus for utførelse av oppfinnelsen, slik oppfinneren tenker seg dette, har ikke alle mulige alternativer blitt offentliggjort. Av denne årsak skal omfanget og begrensningen av den foreliggende oppfinnelse ikke begrenses til den ovenstående offentliggjøring, men skal isteden defineres og fortolkes ved hjelp av de vedføyde krav.

Claims (15)

1. Turbin (20) som er nyttig for nedihulls effektgenerering over et strømningsområde,karakterisert vedat turbinen omfatter: en rotor (26) som drives av en fluidstrøm; en stator (24), som kommuniserer hydraulisk med rotoren (26), med et fluidstrømløp som er tilstrekkelig til å påføre tangensiale og aksiale vektorstrømkomponenter på et fluid som strømmer forbi statoren (24); en aksel (28) som er koplet til rotoren; og én eller flere bremseskovler (27) som er forbundet til rotoren (26) for rotering med rotoren (26), der den ene eller de flere bremseskovlene (27) påfører en økende motstandskraft på rotoren (26) når rotoren (26) og bremseskovlene (27) roterer for å redusere graden av økning i hastighet, slik at rotasjonene per minutt senkes sammenlignet med ikke å ha én eller flere bremseskovler (27) og i sin tur, til relativt å øke strømningsområdet ved høyere strømningsmengder, hvori turbinen (20) anvendes for effektgenerering nedihulls, og den økende motstandskraften øker med de høyere strømningsmengdene.

2. Turbin som angitt i krav 1, videre omfattende en generator som er koplet til akselen.

3. Turbin som angitt i krav 2, hvor akselen er koplet til en mekanisk trans-misjon for omdannelse av akseleffekt til anvendelig arbeid.

4. Turbin som angitt i krav 2, hvor akselen er koplet til en elektrisk generator for omdannelse av akseleffekt til anvendelig arbeid.

5. Turbin som angitt i krav 1, hvori den ene eller de flere bremseskovlene er ordnet og konfigurert slik at motstandskraften øker i proporsjon med kvadratet av rotasjonshastigheten slik at en høyere motstandskraft induseres ved høyere hastigheter sammenliknet med lavere hastigheter.

6. Turbin som angitt i krav 1, som videre omfatter én eller flere restriksjonssammenstillinger som er forbundet til statoren for selektivt å styre en strømningshastighet til et fluid forbi statoren, slik at ved høy strøm trekkes den ene eller de flere restriksjonssammenstillingene progressivt inn for å redusere strømningshastigheten og, derved relativt utvide den effektive strømnings-mengden til turbinen ved høyere strømningsmengder, og ved lav strøm utvide den ene eller de flere restriksjonssammenstillingene for å blokkere av partier av fluidstrømløpet for derved øke strømningshastigheten til relativt å utvide den effektive strømningsmengden i turbinen ved lavere strømningsmengden

7. Turbin som angitt i krav 6, hvor restriksjonssammenstillingen er forbundet til statoren ved et fluidstrømløp-innløp.

8. Turbin som angitt i krav 2, hvor akselen er koplet til en hydraulisk trans-misjon for omdannelse av akseleffekt til anvendelig arbeid.

9. Turbin som angitt i krav 6, hvor restriksjonssammenstillingene styres aktivt.

10. Turbin som angitt i krav 6, hvor restriksjonssammenstillingene styres passivt.

11. Turbin som angitt i krav 6, videre omfattende: én eller flere restriksjonssammenstillinger som er forbundet til rotoren for selektivt å styre en strømningshastighet til et fluid forbi rotoren.

12. Turbin som angitt i krav 11, videre omfattende: én eller flere bremseskovler som er forbundet til rotoren, som påfører en motstandskraft på rotoren når rotoren og bremseskovlene roterer.

13. Fremgangsmåte for utvidelse av strømningsområdet for en nedihullsturbin (60) omfattende en rotor (66) som drives av en fluidstrøm, og en aksel (18) som er koplet til rotoren (66),karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter: innfesting av én eller flere restriksjonssammenstillinger (65) på rotoren (66) for selektivt å styre en strømningshastighet for et fluid gjennom rotoren (66); og installering av én eller flere bremseskovler (67) på rotoren for å påføre en motstandskraft på rotoren (66) når rotoren (66) og bremseskovlene (67) roterer; hvori motstandskraften øker ved høyere strømningsmengden og øking av fluidstrømningsmengden for å aktivere bevegelsen av turbinen (60), ved samtidig aktivering av restriksjonssammenstillingene (65) for å moderere strømningshastigheten gjennom rotoren (66), hvori restriksjonssammenstillingene (65) øker strømningshastigheten ved lavere strømningsmengden

14. Fremgangsmåte som angitt i krav 13, hvori den ene eller de flere bremseskovlene er ordnet og konfigurert slik at motstandskraften øker i proporsjon med kvadratet av rotasjonshastigheten slik at en høyere motstandskraft induseres ved høyere hastigheter sammenliknet med lavere hastigheter; og hvori nedihullsturbinen anvendes for effektgenerering nedihulls.

15. Fremgangsmåte som angitt i krav 13, hvor nedihullsturbinen videre omfatter en stator, i hydraulisk kommunikasjon med rotoren, for påføring av tangensiale og aksiale vektorstrømkomponenter på et fluid som strømmer forbi statoren.