RU11936U1 - Погружной автономный источник электропитания (для скважинных устройств) - Google Patents

Abstract

1. Погружной автономный источник электропитания (для скважинных устройств), содержащий гидротурбину и соединенный с ней электрогенератор, состоящий из корпусной детали в виде консольно-несущего вала с размещенными на нем статором с обмотками, закрытыми поверху (снаружи) тонкостенной металлической гильзой, внешнего ротора-индуктора с постоянными магнитами, установленного с охватом статора и с образованием между его тонкостенной гильзой и ротором кольцевого зазора, размещенной в этом зазоре ферромагнитной жидкости на масляной основе, а также опорно-подшипникового узла для установки ротора-индуктора на корпусной детали, отличающийся тем, что тонкостенная металлическая гильза статора выполнена немагнитной, корпусная деталь электрогенератора консольно ориентирована встречно потоку жидкости, то есть вверх, ротор-индуктор выполнен в форме тела обтекания с многоступенчатой цилиндрической полостью, в наибольшей по диаметру ступени этой полости установлены постоянные магниты, затем, по убыванию диаметров соответственно, выполнены ступень для охвата тонкостенной гильзы и корпусной детали с заранее заданным кольцевым зазором и ступень под наружный диаметр вращающихся элементов (колец) подшипникового узла, внутренние неподвижные кольца которого плотно насажены на верхнюю часть консольно несущего вала, а кольцевой зазор в нижней части ротора-индуктора, охватывающей ответную часть этого вала (ниже статора с тонкостенной гильзой), замкнут (закрыт) двумя как минимум кольцевыми уплотнениями из пластично-вязкого материала типа фторопласта, размещенными в кольцевых канавках тела ротора, при этом гидротурбина в�

Description

Погружной автономный источник электропитания (доя скважинных устройств)

Полезная модель относится к области бурения направленных нефтяных и газовых скважин турбинным способом. Предлагаемый автономный источник может быть использован для питания забойных телеметрических систем контроля и автоматизированного управления процессом проходки ствола (скважин).

Общеизвестна конструкция, 1, автономного источника электропитания, преобрсоующего энергию текучей среды в электроэнергию, выполненная на базе генератора переменного тока с постоянными магнитами, на оси которого помещена турбина. Конструкция снабжена оболочкой (корпусом) с каналами подвода и выхода текучей среды.

Известна также конструкция, 2, автономного источника электропитания, преобраз ощего текучей среды в электрическую, содержащая турбину и генератор, располсмт ные во внутренних полостях корпуса, имеющего входной и выходной каналы с установленными в каналах подпружиненными обратными клапанами.

Однако для электропитания тубинных (забойных) телеметрических систем использование известных конструкций без существенных доработок узлов и элементов практически невозможно, так как в конструкциях не учтен целый ряд технических условий, определенных спецификой проведения буровых работ при строительстве оомокин, а именно:

-температурные колебания составляют до 130°С (от - 40°С до +90°С);

-интенсивное коррозионно-эрозионное воздействие промывочной жидкости в связи с высоким содержшием в ней водорастворимых минералов и химреагентов, а также абразивных частиц горных пород в сочетании со значительными скоростями обтекания;

-высокие абсолютные жмчения давления объемного (всестороннего) сжатия в условиях глубокого погруж 1ия в вышеупомянутую среду при значительных, до 10% от абсолютных значений, колебаниях (пульсациях) давления;

-интенсивная вибрация проижольной ориентации при работе породоразрушающегх) инструмента по забою, передающаяся на все узлы и элементы конструкции, так как omi входит составной частью в компоновку низа бурильной колонны (так на:шваемую КНБК);

-жесткое ограничение по 1абаритам (по диаметру и по длине) при обеспечении необходимой мо|цности электропитания;

-невозможность оперативного устранения неисправностей и/или корректировки условий эксплуатации (и тл, и т.п. и пр...), так как конструкция используется на значительных (до 5000 м) глубинах, а процесс ее извлечения для освидетельствования, ремонта и/или замены весьма трудоемок и дорогостоящ.

M.кп H02K5/12 E 21 В 47/022

посредством муфты для передачи вра1цающего момента на валу гидротурбины. Электрогенератор состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками, при этом в зазоре между статором и ротором размещен тонкостенный стальной стакан, а зазор этим стаканом и ротором заполнен ферромагнитной жидкостью на основе масла.

Однако к существенным недостаткам вышеупомянутой конструкции, принятой за прототип, то есть наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой полезной модели, следует отнести то, что при работе ее резинометаллических опор возникает прогрессирующее люфтообразование в парах трения, а изначально плотная (тугая) сборка этих пар в объекте приводит к незапуску источника в работу. Общий поток жидкости сверху, по каналу бурильных труб, разделяется в объекте на два при обтекании генератора, а только затем идет с интенсивными вихревыми возмущениями на турбину, которая подвергается повышенным вибрационным воздействиям совместно с консольно-несущим валом, что не способствует долговечности резинометаллических опор, имеющих достаточно небольшой ресурс работоспособности. Турбина (или комплект турбин), так же как и ротор в корпусе генератора, размещена на самом роторе консольно, то есть на некотором расстоянии от ближайшего к ней подшипникового узла ротора, что также снижает ресурс работоспособности объекта в целом. Достаточно сложным технологически представляется и исхедное (изначальное введение ферромагнитной жидкости в зазор статор-ротор. Следует отметить также, что, в свете вышеотмеченных требований к глубинному источнику питания педобной конструкции, ферромагнитная жидкость в зазоре статор-ротор не защищена от потерь масла, так как кольцевая полость зазора по торцам не замкнута, а ферромагнитные частицы агрегатируются (в состоянии покоя жидкости при неподвижном роторе) на полюсах; их распределение в объеме масла, при этом, весьма неоднородно, и там, где масло обеднено содержанием магнитных частиц, там оно может быть выдавлено перепедами давления между кольцевой полости зазора ротор-статор.

Целью предлагаемой полезной модели является конструктивное устранение присущих прототипу недостатков, а именно: повышение технологичности изготовления и подготовки к эксплуатации при увеличении ресурса работоспособности путем совершенствования взаиморасположения узлов и элементов.

Поставленная цель (технический результат) достигается тем, что в пофужном автономном источнике электропитания, содержащем, согласно прототипу, гидротурбину и элекгрогенератор, состоящий из корпусной детали в виде консольно-несущего вала с размещенными на нем статоре с обмотками, закрытыми поверху (снаружи) тонкостенной металлической гильзой, внешнем роторе-индукторе с постоянными магнитами, установленном, с охватом статора и образованием между ними и статором с тонкостенной гильзой кольцмого зазора, ферромагнитной жидкости на масляной основе (располозкенной в зазоре ротор-статор и удерживаемой коэрцитивной силой магнитов ротора), а также опорно-подшипникового узла между статором и ротором, тонкостенная металлическая гильза статора выполнена немагнитной, корпусная деталь электрогенератора для штатного вращения гищротурбины консольно ориентирована встречно потоку

жидкости, то есть вверх, , ротор-ин-дуктор выполнен в форме тела обтекания с многоступенчатой цилиндрической полостью. В наибольшей, по диаметру, ступени этой полости установлены постоянные магаиты, а затем, по убыванию диаметров соответственно, выполнены ступень, для охвата с заранее заданным 1юльцевым зазором статора с тонкостенной гильзой поверх него, и ступень под наружный диаметр вращающихся элементов (колец) подшипникового уала, внутренние неподвижные элементы (кольца) которого плотно насажены на верхнюю часть консольно-несущего вала, а кольцевой зазор в нижней части ротора-индуктора, охватывающей ответную часть этого вала, ниже статора с тонкостенной гильзой, замкнут (закрыт) двумя, как минимум, кольцевыми уплотнениями из пластично-вязкого африкционного материала типа фторопласта, размещенными в кольцевых канавках тела ротора-индуктора, гидротурбина выполнена на теле ротора с внешней стороны его над опорно-подшипниковым узлом, размещенным внутри. К дополнительному конструктивному усовершенствованию отнесено то, что опорно-подшипни-ковый узел выполнен в виде последовательности (сверху-вниз) трех подшипников качения, а именно радиального шарикового, упорно-радиального с коническими роликами и упорного шарикового.

Новой и существенной совокупностью признаков предлагаемого объекта являются особенность выполнения тонкостенной гильзы статора, геометрическая форма ротора-индуктора, взаиморасположение турбины к опорно-подшипниковому узлу генератора, наличие уплотнения кольцевого зазора ротор-статор пластично-вязким материалом в нижней части генератора и исполнение опорно-подшипникового узла ротора.

На фигуре представлена (схематично) конструкция предлагаемого источника электропитания, продольный разрез по диаметральной плоскости.

Источник электропитания состоит из гидротурбины 1 (изображена условно) и электрогенератора, который состоит из корпусной детали 2 в виде консольно-несущего вала, вмонтированных в тело этой детали статора 3 с обмотками 4, закрытых поверху (снаружи) тонкостенной металлической гильзой 5, а также недетого на деталь 2 со статором 3 и гильзой 5 ротора-индукгора б с постоянными магнитами 7, причем ротор б размещен нед гильзой 5 (с образованием заранее заданного (нормируемого) зазора А, заполняемого при сборке ферромагнитной жидкостью 8 на масляной основе) посредством опорно-подшипникового узла 9. Ротор-индуктор б имеет полость ступенчато-цилиндрической формы (на фигуре отдельной позицией не обозначена). Участок полости наибольшего диаметра служит для размещения постоянных магнитов 7, участок полости меньшего диаметра о&дспечивает взаимное, с зазором А, расположение ротора над статором, а в наименьшем (из условно изображенных на фигуре) по диаметру участке полости при сборке изделия размещаются внешние, вращающиеся, кольца подшипников узла 9, неподвижные кольца подшипников плотно (с натягом) недеты на консольный верхний конец детали 2. Подшипники в опорно-подшипниковом узле 9 размещены после сборки следующим образом (сверху вниз): редиальный шариковый, упорно-редиальный с коническими роликами и упорный шариковый, что наиболее предпочтительно по распределению силовых динамических воздействий на элементы конструкции, а также предпочтительно при сборке, так как иное расположение подшипников усложняет (конструктивно) сопряжение их колец

в подшипниковом узле генератора. Весьма существенно для конструкции в целом наличие уплотнений 10 в нижней части ротора-индуктора из пластично-вязкого материала типа фторопласта, так как при достаточно малом кольцевом зазоре статор-ротор они выполняют функцию демпфера радиальных биений ротора-индуктора, функцию смазки по типу подшипника скольжения и функцию запирания кольцевого зазора от проникновения в него внешней среды и от утечек ферромагнитной жидкости. Учитывая, при этом, что подшипниковый узел генератора находится в самой верхней части конструкции, можно утвер |адать, что ресурс работоспособности существенно выше, чем у существующих источников питания, так как работоспособность их в глубинных условиях определяется именно недежностью подшипникового узла. Следует заметить, что c6opi электрогенератора значительно упрощена, для этого ротор-индуктор с гидротурбиной на внешней стороне располагают в перевернутом виде, заливают (с незначительным превышением) в его полость расчетный объем масла (или ферромагнитной жидкости на его основе), в кольцевые канавки помещают уплотнения 10 и осевым усилием запрессовывают в полость ротора-индуктора корпусную детгшь 2 с уже собранным на ней статором и подшипниками на конце; незначительные излишки масла из зазора статор-ротор при этом будут вытеснены через уплотнения 10 наружу.

Источник автономного электропитания скважинных устройств работает по общеизвестному принципу, но до начала эксплуатации его в глубинных экстремальных условиях он должен быть установлен и закреплен в центральном канале какого-либо трубного элемента (см.фиг, поз. 12) бурильной колонны так, как это изображено (то есть с помощью болтов 11) или любым иным общеизвестным способом. Естественно, что электрогенератор источника электропитания своими герметизированными выводами (см.фиг., поз. 13) силовых обмоток 4 статора должен быть соединен с потребителем. При проходке ствола некоторая часть гидравлической энергии потока промывочной жидкости отнимается гидротурбиной и преобразуется генератором в электрическую. При очередном извлечении бурильной колонны несложно провести контрольный осмотр (освидетельствование) устройства и при необходимости заменить его внешнюю часть (турбину с ротором-индуктором) на подобную, но с другими параметрами, или заменить его целиком.

В связи с вышеизлсмюнным предлагаемый пофужной источник электропитания обеспечивает требуемый технический результат при его использовании, соответствует критериям и требованиям изобретательского права, предъявляемым к объекту - полезной модели - и подлежит защите соответствующим охранным документом РФ согласно заявлению.

Источники информации, принятые во внимание при оформлении заявки:

1.Пневматический шахтный светильник, М., ПТИ, Торный журнал, 1958, №3.

Claims (2)

1. Погружной автономный источник электропитания (для скважинных устройств), содержащий гидротурбину и соединенный с ней электрогенератор, состоящий из корпусной детали в виде консольно-несущего вала с размещенными на нем статором с обмотками, закрытыми поверху (снаружи) тонкостенной металлической гильзой, внешнего ротора-индуктора с постоянными магнитами, установленного с охватом статора и с образованием между его тонкостенной гильзой и ротором кольцевого зазора, размещенной в этом зазоре ферромагнитной жидкости на масляной основе, а также опорно-подшипникового узла для установки ротора-индуктора на корпусной детали, отличающийся тем, что тонкостенная металлическая гильза статора выполнена немагнитной, корпусная деталь электрогенератора консольно ориентирована встречно потоку жидкости, то есть вверх, ротор-индуктор выполнен в форме тела обтекания с многоступенчатой цилиндрической полостью, в наибольшей по диаметру ступени этой полости установлены постоянные магниты, затем, по убыванию диаметров соответственно, выполнены ступень для охвата тонкостенной гильзы и корпусной детали с заранее заданным кольцевым зазором и ступень под наружный диаметр вращающихся элементов (колец) подшипникового узла, внутренние неподвижные кольца которого плотно насажены на верхнюю часть консольно несущего вала, а кольцевой зазор в нижней части ротора-индуктора, охватывающей ответную часть этого вала (ниже статора с тонкостенной гильзой), замкнут (закрыт) двумя как минимум кольцевыми уплотнениями из пластично-вязкого материала типа фторопласта, размещенными в кольцевых канавках тела ротора, при этом гидротурбина выполнена на теле последнего с внешней стороны его над опорно-подшипниковым узлом, размещенным внутри.

2. Погружной автономный источник электропитания по п.1, отличающийся тем, что опорно-подшипниковый узел ротора выполнен в виде последовательности трех подшипников качения: радиального шарикового, упорно-радиального с коническими роликами и упорного шарикового.