RU2242074C1

RU2242074C1 - Borehole rotary power supply for deviation survey system

Info

Publication number: RU2242074C1
Application number: RU2003118181/09A
Authority: RU
Inventors: О.П. Муравлев (RU); О.П. Муравлев; С.В. Леонов (RU); С.В. Леонов; А.Г. Каранкевич (RU); А.Г. Каранкевич
Original assignee: Томский политехнический университет
Priority date: 2003-06-16
Filing date: 2003-06-16
Publication date: 2004-12-10

Abstract

FIELD: electrical engineering; borehole permanent-magnet electrical machines.

SUBSTANCE: proposed borehole rotary power supply that can be used to supply with power systems for determining deviation survey parameters and data transfer systems in boreholes has shroud accommodating hydraulic turbine and electric generator case. Main parts of this generator are stator in the form of yoke with six bars of magnetic core carrying winding coils and rotor incorporating high-coercivity multipole annular permanent magnet. Axial plain bearing inserted between stator and rotor makes it possible to reduce mechanical vibrations, to facilitate rotor installation, and to raise power characteristics of generator.

EFFECT: enhanced output power and operating reliability of proposed power supply.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам с постоянными магнитами, и предназначено для электропитания системы определения инклинометрических параметров и системы передачи данных в бурящихся скважинах.The invention relates to electrical engineering, in particular to electric machines with permanent magnets, and is intended to power the system for determining inclinometric parameters and a data transmission system in drilling wells.

Известен скважинный синхронный генератор забойной инклинометрической системы ЗИС-4, представляющий собой электрическую машину переменного тока с радиальным магнитным потоком, ротор которой выполнен на основе постоянных магнитов. Ротор приводится в движение установленными на корпусе четырьмя ступенями турбин, которые вращаются под действием потока бурового раствора. На валу ротора находятся три шарикоподшипника, защищенные на выходе из корпуса торцевым уплотнителем. Статорная секция генератора закреплена неподвижно относительно корпуса и защищена от проворота посредством пазов и выступов в сердечнике. Выводы статорной обмотки подключены к разъему, через который осуществляется электрическое соединение обмоток генератора с электронным блоком скважинного прибора. По техническому условию ТУ 41-17-028-87 мощность синхронного генератора на активной нагрузке 6 Ом при частоте вращения ротора 1800 об/мин, составляет не менее 120 Вт (ТУ 41-17-028-87 Система забойная инклинометрическая ЗИС-4. Зарегистрировано БЦСМ №056/001128 от 31.03.87 г.).Known downhole synchronous generator downhole inclinometric system ZIS-4, which is an electric alternating current machine with a radial magnetic flux, the rotor of which is made on the basis of permanent magnets. The rotor is driven by four turbine stages mounted on the casing, which rotate under the influence of the mud flow. There are three ball bearings on the rotor shaft, which are protected at the outlet of the housing by a mechanical seal. The stator section of the generator is fixed motionless relative to the housing and is protected from rotation by means of grooves and protrusions in the core. The findings of the stator winding are connected to the connector through which the electrical connection of the generator windings with the electronic unit of the downhole tool is carried out. According to the technical specifications TU 41-17-028-87, the power of a synchronous generator with an active load of 6 Ohms at a rotor speed of 1800 rpm is at least 120 W (TU 41-17-028-87 Downhole inclinometer system ZIS-4. BCSM No. 056/001128 of 03/31/87).

Основным недостатком указанного скважинного генератора является низкая герметичность корпуса и как следствие попадание абразивных частиц и агрессивного в химическом отношении бурового раствора в область обмотки статора. Буровой раствор приводит к уменьшению омического сопротивления обмотки статора и к срыву передачи данных о местоположении низа буровой колонны. В результате возникает необходимость в подъеме буровой колонны на поверхность и проведении текущего ремонта или замены скважинного генератора. Вызванный тем самым простой оборудования приводит к значительному увеличению затрат на проведение буровых работ.The main disadvantage of this downhole generator is the low tightness of the housing and, as a result, the ingress of abrasive particles and chemically aggressive drilling fluid into the stator winding region. Drilling fluid leads to a decrease in the ohmic resistance of the stator winding and to the failure of the transmission of data about the location of the bottom of the drill string. As a result, there is a need to raise the drill string to the surface and carry out ongoing repairs or replace the downhole generator. Caused by this simple equipment leads to a significant increase in the cost of drilling.

Известен скважинный синхронный генератор герметичного исполнения с приводом через магнитную муфту. Генератор выполнен с радиальным магнитным потоком и с шести-полюсным ротором из постоянных магнитов. Магнитная муфта выполнена в виде зубчатой восьми-полюсной пары из высококоэрцитивных магнитов. Ведущая часть муфты встроена в корпус гидротурбины, а ведомая часть установлена внутри герметичного корпуса на валу генератора. Ведомую и ведущую части разделяет герметичная немагнитная перегородка. Корпус генератора с ведомой полумуфтой полностью герметизирован и заполнен трансформаторным маслом. Ведущая полумуфта с гидротурбиной установлена на радиально-упорных подшипниках, которые защищены от потока бурового раствора корпусом с сальниковыми уплотнениями. Мощность скважинного генератора на активном сопротивлении 5,6 Ом при частоте вращения вала 1400 об/мин составляет порядка 244 Вт (Кузнецов Н.Г., Абрамов О.Л., Хорьков А.К. Турбогенератор скважинных инклинометрических систем герметичного исполнения на базе постоянных магнитов из редкоземельных элементов // НТЖ. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - М.: ВНИИОЭНГ, 1997. - Вып.1.).Known borehole synchronous generator sealed performance with a drive through a magnetic coupling. The generator is made with radial magnetic flux and with a six-pole rotor made of permanent magnets. The magnetic coupling is made in the form of a gear eight-pole pair of highly coercive magnets. The leading part of the coupling is integrated into the turbine housing, and the driven part is installed inside the sealed housing on the generator shaft. The driven and driving parts are separated by a sealed non-magnetic partition. The generator housing with a driven coupling half is completely sealed and filled with transformer oil. The leading coupling half with a hydraulic turbine is mounted on angular contact bearings, which are protected from the flow of drilling mud by a housing with stuffing box seals. The power of a borehole generator with an active resistance of 5.6 Ohms at a shaft rotation frequency of 1400 rpm is about 244 W (Kuznetsov N.G., Abramov O.L., Khorkov A.K. Turbine generator of borehole inclinometric systems of hermetic design based on permanent magnets from rare-earth elements // NTZh. Automation, telemechanization and communication in the oil industry. - M .: VNIIOENG, 1997. - Issue 1.).

Недостатками данной конструкции являются: сложность и нетехнологичность изготовления магнитной муфты малого диаметра, что снижает надежность работы всего устройства в целом; ухудшение удельных энергетических показателей генератора вследствие проскальзывания магнитной муфты при увеличении нагрузки.The disadvantages of this design are: the complexity and low technology of manufacturing a magnetic coupling of small diameter, which reduces the reliability of the entire device as a whole; deterioration of the specific energy parameters of the generator due to slipping of the magnetic coupling with increasing load.

Известен скважинный синхронный генератор герметичного исполнения в виде обращенной цилиндрической машины. Статор генератора выполнен в виде консольно-несущей оси, в которой имеются пазы, заполненные обмоткой. Снаружи статор герметично закрыт тонкостенной немагнитной гильзой, защищающей обмотку от разрушительного воздействия внешней среды. Кольцевой ротор вращается вокруг неподвижного статора, находящегося на центральной оси. Ротор содержит постоянные магниты и устанавливается на корпусе генератора посредством подшипникового узла. Для уменьшения падения МДС в воздушном зазоре полость генератора заполняется маслом с примесями ферромагнитного порошка (Абрамов Г.С., Абрамов О.Л., Сараев А.Н. Новое поколение турбогенераторов для забойных телесистем // НТЖ. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - М; ВНИИОЭНГ, 2000. - Вып.4.).Known downhole synchronous generator sealed in the form of a reversed cylindrical machine. The stator of the generator is made in the form of a cantilever-bearing axis, in which there are grooves filled with a winding. Outside, the stator is hermetically sealed with a thin-walled non-magnetic sleeve that protects the winding from the damaging effects of the external environment. An annular rotor rotates around a fixed stator located on a central axis. The rotor contains permanent magnets and is mounted on the generator housing by means of a bearing assembly. To reduce the drop in MDS in the air gap, the generator cavity is filled with oil with impurities of ferromagnetic powder (Abramov G.S., Abramov OL, Saraev A.N. A new generation of turbogenerators for downhole telesystems // NTZh. Automation, telemechanization and communication in oil industry. - M; VNIIOENG, 2000. - Issue 4.).

К недостаткам вышеописанного генератора относятся: большой воздушный зазор; сложность изготовления и сборки из-за возможности перекосов и касаний ротором поверхности статора; ненадежность подшипникового узла по причине больших механических нагрузок. Кроме того, возможно снижение энергетических характеристик генератора при утечке масла с ферромагнитным порошком.The disadvantages of the above generator include: a large air gap; the complexity of manufacturing and assembly due to the possibility of distortions and rotor touches of the surface of the stator; unreliability of the bearing assembly due to high mechanical loads. In addition, it is possible to reduce the energy characteristics of the generator in the event of an oil leak with ferromagnetic powder.

Известен, выбранный в качестве прототипа, скважинный синхронный генератор, представляющий собой электрическую машину переменного тока с аксиальным магнитным потоком и с четырех-полюсным ротором из постоянных магнитов. Ротор приводится в движение гидротурбиной, которая вращается под действием потока бурового раствора. На валу ротора находятся два радиально-упорных шарикоподшипника. Статорная секция генератора имеет четыре зубца с расположенной на них обмоткой, которая герметично защищена от действия бурового раствора со стороны ротора немагнитной перегородкой. Выводы статорной обмотки подключены к разъему, через который осуществляется электрическое соединение катушек обмотки между собой с помощью коммутатора, схема соединений которого зависит от сопротивления нагрузки. Мощность скважинного генератора на активном сопротивлении 5 Ом при частоте вращения вала 1500 об/мин составляет порядка 100 Вт (Патент РФ №2202849 на изобретение "Скважинный электромашинный источник питания инклинометрической системы", МПК Н 02 К 21/00, 5/132. БИ №11-2003).Known, selected as a prototype, a downhole synchronous generator, which is an electric alternating current machine with axial magnetic flux and with a four-pole rotor made of permanent magnets. The rotor is driven by a hydraulic turbine, which rotates under the influence of the mud flow. There are two angular contact ball bearings on the rotor shaft. The stator section of the generator has four teeth with a winding located on them, which is hermetically protected from the action of the drilling fluid from the rotor side by a non-magnetic partition. The findings of the stator winding are connected to the connector through which the winding coils are electrically connected to each other by means of a switch, the connection diagram of which depends on the load resistance. The power of a downhole generator with an active resistance of 5 ohms at a shaft rotation speed of 1,500 rpm is about 100 W (RF Patent No. 2202849 for the invention "Borehole electrical machine power source for the inclinometric system", IPC N 02 K 21/00, 5/132. BI No. 11-2003).

Недостатки данного генератора - это неэффективное исполнение полюсной системы вследствие неполного заполнения активного объема ротора материалом постоянных магнитов, использование радиально-упорных подшипников, установленных на валу ротора, что ограничивает срок службы электрической машины, кроме того, имеются технологические трудности при сборке такой конструкции из-за возможных перекосов и касаний ротором статора. К недостаткам прототипа можно отнести значительные проявления зубцового эффекта, обусловленные построением магнитной системы 2р=z и малым количеством полюсов.The disadvantages of this generator are the inefficient execution of the pole system due to incomplete filling of the active volume of the rotor with permanent magnet material, the use of angular contact bearings mounted on the rotor shaft, which limits the life of the electric machine, in addition, there are technological difficulties in assembling such a design due to possible distortions and touches of the stator rotor. The disadvantages of the prototype include significant manifestations of the tooth effect due to the construction of the magnetic system 2p = z and a small number of poles.

Задача предполагаемого изобретения - повышение надежности работы и увеличение энергетических показателей скважинного генератора, упрощение конструкции и повышение технологичности изготовления всего устройства в целом при условии сохранения герметичности конструкции скважинного генератора.The objective of the proposed invention is to increase the reliability and increase the energy performance of the downhole generator, simplify the design and increase the manufacturability of the entire device as a whole, while maintaining the integrity of the design of the downhole generator.

Поставленная задача достигается тем, что скважинный электромашинный источник питания инклинометрической системы содержит герметичный корпус с расположенным в нем синхронным электромашинным генератором с приводом от гидротурбины. Генератор состоит из статора, представляющего собой ярмо со стержнями магнитопровода, на которых размещены катушки обмотки и ротора с высокоэрцитивным постоянным магнитом. Ротор генератора выполнен с многополюсным постоянным кольцевым магнитом. Статор генератора содержит шесть стержней магнитопровода. Между статором и ротором установлен осевой подшипник скольжения.This object is achieved in that the downhole electrical machine power source for the inclinometric system comprises a sealed enclosure with a synchronous electrical machine generator located in it and driven by a hydraulic turbine. The generator consists of a stator, which is a yoke with the rods of the magnetic circuit, on which are placed the coil of the winding and rotor with a highly coercive permanent magnet. The rotor of the generator is made with a multi-pole permanent ring magnet. The stator of the generator contains six rods of the magnetic circuit. An axial plain bearing is installed between the stator and the rotor.

Предложенная конструкция скважинного электромашинного источника питания инклинометрической системы имеет ряд преимуществ перед прототипом.The proposed design of the borehole electrical machine power source for the inclinometric system has several advantages over the prototype.

Возрастает магнитный поток ротора за счет использования многополюсного постоянного кольцевого магнита и уменьшения воздушного зазора и тем самым увеличена выходная мощность скважинного генератора. За счет соотношения количества зубцов статора и полюсов ротора как 6:4 значительно уменьшен зубцовый эффект. Увеличена надежность конструкции за счет замены двух радиально-упорных подшипников на один подшипник качения и один осевой подшипник, установленный между статором и ротором.The rotor magnetic flux increases due to the use of a multi-pole permanent ring magnet and reduction of the air gap, and thereby the output power of the downhole generator is increased. Due to the ratio of the number of stator teeth and rotor poles as 6: 4, the tooth effect is significantly reduced. The design reliability has been increased by replacing two angular contact bearings with one rolling bearing and one axial bearing mounted between the stator and rotor.

Устройство поясняется фиг.1, где показана конструкция скважинного электромашинного источника питания инклинометрической системы.The device is illustrated in figure 1, which shows the design of a borehole electrical machine power source for the inclinometric system.

На фиг.2 приведено сечение (по А-А) скважинного электромашинного источника питания инклинометрической системы.Figure 2 shows a cross section (along aa) of a borehole electrical machine power source for the inclinometric system.

На фиг.3, 4 приведен синхронный генератор, расположенный в скважинном электромашинном источнике питания.Figure 3, 4 shows a synchronous generator located in a borehole electrical machine power source.

На фиг.5 пояснена конструкция немагнитной перегородки.Figure 5 explains the design of a non-magnetic partition.

Скважинный электромашинный источник питания инклинометрической системы (фиг.1) имеет кожух генератора 1, гидротурбину 2 и корпус 3 (фиг.2), который содержит статор 4 и ротор 5 с высокоэрцитивным многополюсным постоянным магнитом 6 (фиг.3, 4). Статор 4 (фиг.1) составляет ярмо 7 (фиг.3) и шесть стержней магнитопровода 8 (фиг 2), на которых расположены катушки обмотки 9. Стержни магнитопровода 8 статора 4 находятся в перегородке 10 (фиг.5) с одной стороны, с другой стороны установлен каркас 11 (фиг.3). Намагниченный аксиально высококоэрцитивный многополюсный постоянный магнит 6 (фиг.3, 4) имеет проточки для установки между немагнитной арматурой ярма 12 и надежно прижимается обечайкой 13 (фиг.3). Данное соотношение числа полюсов и стержней статора позволяет практически исключить зубцовый эффект и снизить момент сопротивления для бурового раствора, а следовательно, и уменьшить износ гидротурбины 2. Перегородка 10 (фиг.3) и обечайка 13 (фиг.3) имеют полукруглую проточку для установки между статором 4 и ротором 5 осевого подшипника 14 (фиг.3). Подшипник 14 позволяет избавиться от радиально-упорных подшипников, облегчить установку ротора, снизить механические вибрации и уменьшить воздушный зазор между статором и ротором, тем самым, увеличить энергетические характеристики генератора. Ярмо 12 ротора 5 образуется торцевой частью вала 15 (фиг.1), на котором консольно расположен подшипник 16. Катушки обмотки 9 подключены к герметичному разъему 17 (фиг.1). Детали 10 и 11 выполняются из немагнитного материала. Максимальное заполнение активной зоны ротора магнитом позволяет увеличить магнитный поток и, соответственно, увеличить энергетические показатели скважинного генератора. Из немагнитного материала выполняется арматура 18, служащая для крепления магнита 6 к ярму ротора 12.The downhole electrical machine power source for the inclinometric system (Fig. 1) has a generator casing 1, a hydraulic turbine 2, and a housing 3 (Fig. 2), which contains a stator 4 and a rotor 5 with a highly ercious multipolar permanent magnet 6 (Figs. 3, 4). The stator 4 (FIG. 1) makes up the yoke 7 (FIG. 3) and six rods of the magnetic circuit 8 (FIG. 2), on which the coils of the winding 9 are located. The rods of the magnetic circuit 8 of the stator 4 are in the partition 10 (FIG. 5) on one side, on the other hand mounted frame 11 (figure 3). The magnetized axially highly coercive multipolar permanent magnet 6 (Figs. 3, 4) has grooves for installation between the non-magnetic reinforcement of the yoke 12 and is reliably pressed by the shell 13 (Fig. 3). This ratio of the number of poles and stator rods allows you to virtually eliminate the tooth effect and reduce the resistance moment for the drilling fluid, and therefore, reduce the wear of the hydraulic turbine 2. The baffle 10 (figure 3) and the shell 13 (figure 3) have a semicircular groove for installation between the stator 4 and the rotor 5 of the axial bearing 14 (figure 3). Bearing 14 allows you to get rid of angular contact bearings, facilitate the installation of the rotor, reduce mechanical vibration and reduce the air gap between the stator and the rotor, thereby increasing the energy characteristics of the generator. The yoke 12 of the rotor 5 is formed by the end part of the shaft 15 (Fig. 1), on which the bearing 16 is cantilevered. The coils of the winding 9 are connected to a sealed connector 17 (Fig. 1). Parts 10 and 11 are made of non-magnetic material. The maximum filling of the core of the rotor with a magnet allows you to increase the magnetic flux and, accordingly, increase the energy performance of the downhole generator. Of the non-magnetic material, reinforcement 18 is used, which serves to attach the magnet 6 to the yoke of the rotor 12.

Устройство работает следующим образом. К валу 15 прикладывается вращающий момент от гидротурбины 2, и он начинает вращаться вместе с ротором 5. Магнитный поток, пересекая воздушный зазор и герметичную перегородку 10, проходит по стержням 8 и замыкается по ярму 7 статора 4, создавая ЭДС в катушках обмотки 9, а на выходах разъема 17 необходимое напряжение.The device operates as follows. A torque is applied to the shaft 15 from the hydraulic turbine 2, and it begins to rotate with the rotor 5. The magnetic flux, crossing the air gap and the sealed partition 10, passes through the rods 8 and closes along the yoke 7 of the stator 4, creating an EMF in the coils of the winding 9, and the outputs of the connector 17 required voltage.

Мощность скважинного генератора определяется величиной магнитного потока в воздушном зазореThe power of the downhole generator is determined by the magnitude of the magnetic flux in the air gap

где Ф_м - магнитный поток магнита, Вб;where f _m is the magnetic flux of the magnet, Wb;

Ф_s - магнитный поток рассеяния магнита, Вб.Ф _s - magnetic flux scattering of a magnet, Wb.

В свою очередь, магнитный поток магнита определяется выражениемIn turn, the magnetic flux of a magnet is determined by the expression

где В_r - остаточная индукция магнита, Тл;where In _r is the residual induction of the magnet, T;

S_p - площадь основания магнита, м².S _p - the area of the base of the magnet, m ² .

Поток рассеяния магнита находится следующим образом:The magnet scattering flux is found as follows:

где λ_м - магнитная проводимость магнита;where λ _m is the magnetic conductivity of the magnet;

λ_ср - магнитная проводимость рассеяния полюсной системы.λ _cf is the magnetic conductivity of the scattering of the pole system.

Максимальное заполнение активной зоны ротора магнитами и уменьшение воздушного зазора позволяет увеличить магнитный поток в воздушном зазоре и выходную мощность в 1,5 раза по сравнению с прототипом.The maximum filling of the rotor core with magnets and the reduction of the air gap allows to increase the magnetic flux in the air gap and the output power by 1.5 times compared with the prototype.

Для трехфазного генератора предлагаемой конструкции (число полюсов 2р=4; число пазов статора z=6; число катушек обмотки s=6; число проводников в пазу и_П7=130; диаметр машины D_П=60; частота вращения ротора w=1500; род тока переменный) при смешанном соединении катушек обмотки 9 значение максимальной мощности составляет 150 Вт при сопротивлении нагрузки R_H=1,5 Ом.For the three-phase generator of the proposed design (number of poles 2p = 4; number of stator slots z = 6; number of winding coils s = 6; number of conductors in the groove and _P 7 = 130; machine diameter D _P = 60; rotor speed w = 1500; type of current alternating) when the winding coils 9 are mixed, the maximum power value is 150 W with a load resistance of R _H = 1.5 Ohms.

Claims

A downhole electrical machine power source for an inclinometric system, comprising a sealed housing with a synchronous electrical machine generator with a hydraulic turbine drive, consisting of a stator, a yoke with magnetic rods on which the winding coils are located, and a rotor with a highly coercive permanent magnet, characterized in that the generator rotor is made with a multipolar ring magnet, the generator stator contains six magnetic core rods, and between the stator and the rotor n axial plain bearing.