RU2243370C1

RU2243370C1 - Electric generator

Info

Publication number: RU2243370C1
Application number: RU2003120300/03A
Authority: RU
Inventors: Г.А. Григашкин (RU); Г.А. Григашкин; С.Е. Варламов (RU); С.Е. Варламов; И.В. Горбенко (RU); И.В. Горбенко
Original assignee: Закрытое акционерное общество Научно-производственная фирма "Самарские Горизонты"
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2003-07-02
Publication date: 2004-12-27
Also published as: RU2003120300A

Abstract

FIELD: mining industry.

SUBSTANCE: device has device for its supporting, outer rotor with turbine, mounted through bearing on axis, together with which inner stator is made. Inner rotor and outer stator form a hollow, wherein a pressure and temperature expansion of oiling liquid compensator is placed with possible axial displacement, made in form of piston compacted near rotor and axis. Piston is compacted along axis by rubber reinforced collar, mounted inside compensator with possible axial displacement with it. On axis within displacement range of piston a detachable bushing may be mounted, which may be restricted from rotation. Near rubber reinforced collar an additional rubber reinforced collar may be mounted, while elastic elements of both collars are directed to opposite sides with forming of hollow between them. Hollow between rubber collars may be filed with consistent oil.

EFFECT: higher reliability and simplified maintenance and construction.

5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технологии обеспечения бурения скважин под нефть, газ и для других целей. Конкретно изобретение предназначено для преобразования энергии промывочной жидкости в электрическую и питания электроэнергией автономных скважинных навигационных и геофизических приборов в процессе бурения.The invention relates to a technology for ensuring well drilling for oil, gas and for other purposes. Specifically, the invention is intended to convert the energy of the flushing fluid into electrical energy and supplying electricity to autonomous downhole navigation and geophysical instruments during drilling.

Известен генератор переменного тока для питания автономной скважинной аппаратуры в процессе бурения скважин малого диаметра, включающий неподвижный внутренний статор с коллектором и закрепленный на приводном валу внешний ротор, снабженный электромагнитами (патент РФ №2060383, МКП Е 21 В 47/022, 47/00, приоритет от 21.02.92 г.).A known alternator for powering an autonomous borehole equipment during the drilling of small diameter wells, including a fixed internal stator with a collector and an external rotor mounted on a drive shaft equipped with electromagnets (RF patent No. 2060383, MCP E 21 V 47/022, 47/00, priority from 02.21.92).

Известен автономный турбинный агрегат, содержащий гидротурбину, приводимую в движение потоком промывочной жидкости, маслозаполненный статор, залитый эпоксидным компаундом, и ротор генератора переменного тока на постоянных магнитах, расположенный на одном валу с гидротурбиной. (Молчанов А.А., Сираев А.X. Скважинные автономные системы с магнитной регистрацией. М.: Недра, 1979, с. 102-103).A well-known autonomous turbine unit containing a hydraulic turbine driven by a flow of washing liquid, an oil-filled stator filled with an epoxy compound, and a rotor of an alternating current generator with permanent magnets located on the same shaft with a hydraulic turbine. (Molchanov A.A., Siraev A.X. Borehole autonomous systems with magnetic recording. M: Nedra, 1979, pp. 102-103).

Этот генератор состоит из статора, размещенного внутри агрегата, и шестиполюсного кольцевого магнитного ротора, выполненного снаружи. Ротор одновременно является корпусом для рабочих лопаток трехступенчатой гидротурбины. Перед каждой ступенью рабочих лопаток гидротурбины, в свою очередь, установлены три ступени направляющих аппаратов, собранных на внешнем корпусе, что увеличивает диаметр устройства. Для предотвращения попадания промывочной жидкости в электрогенератор и подшипниковые узлы установлены уплотняющие устройства, внутренняя полость электрогенератора заполнена трансформаторным маслом.This generator consists of a stator located inside the unit and a six-pole annular magnetic rotor made from the outside. The rotor is also a casing for the working blades of a three-stage hydraulic turbine. In front of each stage of the working blades of the hydraulic turbine, in turn, there are three stages of guide vanes assembled on the outer casing, which increases the diameter of the device. To prevent the flushing fluid from entering the generator and the bearing units, sealing devices are installed, the internal cavity of the generator is filled with transformer oil.

Ввиду того, что электрогенератор работает в интервале температур от - 40 до +130°С, при глубинах бурения до 3500 м и более, а объем масла изменяется при изменении температуры, введен компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости (масла). Компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости выполнен внутри входного обтекателя генератора. Он состоит из двух тонких профильных пластин, одна из которых выпуклая, а другая вогнутая. Компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости предназначен для компенсации изменения объема масла в маслозаполненной полости генератора в рабочих условиях при повышении температуры, а также выравнивания давления внутри и снаружи генератора.Due to the fact that the electric generator operates in the temperature range from - 40 to + 130 ° С, at drilling depths up to 3500 m and more, and the oil volume changes with temperature, a compensator for pressure and thermal expansion of the lubricating fluid (oil) is introduced. The compensator for pressure and thermal expansion of the lubricating fluid is made inside the inlet fairing of the generator. It consists of two thin profile plates, one of which is convex and the other is concave. The compensator for pressure and thermal expansion of the lubricating fluid is designed to compensate for changes in the volume of oil in the oil-filled cavity of the generator under operating conditions with increasing temperature, as well as equalizing the pressure inside and outside the generator.

Недостатками этого генератора являются: низкая надежность, малый ресурс, большие габариты и масса устройства, сложность конструкции.The disadvantages of this generator are: low reliability, low resource, large dimensions and weight of the device, design complexity.

Эти недостатки обусловлены, в первую очередь, тем, что в качестве привода используется многоступенчатая турбина с направляющими аппаратами. Использование гидротурбины с направляющими аппаратами в качестве привода предъявляет повышенные требования к качеству очистки промывочной жидкости от фракций выбуренной породы и посторонних предметов, попадание которых в зазор между рабочими и направляющими лопатками гидротурбины может привести к ее остановке (заклиниванию). Наличие направляющих аппаратов гидротурбины увеличивает диаметральный габарит электрогенератора, что нежелательно при бурении скважин относительно малого диаметра.These shortcomings are caused, first of all, by the fact that a multistage turbine with guide vanes is used as a drive. The use of a hydraulic turbine with guiding devices as a drive places high demands on the quality of cleaning the washing liquid from fractions of drill cuttings and foreign objects, the ingress of which into the gap between the working and guide vanes of the hydraulic turbine can lead to its stop (jamming). The presence of guiding devices of a hydraulic turbine increases the diametrical dimension of the electric generator, which is undesirable when drilling wells of relatively small diameter.

Второй конструктивный недостаток - это сложность и ненадежность компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости. Из-за упругости стенок компенсатора давление смазывающей жидкости всегда меньше давления окружающей среды. Это может привести к попаданию промывочной жидкости в систему смазки электрогенератора и к износу подшипников, уплотнений и других деталей.The second design flaw is the complexity and unreliability of the pressure compensator and thermal expansion of the lubricating fluid. Due to the elasticity of the walls of the compensator, the pressure of the lubricating fluid is always less than the pressure of the environment. This can result in flushing fluid entering the generator’s lubrication system and in the wear of bearings, seals and other parts.

Известен также электрогенератор по пат. РФ №2173925 (прототип). Этот электрогенератор содержит устройство для его крепления, внешний ротор с корпусом турбины, статор, выполненный с осью, установленной на подшипниках, полость между внешним ротором и статором, заполненную смазывающей жидкостью, и компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, размещенный со стороны устройства для крепления, выполненный в виде поршня, установленного с возможностью осевого перемещения и уплотнения, при этом уплотнение выполнено торцевым и установлено за подшипником.Also known generator according to US Pat. RF №2173925 (prototype). This generator contains a device for mounting it, an external rotor with a turbine housing, a stator made with an axis mounted on bearings, a cavity between the external rotor and stator filled with a lubricating fluid, and a pressure and temperature expansion compensator for the lubricating fluid located on the side of the mounting device made in the form of a piston mounted with the possibility of axial movement and sealing, while the seal is made face and installed behind the bearing.

Недостаток - небольшой ресурс работы генератора, обусловленный износом торцевого уплотнения. Ресурс уплотнения составляет около 100 ч при благоприятных условиях, при некачественной сборке или дефектах в уплотнительных кольцах он может выйти из строя практически мгновенно, что приведет к прекращению работы забойной телеметрической системы и затратам на спуско-подъемные операции.The disadvantage is the small life of the generator due to wear of the mechanical seal. The compaction life is about 100 hours under favorable conditions, with poor assembly or defects in the o-rings, it can fail almost instantly, which will lead to the cessation of the downhole telemetry system and the cost of tripping.

Задачами создания изобретения являются повышение ресурса и надежности генератора. Это достигается за счет новой компоновки электрогенератора.The objectives of the invention are to increase the resource and reliability of the generator. This is achieved through a new layout of the generator.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что электрогенератор, содержащий устройство для его крепления, внешний ротор с турбиной, установленный через подшипник на оси, заодно с которой выполнен внутренний статор, внешний ротор и внутренний статор образуют полость, в которой с возможностью осевого перемещения установлен компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, выполненный в виде поршня, уплотненного по ротору и оси, отличается тем, что поршень уплотнен по оси резиновой армированной манжетой, установленной внутри компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости, с возможностью осевого перемещения вместе с поршнем. На оси в интервале перемещения поршня установлена съемная втулка. Съемная втулка зафиксирована от проворота. Рядом с резиновой армированной манжетой установлена дополнительная резиновая армированная манжета, при этом эластичные элементы обеих манжет обращены в противоположные стороны с образованием между ними полости. Полость между резиновыми армированными манжетами заполнена консистентной смазкой.The solution to these problems was achieved due to the fact that the generator containing the device for mounting it, an external rotor with a turbine mounted through a bearing on an axis, along with which an internal stator is made, an external rotor and an internal stator form a cavity in which axial movement is installed the compensator for pressure and thermal expansion of the lubricating fluid, made in the form of a piston sealed along the rotor and axis, is characterized in that the piston is axially sealed with a rubber reinforced cuff lennoy inside the pressure compensator, and thermal expansion of the lubricating fluid, axially movable together with the piston. A removable sleeve is installed on the axis in the interval of movement of the piston. The removable sleeve is locked against rotation. An additional rubber reinforced cuff is installed next to the rubber reinforced cuff, while the elastic elements of both cuffs are turned in opposite directions with the formation of a cavity between them. The cavity between the rubber reinforced cuffs is filled with grease.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, т.е всеми критериями изобретения. Наличие изобретательского уровня подтверждено патентными исследованиями, новой компоновкой уплотнения и компенсатора температурного расширения смазывающей жидкости. Для изготовления всех узлов электрогенератора не требуются дефицитные материалы и вновь разработанные технологии.The proposed technical solution has novelty, inventive step and industrial applicability, that is, all the criteria of the invention. The presence of an inventive step is confirmed by patent research, a new arrangement of seals and a compensator for the thermal expansion of the lubricating fluid. For the manufacture of all components of the generator does not require scarce materials and newly developed technologies.

Сущность изобретения поясняется на чертежах (фиг.1-3), где на фиг.1 приведен электрогенератор, на фиг.2 - резиновая армированная манжета, на фиг.3 - две резиновые армированные манжеты.The invention is illustrated in the drawings (figures 1-3), where figure 1 shows the generator, figure 2 - rubber reinforced cuff, figure 3 - two rubber reinforced cuffs.

Электрогенератор (фиг.1) содержит устройство для крепления генератора 1, внешний ротор 2 с турбиной 3 и корпусом турбины 4, статор 5, выполненный с осью 6, электрообмоткой 7, подшипники 8, уплотнения 9 и компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости 10, который выполнен в виде поршня 11, установленного с возможностью осевого перемещения и подпружиненного пружиной 12. Пружина 12 упирается в стопорное кольцо 13. На оси 6 без зазора установлена втулка 14, зафиксированная штифтом 15 и уплотненная относительно вала уплотнительным кольцом 16. Внутри компенсатора давления и температурного расширения 10 установлено уплотнение в виде резиновой армированной манжеты 17. Эластичный элемент 18 резиновой армированной манжеты 17 направлен в сторону противоположную от опоры 1 (фиг.2). Возможна установка дополнительной манжеты 19 (фиг.3), при этом эластичный элемент 20 направлен в сторону опоры 1. Полость С между манжетами 17 и 19 заполнена консистентной смазкой. Конструкция резиновой армированной манжеты 17 совмещена с конструкцией компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости 10 в один узел. Манжеты резиновые армированные для валов, выполненные по ГОСТ 8752-79, предназначены для уплотнения вращающихся валов, а манжеты для гидравлических устройств по ГОСТ 14879-74 предназначены для уплотнения валов при поступательном перемещении. Особенностью уплотнения в виде резиновой армированной манжеты 17 является то, что она одновременно выполняет обе функции, уплотнение при вращении и одновременном перемещении, но конструктивно она выполнена по ГОСТ 8752-79. Значительное поступательное перемещение уплотнения в виде резиновой манжеты связано с тем, что, во-первых, температура смазывающей жидкости изменяется в широком диапазоне от отрицательных до +110°С, при этом запас смазывающей жидкости постепенно расходуется в окружающую среду (буровой раствор).The generator (figure 1) contains a device for mounting the generator 1, an external rotor 2 with a turbine 3 and a turbine housing 4, a stator 5 made with an axis 6, an electric winding 7, bearings 8, seals 9 and a pressure and temperature expansion compensator for the lubricating fluid 10, which is made in the form of a piston 11 mounted axially displaceable and spring-loaded with a spring 12. The spring 12 abuts against the snap ring 13. A sleeve 14 is mounted on the axis 6 without a gap, fixed by a pin 15 and sealed with a sealing ring relative to the shaft end 16. Inside the pressure compensator and thermal expansion 10, a seal is installed in the form of a rubber reinforced cuff 17. The elastic element 18 of the rubber reinforced cuff 17 is directed to the side opposite from the support 1 (Fig.2). It is possible to install an additional cuff 19 (figure 3), while the elastic element 20 is directed towards the support 1. The cavity C between the cuffs 17 and 19 is filled with grease. The design of the rubber reinforced cuff 17 is combined with the design of a pressure compensator and thermal expansion of the lubricating fluid 10 into one node. Reinforced rubber cuffs for shafts, made in accordance with GOST 8752-79, are designed for sealing rotating shafts, and cuffs for hydraulic devices in accordance with GOST 14879-74 are designed for sealing shafts during translational movement. A feature of the seal in the form of a rubber reinforced cuff 17 is that it simultaneously performs both functions, the seal during rotation and simultaneous movement, but structurally it is made in accordance with GOST 8752-79. A significant progressive movement of the seal in the form of a rubber cuff is due to the fact that, firstly, the temperature of the lubricating fluid varies in a wide range from negative to + 110 ° C, while the supply of lubricating fluid is gradually spent in the environment (drilling fluid).

На одном из торцов электрогенератора выполнен заправочный узел 21, который включает пробку 22 с уплотнением 23, жиклер 24, шарик 25, пружину 26, отверстие Б. На другом торце установлен наконечник 27, провода герметизированы фигурной манжетой 28. Наконечник 27 содержит электроконтакты 29 и на наружной цилиндрической поверхности уплотнительные кольца 30.At one of the ends of the electric generator, a filling unit 21 is made, which includes a plug 22 with a seal 23, a nozzle 24, a ball 25, a spring 26, a hole B. A tip 27 is installed on the other end, the wires are sealed with a curly sleeve 28. The tip 27 contains electrical contacts 29 and Outer cylindrical surface O-rings 30.

Полость А между внешним ротором 2 и статором 5 заполнена смазывающей жидкостью.The cavity A between the external rotor 2 and the stator 5 is filled with a lubricating fluid.

Устройство работает следующим образом. Буровой раствор подается на турбину 3, при этом корпус турбины 4 и внешний ротор 2 вращаются. В электрообмотке 7 статора 3 возникает ЭДС. Давление бурового раствора через поршень 10 передается в полость А, в результате этого давление смазывающей жидкости становится больше, чем давление бурового раствора. Уплотнение 11, выполненное в виде резиновой армированной манжеты, герметизирует полость А и, в отличие от торцевого уплотнения, которое применялось в прототипе, практически не пропускает смазывающую жидкость наружу, а буровой раствор внутрь. Это обусловлено совмещением функций компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости с уплотнением. Такая конструкция обеспечила постоянное избыточное давление в полости А, это увеличивает межремонтный ресурс электрогенератора примерно в 10 раз, что подтверждено экспериментально. Наличие дополнительной резиновой манжеты и консистентной смазки в полости между ними улучшает работу уплотнений и дополнительно увеличивает ресурс.The device operates as follows. The drilling fluid is supplied to the turbine 3, while the turbine housing 4 and the outer rotor 2 rotate. In the electrical winding 7 of the stator 3 there is an EMF. The pressure of the drilling fluid through the piston 10 is transmitted to the cavity And, as a result, the pressure of the lubricating fluid becomes greater than the pressure of the drilling fluid. The seal 11, made in the form of a rubber reinforced cuff, seals the cavity A and, in contrast to the mechanical seal used in the prototype, practically does not let the lubricating fluid out and the drilling fluid in. This is due to the combination of the functions of the pressure compensator and the thermal expansion of the lubricating fluid with the seal. This design provided constant overpressure in cavity A, which increases the overhaul life of the generator by about 10 times, which is confirmed experimentally. The presence of an additional rubber cuff and grease in the cavity between them improves the performance of the seals and further increases the resource.

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1. По сравнению с применяемым ранее торцевым уплотнением повысить на порядок надежность и ресурс работы электрогенератора за счет обеспечения давления смазочной жидкости избыточного давления и исключения попадания бурового раствора в систему смазки, что подтверждено эспериментально.1. Compared with the previously used mechanical seal, increase the reliability and service life of the electric generator by an order of magnitude by ensuring that the pressure of the lubricating fluid is overpressure and that drilling fluid does not enter the lubrication system, which has been experimentally confirmed.

2. Обеспечить температурную компенсацию расширения объема смазывающей жидкости.2. Provide temperature compensation for expansion of the lubricant volume.

3. Упростить конструкцию электрогенератора за счет отказа от применения направляющих аппаратов турбины и максимального упрощения конструкции уплотняющего устройства.3. To simplify the design of the generator by eliminating the use of guide vanes of the turbine and the maximum simplification of the design of the sealing device.

4. Уменьшить вес и габариты за счет отказа от сложного компенсатора, а также применения турбины без направляющих аппаратов.4. To reduce the weight and dimensions due to the rejection of a complex compensator, as well as the use of a turbine without guide vanes.

5. Увеличить объем компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости при тех же габаритах электрогенератора.5. Increase the volume of the pressure compensator and thermal expansion of the lubricating fluid with the same dimensions of the generator.

6. Упростить сборку электрогенератора.6. To simplify the assembly of the generator.

7. Улучшить условия работы деталей уплотнения поршня.7. Improve the working conditions of the piston seal parts.

Claims

1. An electric generator comprising a device for mounting it, an external rotor with a turbine mounted through a bearing on an axis at the same time as the internal stator, the external rotor and internal stator form a cavity in which a compensator for pressure and thermal expansion of the lubricating fluid is mounted axially movable made in the form of a piston sealed along the rotor and axis, characterized in that the piston is axially sealed with a rubber reinforced cuff installed inside the pressure and temperature compensator the expansion of the lubricating fluid, with the possibility of axial movement together with the piston.

2. The generator according to claim 1, characterized in that on the axis in the interval of movement of the piston a removable sleeve is installed.

3. The generator according to claim 2, characterized in that the removable sleeve is fixed from rotation.

4. The generator according to any one of claims 1 to 3, characterized in that next to the rubber reinforced cuff is an additional rubber reinforced cuff, while the elastic elements of both cuffs are turned in opposite directions with the formation of a cavity between them.

5. The generator according to claim 4, characterized in that the cavity between the rubber reinforced cuffs is filled with grease.