RU2785073C1

RU2785073C1 - Turbine generator for powering downhole equipment

Info

Publication number: RU2785073C1
Application number: RU2022125609A
Authority: RU
Inventors: Юрий Павлович Жиляев; Александр Юрьевич Жиляев; Александр Евгеньевич Захаров; Евгений Николаевич Ларионов; Александр Михайлович Шапошников; Сергей Михайлович Яковлев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Геопласт Телеком"
Filing date: 2022-09-29
Publication date: 2022-12-02

Abstract

FIELD: well drilling.

SUBSTANCE: invention relates to the field of well drilling and can be used for powering autonomous bottomhole geophysical and navigation systems. Turbine generator for powering downhole equipment comprises an external rotor with a body and turbine blades, an internal stator with winding made on an axle; the external rotor is installed on an upper and a lower plain bearings. The upper plain bearing is covered by a fairing at the end. The stator winding is placed in a sealed body with screw grooves made on the outer surface thereof, and longitudinal grooves are made on the inner surface of the rotor, between the bearings, passing between the permanent magnets installed between the external rotor and the body. Two additional annular permanent magnets are installed, forming a magnetic suspension. The upper magnet is placed on the lower end of the upper plain bearing, and the lower magnet is installed in a transverse groove on the outer surface of the stator body. A washer made of an anti-friction material is installed on the inside of the fairing.

EFFECT: higher reliability and operating life of the turbine generator due to the reduced friction between structural elements, reduced wear of the rotating parts and dynamic modulation of the gap for supplying drilling mud between the rotor and the stator of the turbine generator.

5 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано для питания автономных забойных геофизических и навигационных комплексов.The invention relates to the field of drilling wells and can be used to power autonomous downhole geophysical and navigation systems.

Известен турбогенератор для питания скважинной аппаратуры по патенту RU 2184225, опубл. 27.06.2002, содержащий внешний ротор с корпусом и рабочими лопатками турбины, внутренний статор с обмоткой, выполненный на оси, обмотка залита герметичным неэлектропроводным материалом, устойчивым к абразивному износу, внешний ротор установлен на подшипниках скольжения, внутренние рабочие поверхности подшипников скольжения выполнены из эластичного материала, например резины, со сквозными каналами и смонтированы на съемных втулках с буртиками, а втулки закреплены на оси, причем верхний подшипник скольжения закрыт с торца обтекателем с образованием кольцевого зазора между ним и корпусом. Между нижним подшипником скольжения и опорой генератора может быть установлена коническая резиновая втулка. Сквозные каналы могут иметь в поперечном сечении форму многоугольника. Рабочие лопатки турбины установлены с обеих сторон корпуса с образованием двух рабочих ступеней турбины. На корпусе между первой и второй рабочими ступенями турбины могут быть выполнены два ряда окон.Known turbogenerator for powering downhole equipment according to patent RU 2184225, publ. 06/27/2002, containing an external rotor with a housing and turbine blades, an internal stator with a winding, made on an axis, the winding is filled with a sealed non-conductive material resistant to abrasive wear, the external rotor is mounted on plain bearings, the inner working surfaces of the plain bearings are made of elastic material , for example rubber, with through channels and mounted on removable bushings with flanges, and the bushings are fixed on the axis, and the upper plain bearing is closed at the end with a fairing to form an annular gap between it and the body. A tapered rubber bushing can be installed between the lower plain bearing and the generator support. The through channels may have a polygonal shape in cross section. Turbine rotor blades are installed on both sides of the housing to form two turbine working stages. Two rows of windows can be made on the housing between the first and second working stages of the turbine.

Недостатками этого турбогенератора являются его низкая надежность, обусловленная тем, что буровой раствор, в котором содержатся абразивные частицы, проходя в узком зазоре между статором и ротором, может вызвать заклинивание ротора, а также низкий рабочий ресурс вследствие быстрого износа верхней и нижней пар подшипник скольжения-втулка и конической резиновой втулки.The disadvantages of this turbogenerator are its low reliability, due to the fact that the drilling fluid, which contains abrasive particles, passing in a narrow gap between the stator and the rotor, can cause the rotor to jam, as well as a low working life due to the rapid wear of the upper and lower pairs of the sliding bearing - bushing and tapered rubber bushing.

Известен турбогенератор для питания скважинной аппаратуры по патенту RU 128656, опубл. 27.05.2013, содержащий внешний ротор с корпусом и рабочими лопатками турбины, внутренний статор с обмоткой, выполненный на оси, внешний ротор установлен на подшипниках скольжения, отличающийся тем, что обмотка статора размещена в герметичном корпусе, на наружной поверхности которого выполнены винтовые канавки, а на внутренней поверхности ротора, между подшипниками, выполнены продольные канавки, проходящие между магнитами.Known turbogenerator for powering downhole equipment according to patent RU 128656, publ. 05/27/2013, containing an external rotor with a housing and turbine blades, an internal stator with a winding made on an axis, an external rotor mounted on plain bearings, characterized in that the stator winding is placed in a sealed housing, on the outer surface of which helical grooves are made, and on the inner surface of the rotor, between the bearings, there are longitudinal grooves passing between the magnets.

Недостатками известного турбогенератора являются низкая надежность и снижение рабочего ресурса, обусловленные тем, что при вращении внешнего ротора на него действует прижимная сила, обусловленная давлением бурового раствора на рабочие лопатки турбины, что приводит к интенсивному износу торцевой части верхнего подшипника скольжения, опирающегося на выступ статора. Износ подшипника влечет увеличение зазора между ротором и статором и приводит к снижению технических характеристик турбогенератора.The disadvantages of the known turbogenerator are low reliability and reduced working life, due to the fact that when the outer rotor rotates, it is affected by downforce due to drilling fluid pressure on the turbine blades, which leads to intense wear of the end part of the upper sliding bearing resting on the stator protrusion. Bearing wear leads to an increase in the gap between the rotor and the stator and leads to a decrease in the technical characteristics of the turbogenerator.

Технической проблемой, которую решает настоящее изобретение, является улучшение механического сопряжения ротора со статором и условий для самоочистки внутреннего пространства турбогенератора за счет введения в конструкцию турбогенератора постоянных магнитов, образующих магнитный подвес, и антифрикционной шайбы.The technical problem that the present invention solves is the improvement of the mechanical coupling of the rotor with the stator and the conditions for self-cleaning of the internal space of the turbogenerator due to the introduction of permanent magnets forming a magnetic suspension and an antifriction washer into the design of the turbogenerator.

Техническим результатом является повышение надежности и рабочего ресурса турбогенератора за счет уменьшения трения между элементами конструкции, уменьшения износа вращающихся частей и динамической модуляции зазора для подачи бурового раствора между ротором и статором турбогенератора.The technical result is to increase the reliability and working life of the turbogenerator by reducing friction between structural elements, reducing the wear of rotating parts and dynamically modulating the gap for supplying drilling fluid between the rotor and stator of the turbogenerator.

Поставленная техническая проблема решается за счет использования в турбогенераторе для питания скважинной аппаратуры, содержащем внешний ротор с корпусом и рабочими лопатками турбины, внутренний статор с обмоткой, выполненный на оси, причем внешний ротор установлен на верхнем и нижнем подшипниках скольжения, при этом верхний подшипник скольжения закрыт с торца обтекателем, обмотка статора размещена в герметичном корпусе, на наружной поверхности которого выполнены винтовые канавки, а на внутренней поверхности ротора, между подшипниками выполнены продольные канавки, проходящие между постоянными магнитами, установленными между внешним ротором и корпусом. Вместе с тем дополнительно установлены на верхнем подшипнике скольжения образующие магнитный подвес постоянные магниты, верхний из которых выполнен в форме кольца, а нижний представляет собой два магнитных полукольца, соединенных клеем и зафиксированных обечайкой. Верхний магнит размещен на нижнем торце верхнего подшипника скольжения, а нижний магнит - в поперечной канавке на наружной поверхности корпуса статора. Верхний магнит и нижний магнит обращены друг к другу одноименными полюсами.The technical problem posed is solved by using in a turbogenerator for powering downhole equipment, containing an external rotor with a housing and turbine blades, an internal stator with a winding made on an axis, and the external rotor is mounted on the upper and lower sliding bearings, while the upper sliding bearing is closed from the end face with a fairing, the stator winding is placed in a sealed housing, on the outer surface of which helical grooves are made, and on the inner surface of the rotor, between the bearings, longitudinal grooves are made passing between permanent magnets installed between the outer rotor and the housing. At the same time, permanent magnets forming a magnetic suspension are additionally installed on the upper plain bearing, the upper of which is made in the form of a ring, and the lower one is two magnetic half rings connected by glue and fixed by a shell. The upper magnet is located on the lower end of the upper plain bearing, and the lower magnet is placed in a transverse groove on the outer surface of the stator housing. The upper magnet and the lower magnet face each other with the same poles.

Дополнительно на внутренней стороне обтекателя установлена шайба из антифрикционного материала. Антифрикционный материал представляет собой фторопласт или бериллиевую бронзу.Additionally, a washer made of antifriction material is installed on the inner side of the fairing. The antifriction material is fluoroplastic or beryllium bronze.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен продольный разрез турбогенератора; на фиг. 2 - поперечный разрез (сечение А-А) в плоскости верхнего магнита; на фиг. 3 - поперечный разрез (сечение Б-Б) в плоскости нижнего магнита; на фиг. 4 - поперечный разрез (сечение В-В) ротора турбогенератора.The essence of the invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows a longitudinal section of a turbogenerator; in fig. 2 - cross section (section A-A) in the plane of the upper magnet; in fig. 3 - cross section (section B-B) in the plane of the lower magnet; in fig. 4 is a cross section (section B-B) of the turbogenerator rotor.

Турбогенератор для питания скважинной аппаратуры содержит внешний ротор 1 и внутренний статор 2. Внешний ротор 1 состоит из корпуса 3 с рабочими лопатками 4 турбины. Обмотка внутреннего статора 2 размещена в герметичном корпусе статора 5, на наружной поверхности которого выполнены винтовые канавки 6. Между внешним ротором 1 и герметичным корпусом статора 5 имеется зазор, образующий канал 7, через который проходит буровой раствор, обеспечивающий смазку подшипников скольжения и охлаждение обмотки генератора. В турбогенераторе установлены подшипники скольжения: верхний 8 и нижний 9 (по направлению потока бурового раствора). Верхний подшипник скольжения 8 сверху закрыт с торца обтекателем 10 с образованием кольцевого зазора 11, связанного с каналом 7. Герметичный корпус статора 5 установлен на фланце турбогенератора 20, предназначенной для крепления турбогенератора к буровой колонне. Хвостовик 12 предназначен для крепления скважинной аппаратуры (не показана).The turbogenerator for powering downhole equipment contains an external rotor 1 and an internal stator 2. The external rotor 1 consists of a housing 3 with turbine blades 4. The winding of the inner stator 2 is placed in a sealed stator housing 5, on the outer surface of which helical grooves 6 are made. Between the outer rotor 1 and the sealed stator housing 5 there is a gap forming a channel 7 through which the drilling fluid passes, providing lubrication of the plain bearings and cooling of the generator winding . Plain bearings are installed in the turbogenerator: upper 8 and lower 9 (in the direction of drilling fluid flow). The upper sliding bearing 8 is closed from the top by a fairing 10 with the formation of an annular gap 11 associated with the channel 7. The sealed stator housing 5 is installed on the flange of the turbogenerator 20, designed to fasten the turbogenerator to the drill string. The shank 12 is intended for fixing downhole equipment (not shown).

На внутренней поверхности корпуса ротора 3 закреплена втулка 13 из немагнитного материала, в которой размещены постоянные магниты 14. Между магнитами на втулке 13 размещены продольные канавки 15.On the inner surface of the rotor body 3, a sleeve 13 made of non-magnetic material is fixed, in which permanent magnets 14 are placed. Longitudinal grooves 15 are placed between the magnets on the sleeve 13.

Между верхним подшипником скольжения 8 и корпусом статора 5 установлен верхний магнит 19, имеющий форму кольца и закрепленный на нижнем торце верхнего подшипника скольжения 8, например, с помощью клея.Between the upper plain bearing 8 and the stator housing 5, an upper magnet 19 is installed, having the shape of a ring and fixed on the lower end of the upper plain bearing 8, for example, with glue.

В поперечной канавке 21 на наружной поверхности корпуса статора 5 установлен нижний магнит 16, состоящий из двух полуколец, склеенных между собой и зафиксированных обечайкой 17. Верхний магнит 19 и нижний магнит 16 обращены друг к другу одноименными полюсами.In the transverse groove 21 on the outer surface of the stator housing 5, a lower magnet 16 is installed, consisting of two half-rings glued together and fixed by a shell 17. The upper magnet 19 and the lower magnet 16 face each other with the same poles.

На внутренней стороне обтекателя 10 установлена шайба 18 из антифрикционного материала, например, фторопласта, для уменьшения износа и демпфирования осевых вибрационных и ударных воздействий на ротор 1.On the inner side of the fairing 10 there is a washer 18 made of anti-friction material, for example, fluoroplastic, to reduce wear and dampen axial vibration and shock effects on the rotor 1.

Турбогенератор для питания скважинной аппаратуры работает следующим образом. Буровой раствор, проходя между лопатками 4 ротора 1, приводит его во вращение. Часть бурового раствора через зазор 11 поступает в канал 7 и отбирает тепло, образующееся в подшипниках скольжения 8 и 9 и обмотке статора 2. Помимо канала 7 буровой раствор проходит через винтовые канавки 6 в корпусе статора 5 и продольные канавки 15 в роторе 1, что позволяет уменьшить зазор в канале 7 и максимально приблизить магниты 14 к корпусу 5. При попадании крупных частиц из бурового раствора в канал 7, они перемещаются винтовыми канавками 6 в продольные канавки 15 и выносятся наружу.Turbogenerator for powering downhole equipment operates as follows. The drilling fluid, passing between the blades 4 of the rotor 1, causes it to rotate. Part of the drilling fluid through the gap 11 enters the channel 7 and removes the heat generated in the plain bearings 8 and 9 and the stator winding 2. reduce the gap in the channel 7 and bring the magnets 14 as close as possible to the body 5. When large particles from the drilling fluid enter the channel 7, they move by helical grooves 6 into the longitudinal grooves 15 and are carried out.

Для снижения трения между верхним подшипником скольжения 8 и корпусом статора 5 размещены два магнита - нижний 16 и верхний 19, образующие магнитный подвес, который создает для вращающегося ротора 1 левитирующий эффект. Благодаря этому резко уменьшается трение в области соединения ротора 1 со статором 2, значительно уменьшается износ подшипников скольжения, повышается надежность изделия в целом.To reduce friction between the upper sliding bearing 8 and the stator housing 5, two magnets are placed - the lower 16 and the upper 19, forming a magnetic suspension, which creates a levitating effect for the rotating rotor 1. Due to this, the friction in the area of the connection of the rotor 1 with the stator 2 is sharply reduced, the wear of the plain bearings is significantly reduced, and the reliability of the product as a whole is increased.

При выключенном насосе поток бурового раствора прекращается, турбина ротора 1 неподвижна, взаимное отталкивание магнитов 16 и 19 максимально и ротор 1 упирается в шайбу 18. В этом положении попадание крупных частиц бурового раствора из межтрубного пространства во внутренний канал 7 исключается. При включении насоса поток бурового раствора раскручивает турбину ротора 1 и одновременно создает осевое усилие на вращающийся ротор 1, направленное сверху вниз, которое отжимает ротор 1 от шайбы 18, модулируя таким образом кольцевой зазор 11. Вследствие этого уменьшается трение между шайбой 18 и ротором 1, а также увеличивается зазор между ними, что позволяет буровому раствору интенсивнее поступать в полость между ротором 1 и статором 2, обеспечивая охлаждение и смазку подшипников скольжения 8 и 9 и обмотки статора 2 турбогенератора. Модуляция кольцевого зазора в моменты пуска/остановки бурового насоса, а также при изменении расхода бурового раствора в процессе бурения приводит к более интенсивной очистке внутреннего пространства от мусора и крупных частиц бурового раствора, уменьшению вероятности заклинивания ротора.When the pump is turned off, the flow of drilling fluid stops, the turbine of the rotor 1 is stationary, the mutual repulsion of the magnets 16 and 19 is maximum and the rotor 1 abuts against the washer 18. In this position, the ingress of large particles of drilling fluid from the annulus into the inner channel 7 is excluded. When the pump is turned on, the mud flow spins the turbine of the rotor 1 and at the same time creates an axial force on the rotating rotor 1, directed from top to bottom, which presses the rotor 1 from the washer 18, thus modulating the annular gap 11. As a result, the friction between the washer 18 and the rotor 1 is reduced, and also the gap between them increases, which allows the drilling fluid to enter the cavity between the rotor 1 and the stator 2 more intensively, providing cooling and lubrication of the plain bearings 8 and 9 and the winding of the stator 2 of the turbogenerator. Modulation of the annular gap at the start/stop of the mud pump, as well as when changing the flow rate of the drilling fluid during drilling, leads to a more intensive cleaning of the internal space from debris and large particles of the drilling fluid, reducing the likelihood of rotor jamming.

За счет усовершенствования конструкции турбогенератора для питания скважинной аппаратуры решена техническая проблема уменьшения износа подшипников скольжения и других вращающихся частей турбогенератора, что позволяет увеличить ресурс и межремонтный интервал изделия, а также увеличена надежность работы турбогенератора за счет улучшения условий очистки внутреннего канала изделия от мусора и крупных частиц бурового раствора за счет динамической модуляции кольцевого зазора при манипуляциях буровым насосом.By improving the design of the turbogenerator for powering downhole equipment, the technical problem of reducing the wear of plain bearings and other rotating parts of the turbogenerator has been solved, which allows increasing the service life and overhaul interval of the product, as well as increasing the reliability of the turbogenerator by improving the conditions for cleaning the internal channel of the product from debris and large particles mud due to dynamic modulation of the annular gap during manipulations with the mud pump.

Claims

1. A turbogenerator for powering downhole equipment, comprising an external rotor with a housing and turbine blades, an external rotor with a casing and turbine blades, an internal stator with a winding, made on an axis, the winding of which is placed in a sealed housing, installed on the lower plain bearing and the upper plain bearing, the upper end of which is closed with a fairing, on the outer surface of which helical grooves are made, and on the inner surface of the rotor between the bearings there are longitudinal grooves passing between the permanent magnets installed between the outer rotor and the housing, characterized in that two annular permanent magnets are additionally installed, forming a magnetic suspension, and the upper magnet is placed on the lower end of the upper plain bearing, and the lower magnet is installed in a transverse groove on the outer surface of the stator housing.

2. Turbine generator according to claim 1, characterized in that the lower permanent magnet of the magnetic suspension is made of two half-rings connected with glue and fixed by a shell.

3. Turbogenerator according to claim 1, characterized in that the upper magnet and the lower magnet face each other with the same poles.

4. Turbogenerator according to claim 1, characterized in that a washer made of antifriction material is installed on the inside of the fairing.

5. Turbogenerator according to claim. 4, characterized in that the anti-friction material is a fluoroplastic or beryllium bronze.