скважинный электромашинный источник питания

Формула изобретения

Скважинный электромашинный источник питания, включающий проточный кожух, внутри которого размещены (с возможностью обтекания жидкостью) неподвижная часть электрогенератора, содержащая статор с незамкнутым магнитопроводом и обмотку, подвижная часть электрогенератора, содержащая гидротурбину с центральным валом и многополюсным ротором-индуктором, сочлененная с неподвижной частью посредством не менее чем двух подшипников, размещенных на валу, и немагнитная поперечная к геометрической оси О-О электрогенератора перегородка для разобщения полостей обеих его частей, а незамкнутый магнитопровод статора с обмоткой на нем позиционирован относительно полюсов ротора-индуктора с возможностью электромагнитного взаимодействия этих элементов обеих частей электрогенератора через его немагнитную перегородку, отличающийся тем, что незамкнутый магнитопровод статора снабжен дополнительным П-образным участком, замыкающим своими торцами его магнитную цепь, размещенным коаксиально ротору-индуктору по другую сторону немагнитной перегородки в полости подвижной части электрогенератора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, а именно к автономным источникам электропитания телеметрических систем при бурении нефтяных и газовых скважин со сложной пространственной траекторией проходки ствола.

Из уровня техники известен целый ряд конструктивно аналогичных объектов, содержащих, как правило, турбину (крыльчатку) с валом, на котором размещен ротор-индуктор, а вал посредством подшипников размещен в корпусе со статорной обмоткой, охватывающей (с зазором) ротор-индуктор. Турбина подобного объекта приводится во вращение потоком газа или жидкости, а обмотка статора подключается к потребителю электроэнергии (например, Пневматический шахтный светильник. М., ГТТИ, Горный журнал №3, 1958; СССР, описание изобретения №1379880, М. кл.⁴ Н 02 К 7/18, 1986; СССР, описание изобретения №1805530, M. кл. ⁵ E 21 B 47/022, 1990; РФ, патент на полезную модель №11936, V1 М. кл.⁶ Н 02 К 5/12, E 21 B 47/022, 16.11.1999; РФ, патент на полезную модель №13123, V1 М. кл.⁶ Н 02 К 5/12, Е 21 В 7/02, 20.03.2000; РФ, описание изобретения №2172827, М. кл.⁶ Е 21 В 47/00, Н 02 К 5/12, 1999; РФ, описание изобретения №2244995 С1, М. кл.⁷ Н 02 К 5/12, Е 21 В 47/022, 2005).

Однако известные технические решения, несмотря на их конструктивные особенности, адаптирующие их к тем или иным требованиям потребителей и условиям эксплуатации, существенно ограничены в их основном параметре, то есть в генерировании электроэнергии достаточной мощности, это ограничение обусловлено конкретными скважинными условиями (преимущественно диаметром скважины). Попытки же одновременного использования (агрегатирования) нескольких подобных источников электропитания для работы на одного потребителя весьма осложняются проблемой их коммутации в скважинных условиях и прочими сопутствующими проблемами.

Наиболее близким техническим решением (иначе - прототипом) к заявляемому объекту является скважинный электромашинный источник питания (Научно-технический журнал "Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности", М., ОАО "ВНИИОНГ", №4, 2003, с.4-6) в так называемом "торцевом исполнении", включающий проточный кожух, внутри которого размещены (с возможностью обтекания жидкостью):

- неподвижная часть электрогенератора, содержащая статор с незамкнутым магнитопроводом и обмотку на нем;

- подвижная часть электрогенератора, содержащая гидротурбину с центральным валом и многополюсным ротором-индуктором, причем обе части сочленены между собой посредством не менее чем двух подшипников, размещенных на центральном валу и, соответственно, в гнездах неподвижной части;

- немагнитная перегородка, герметизирующая элементы статора от попадания жидкости (в глубинных скважинных условиях) со стороны ротора-индуктора. Незамкнутые торцы магнитопровода статора позиционированы относительно торцевых полюсов ротора индуктора таким образом, что магнитная цепь (магнитный контур) статора периодически замыкается вращающимися полюсами ротора-индуктора, но при этом в магнитном контуре электрогенератора есть "разъем" по немагнитной перегородке и конструктивному зазору, что приводит к потерям в преобразовании механической энергии в электрическую, к тому же переменный характер сцепления магнитных полюсов ротора-индуктора с магнитопроводом статора раскачивает консольно закрепленный вал в опорах вращения, что может привести к дисбалансу системы.

Кроме того, как отмечено в описании прототипа, его мощность существенно ограничена диаметральным габаритом и от его линейного размера (то есть длины) практически не зависят.

Требуемый технический результат (иначе - цель создания заявляемого объекта) заключается в обеспечении известному техническому решению-прототипу более высоких потребительских свойств, а именно повышенной удельной мощности в стесненных габаритах бурильной колонны.

Требуемый технический результат при реализации (использовании) заявляемого объекта достигается тем, что в известном устройстве-прототипе, содержащем проточный кожух, внутри которого размещены (с возможностью обтекания жидкостью) неподвижная часть электрогенератора, содержащая статор с незамкнутым магнитопроводом и обмотку, подвижная часть электрогенератора, содержащая гидротурбину с центральным валом и многополюсным ротором-индуктором, сочлененная с неподвижной частью посредством не менее чем двух подшипников, размещенных на валу, и немагнитная, поперечная к геометрической оси О-О электрогенератора, перегородка для разобщения полостей обеих его частей, а незамкнутый магнитопровод статора с обмоткой на нем позиционирован относительно полюсов ротора-индуктора с возможностью электромагнитного взаимодействия этих элементов обеих частей электрогенератора через его немагнитную перегородку, незамкнутый магнитопровод статора снабжен дополнительным П-образным участком, замыкающим своими торцами его магнитную цепь, размещенным коаксиально ротору-индуктору по другую сторону немагнитной перегородки в полости подвижной части электрогенератора.

Требуемый технический результат обеспечен наличием в совокупности существенных признаков (характеризующих предлагаемый скважинный электромашинный источник питания) вышеуказанных отличительных признаков, а необнаружение в общедоступных источниках патентной и технической информации эквивалентных технических решений с теми же свойствами предполагает соответствие объекта "критериям" изобретения.

На чертежах представлены общий вид (фигура 1) скважинного электромашинного источника питания с внутренним расположением относительно магнитной цепи статора ротора-индуктора, на фигуре 2 изображен фрагмент А фигуры 1 этого источника питания, но с двухсторонним ротором-индуктором, охватывающим коаксиально магнитную цепь статора, а на фигуре 3 - тот же фрагмент А фигуры 1 с внешним охватом ротором-индуктором магнитной цепи статора.

Заявляемый объект содержит (см. фигуру 1) проточный кожух 1, в котором жестко закреплена неподвижная (статорная) часть 2 электрогенератора, включающая незамкнутый магнитопровод 3 с размещенной на нем обмоткой 4. С неподвижной частью 2 электрогенератора (он, как таковой, позицией не обозначен) сочленена его подвижная (роторная) часть 5, включающая гидротурбину 6 с центральным валом 7 (по геометрической оси 0-0 электрогенератора) и многополюсный ротор-индуктор 8. Сочленение неподвижной (2) и подвижной (5) частей электрогенератора осуществлено посредством подшипников 9 и 10.

Незамкнутый магнитопровод 3 статора и его обмотки 4 отсечены от подвижной части 5 электрогенератора поперечной к его геометрической оси 0-0 немагнитной перегородкой 11 с образованием полости 12, заполненной электроизоляционным материалом - герметиком, как это изображено на фигуре 1, при этом с другой стороны немагнитной поперечной перегородки 11 конструктивно образована полость 13, то есть полость подвижной части электрогенератора, так как в ней размещен центральный вал 7 с ротором-индуктором 8. Для обеспечения эффективного индуцирования Э.Д.С. в обмотке 4 статора заявляемый объект снабжен дополнительным П-образным участком 14 магнитопровода, замыкающим магнитопровод 3 статора по его торцам, то есть по плоскости Б на фигуре 1, где позицией 15 обозначена, условно, полная замкнутая магнитная цепь (магнитный контур) статора. Кроме того, на фигуре 1 приведены, но отдельными позициями не обозначены, узел электровыводов обмотки 4, узел подачи смазки в полость 13 подвижной части 5, а также ряд других, входящих в конструкцию заявляемого объекта вспомогательных элементов.

Скважинный электромашинный источник питания работает следующим образом. Поток жидкости (условно обозначен полыми стрелками на фигуре 1) вращает подвижную часть электрогенератора, взаимодействуя с гидротурбиной 6, а многополюсный ротор-индуктор 8 создает в магнитной цепи (контуре) 15 статора переменный магнитный поток, индуцирующий в обмотке 4 Э.Д.С. (или электрический ток при замыкании обмотки 4 на потребителя). Существенной особенностью заявляемого объекта является то, что в сравнении с прототипом, то есть в сравнении с аналогичным источником питания, в так называемом "торцевом" исполнении снимаемая с обмотки 4 мощность лимитируется не диаметром конструкции (при равных параметрах материалов постоянных магнитов ротора-индуктора и магнитопровода статора), а преимущественно линейными размерами, то есть длиной ротора индуктора и, соответственно, длиной П-образного дополнительного участка 14 магнитопровода 3 статора. Так, например, при использовании одинаковых соответственно материалов магнитов ротора-индуктора и магнитопроводов статора в объекте-прототипе конкретного диаметра максимально возможная вырабатываемая мощность скважинного генератора ограничена его полезной площадью поперечного сечения или торцевых поверхностей магнитов и магнитопровода и составляет 235 Вт при диаметре конструкции около 121 мм. Это может быть справедливо, так как, если в качестве оценочного критерия принять величину индукции, то по закону Фарадея индукция U, вычисляемая формулой:

, где:

Ф - приращение магнитного потока, t - продолжительность изменения магнитного потока, N - количество витков,

а Ф - магнитный поток равен:

;

где - нормальная составляющая магнитной индукции, А - площадь поперечного сечения поля.

При том же диаметре конструкции заявляемый объект обеспечивает мощность, которая также ограничена значением магнитной проницаемости материала магнитопровода и площадью его поперечного сечения, но может быть увеличена до 300 Вт на каждые 100 мм длины ротора в зависимости от его модификации, так как магниты ротора-индуктора взаимодействуют с ним (магнитопроводом) по всей своей длине, а этот параметр может быть легко изменяем по требованию потребителя.

Совокупность существенных признаков (в том числе и отличительных) заявляемого скважинного электромашинного источника питания обеспечивает достижение требуемого технического результата, соответствует "критериям" изобретения и подлежит защите охранным документом (патентом) РФ в соответствии с просьбой заявителя.