CN101341331A - 利用流体流动特别是油井或气井中的流体流动发电 - Google Patents

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Abstract

用来根据流体流动发电的设备，具体地是利用油井或气井中井底的流体流动获取功率的设备，此设备包括沿横切流体流向设制的圆柱体或其他钝体(1)，后者支承在保持于固定架之中的弓形悬臂(3)的这样一个端部上，使之可响应由上述圆柱体或钝体形成的卡曼涡流尾迹V的流出而振荡。钝体(1)与悬臂(3)的合成运动通过附加到悬臂(3)上且因此臂的弯曲而受压的压电材料(5)，转换为电能。描述了通过这种设备的振荡的压电和感应发电的其他装置。

Description

利用流体流动特别是油井或气井中的流体流动发电
本发明涉及利用流体流动发电。
本发明具体涉及利用油井或气井井底流动的流体来发电的设备。在油井与气井井底通常设有各种各样需要电力的装置与仪器，例如泵、阀、起动器、流量计、应变计、温度与压力监控器、数据记录器、遥测接收机，等等。从地面通过导线给这类装置供电是困难和价昂的，这是由于可能需要敷设极长的电缆以及井下存在的侵蚀性环境，而这会构成严重的风险，因为它会使导线或其绝缘在某些部分破裂或损伤。虽可以选择与井下装置相关联的蓄电池，但这种蓄电池除非是可以再充电且设有再充电的电源，不然就只有有限的使用寿命。据此认识到需要提供这样的设备：它们能在井下现场发电而可以直接用来发电的能源则是通过这种井流动的油、气产物或其他流体，取决于井中普遍存在的状态、井型与井位，可能遇到的流体包括油、气、水或它们的多项混合物。
为此，本发明的目的之一在于提供用来通过种种井下流体流动获取功率的发电设备或系列发电设备，而且这种设备能够满足由于井下环境而在坚固性、长寿命性、可靠性、尺寸与高温容限等方面所强加的要求。特别是井下所经受的有害环境普遍难以采用基于涡流的，或依赖于以轴承、连杆或是其他这类机械接口的转动或以其他方式运动的部件的流体发电方法。
本发明的装置根据的是，当钝体例如圆柱体或类似物体横向地置于具有适当雷诺数的流动流体中时所表现出的周知的规则涡流尾迹现象。通过这类钝体的流体流动一般会经受边界层分离而形成包含有相异涡流的下游涡流尾迹，这些相异的涡流会持续存在一段距离，直至其由于流体的粘滞作用而减弱。
已知在一定的雷诺数范围内会发展出这样的周期性流谱，此流谱具有以交错方式从所述钝体的相对侧规则地流出而在分离点处形成的涡流。这样形成的规则涡流图谱一般称作卡曼涡流尾迹或“卡曼涡街”，之所以如此命名是由于冯·卡曼对这种流谱稳定性作过最早的研究。在上述涡流流出时，分布到钝体相对侧上相应的不均匀压力便于钝体之上产生变动的动力载荷，促使钝体作实质性震荡，而本发明则正是寻求利用这种效应来转换为电能。
为此，本发明的一个方面属于一种利用流动流体来发电的设备，此设备包括：在工作中大致沿横切流体流向放置的钝体，此钝体由可以通过它与流动流体的相互作用而响应卡曼涡流尾迹的流出作自由震荡的支承装置载承；以及用来将此钝体和/或支承装置随此而发生的震荡转换为电能的装置。
上述这种设备在结构上可以很简单，特别是不需要任何转动的部件或类似的机械接口，使之能成为井底发电的适当候选者。但是本发明的设备并不局限于上述这种用途，而是可以更普遍地用来通过与广范围的流动流体，例如与管道或沟槽中的流动流体，甚至与包括风、潮与海洋中的流动流体的作用来发电。
在一种最佳实施形式中，所述钝体是由悬臂载承，使钝体可以通过悬臂的弯曲而振荡。
上述用来将钝体和/或支承装置的震荡运动转换为电能的设备可以根据任何适当的电动力学的发电方法，包括磁感应法或是将电致伸缩材料、磁致伸缩材料或压电材料用到此钝体支承装置系统之上。最佳的方法是利用压电元件，这种元件在以悬臂支承的情形可以安装到悬臂基本上是其所有的部分之上或所选定的部分之上。或也可以以其他方式设置，使之能响应悬臂的弯曲而处于受压状态。
特别理想的是，在使用本发明的设备时，从钝体流出的涡流能在充分接近钝体/支承装置的固有频率(或是其谐波频率)下发生，以使后者发生谐振。在上述状态下，自然它的振幅将达到最大，从而由此设备产生的电力也同样可以最大化。在圆柱体情形，已知涡流尾迹的这种频率正比于流速而反比于圆柱体的直径。因此，为使本发明的设备可在不同流率的有效范围内谐振激励，可以采取这样一种方法，即将此种钝体构置成具有不等的直径，例如阶梯形或渐变的直径，使得对于任意给定的流速，涡流尾迹对于给流动流体所提供的直径系列可以包括一系列频率。这样，等效于有关钝体/支承装置系统的特定固有频率的频率，就可以包括在由此钝体与一系列不同流速相互作用而产生的尾迹之中。
确保在许多不同流速的范围内使本发明的设备中发生谐振的其他方法，可以包括对所述钝体/支承装置系统进行自适应控制的一种形式。例如在悬臂支承装置的情形，它的有效长度和/或刚度可以根据所探测出的流速调整。
但不管怎样，使本发明的设备产生的功率最大化的一种简单方式都是在相同的流动流体中提供一系列这样的设备，且让这一系列的不同设备构造成具有不同的固有频率，使得至少有一台设备会与这里占优势的流速或流体组成无关，在期望的范围内谐振。
下面将参考所附的示意图以举例方式较具体地说明本发明的特点，附图中：
图1是通过安装于管道中的本发明的功率获取设备-实施形成的纵剖面图；
图2与3示明图1中设备的变型；
图4是安装于管道中的图1中设备的另一变型的端视图；
图5是安装于管道中包括有力放大机构的本发明的功率获取设备另一实施形式的侧视图；
图6是安装于管道中的本发明的功率获取设备又一实施形式的侧视图；
图7是示意地表明本发明的功率获取设备又另一实施形式的侧视图；
图8是安装于管道中的图7中设备一种变型的示图，图中除去了大部分管道；
图9是示意地表明图7中设备另一变型内部的侧视图；
图10与11是包括有本发明若干个设备在内的组合件的剖面图；
图12是一对依据本发明再一实施形式的设备安装于管道中的示图，图中此管道的大部分已除去。
参看图1，所示本发明的实施形式包括的圆柱体1支承或平放在位于油井或气井井底区的管道之内的中央区中，此柱体1的轴线大致垂直于管道的轴线。这里的柱体1是安装在例如弹簧钢制的叶片3的一端之上，后者的另一端则设于横切和刚性地装附于管道2内侧的固定件4上。叶片3在图示中的上下两面沿其大部分长度上覆盖以压电材料5的盖片。从原理上说，可以采用任何合适形式的压电性陶瓷或聚合物材料，但在对这种设备进行的试验中发现，起到良好作用的是包括许多粘合在聚酰亚胺薄片中专用陶瓷纤维的压电长纤维复合料(mfc)盖片。
根据已知的流体动力学原理，当柱体1受到通过管道2具有某个雷诺数范围的流动流体(在图1中以箭头f指示)的影响时，涡流势必从此柱体的(为图示的)上下两侧以交错的方式规则地流出，形成图1中于u处示意表明的所谓卡曼涡流尾迹。柱体1上相应的交替动态负载将促使其从图中观察时的垂直平面内依箭头x示意的方向震荡，结果使叶片3构成的悬臂或支承装置弯曲。叶片3的弯曲将使各压电盖片5交替地以相互相反的相位受到压应力与张应力的作用，而以对应于柱体1/叶片3系统震荡的脉冲形式从盖片上产生电荷。有导线(未图示)将各盖片5与外电路连接，通过此电路可给有关的蓄电池或电容器充电，而给井底仪表或其他电气设备供电。
图1所示的这类设备已按一系列的流率进行过试验，且应用了一系列流体：(i)单相水、(ii)单相油、(iii)两相的油与水、(iv)多相的气体、油与水，雷诺数为4500～31200。在所有三种液相加的例子中，对于有效的流率范围，所观察到的这种设备的行为是，与流动流体中以柱体/叶片系统的相应的固有频率振荡，当与流速相关的涡流尾迹频率同设备的固有频率相匹配时，上述振荡的振幅便增至最大(发生谐振)。流速继后的增大导致振幅从谐振状态下减小，但在某些情形下，仍然较高的流率会激励设备谐振频率而导致振幅的二次增大。多相的气、油与水的行为较多地呈断续性与瞬变性，但此种设备的绝大多数动态行为仍然发生在相应的固有频率下。这种流动流体可以是高度扰动的而强加给设备以大的脉冲力，但由于这增大了压电盖片上的压力而在实际上能提高电功率的输出。如果需要防止压电材料会发生过度应变与破碎的风险，可以在设备中加入止动件以限制柱体1位移和因此而致叶片3的弯曲。
图2与3示明了图1所示设备结构的变型。
在图2中，取代沿叶片3长度的压电盖片，而将较大体积的压电件6设定于固定件4与叶片3之间此叶片的根部处，此根部则是设备当柱体1振荡时最高度地受到力作用的区域。
图3中，代替叶片3设有两件式的悬臂，包括长度较短的弹簧钢7，继以在弹簧钢7根部处一段有较大刚度的不锈钢8。本例中，悬臂的弯曲集中在其根部处，此处的弹簧钢7可覆盖以较盖片5为厚的压电元件9。
在图1-3所示的设备中，管道2与柱体1两者的轴线部是水平地延伸，但从原理上说这些设备可以按任何其他角度或旋转取向来使用的，只要柱体1大致横切进入的流动流体而悬臂大致平行于此流动流体即可。类似的，虽然如这些图所示，流体是以柱体1的左方流入(即在此柱体的远离其连接到悬臂处的那一面上)，但要是流向反过来，此设备的行为一般是相同的，此时的卡曼涡流尾迹则形成在相对于这些图中左侧的在此柱体1的下游侧。
图4示明上述设备的另一种变形，其中作为一种变更形式或是在压电材料件5、6或9之外，于柱体1上横切其轴线(左图所示取向中位于柱体之上方与下方)叠置压电盘状件10，并以块件11固定到各叠的自由端上。当柱体1在设备的使用中振荡时，各块件11的惯性效应便使各相应叠置的压电盘件与柱体之间交替的施加压应力与张应力，而这两叠压电件是以相互相反的相位受力，由此便从这种叠置件中心对应于柱体1振动的脉冲形式产生电荷，若是在各压电叠置件10与柱体1之间设置小的弹簧(未图示)，则可增强上述效应，得以在压电材料中产生较高的压应力与张应力，结果会增加所产生的电荷。
在应用图4的实施的形式时，可观察到所述圆柱形压电叠置件10还将在通过管道2的流体流动中流出卡曼涡流尾迹；且与从柱体1流出的的尾迹正交。虽然叶片3在由来自叠置件10的涡流所感生的动态负载方向中是刚性的，但这种现象不会干扰柱体1与叶片3基本上是作共平面的振荡。
虽然压电材料的电输出一般正比于所感生的应力的大小，但这种材料即使在很大的力的作用下也只显示出较小的应变率，这对本发明的设备可能是有利的，本发明的设备利用压电能量转换，将机械连动装置用在振荡体/支承系统与压电材料之间，使前者的较高位移/小力运动变换为作用到后者之上的较低位移/大力的作用。图5表明了这样一种构型。这又一次示明了一种安装于管道之中包括柱体1，叶片3与固定件4的设备。但在这种情形中，在叶片3的平行于管道2的相对侧设有成叠的压电盘件12。围绕各压电叠置件12设有椭圆形弹簧金属环3，而以各叠置件沿各相应椭圆的长轴延伸并牢靠地接附于其相对端上。在其短轴的方向上，椭圆形弹簧13各自安装在叶片3与管道2的邻壁之间。
在图5中的设备工作时，柱体1的振荡和由此而有的叶片3的弯曲(按图示的管道取向从所示中心位置朝上与向下)，促致各椭圆形弹簧13为叶片3沿相应椭圆的短轴交替地挤压与伸展(以相互相反的相位)。由于弹簧13的形状，结果又导致各弹簧交替地沿其长轴伸展与收缩，只是与正交的收缩与伸展相比所通过的尺寸较小，从而会交替地给压电叠置件12施加张应力与压应力，由此而产生电荷。可以通过上述作用，使施加到叠置件12上的力与由叶片3施加给弹簧13的力相比得到放大，所放大的程度则正比于叶片3导致此弹簧沿其长轴的位移与其沿短轴位移相比的减少量。
图6示明本发明的功率获取装置的另一种实施形式，此实施形式中的电能是通过电磁感应产生。与前述相同，圆柱体1安装在管道2中弓形悬臂3远距固定件4的一端，使之在处于流动流体中时可响应卡曼涡流尾迹的流出而振荡。但这里的柱体1是这样地被永磁化，即以其极循着其上、下面，使得在柱体振荡且部分地出入各线圈时，将交替地感生出电脉冲。有导线(未图示)从线圈14延伸到外电路，由此可使相关的蓄电池或电容器充电，以给井底的仪表或其它电气设备供电。
若是在图6中设备内工作的流体含铁，则在磁化的柱体1上会聚集屑渣而有害于设备的性能。图7示明利用磁感应进行功率变换的另一种构型，它通过使磁性元件与流体隔绝来解决上述问题，此时于柱体1中将棒状永磁铁15封闭于沿横切柱体轴线延伸的室内，但允许它可在此室中自由滑动，使得此柱体在设备运转时(图7中所示取向的上、下)，此磁铁受迫借助其自身惯性而重复地从室中的一端到另一端作往复运动。线圈17卷绕在室16中央区，每当磁铁15在其于室内移动过程通过此线圈时，就会于此线圈中感生电脉冲。设备中有导线(未图示)从线圈17延伸到一电路，由此可为相关的蓄电池或电容器充电而给井底的仪表或其它电气设备供电。
可以改进图7中设备的性能，为此可将磁铁15悬挂于一对弹簧(未图示)之间，然后调节此磁铁/弹簧系统，使之以上述室内的与柱体1/悬臂3系统的谐振相同的频率但相反的相位谐振，按这种方式工作，将使磁铁15通过线圈17的相对速度最大化，结果将使磁通量的变化率从而也使此线圈中感生的电压都最大化。
图8示明图7中设备的一种变型，采用了磁铁、线圈与室的较大组件，此时的收纳着磁铁的室取圆筒18的形式，其尺寸与柱体1类似且与之在叶片3的端部形成十字形组件。但应与图4种设备的情形相同，不得干扰柱体1与叶片3作基本上是位于同一平面内的振荡。
图9示明图7种设备的又一种变型，此时的磁铁由一叠磁铁19(或单个多级磁铁)取代，后者沿此叠的相对侧提供交错的成列磁极。与此叠磁铁面对的是由线圈21卷绕的多肢式可透磁的铁心20。在此设备工作时，随着柱体1振荡，迫使磁铁叠19重复地从室16的一端到另一端作往复运动，结果在此叠的每次移动中，它的面对铁心20各个肢的这部分的极性便反向，于是在线圈21种便感生出与柱体1振荡相对应的电脉冲，而由于本实施形式中的铁心20设有用于磁通的返回路径，且这样多的极将使磁通在铁心中有较大的变化率，这同图7的实施形式相比会是一种更有效的发电设备，不过这要涉及到更多的物质。
在图7与9的任一种实施形式中，可以沿着柱体1的宽度分隔开地设置多个室16与磁铁、线圈以及(在有利时)铁心。
在实际工作中，可能要安装本发明的多台设备，来共同地满足井底设备的电力需求。在某些情形下还需求井下管道的孔不会有障碍，能使工具或仪表无障碍地通过此种系统。为此目的，可设置例如图10所示的组合件，本例中在两个管段23与24之间设有组合件22。组合件22具有中央通道25，此通道的孔与管道23/24类似，为环形通道26环绕，通过后者可将进入组合体内的一部分流体按图中箭头方向输送出。在通道26内可以看到有几台前述任何合适种类的设备，包括各自的柱体1，后者保持在悬臂3远距固定件4的一端上。可以围绕环形通道26内部沿圆周等间隔地设置几列这种设备。
图11示明一种扩散-会聚型组合件26，它与组合件22类似，它的中央段与所配合的管段23和24相比加大了直径，它之中的4个功率获取设备包括柱体1和悬臂3，而此种功率获取设备则由沿组合件26的弦向从两个固定件4支承，这一变型免除了特别是有可能堵塞污染的流体流动风险的独立环境通道26。
如同前面已指出的，为使本发明的设备能产生最大功率，最好使这些设备在谐振条件下工作。为了扩展可使谐振发生的流率范围，可在上述任一实施形式中以阶梯式或渐变式直径的钝体置换相应的圆柱体1，以使来自这种钝体的涡流尾迹常能包括许多不同的频率。此外，对于各个设备具有不同固有频率的情形，例如可以通过采用不同几何构型，不同质量或不同刚性的部件来利用这类设备组成的阵列。
上述两种方法的一个例子示于图12中。在此例子中，管道2有一固定件4，从此固定件依相反方向延伸出两个悬臂27和28，这两个悬臂各装带着相应上述那种钝体29和30。各个钝体29、30具有渐变的直径且有效地包括两个从中央最大直径部的各侧延伸出的截头圆锥面，各个悬臂27、28是由相同的弹簧钢材料制成，但具有不同的长度来给予各个柱体/悬臂系统29/27与30/28以不同的固有频率。

Claims (31)

1、用来利用流体流动来发电的设备，此设备包括：在工作中大致沿横切流体流向设置的钝体，此钝体由可以通过它与流动流体的相互作用而响应卡曼涡流尾迹的流出作自由振荡的支承装置载承；以及用来将此钝体和/或支承装置随此而发生的振荡转换为电能的装置。
2、权利要求1的设备，其中所述钝体是由悬臂载承，使此钝体可通过悬臂的弯曲而振荡。
3、权利要求2的设备，其中所述转换装置包括设置成由于所述悬臂弯曲而受力的压电材料。
4、权利要求3的设备，其中所述压电材料是沿着所述悬臂长度基本上是全部地或是部分地附加于此悬壁之上。
5、权利要求4的设备，其中所述压电材料位于所述悬臂与此悬臂的固定支承件之间。
6、权利要求5的设备，其中所述悬臂具有可弯曲的根部以及在此跟根部与所述钝体之间的较刚性部，而所述压电材料则附加于此根部之上。
7、权利要求6的设备，它在所述臂与压电材料之间有一力放大机构。
8、权利要求7的设备，其中所述力放大机构包括椭圆形弹簧，此弹簧设置成可沿其短轴因所述悬臂的弯曲而压缩与伸展，同时所述压电材料则设置成会由于所述弹簧随之而沿其长轴的伸展与压缩而受压。
9、权利要求1或2的设备，其中所述转换装置包括设置成会因所述钝体振荡而受力的压电材料。
10、权利要求9的设备，其中所述压电材料是连接在所述钝体与团块之间，此团块由于它是通过所述压电材料而连接所述钝体，故会在所述钝体振荡时振荡，而它的惯性结果会给所述压电材料加压。
11、权利要求10的设备，它还包括在所述钝体与所述压电材料之间的弹簧装置。
12、权利要求1或2的设备，其中所述转换装置包括通过磁感应产生电能的装置。
13、权利要求12的设备，其中所述钝体被磁化，而所述转换装置包括至少一个与所述钝体毗连的线圈，在此线圈内响应所述钝体的振荡感生出电。
14、权利要求12的设备，其中所述转换装置包括磁铁，此磁铁定位或可借助自身惯性以在所述钝体振荡时相对于此钝体自由振荡，而在所述至少一个线圈之中则响应此磁铁的这种振荡而感生出电。
15、权利要求14的设备，其中所述线圈环绕一区域而将所述磁铁设置成通过此区域时振荡。
16、权利要求14的设备，其中所述磁铁取多极磁性结构，而所述线圈则环绕着可透磁的多肢铁心，后者毗连一个将所述磁铁于其内设置成振荡的区域。
17、权利要求14～16任一项中的设备，其中所述磁铁是由弹簧装置相对与所述钝体吊挂。
18、权利要求17的设备，其中包括所述磁铁与弹簧装置的系统被设置成按与所述钝体谐振相反的相位振荡。
19、权利要求14～18任一项中的设备，其中所述磁铁与线圈是封装在所述钝体之内。
20、上述任一项权利要求中的设备，其中所述钝体基本上是取一或多个旋转体的形式。
21、权利要求20的设备，其中所述钝体呈圆柱形。
22、权利要求20的设备，其中所述钝体具有阶梯式或渐变式的直径。
23、包括有权利要求2的或任何其他所附加的权利要求的一对设备的设备，此设备包括从固定支承件沿两个相反方向延伸出的一对所述悬臂，而这对悬臂分别载承各相应的所述钝体。
24、权利要求23的设备，其中所述两个悬臂与钝体组成的系统两者的固有频率相异。
25、权利要求24的设备，其中所述个悬臂的长度不同。
26、组合件，它包括供流体流动的中央通道，后者为环形通道围绕，通过此环形通道一部分流体可以通过此组合件，同时在此环形通道内设有任何前述权利要求的一或多台设备。
27、组合件，它包括用于流体流动的扩散-会聚段以及多台在这种段内的权利要求1到25任一项中的设备。
28、成套设备，它包括任何前述权利要求中的多台设备或是一或多个组合件，其中在此成套设备内的不同的所述设备具有不同固有频率的由钝体与支承装置组成的系统。
29、具有安装于井下的如权利要求1到27任一项中所述一或多台设备或组合件的油井或气井。
30、根据流体流动产生电功率的方法，此方法包括使权利要求1到27任一项中的一或多台设备或组合件致于这种流动流体之中，促使任何这种设备中的所述钝体响应由这种钝体与流体流动的相互作用所流出的卡曼涡流尾迹而振荡。
31、权利要求30的方法，其中所述涡流尾迹的频率基本与相当于相应设备中由钝体与支承装置组成的系统的固有频率。
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