CN108119293A - 一种井下发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下发电装置，属于井下发电技术领域。所述井下发电装置包括：发电组件(9)、与所述发电组件(9)连接的涡轮组件(4)、以及与所述涡轮组件(4)连通的集流器(3)；所述发电组件(9)包括：发电机轴(901)、套在所述发电机轴(901)外部的转子(906)、套在所述转子(906)外部的定子(905)、位于所述定子(905)外部的密封发电组件外壳(X)、和穿过所述密封发电组件外壳(X)用于将定子产生的电流引出的密封插针(907)。本发明通过涡轮叶片的转动带动转子转动而产生电流，井下液体并不与转子和定子接触，改善了井下发电装置密封以及耐压效果，有效防止沙粒、原油等物质进入发电组件，适用于油井生产中使用。

Description

一种井下发电装置

技术领域

本发明涉及井下发电技术领域，特别涉及一种井下发电装置。

背景技术

随着油井自动化技术的不断发展，需要为井下生产测试仪器供电，推动了井下发电技术的发展。由于井内环境压力较高、流体中携带沙粒，如何设计出适用于高压环境的能长期提供电力的井下发电装置成为研发人员需要解决的问题。

现有技术的井下发电装置一般利用液体的流动将机械能转化为电能来实现井下发电，例如，专利文献CN102953912B公开了一种旋转磁场式井下发电装置，该装置采用导流定子、绕组线圈和不旋转本体固联，涡轮转子与永久磁铁形成旋转磁场，利用泥浆的流动作为动力发电。专利文献CN103527077A公开了一种井下涡轮马达等离子钻井工具，通过永磁式交流发电机将机械能转化为电能，在高场强作用下，由电机间通过的泥浆产生等离子体在外电极喷嘴处喷出来破碎岩石。专利文献CN104514666A公开了一种注水井井下发电系统及方法，采用注水管道水流带动涡轮旋转，进而产生电流。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

井下发电装置的转子和定子直接暴露于液体中，易发生沙卡、腐蚀、堵塞等问题。

发明内容

为了解决现有技术的上述问题，本发明实施例提供了一种井下发电装置。所述技术方案如下：

一种井下发电装置，包括：发电组件、与所述发电组件连接的涡轮组件、以及与所述涡轮组件连通的集流器；

所述发电组件包括：发电机轴、套在所述发电机轴外部的转子、套在所述转子外部的定子、位于所述定子外部的密封发电组件外壳、和穿过所述密封发电组件外壳用于将定子产生的电流引出的密封插针。

优选地，所述密封发电组件外壳包括位于两端的第一接头、第二接头以及中间壳体。其中，所述中间壳体优选为圆柱形，所述密封插针从中间壳体穿出，所述第一接头、第二接头的直径与所述中间壳体的直径相配合。

优选地，所述第一接头包括位于所述第一接头与所述发电机轴之间的密封橡胶。

优选地，所述第二接头包括位于其内部的平衡活塞，以及位于所述第二接头与所述平衡活塞之间的平衡活塞密封橡胶。

优选地，所述密封橡胶以及所述平衡活塞密封橡胶为环状物。

优选地，所述平衡活塞与所述第二接头的顶部可形成第一空腔。

优选地，所述第二接头的顶部设置连通孔。

优选地，所述密封发电组件外壳与所述第二接头连通。

优选地，所述发电组件内部充满润滑油。

优选地，所述发电组件外部套有上油管外壳，所述涡轮组件和所述集流器外部还套有下油管外壳，所述下油管外壳连接于上油管外壳下部。

优选地，所述上油管外壳上端还包括上油管上接头，所述下油管外壳下端还包括下油管下接头。

优选地，所述上油管外壳与所述发电组件之间形成第二空腔。

优选地，所述上油管外壳的底部包括第一支架，所述第一接头嵌入所述第一支架中。

优选地，所述第一支架上设置导流孔。

优选地，所述发电组件还包括位于所述发电机轴上部的转子上轴承、位于所述发电机轴下部的转子下轴承、和转子上轴承支架。

优选地，所述发电组件与所述涡轮组件通过联轴器连接。

优选地，所述联轴器上包括键。

优选地，所述涡轮组件包括位于中间的涡轮轴、位于所述涡轮轴上的涡轮叶片和位于所述涡轮叶片外部的涡轮外壳。

优选地，所述涡轮组件还包括：位于所述涡轮轴上部的涡轮上轴承、位于所述涡轮轴下部的涡轮下轴承、和涡轮下轴承支架。

优选地，所述集流器为中空喇叭状。

优选地，所述集流器的最小内径与涡轮外壳的内径相配合，并且所述集流器的最大外径与下油管外壳内径相配合。

优选地，所述集流器形成的圆锥角的1/2不超过45°。

优选地，所述集流器形成的圆锥角的1/2优选为5-7°。

优选地，所述下油管下接头与集流器接触的部分为向内有不超过90°的倾角。

优选地，所述集流器的长度可由下述公式得到：

其中，L为集流器长度；D为集流器的最大外径；d为集流器的最小内径；θ为集流器形成的圆锥角的1/2。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

井下液体通过集流器冲击涡轮组件，涡轮叶片的转动带动转子转动而产生电流，电流通过密封插针引出，井下液体经过涡轮组件后从导流孔流出，并不与转子和定子接触，而从其密封发电组件外壳外流出，可以给发电组件降温，并且通过平衡活塞和发电组件内部充满的轻质润滑油，使得发电组件内外压力平衡，改善密封以及耐压效果，有效防止沙粒、原油等物质进入发电组件，本发明提供的井下发电装置可以与井下油管连接，适用于油井生产中使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的井下发电装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的发电组件结构示意图；

图3是本发明实施例提供的集流器与涡轮的连接结构示意图；

图4是本发明实施例提供的发电组件与上油管外壳的连接结构示意图；

图5是本发明实施例提供的集流器的轴截面图。

其中，对附图中的各标号说明如下：

1、下油管下接头；2、下油管外壳；3、集流器；4、涡轮组件；401、涡轮下轴承支架；402、涡轮下轴承；403、涡轮外壳；404、涡轮叶片；405、涡轮轴；406、涡轮上轴承；5、联轴器；6、键；7、导流孔；8、第一支架；9、发电组件；10、第二空腔；11、上油管外壳；12、上油管上接头；

901、发电机轴；902、密封橡胶；903、第一接头；904、中间壳体；905、定子；906、转子；907、密封插针；908、第二接头；909、平衡活塞；910、第一空腔；911、连通孔；912、平衡活塞密封橡胶；913、转子上轴承支架；914、转子上轴承；915、转子下轴承；X、密封发电组件外壳；

θ、集流器形成的圆锥角的1/2；L、集流器长度；D、集流器的最大外径；d、集流器的最小内径。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，图1是本发明实施例提供的井下发电装置结构示意图，所述井下发电装置包括：包括：发电组件9、与所述发电组件9连接的涡轮组件4、以及与所述涡轮组件4连通的集流器3；

所述发电组件9包括：发电机轴901、套在所述发电机轴901外部的转子906、套在所述转子906外部的定子905、位于所述定子905外部的密封发电组件外壳X、和穿过所述密封发电组件外壳X用于将定子产生的电流引出的密封插针907。

所述涡轮组件4包括位于中间的涡轮轴405、位于所述涡轮轴405上的涡轮叶片404和位于所述涡轮叶片404外部的涡轮外壳403。

本发明实施例提供的井下发电装置的工作原理是：

井下液体通过集流器3后进入涡轮组件4推动涡轮叶片404转动，相应地，涡轮轴405带动通过联轴器5与其相连的发电机轴901转动，进一步带动转子906转动，使转子906形成一个旋转磁场，相应地，定子905绕组线圈做切割磁力线运动，从而产生感应电流，该感应电流通过与定子905相连的密封插针907而引出，实现了将机械能转化为电能的过程。

所述密封发电组件外壳X包括位于两端的第一接头903、第二接头908以及圆柱形的中间壳体904。所述第一接头903包括位于所述第一接头903与所述发电机轴901之间的密封橡胶902。所述第二接头908包括位于其内部的平衡活塞909，以及位于所述第二接头908与所述平衡活塞909之间的平衡活塞密封橡胶912，优选地，所述密封橡胶902以及所述平衡活塞密封橡胶912为环状物，例如都为密封圈。所述平衡活塞909与所述第二接头908的顶部可形成第一空腔910。所述上油管外壳11与所述发电组件9之间形成第二空腔10。所述第二接头908的顶部设置连通孔911。所述密封发电组件外壳X与所述第二接头908连通。

井下液体通过集流器3后进入涡轮组件4，通过涡轮组件4后经导流孔7进入由上油管外壳11与密封发电组件外壳X组成的第二空腔10中，最后排出井下发电装置，使得井下液体并不直接与转子906、定子905接触，有效防止沙粒、原油等物质进入发电组件，并且井下液体从其密封发电组件外壳X外流出，可以给发电组件降温。由于第二接头908顶部有连通孔911，将由上油管外壳11与密封发电组件外壳X组成的第二空腔10与由平衡活塞909与第二接头908的顶部组成的第一空腔910连通，也就是说，井下液体流经该第二空腔10时，也会有部分井下液体进入第一空腔910，发电组件9的内部充满轻质润滑油，平衡活塞909随着井下液体的压力变化而上下移动，平衡内外液体压力，改善密封以及耐压效果。

在上文所述的实施例中，所述发电组件9外部套有上油管外壳11，所述上油管外壳11的底部为第一支架8，所述发电机组件外壳底部还包括第一接头903，所述第一接头903通过螺纹嵌入所述第一支架8中。如图4所示，图4是本发明实施例提供的发电组件与上油管外壳的连接结构示意图，本发明实施例以所述第一支架8的形状为凹形，所述第一接头903的形状为凸形为例来举例说明，所述凸形第一接头903通过螺纹嵌入所述凹形的第一支架8内部。所述第一支架8对所述发电组件9起固定、支撑作用。本领域技术人员可以理解的是，所述第一支架8与上油管外壳11连接才能起到对所述发电组件的支撑作用，同时为了使得井下液体有进入第二空腔10的通道，在上油管底部有导流孔7，也就是指在第一支架8上有导流孔7，本发明实施例不对第一支架8和第一接头903做出任何具体限定，例如第一支架8也可以是环形的支架，位于密封发电组件外壳X中部起固定支撑作用，那么第一接头903的形状也可以不是凸形的。本发明实施例同样也不对导流孔7的大小和个数做出具体限定。

在上文所述的实施例中，所述上油管外壳11上端还包括上油管上接头12，所述下油管外壳2下端还包括下油管下接头1，通过上油管上接头12和下油管下接头1，可以将井下发电装置与油管连接，便于在油井生产中使用该井下发电装置。作为一种优选方案，所述下油管下接头1与集流器3接触的部分为向内有不超过90°的倾角，起到支撑集流器3的作用。

在上文所述的实施例中，所述涡轮组件4还包括位于所述涡轮轴405上部的涡轮上轴承406、位于所述涡轮轴405下部的涡轮下轴承402、和涡轮下轴承支架401，对涡轮轴405起固定、支撑作用。本领域技术人员可以理解的是，为了便于固定涡轮下轴承402，有与之相对应的涡轮下轴承支架401，为了固定涡轮上轴承406，涡轮外壳403的顶部则为支架状，涡轮下轴承支架401和涡轮外壳403的顶部优选为X形支架。

在上文所述的实施例中，如图2所示，图2是本发明实施例提供的发电组件结构示意图，所述发电组件9还包括位于发电机轴901上部的转子上轴承914、位于所述发电机轴901下部的转子下轴承915、和转子上轴承支架913，对转子906起固定、支撑作用。本领域技术人员可以理解的是，为了固定转子上轴承914，有与之相对应的转子上轴承支架913，为了固定转子下轴承915，第一接头903则包括与转子下轴承915相配合的凹槽，转子上轴承支架913优选为X形支架。

所述涡轮上轴承406、所述涡轮下轴承402、所述转子上轴承914、和所述转子下轴承915共同组成径向滑动轴承副和轴向推力轴承副，对发电装置起到径向和轴向的固定、支撑作用。其中，径向滑动轴承副指承受径向载荷的装在同一根轴上的成对出现的滑动轴承，轴向推力轴承副指承受轴向推力并限制轴作轴向移动的装在同一根轴上的成对出现的滑动轴承。

本发明实施例的安装以及连接方式为：

如图2所示，发电组件9的安装方式为：所述定子905为内部有凹槽，凹槽内部安装绕组线圈，将定子905通过螺纹安装到密封发电组件外壳X内部，并将与定子905的线圈绕组连接的密封插针907从密封发电组件外壳X穿出，将转子906以及发电机轴901安装于定子905内部，在密封发电组件外壳X顶部通过螺扣安装转子上轴承支架913，将转子上轴承914安装在转子上轴承支架913中心位置，然后将内部安装有平衡活塞909和平衡活塞密封橡胶912的第二接头908通过螺纹安装与密封发电组件外壳X上端，使得第二接头908位于转子上轴承支架913的上部，然后将转子下轴承915安装在第一接头903中心位置上，使得转子906通过转子上轴承914和转子下轴承915固定在发电组件9中心位置。

涡轮组件4的安装方式为：将带有涡轮叶片404的涡轮轴405通过联轴器5以及联轴器5上的键6连接到发电机轴901上，将涡轮上轴承406安装到涡轮外壳403顶部的支架中心位置，将涡轮下轴承402安装到涡轮下轴承支架401中心位置，使得涡轮轴405和涡轮叶片404固定在涡轮外壳403内部。

从上至下，上油管上接头12通过油管扣与上油管外壳11上端连接，下油管外壳2上端通过油管扣与上油管外壳11下端连接，下油管下接头1也通过油管扣与下油管外壳2下端连接；同时，第一接头903通过螺纹与上油管外壳11底部的第一支架8连接，上油管外壳11通过螺纹与涡轮外壳403顶部连接，集流器3通过螺纹与涡轮下轴承支架401连接。

如图3所示，图3是本发明实施例提供的集流器与涡轮的连接结构示意图，所述集流器3为中空喇叭状，所述集流器3的最小内径与涡轮外壳403的内径相配合，并且所述集流器3的最大外径与下油管外壳2内径相配合，使得集流器3与涡轮外壳403连通，所述涡轮组件4和所述集流器3外部还套有下油管外壳2。并且由于在液体流量不变的情况下，液体流速与内径成反比，集流器3的内径减小，提高了通过集流器3的液体流速。如图5所示，图5是本发明实施例提供的集流器的轴截面图，所述集流器3形成的圆锥角的1/2不超过45°，优选为5-7°，防止了井下液体的回流，使得井下液体通过集流器3时的能量损失较小，其中圆锥角指经过集流器3的轴的截面的两条斜线延伸相交形成的夹角，圆锥角的1/2为图5中所示的θ角。

本发明实施例在实际使用过程中，所述集流器3的长度可以由下述公式得到：

其中，L为集流器长度；D为集流器的最大外径；d为集流器的最小内径；θ为集流器形成的圆锥角的1/2。例如：下油管外壳2内径为60mm，涡轮外壳403内径为30mm,那么相应的，集流器3的最大外径为60mm，集流器3的最小内径为30mm,集流器3形成的圆锥角为12°，通过公式得到集流器3长度为143mm。

本发明实施例在实际使用过程中，将该发电装置上油管上接头12和下油管下接头1分别连接于普通油管上，使其作为一个油管短节连接在油井生产的普通油管之间，在油井生产过程中，在抽油泵的作用下，井下液体通过该发电装置而产生电流。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

井下液体通过集流器冲击涡轮组件，涡轮叶片的转动带动转子转动而产生电流，电流通过密封插针引出，井下液体经过涡轮组件后从导流孔流出，并不与转子和定子接触，而从其密封发电组件外壳外流出，可以给发电组件降温，并且通过平衡活塞和发电组件内部充满的轻质润滑油，使得发电组件内外压力平衡，改善密封以及耐压效果，有效防止沙粒、原油等物质进入发电组件，本发明提供的井下发电装置可以与井下油管连接，适用于油井生产中使用。

上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本公开的可选实施例，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (25)

1.一种井下发电装置，其特征在于，包括：发电组件(9)、与所述发电组件(9)连接的涡轮组件(4)、以及与所述涡轮组件(4)连通的集流器(3)；

所述发电组件(9)包括：发电机轴(901)、套在所述发电机轴(901)外部的转子(906)、套在所述转子(906)外部的定子(905)、位于所述定子(905)外部的密封发电组件外壳(X)、和穿过所述密封发电组件外壳(X)用于将定子产生的电流引出的密封插针(907)。

2.根据权利要求1所述的井下发电装置，其特征在于，所述密封发电组件外壳(X)包括位于两端的第一接头(903)、第二接头(908)以及中间壳体(904)。

3.根据权利要求2所述的井下发电装置，其特征在于，所述第一接头(903)包括位于所述第一接头(903)与所述发电机轴(901)之间的密封橡胶(902)。

4.根据权利要求2所述的井下发电装置，其特征在于，所述第二接头(908)包括位于其内部的平衡活塞(909)，以及位于所述第二接头(908)与所述平衡活塞(909)之间的平衡活塞密封橡胶(912)。

5.根据权利要求3或4所述的井下发电装置，其特征在于，所述密封橡胶(902)以及所述平衡活塞密封橡胶(912)为环状物。

6.根据权利要求4所述的井下发电装置，其特征在于，所述平衡活塞(909)与所述第二接头(908)的顶部可形成第一空腔(910)。

7.根据权利要求2所述的井下发电装置，其特征在于，所述第二接头(908)的顶部设置连通孔(911)。

8.根据权利要求2所述的井下发电装置，其特征在于，所述密封发电组件外壳(X)与所述第二接头(908)连通。

9.根据权利要求1所述的井下发电装置，其特征在于，所述发电组件(9)内部充满润滑油。

10.根据权利要求1所述的井下发电装置，其特征在于，所述发电组件(9)外部套有上油管外壳(11)，所述涡轮组件(4)和所述集流器(3)外部还套有下油管外壳(2)，所述下油管外壳(2)连接于上油管外壳(11)下部。

11.根据权利要求10所述的井下发电装置，其特征在于，所述上油管外壳(11)上端还包括上油管上接头(12)，所述下油管外壳(2)下端还包括下油管下接头(1)。

12.根据权利要求10所述的井下发电装置，其特征在于，所述上油管外壳(11)与所述发电组件(9)之间形成第二空腔(10)。

13.根据权利要求10所述的井下发电装置，其特征在于，所述上油管外壳(11)的底部包括第一支架(8)，所述第一接头(903)嵌入所述第一支架(8)中。

14.根据权利要求13所述的井下发电装置，其特征在于，所述第一支架(8)上设置导流孔(7)。

15.根据权利要求1所述的井下发电装置，其特征在于，所述发电组件(9)还包括位于所述发电机轴(901)上部的转子上轴承(914)、位于所述发电机轴(901)下部的转子下轴承(915)、和转子上轴承支架(913)。

16.根据权利要求1所述的井下发电装置，其特征在于，所述发电组件(9)与所述涡轮组件(4)通过联轴器(5)连接。

17.根据权利要求16所述的井下发电装置，其特征在于，所述联轴器(5)上包括键(6)。

18.根据权利要求1所述的井下发电装置，其特征在于，所述涡轮组件(4)包括位于中间的涡轮轴(405)、位于涡轮轴(405)上的涡轮叶片(404)和位于所述涡轮叶片(404)外部的涡轮外壳(403)。

19.根据权利要求18所述的井下发电装置，其特征在于，所述涡轮组件(4)还包括：位于所述涡轮轴(405)上部的涡轮上轴承(406)、位于所述涡轮轴(405)下部的涡轮下轴承(402)、和涡轮下轴承支架(401)。

20.根据权利要求1所述的井下发电装置，其特征在于，所述集流器(3)为中空喇叭状。

21.根据权利要求10所述的井下发电装置，其特征在于，所述涡轮组件(4)包括位于中间的涡轮轴(405)、位于涡轮轴(405)上的涡轮叶片(404)和位于所述涡轮叶片(404)外部的涡轮外壳(403)；所述集流器(3)的最小内径与所述涡轮外壳(403)的内径相配合，并且所述集流器(3)的最大外径与所述下油管外壳(2)内径相配合。

22.根据权利要求1所述的井下发电装置，其特征在于，所述集流器(3)形成的圆锥角的1/2不超过45°。

23.根据权利要求22所述的井下发电装置，其特征在于，所述集流器(3)形成的圆锥角的1/2优选为5-7°。

24.根据权利要求11所述的井下发电装置，其特征在于，所述下油管下接头(1)与集流器(3)接触的部分为向内有不超过90°的倾角。

25.根据权利要求1所述的井下发电装置，其特征在于，所述集流器(3)的长度可由下述公式得到：

<mrow> <mi>L</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>D</mi> <mo>-</mo> <mi>d</mi> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，L为集流器长度；D为集流器的最大外径；d为集流器的最小内径；θ为集流器形成的圆锥角的1/2。