CN110500225B - 一种井下叶轮式发电装置 - Google Patents
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Abstract
一种井下叶轮式发电装置。包括发电外筒，其特征在于：在发电外筒内部中间部位设置有负钩，在发电外筒内置有发电齿轮箱、雨滴型聚液台以及发电叶片，雨滴型聚液台的聚液面呈雨滴型弧线面；发电齿轮箱通过箱体固定台固定在雨滴型聚液台上；雨滴型聚液台通过正钩与负钩的勾连，实现雨滴型聚液台在发电外筒内壁上的固定，正钩与负钩通过雨滴型聚液台自身重力作用钩合；发电齿轮箱通过箱体固定台固定在雨滴型聚液台中。本种发电装置，可在井下实现发电，无需外部动力源提供动能，内设聚流元件避免过多的流体机械能损失，发电效率高，且易于加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于石油、化工等领域中的装置，具体地说，是涉及一种应用于采油井筒内实现对井下电控装置进行连续供电的发电装置。
背景技术
我国油田大多采用注水开发模式，中国石油注水开发储量占已开发总储量的82%，水驱产量占总产量的80%，注水开发举足轻重。分层注水在经济有效开发、持续高产稳产、提高水驱采收率等方面取得了显著成效。经过多年发展，老油田已进入高含水开发阶段，对分层注水要求越来越高，而分层注水工具也逐渐由机械式转变为电控工具，极大提高了分层注水合格率以及实时监测水平。对这些电控工具来说，井下供电是其正常工作的基础。由于供电限制，现有电控工具大部分时间处于休眠状态，若能实现井下发电，则能够大幅提高现有井下工具的工作时间，提高长期监测和自动控制水平。在井下电控工具的供电方式方面，目前，井下电控工具的供电方式主要有两种，一是电缆，需要预先下入；二是电池，电池又分为一次性和可充电电池两种。当一次性电池耗尽时，需要下入投捞工具将工具捞出，更换电池后再将工具下入；当可充电电池将要耗尽时，需要下入无线充电设备对电池进行充电。显然，目前的井下供电方式存在成本高、作业量大、施工繁琐等弊端。在井下环境中，井筒中流体不断流动，意味着源源不断的流体动能。如何将流体动能转化为电能，从而实现在井下发电、变换和存储具有十分重要的意义。
发明内容
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种井下叶轮式发电装置，利用该装置可增强井下供电的高效性、适用性和持久性，将对保障井下电控工具长期工作并使其长期高效运行具有重大意义。此外，本种发电装置还具有发电效率高、供电稳定、耐用性高、适用于不同产液量的油井的特点。
本发明的技术方案是：该种种井下叶轮式发电装置，包括发电外筒1，所述发电外筒上端为发电外筒入口101，下端为发电外筒出口102，上下两端通过发电外筒外螺纹103发电外筒内螺纹105与其余段发电外筒密封连接，其特征在于：
在所述发电外筒内部中间部位设置有负钩104，在所述发电外筒内置有发电齿轮箱3、雨滴型聚液台2以及发电叶片4；
其中，所述雨滴型聚液台2具有箱体固定台201和正钩202；正钩202设置于雨滴型聚液台2的环形端面处，箱体固定台201设置于雨滴型聚液台2的前端面处；雨滴型聚液台2的聚液面呈雨滴型弧线面，以实现当液流流入发电外筒时，经过雨滴型弧线面的聚液作用，从而形成更大的湍流；
发电叶片4的前端设置有导流槽401、阻流弯板402和发电叶片固定孔403；
发电齿轮箱3包括大齿轮长轴301、大齿轮302、小齿轮303、菱形卡盘304、小齿轮短轴305、永久磁体306、十字铁片308、发电线圈309以及内齿轮卡盘307；
发电齿轮箱3通过箱体固定台201固定在雨滴型聚液台2上；雨滴型聚液台2通过正钩202与负钩104的勾连，实现雨滴型聚液台2在发电外筒1内壁上的固定，正钩202与负钩104通过雨滴型聚液台自身重力作用钩合；发电齿轮箱3通过箱体固定台201固定在雨滴型聚液台2中；
发电叶片4经由穿过发电叶片固定孔403的键实现与大齿轮长轴301固定连接，液流冲击发电叶片4带动大齿轮长轴301转动，从而通过键连接带动大齿轮302转动；大齿轮302与小齿轮303通过齿轮啮合带动小齿轮短轴305转动，小齿轮短轴305通过小齿轮固定孔312与小齿轮303键连接配合，从而带动小齿轮303转动；永久磁体306由永久磁体固定孔316固定在轴承上；十字铁片308和发电线圈309分别由十字铁片固定孔317、发电线圈固定孔318固定在小齿轮短轴305上转动进而切割磁感线，完成发电；在菱形卡盘304两端用固定短轴311与锥形卡扣310通过锥形卡扣固定孔314相连接配合，由内齿轮卡盘307的内齿轮将锥形卡扣310卡住，以防止菱形卡盘304回转。
本发明具有如下有益效果：
本种发电装置可用于石油行业等井下作业行业，可在井下实现发电，进而对井下电控工具供电，实现井下长期监测和自动化水平的提高，具有可观的推广前景。可在井下对电控装置高效供电，有效降低了传统井下供电方式的成本。本种发电装置借助于井下流体介质流动，实现动能-机械能-电能的转换，不需外部提供源动能；设备体积小，安装方便，加工成本低廉；适用范围广，适用于不同开采工况的采油井筒；模块化设计，机械结构稳定，可实现变流量工况下的连续高效发电。
本发明不仅具有良好的发电能力且无需外部动力源提供动能，而且内设聚流元件避免过多的流体机械能损失，发电效率高，且易于加工，具有较高的可行性。
附图说明：
图1为本种发电装置外观图。
图2为本种发电装置轴向剖视图。
图3为本种发电装置的雨滴型聚液台与发电外筒爆炸视图。
图4为本种发电装置内部结构三维展示图。
图5为本种发电装置入口俯视图。
图6为本种发电装置雨滴型聚液台与发电外筒安装位置侧剖示意图。
图7为本种发电装置发电外筒轴向剖视图。
图8为本种发电装置雨滴型聚液台整体结构三维展示图。
图9为本种发电装置雨滴型聚液台与发电齿轮箱爆炸图。
图10为本种发电装置发电齿轮箱与雨滴型聚液台安装示意三维图。
图11为本种发电装置雨滴型聚液台侧面剖视图
图12 为本种发电装置发电叶片外观图。
图13 为本种发电装置发电叶片与齿轮箱安装关系图。
图14为本种发电装置发电叶片与发电齿轮箱内部结构装配关系图。
图15为本种发电装置发电齿轮箱整体外观三维图。
图16为本种发电装置发电齿轮箱内部结构三维图。
图17为本种发电装置发电齿轮箱内部结构爆炸图。
图18为本种发电装置菱形卡盘轮系爆炸图。
图19为本种发电装置发电齿轮箱内部结构主视图。
图中1-发电外筒；101-发电外筒入口；102-发电外筒出口；103-发电外筒外螺纹；104-负钩；105-发电外筒内螺纹；2-雨滴型聚液台；201-箱体固定台；202-正钩；3-发电齿轮箱；301-大齿轮长轴；302-大齿轮；303-小齿轮；304-菱形卡盘；305-小齿轮短轴；306-永久磁体；307-内齿轮卡盘；308-十字铁片；309-发电线圈；310-锥形卡扣；311-固定短轴；312-小齿轮固定孔；313-内齿轮卡盘固定孔；314-锥形卡扣固定孔；315-菱形卡盘固定孔；316-永久磁体固定孔；317-十字铁片固定孔；318-发电线圈固定孔；4-发电叶片，401-导流槽；402-阻流弯板；403-发电叶片固定孔；
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明的目的在于：克服现行井下供电方式中成本高、工作量大，施工繁琐，且无法实现长时间持续性供电等问题。为此，本发明创造出一种新型井下叶轮式发电装置，可在井下实现发电，进而对井下电控工具供电，实现井下长期监测和自动化水平的提高。经过试验性应用已经证明，本发明不仅具有良好的发电能力且无需外部动力源提供动能，而且内设聚流元件避免过多的流体机械能损失，发电效率高，并且易于加工具有较高的可行性。
种新型井下叶轮式发电装置整体外观如图1所示，具体为一个发电外筒1，发电外筒上端为发电外筒入口101，下端为发电外筒出口102。上下两端通过发电外筒外螺纹103发电外筒内螺纹104与其余段发电外筒密封连接。发电外筒入口101即为装置入口，发电外筒出口102即为装置出口，如图1所示。图2为一种新型井下叶轮式发电装置轴向截面剖视图，装置整体置于发电外筒1内，发电齿轮箱3由箱体固定台201固定在雨滴型聚液台2上。雨滴型聚液台2通过正钩202与负钩104的勾连，实现雨滴型聚液台2在发电外筒1内壁上的固定，如图3所示。图4为装置内部结构展示，装置于轴向上整体呈圆柱形分布，发电外筒1内外壁皆采用光滑壁面，发电外筒1上端下端均采用螺纹密封连接，以保证发电外筒1内液流顺畅与稳定，从而降低因形成强湍流而对发电效果产生不利影响，图5为新型井下叶轮式发电装置入口俯视图。发电外筒1内部中间部位设置有负钩104，正钩202与负钩104通过雨滴型聚液台自身重力作用钩合，从而使雨滴型聚液台固定在发电外筒1内壁，如图6所示，图7为发电外筒1轴向剖视图。图8为雨滴型聚液台2整体结构三维展示图，图9为雨滴型聚液台2与发电齿轮箱3爆炸图，在雨滴型聚液台2前端面设置箱体固定台201，发电齿轮箱3通过箱体固定台201固定在雨滴型聚液台2中，箱体固定台201主要对发电齿轮箱3起到固定和保护的作用，防止发电齿轮箱脱落以及齿轮箱内部结构受到井下混合液的腐蚀损坏，如图10所示。雨滴型聚液台2环形端面设置正钩202，通过雨滴型聚液台2自身重力将正钩202与发电外筒1内壁上的负钩104钩合，从而将雨滴型聚液台2固定在发电外筒内壁上。同时雨滴型聚液台2的聚液面呈雨滴型弧线面，当液流流入发电外筒时，经过雨滴型弧线的聚液作用，从而形成更大的湍流，图11为雨滴型聚液台2侧面剖视图。图12为发电叶片4外观图，在发电叶片4前端设置导流槽401和阻流弯板402，当液流经过雨滴型聚液台2的聚液作用得到更大的湍流，湍流冲击发电叶片从而起到对冲击发电叶片的液流进行导流和阻流的作用，使发电叶片4获得更大的转动能。发电叶片4通过发电叶片固定孔403通过键连接与大齿轮长轴301固定，如图13所示，图14为发电叶片4与发电齿轮箱3内部结构装配关系图。图15为发电齿轮箱3整体外观图，图16为发电齿轮箱3内部结构三维图，图17为发电齿轮箱3内部结构爆炸图，发电齿轮箱3主要由菱形卡盘304、永久磁体306、十字铁片308、发电线圈309、内齿轮卡盘307等构件组成。发电叶片4通过键连接的与大齿轮长轴301连接配合，液流冲击发电叶片4带动大齿轮长轴301转动，从而通过键连接带动大齿轮302转动。大齿轮302与小齿轮303通过齿轮啮合带动小齿轮短轴305转动，小齿轮短轴305通过小齿轮固定孔312与小齿轮303键连接配合，从而带动小齿轮303转动。永久磁体306由永久磁体固定孔316固定在轴承上、十字铁片308和发电线圈309分别由十字铁片固定孔317，发电线圈固定孔318固定在小齿轮短轴305上转动进而切割磁感线，完成发电。同时，为防止菱形卡盘304回转，在菱形卡盘304两端用固定短轴311与锥形卡扣310通过锥形卡扣固定孔314相连接配合，由内齿轮卡盘307的内齿轮将锥形卡扣310卡住，从而防止其回转，如图18所示，图19为发电齿轮箱3内部结构主视图。本发明主要由液流进入段、液流聚集段和液流发散段三部分组成，同时还包括发电外筒1、雨滴型聚液台2、发电齿轮箱3、发电叶片4等部分装置。外部的发电外筒1主要用来实现对其内部发电装置的保护，防止发电装置受到井下复杂环境的腐蚀，雨滴型聚液台2主要是用来实现将液流快速聚集形成强湍流冲击发电叶片4，使发电叶片4转动。本发明所涉及的井下发电装置工作原理为：井筒内液流首先经过发电外筒1上端的发电外筒入口101进入发电外筒1，液流经过雨滴型聚液台2，在雨滴型聚液台2的聚液作用下形成较强湍流，湍流冲击发电叶片4，在叶片前端的导流槽401和阻流弯板402的作用下，液流集中在叶片前端使发电叶片4获得更大的转动能，从而带动大齿轮长轴301转动，在齿轮啮合作用下，大齿轮301带动小齿轮303转动，带动菱形卡盘304、十字铁片308，发电线圈309等构件转动。在转动作用下，十字铁片308切割永久磁体306产生的磁感线产生电能。为了防止菱形卡盘304反转，在菱形卡盘304两段通过锥形卡扣固定孔314由固定短轴311与锥形卡扣310固定，内齿轮卡盘307由内齿轮卡住锥形卡扣310，防止菱形卡盘304回转。
本种装置采用雨滴型聚液台，采用减小过流面积的方式增大流体对叶轮冲击的压力，使液流无论变大还是减小都会使液流聚集起来。另外，发电叶片中导流槽和阻流弯板的设计，保障叶片受到流体冲击时获得充足的转动速度。应用时，井筒内液流冲击发电叶片带动发电片转动切割磁感线并结合发电齿轮箱等多个部件的共同作用，以实现对井下电控装置的供电，同时完成具体发电装置的发明设计。本种井下叶轮式发电装置，采用井下套管中液流冲击发电叶片的形式，能够更好的利用井筒内液流的动能，更利于装置在井下狭窄空间的应用，流经装置的来液经过雨滴型聚液台部件将液流聚集以保证对井筒内液流能量的充分利用。本装置可以满足井下电控装置所需的高效性，稳定性，持久性。
Claims (1)
1.一种井下叶轮式发电装置，包括发电外筒（1），所述发电外筒上端为发电外筒入口（101），下端为发电外筒出口（102），上下两端通过发电外筒外螺纹（103）发电外筒内螺纹（105）与其余段发电外筒密封连接，其特征在于：
在所述发电外筒内部中间部位设置有负钩（104），在所述发电外筒内置有发电齿轮箱（3）、雨滴型聚液台（2）以及发电叶片（4）；
其中，所述雨滴型聚液台具有箱体固定台（201）和正钩（202）；正钩（202）设置于雨滴型聚液台的环形端面处，箱体固定台（201）设置于雨滴型聚液台的前端面处；雨滴型聚液台的聚液面呈雨滴型弧线面，以实现当液流流入发电外筒时，经过雨滴型弧线面的聚液作用，从而形成更大的湍流；
发电叶片（4）的前端设置有导流槽（401）、阻流弯板（402）和发电叶片固定孔（403）；
发电齿轮箱（3）包括大齿轮长轴（301）、大齿轮（302）、小齿轮（303）、菱形卡盘（304）、小齿轮短轴（305）、永久磁体（306）、十字铁片（308）、发电线圈（309）以及内齿轮卡盘（307）；
发电齿轮箱（3）通过箱体固定台（201）固定在雨滴型聚液台（2）上；雨滴型聚液台（2）通过正钩（202）与负钩（104）的勾连，实现雨滴型聚液台（2）在发电外筒（1）内壁上的固定，正钩（202）与负钩（104）通过雨滴型聚液台自身重力作用钩合；发电齿轮箱（3）通过箱体固定台（201）固定在雨滴型聚液台（2）中；
发电叶片（4）经由穿过发电叶片固定孔（403）的键实现与大齿轮长轴（301）固定连接，液流冲击发电叶片（4）带动大齿轮长轴（301）转动，从而通过键连接带动大齿轮（302）转动；大齿轮（302）与小齿轮（303）通过齿轮啮合带动小齿轮短轴（305）转动，小齿轮短轴（305）通过小齿轮固定孔（312）与小齿轮（303）键连接配合，从而带动小齿轮（303）转动；永久磁体（306）由永久磁体固定孔（316）固定在轴承上；十字铁片（308）和发电线圈（309）分别由十字铁片固定孔（317）、发电线圈固定孔（318）固定在小齿轮短轴（305）上转动进而切割磁感线，完成发电；在菱形卡盘（304）两端用固定短轴（311）与锥形卡扣（310）通过锥形卡扣固定孔（314）相连接配合，由内齿轮卡盘（307）的内齿轮将锥形卡扣（310）卡住，以防止菱形卡盘（304）回转。
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