CN116505712B - 一种带导向机构的井下涡轮发电机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带导向机构的井下涡轮发电机器人，主要用于石油井下发电领域，它包括三级导向机构(1)、导向电机(2)、自用蓄电池(34)、外用蓄电池(19)、辅助控制面板(36)、主要控制面板(42)、驱动轮(3)、驱动电机(50)、公座接头(10)、母座接头(4)、中轴管(8)、叶片(5)、转子外壳(6)、磁极安装板(14)、发电机线圈(12)、小型伺服电机(23)、轴承(21)；通过流体带动叶片(5)旋转切割磁场线产生的电流供自驱动与外接设备使用，根据井下设备需要进行定位充电，也可多个发电机器人串接后相互充电，本发明具有智能发电、充电、导向、自我保护、发展潜力大、升级空间大等优点。

Description

一种带导向机构的井下涡轮发电机器人
技术领域
本发明涉及石油井下发电领域，具体为一种带导向机构的井下涡轮发电机器人。
背景技术
随着石油开发技术往智能化和自动化方向发展，供电技术创新是非常关键的一步。如今油田的注水井数量不断增多，分布更广泛，注水难度更大且仪器越来越精密。井下供电的难点在于如何提供一个长效稳定的电力保障系统。良好的供电能够有效地保障油田的长期稳定的开发和运转，实现增产、增收持续地发展。
传统的井下供电方式容易受到井筒内复杂环境的限制，存在无法长期持续供电以及供电成本过高等问题。如今采用最多的供电方式是投放电池组，但该方式需要定期取井更换电池,并且还存在电池污染环境的风险；另一种供电方式是电缆供电，但注水井周围大多数没有供电源，需要架高架或是电缆输送电能，加大了石油的开采成本。
针对上述技术问题，本发明提供一种带导向机构的井下涡轮发电机器人，其作用是给井下不同的设备进行供电。该方式适用于液体介质以及合适的井下空间，根据井下流量的大小，自行调整叶片攻角，保证叶片旋转速度稳定从而保证电压峰值的稳定，并对叶片进行保护，产生的电量不仅供机器人自身运转，还能储存多余电量，通过导向机构和驱动装置到达指定位置，将储存的电量传输给井下设备。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种带有可旋转、伸缩的导向机构，并且能够自行发电、自行驱动的井下涡轮发电机器人。具备智能、自驱动，根据流量大小改变叶片攻角，产生的电压稳定，给多种设备供电能力的特点。本发明采用的技术方案是：一种带导向机构的井下涡轮发电机器人主要包括三级导向机构1、导向电机2、自用蓄电池34、外用蓄电池19、辅助控制面板36、主要控制面板42、驱动轮3、驱动电机50、公座接头10、母座接头4、中轴管8、叶片5、转子外壳6、磁极安装板14、发电机线圈12、小型伺服电机23、轴承21、密封圈18、常开继电器、流量感应器41、发电装置。所述三级导向机构1由三级导管62、尾管63、尾管大椭圆齿轮53、三级导管大椭圆齿轮54、二级导管大椭圆齿轮55、三级导管小圆形齿轮56、二级导管小圆形齿轮57、一级导管小圆形齿轮58、导向电机2、环形液压杆46、液压缸47、液压站48构成，尾管63、三级导管62、二级导管61焊接有大椭圆齿轮，一级导管60、二级导管61、三级导管62均安装有一个导向电机，由导向电机带动小圆齿轮旋转，传递动力到大椭圆齿轮进行旋转调整角度，由液压站48接收主要控制面板42的信号，对液压缸47发出伸缩信号，调整导向机构伸缩长度；所述公座接头10与母座接头4分别安装在发电机器人的首尾，公座接头10与井下设备连接，将发电机器人作为外接电源接口使用；所述公座接头10带有自用蓄电池34与主要控制面板42，在蓄电池安放槽处钻有1个螺纹孔，利用螺栓将公座接头10固定在中轴管8上，主要控制面板42负责控制发电机器人自身用电，以及稳压与保护电路；所述母座接头4带有外用蓄电池19与辅助控制面板36，在蓄电池安放槽处对称钻有2个螺纹孔，利用螺栓将母座接头4固定在中轴管8上，辅助控制面板36负责控制外部供电，以及稳压与保护电路；所述发电装置由带有12个磁极的磁极安装板14、定子铁芯13、发电机线圈12构成，与自用蓄电池34和外用蓄电池19连接，以对其充电；所述叶片5根据流量大小调整攻角，叶片5上安装齿轮螺钉22；所述小型伺服电机23焊接有齿轮联轴器24，通过带动齿条25横向移动，从而带动叶片5上齿轮螺钉22旋转，调整叶片5攻角；所述常开继电器由拉伸弹簧28、衔铁29、感应线圈30、接线桩一26、接线桩二27构成，与集电环一15、集电环二16进行连接，信号由主要控制面板42传递；所述流量感应器41将流量大小信息反馈到主要控制面板42，由主要控制面板42给常开继电器发出通电信号，通电后，常开继电器闭合，主要控制面板42给小型伺服电机23供电，对叶片5的攻角进行调整；所述三级导向机构1的液压缸对称布置，液压杆为环形，与导向管通过螺纹进行连接，线路由主要控制面板42经过电线通道八43与电线通道三17连接到液压站48，另外一条线路通过电线通道八43，再经过半环形电线通道33、电线通道十49与另外一个液压站连接，由2个液压站控制对称的液压缸动作。
所述三级导向机构1中心通过流体，导向电机2带动导向管旋转设定的角度，改变反推力大小及方向，使整个装置在分支井中按照预定的轨迹进行移动。
所述母座接头4带有导向键，与中轴管8的导向槽配合，母座接头4安装有4个驱动装置，其中一个驱动装置底部放置辅助控制面板36，且有后环形电线通道20将辅助控制面板36的电线与4个驱动装置连接，辅助控制面板36通过电线通道五37与发电机线圈12连接。
所述中轴管8安装4个驱动装置，其中一个驱动装置底部放置主要控制面板42，驱动装置电线经过前环形电线通道32与主要控制面板42连接，液压站48控制电线由主要控制面板42引出。
进一步的，所述发电装置中的磁极安装板14安装在轴承21外圈，轴承21分别安装在中轴管8的轴肩与母座接头4轴肩。
进一步的，所述叶片5均匀安装在转子外壳6上，数量为8个，小型伺服电机23未通电时，电机处于锁死状态，小型伺服电机23通过齿条25带动叶片5，当小型伺服电机23通电，叶片5攻角随即发生改变。
进一步的，所述小型伺服电机23共有4个，一个小型伺服电机同时控制轴向两个叶片旋转，小型伺服电机的电线通过集电环一15和集电环二16连接。
进一步的，所述齿轮联轴器24与小型伺服电机23的转轴焊接，叶片底部通过螺纹连接有齿轮螺钉22，齿轮联轴器24与齿条25啮合，齿条25与两个叶片的齿轮螺钉啮合。
进一步的，所述常开继电器共有4个，当继电器没有收到主要控制面板42的信号时，接线桩一26、接线桩二27与衔铁29处于断开状态，此时，电源没有接通。当继电器接收到信号时，感应线圈30产生磁场，将接线桩一26、接线桩二27与衔铁29吸合接触通电。
进一步的，所述流量感应器41通过螺纹与中轴管8连接，经过电线通道七40与主要控制面板42连接，流量感应器仅需1个。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍；
图1为本发明的所述的一种带导向机构的井下涡轮发电机器人的轴测图；
图2为本发明的沿轴向叶片对称面半剖图（不包含三级导向机构剖视）；
图3为本发明沿轴向轮子对称面全剖图（不包含三级导向机构剖视）；
图4为本发明图2的A-A截面剖视图；
图5为本发明图2的B-B截面剖视图；
图6为本发明图2的C-C截面剖视图；
图7为本发明图2的D-D截面剖视图；
图8为本发明伸直状态的导向机构；
图9为本发明弯曲状态的导向机构。
附图标记列表：1-三级导向机构，2-导向电机，3-驱动轮，4-母座接头，5-叶片，6-转子外壳，7-齿轮螺母，8-中轴管，9-电线通道一，10-公座接头，11-电线通道二，12-发电机线圈，13-定子铁芯，14-磁极安装板，15-集电环一，16-集电环二，17-电线通道三，18-密封圈，19-外用蓄电池，20-后环形电线通道，21-轴承，22-齿轮螺钉，23-小型伺服电机，24-齿轮联轴器，25-齿条，26-接线桩一，27-接线桩二，28-拉伸弹簧，29-衔铁，30-感应线圈，31-电线通道四，32-前环形电线通道，33-半环形电线通道，34-自用蓄电池，35-固定螺栓，36-辅助控制面板，37-电线通道五，38-转子螺栓，39-电线通道六，40-电线通道七，41-流量感应器，42-主要控制面板， 43-电线通道八，44-电线通道九，45-连接螺栓，46-环形液压杆，47-液压缸，48-液压站，49-电线通道十，50-驱动电机，51-导向槽，52-磁极，53-尾管大椭圆齿轮，54-三级导管大椭圆齿轮，55-二级导管大椭圆齿轮，56-三级导管小圆形齿轮，57-二级导管小圆形齿轮，58-一级导管小圆形齿轮，59-基座，60-一级导管，61-二级导管，62-三级导管，63-尾管。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，进一步对本发明进行阐述。
根据附图所示，所述一种带导向机构的井下涡轮发电机器人主要由三级导向机构1、发电装置、母座接头4、公座接头10、自用蓄电池34、外用蓄电池19、驱动装置、叶片5、轴承21、常开继电器、小型伺服电机23、液压缸47、液压站48、环形液压杆46、密封圈组成；所述三级导向机构1的尾管63、三级导管62、二级导管61焊接有大椭圆齿轮，连接节点中心安装有轴承21，导向电机2带动小圆形齿轮与大椭圆齿轮啮合旋转，基座59与一级导管60通过螺纹进行连接；环形液压杆46与基座59为螺纹连接，环形液压杆46带动整个三级导向机构1的伸缩，液压缸47与环形液压杆46为一体；所述发电装置由定子铁芯13、发电机线圈12、磁极52、磁极安装板14、小型伺服电机23、集电环一15、集电环二16、齿条25、叶片5、齿轮螺钉22、齿轮联轴器24、转子外壳6构成，12个磁极镶嵌在磁极安装板14上，磁极安装板14固定在轴承21外圈，磁极安装板14与转子外壳6通过8个转子螺栓连接，小型伺服电机23通过螺栓固定在磁极安装板14上，转子外壳6加工有足够的活动空间，保证电机安装以及齿条25运动，小型伺服电机23上焊接的齿轮联轴器24与齿条25啮合，齿条25与两个叶片底部齿轮螺钉22啮合，集电环一15与集电环二16给小型伺服电机23提供电源触点，使其能接收通电及控制信号；所述中轴管8加工有放置液压缸47的部位，中轴管8的电线通道经过铸造工艺形成，中轴管8为整个装置的基座；所述母座接头4加工有外用蓄电池与辅助控制面板36的放置空间，并铸造有后环形电线通道20为4个驱动装置铺设电路，且铸造有电线通道五37，发电机线圈12通过电线通道五37铺设电线与辅助控制面板36连接，母座接头4与中轴管8通过螺纹连接；所述公座接头10加工有自用蓄电池34放置空间，与中轴管8通过螺纹连接；所述自用蓄电池34与外用蓄电池19沿径向排布；所述驱动装置由驱动轮3、驱动电机50、电线通道构成，前置驱动装置与后置驱动装置相同，前置驱动装置与中轴管8通过螺纹连接，后置驱动装置与母座接头4通过螺纹连接；所述叶片5与转子外壳6加密封圈连接，通过齿轮螺钉22连接叶片5与转子外壳6；所述轴承21为深沟球轴承，分别安装在中轴管8轴肩与母座接头4轴肩处；所述常开继电器数量有4个，由接线桩一26、接线桩二27、拉伸弹簧28、衔铁29、感应线圈30构成，主要控制面板42的电线经过电线通道四31与其连接，未工作时2个接线桩与衔铁29处于断开状态，工作时2个接线桩与衔铁29连接通电；所述小型伺服电机23通过螺栓固定在磁极安装板14上，未通电时，转轴处于锁死状态，通电后改变所设定角度，经传动机构带动叶片5旋转；所述液压缸47数量为2，通过螺纹与中轴管8连接固定，具有足够的压力带动环形液压杆46运动；所述液压站通过螺栓固定在中轴管8的腔室，接收主要控制面板42的信号后，控制液压缸47的动作；所述环形液压杆46数量为2个，与三级导向机构1的基座59为螺纹连接。母座接头4、自用蓄电池34、外用蓄电池19、转子外壳6、叶片5、常开继电器、中轴管8连接处安装有密封圈。
如图1所示，所述三级导向机构1伸出，由导向电机2带动导向管旋转90°以后，整个导向机构处于弯曲状态；所述发电机器人预留足够空间安装标准件及电池，图1对其内部空间进行了展示，细节描述在其余附图；如图2所示，沿叶片对称面进行了半剖，包括叶片调整攻角的联动机构，展示了从常开继电器到小型伺服电机23到叶片的传动原理；如图3所示，沿轮子对称面进行了全剖，此时三级导向机构1处于收缩状态，展示了辅助控制面板36与主要控制面板42与各部分的线路连接，对整个发电机器人进行细节展示；如图4所示，沿图2的A-A截面进行了剖视，展示了电池分布；如图5所示，沿图2的B-B截面进行了剖视，展示了驱动装置之间电线通道贯穿结构；如图6所示，沿图2的C-C截面进行了剖视，展示了磁极分布及集电环一15与集电环二16的结构；如图7所示，沿图2的D-D截面进行了剖视，展示了主要控制面板42与驱动装置的电线通道连接方式、与液压站电线通道连接方式、与常开继电器电线通道连接的分布方式；如图8所示，对三级导向机构1伸直状态进行了单独展示；如图9所示，对三级导向机构1弯曲状态进行了单独展示。
其工作方式为：三级导向机构1处于整个装置尾部，当流体从公座接头10进入内部空间后，导向机构改变所设定的角度，利用反推力推动发电机器人移动不同方向，从而实现在分支井中按照预定的轨迹进行移动。流体在转子外壳6外面流动，带动叶片5旋转，叶片5属于转子部分，磁极与中间发电机线圈作切割磁感线运动，发电机线圈12产生电流，分别连接到辅助控制面板36与主要控制面板42，对电流进行整理与稳压后储存到自用蓄电池34与外用蓄电池19，供内外装置运行使用。根据井下设备充电需要，发电机器人进行前后以及转向移动，到达指定位置与井下设备对接充电。当处于小流量工况时，叶片5攻角处于初始状态，保证稳定发电，当处于大流量工况时，流量感应器41将信号传输到主要控制面板42，主要控制面板42给常开继电器发出指令，此时，小型伺服电机23带动叶片5旋转，减小叶片攻角，使叶片旋转速度降低，避免旋转过快产生大电流损坏电路结构。此外，导向管内部通过穿过井下工具，实现在给进行设备供电同时，不影响井下作业。

Claims (10)

1.一种带导向机构的井下涡轮发电机器人，其特征在于：包括三级导向机构(1)、导向电机(2)、自用蓄电池(34)、外用蓄电池(19)、辅助控制面板(36)、主要控制面板(42)、驱动轮(3)、驱动电机(50)、公座接头(10)、母座接头(4)、中轴管(8)、叶片(5)、转子外壳(6)、磁极安装板(14)、发电机线圈(12)、小型伺服电机(23)、轴承(21)、密封圈(18)、常开继电器、流量感应器(41)、发电装置；其特征在于：所述三级导向机构(1)由二级导管(61)、三级导管(62)、尾管(63)、尾管大椭圆齿轮(53)、三级导管大椭圆齿轮(54)、二级导管大椭圆齿轮(55)、三级导管小圆形齿轮(56)、二级导管小圆形齿轮(57)、一级导管小圆形齿轮(58)、导向电机(2)、环形液压杆(46)、液压缸(47)、液压站(48)构成，尾管(63)、三级导管(62)、二级导管(61)焊接有大椭圆齿轮，一级导管(60)、二级导管(61)、三级导管(62)均安装有一个导向电机(2)，由导向电机(2)带动小圆齿轮旋转，传递动力到大椭圆齿轮进行旋转调整角度，由液压站(48)接收主要控制面板(42)的信号，对液压缸(47)发出伸缩信号，调整导向机构伸缩长度；所述公座接头(10)与母座接头(4)分别在发电机器人的首尾，公座接头(10)与井下设备连接，作为外接电源接口使用；所述公座接头(10)带有自用蓄电池(34)与主要控制面板(42)，在蓄电池安放槽处钻有1个螺纹孔，利用螺栓将公座接头(10)固定在中轴管(8)上，主要控制面板(42)负责控制发电机器人自身用电，以及稳压与保护电路；所述母座接头(4)带有外用蓄电池(19)与辅助控制面板(36)，在蓄电池安放槽处对称钻有2个螺纹孔，利用螺栓将母座接头(4)固定在中轴管(8)上，辅助控制面板(36)负责对外部供电，以及稳压与保护电路；所述发电装置由带有12个磁极的磁极安装板(14)、定子铁芯(13)、发电机线圈(12)构成，与自用蓄电池(34)和外用蓄电池(19)连接充电；所述叶片(5)根据流量大小调整攻角，叶片(5)上安装齿轮螺钉(22)；所述小型伺服电机(23)焊接有齿轮联轴器(24)，通过带动叶片(5)上齿轮螺钉(22)旋转，从而调整叶片(5)攻角；所述常开继电器由拉伸弹簧(28)、衔铁(29)、感应线圈(30)、接线桩一(26)、接线桩二(27)构成，与集电环一(15)、集电环二(16)进行连接，信号由主要控制面板(42)传递；所述流量感应器(41)将流量大小信息反馈到主要控制面板(42)，由主要控制面板(42)给常开继电器发出通电信号，通电后，常开继电器闭合，主要控制面板(42)给小型伺服电机(23)供电，对叶片(5)的攻角进行调整；所述三级导向机构(1)的液压缸(47)对称布置，环形液压杆(46)，与导向管为螺纹连接，线路由主要控制面板(42)经过电线通道八(43)与电线通道三(17)连接到液压站(48)，另外一条线路通过电线通道八(43)，再经过半环形电线通道(33)、电线通道十(49)与另外一个液压站(48)连接，由2个液压站(48)控制对称的液压缸(47)动作。
2.根据权利要求1所述的一种带导向机构的井下涡轮发电机器人，其特征在于：所述三级导向机构(1)中心通过流体，导向电机(2)带动导向管旋转设定的角度，改变反推力大小及方向，使整个装置在分支井中按照设定的轨迹进行移动。
3.根据权利要求1所述的一种带导向机构的井下涡轮发电机器人，其特征在于：所述母座接头(4)带有导向键，与中轴管(8)的导向槽配合，母座接头(4)安装有4个驱动装置，其中一个驱动装置底部放置辅助控制面板(36)，且有后环形电线通道(20)将辅助控制面板(36)的电线与4个驱动装置连接，辅助控制面板(36)通过电线通道五(37)与发电机线圈(12)连接。
4.根据权利要求1所述的一种带导向机构的井下涡轮发电机器人，其特征在于：所述中轴管(8)安装4个驱动装置，其中一个驱动装置底部放置主要控制面板(42)，驱动装置电线经过前环形电线通道(32)与主要控制面板(42)连接，液压站(48)控制电线由主要控制面板(42)引出。
5.根据权利要求1所述的一种带导向机构的井下涡轮发电机器人，其特征在于：所述发电装置中的磁极安装板(14)安装在轴承(21)外圈，轴承(21)分别安装在中轴管(8)的轴肩与母座接头(4)轴肩。
6.根据权利要求1所述的一种带导向机构的井下涡轮发电机器人，其特征在于：所述叶片(5)均匀安装在转子外壳(6)上，数量为8个，小型伺服电机(23)未通电时，电机处于锁死状态，小型伺服电机(23)通过带动齿条(25)横向移动进而带动叶片(5)调整攻角，当小型伺服电机(23)通电，改变叶片(5)攻角。
7.根据权利要求1所述的一种带导向机构的井下涡轮发电机器人，其特征在于：所述小型伺服电机(23)共有4个，一个小型伺服电机(23)同时控制轴向两个叶片(5)旋转，小型伺服电机(23)的电线通过集电环一(15)、集电环二(16)连接。
8.根据权利要求1所述的一种带导向机构的井下涡轮发电机器人，其特征在于：所述齿轮联轴器(24)与小型伺服电机(23)的转轴焊接，叶片(5)底部连接有齿轮螺钉(22)，齿轮联轴器(24)与齿条(25)啮合，1个齿条(25)与2个叶片(5)的齿轮螺钉(22)啮合。
9.根据权利要求1所述的一种带导向机构的井下涡轮发电机器人，其特征在于：所述常开继电器共有4个，当继电器没有收到主要控制面板(42)的信号时，电源没有接通；当继电器接收到信号时，感应线圈(30)产生磁场，将接线桩一(26)、接线桩二(27)与衔铁(29)吸合接触通电。
10.根据权利要求1所述的一种带导向机构的井下涡轮发电机器人，其特征在于：所述流量感应器(41)通过螺栓与中轴管(8)连接，经过电线通道七(40)与主要控制面板(42)连接，流量感应器(41)仅需1个。
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