CN201202582Y - 用于井下发电机组的液体驱动涡轮 - Google Patents

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王磊
李林
魏志刚
张连成
范锦辉
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Abstract

本实用新型公开了一种用于井下发电机组的液体驱动涡轮，所述驱动涡轮包括涡轮转子，所述涡轮转子通过磁力耦合器与该井下发电机组转子轴固定连接，所述涡轮转子的轴向上相对于所述井下发电机组的一侧安装有固定设置的导流定子，所述涡轮转子、导流定子和井下发电机组安装在同一钻梃内，所述导流定子和涡轮转子的叶片为航空气动涡轮叶片。因此，本实用新型的驱动涡轮能减少水力损失，提高扭矩、转速来为发电机组的转子提供动力，从而增加供电功率，以满足井下用电需求，提高发射功率、增加电磁波传输强度。

Description

用于井下发电机组的液体驱动涡轮
技术领域
本实用新型是有关于一种液体驱动涡轮，特别是关于一种用于井下发电机组的液体驱动涡轮，其主要应用于带有涡轮发电机组的井下无线随钻测量仪器中。
背景技术
井下涡轮发电机是近年伴随无线随钻测量技术而发展起来的供电设备，而发电机驱动涡轮是其动力来源，它把液体能变为主轴上的机械能，因此涡轮的工作状态将直接影响着发电机的运转。
相关文件中，中国专利号为200620158603.5的实用新型专利“井下涡轮发电机”及中国专利号为200720103712.1的实用新型专利“一种井下涡轮发电机”，两实用新型的发电机定子线圈均固定于钻铤内部，发电机转子由涡轮转子驱动，涡轮转子叶片沿钻杆轴线螺旋上升，旋向与之对应的导流定子相反。但是，上述发电机涡轮转子及导流定子的叶片设计均没有考虑到叶片的井下承压状况，而将其设计为均等厚度，这样会造成叶片的承压面磨损加剧；同时，其叶片的等螺旋角设计不能充分利用冲击流体特性，导致涡轮效率的下降。因此，有必要设计一种新型的用于井下发电机组的大功率驱动涡轮，以克服上述专利中单台涡轮发电机供电功率有限的缺陷。
以引入方式将上述技术内容合并于本申请。
实用新型内容
本实用新型的目的是，提供一种用于井下发电机组的液体驱动涡轮，其能减少水力损失，提高扭矩、转速来为发电机组的转子提供动力，从而增加供电功率，以满足井下用电需求，提高发射功率、增加电磁波传输强度。
本实用新型的上述目的可采用下列技术方案来实现，一种用于井下发电机组的液体驱动涡轮，所述驱动涡轮包括涡轮转子，所述涡轮转子通过磁力耦合器与该井下发电机组转子轴固定连接，其中，所述涡轮转子的轴向上相对于所述井下发电机组的一侧安装有固定设置的导流定子，所述涡轮转子、导流定子和井下发电机组安装在同一钻铤内，所述导流定子和涡轮转子的叶片为航空气动涡轮叶片。
在优选的实施方式中，所述导流定子的叶片的入口角为90度，出口角为42～25度。
在优选的实施方式中，所述涡轮转子的叶片的出口角与上述导流定子的出口角相同。
在优选的实施方式中，所述涡轮转子与导流定子之间设置有调整垫片。
在优选的实施方式中，所述涡轮转子可转动地匹配设置在所述钻铤内，所述导流定子固定在所述钻铤内。
在优选的实施方式中，所述磁力耦合器包括同轴设置的内磁转子和外磁转子，所述外磁转子的内侧设置所述内磁转子，外侧设置所述涡轮转子。
在优选的实施方式中，所述涡轮转子为焊接不锈钢的涡轮转子，所述导流定子为焊接不锈钢的导流定子。
在优选的实施方式中，所述涡轮转子为整体铸铝的涡轮转子，所述导流定子为整体铸铝的导流定子。
本实用新型的特点及优点是：该井下液动涡轮的导流定子与涡轮转子叶片大胆地采用了航空气动涡轮叶片，例如C4叶型，这样有效地减少了水力损失；同时，叶片的倾角设计不是采用目前流行的等螺旋角方式，而是根据井下液体流态特点分别计算了叶片的入口与出口角度，采用样条拟合的方式设计叶片倾角。如此涡轮叶片设计可使涡轮具有大扭矩、高转速的特点，为井下发电机组提供更强的动力，增加供电功率，以满足井下用电需求，提高发射功率、增加电磁波传输强度。
附图说明
以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中，
图1是本实用新型的驱动涡轮安装于井下发电机组的结构示意图；
图2是本实用新型的导流定子与涡轮转子分解状态的立体示意图；
图3是本实用新型的涡轮转子的俯视示意图；
图4本实用新型的驱动涡轮在不同流体排量下的实际带载曲线，体现了驱动涡轮在不同流体排量下的输出转速与扭矩的对应关系。
具体实施方式
为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。
如图1、2所示，本实用新型提出的一种用于井下发电机组的液体驱动涡轮，包括涡轮转子1和导流定子2，所述涡轮转子1通过磁力耦合器与该井下发电机组3固定连接，其中涡轮转子1、导流定子2和井下发电机组3均安装在同一钻铤4内，所述导流定子2和涡轮转子1的叶片均为航空气动涡轮叶片，在本实施方式中，其叶片均采用航空气动涡轮C4型叶片。
所述涡轮转子1可为焊接不锈钢涡轮转子或整体铸铝涡轮转子，所述涡轮转子1可转动地匹配设置在所述钻铤4内。所述涡轮转子1可主要应用于六寸六钻铤4，并配套井下发电机组3上，涡轮转子1的外形尺寸与钻铤4的内壁尺寸相配合。另外，根据井下泥浆的特点，导流定子与涡轮转子的叶型选择上述航空用C4叶型，如此可平衡流体流入叶片时的流入角和流出叶片时的落后角的损失。
所述涡轮转子1的轴向上相对于井下发电机组3的一侧安装有固定不转的导流定子2，即井下发电机组3和导流定子2分别设置在涡轮转子1的轴向两侧，这是因为井下泥浆在钻铤内4内是以轴向方向流动的，由于在涡轮转子1前侧安装了导流定子2，如此使高压泥浆在进入涡轮转子1前能借助导流定子2而具有一定的方向和动能，经过导向和加速后的液体冲击涡轮转子1，将此时的液体能转化为转子的机械能，并进而通过磁力耦合器传递给井下发电机组3进行发电。其中，所述导流定子2可为焊接不锈钢导流定子或整体铸铝导流定子，符合C4叶型的导流定子2的叶片的原有厚度在0—7mm范围内变化，由于导流定子2承受的冲击力比较大，因此可将导流定子2各处的叶片相对于原有厚度均加厚10％-20％，以提高其承压强度。另外，所述涡轮转子1与导流定子2之间可设置调整垫片(图中未示)，以保证涡轮转子1与导流定子2的轴向间隙保持在一预定范围内，例如将涡轮转子1与导流定子的轴向间隙保持在2mm左右。
涡轮转子1与井下发电机组3之间的连接处设置有磁力耦合器，如此能尽量传递大扭矩，同时减少两者之间的反作用力消耗。所述磁力耦合器包括同轴设置的内磁转子5和外磁转子6，所述外磁转子6的内侧设置所述内磁转子5，外侧设置所述涡轮转子1，所述涡轮转子1通过所述内磁转子5和外磁转子6将其机械能传递给井下发电机组3的主轴进行发电。
根据发电机组的工作特点，电机转子在不同的转速下和电机定子作用所产生的力矩相同的，因此，在设计涡轮时考虑在平衡了这个力矩作用后所能够提供的转速。
当涡轮的结构尺寸(D1和D2，如图3所示)和流量一定时，涡轮的输出力矩Mi理论上与输出转速n成直线关系，转速n增加，力矩Mi减小。
为了使涡轮工作时的最优工况点与涡轮输出最大功率时的顶点工况相重合，选定环流系数Cu＝1。此时的环流系数完全取决于涡轮叶片的结构角，即导流定子叶片的出口角α1等于涡轮转子叶片的出口角β2；为保证轴流流体顺利流经导流定子2，则导流定子2叶片的入口角α2＝90°；发电机组涡轮功率一般为500-1500W，涡轮转子和导流定子叶片的出口角为α1＝β2＝(42～25)度，本实施方式中，发电机组涡轮功率为1000W，因此设计叶片倾角α1＝β2＝36°。
从图4中可以看出，本实用新型的驱动涡轮相对于现有技术而言，能具有更大的扭矩，并可根据井下发电机组3的需要设计与之配套的驱动涡轮，满足井下各类用电设备的需求。
因此，本实用新型通过设计与发电机组相对应的驱动涡轮，使提供给用电设备的功率从500W提高到1000W，提高了供电输出，满足井下大功率用电设备的需求。
以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims (8)

1、一种用于井下发电机组的液体驱动涡轮，所述驱动涡轮包括涡轮转子，所述涡轮转子通过磁力耦合器与该井下发电机组转子轴固定连接，其特征在于，所述涡轮转子的轴向上相对于所述井下发电机组的一侧安装有固定设置导流定子，所述涡轮转子、导流定子和井下发电机组安装在同一钻铤内，所述导流定子和涡轮转子的叶片为航空气动涡轮叶片。
2、如权利要求1所述的用于井下发电机组的液体驱动涡轮，其特征在于，所述导流定子的叶片的入口角为90度，出口角为42～25度。
3、如权利要求2所述的用于井下发电机组的液体驱动涡轮，其特征在于，所述涡轮转子的叶片的出口角与上述导流定子的出口角相同。
4、如权利要求1-3任一项所述的用于井下发电机组的液体驱动涡轮，其特征在于，所述涡轮转子与导流定子之间设置有调整垫片。
5、如权利要求1-3任一项所述的用于井下发电机组的液体驱动涡轮，其特征在于，所述涡轮转子可转动地匹配设置在所述钻铤内，所述导流定子固定在所述钻铤内。
6、如权利要求1-3任一项所述的用于井下发电机组的液体驱动涡轮，其特征在于，所述磁力耦合器包括同轴设置的内磁转子和外磁转子，所述外磁转子的内侧设置所述内磁转子，外侧设置所述涡轮转子。
7、如权利要求1-3任一项所述的用于井下发电机组的液体驱动涡轮，其特征在于，所述涡轮转子为焊接不锈钢的涡轮转子，所述导流定子为焊接不锈钢的导流定子。
8、如权利要求1-3任一项所述的用于井下发电机组的液体驱动涡轮，其特征在于，所述涡轮转子为整体铸铝的涡轮转子，所述导流定子为整体铸铝的导流定子。
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