CN203177900U - 滚珠轴承式涡轮流量计 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种滚珠轴承式涡轮流量计，其具有一空心筒状的外壳，在所述外壳的轴向两端分别安装有轴支架，在所述两个轴支架分别固定有向所述外壳内部沿轴向延伸的涡轮支轴，在所述两个涡轮支轴之间以能够旋转的方式安装有涡轮，在所述涡轮设置有磁钢，所述磁钢与安装于其中一个轴支架的霍尔元件对置，所述滚珠轴承式涡轮流量计的特征在于，所述涡轮经由滚珠轴承旋转安装于所述两个涡轮支轴。由此，能够提高可靠性和流量上限，使其能够满足于煤层气井产气剖面的测试要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种涡轮流量计，特别涉及一种应用于煤层气井产气剖面测量的高转速滚珠轴承式涡轮流量计。
背景技术
涡轮流量计是一种速度式流量计，其是以测量管道内流量的平均速度(即流速)来测量流量的仪器，对于通过流体的截面积相同的涡轮流量计来说，可测量流速越高，则其能够测量的煤层气井流量越大。
在该涡轮流量计中，固定有涡轮叶片的轴杆经由宝石轴承以能够旋转的方式支承于壳体，在轴杆一端设有磁钢，在壳体内设有与磁钢对置的霍尔元件。涡轮流量计工作时，悬置于流体中的带叶片的涡轮感受流体的平均速度而旋转，该旋转经由轴杆传递至磁钢，进而霍尔元件基于霍尔效应将磁钢的旋转转变为电信号并输出至运算电路，由运算电路推导出被测流体的瞬时流量和累计流量。它具有测量精度高、压损小、易于维修等优点，因此被广泛应用于油田产出剖面流量的测试。但是由于涡轮流量计的叶片为可动部件，一旦流体流速过高，高速旋转的叶片将导致宝石轴承与涡轮支轴的轴尖之间产生高温摩擦而造成磨损，宝石轴承损坏将导致涡轮无法工作，因此涡轮流量计的测量上限受到一定限制。
煤层气井产气剖面测试主要测量煤层气井各煤储层的产气量。煤层气井内的介质为气水两相，日产气量约为2000m3/d，日产水量低于10m3/d，在集流的条件下，传统涡轮流量计的测量上限(如图1所示，最高500m3/d)根本无法满足煤层气井流量的测量。因此必须对涡轮流量计的结构、特别是对其轴承进行改进，通过选取合适的轴承来提高耐磨性，从而提高涡轮流量计的转速测量上限，使其能够满足煤层气井大量产气的测试要求。
实用新型内容
本实用新型的目的就在于解决现有涡轮流量计的上述缺点，提供一种可靠性高、且流量上限高的涡轮流量计，使其能够满足于煤层气井产气剖面的测试要求。
本实用新型的第一方案提供一种滚珠轴承式涡轮流量计，其具有一空心筒状的外壳，在所述外壳的轴向两端分别安装有轴支架，在所述两个轴支架分别固定有向所述外壳的内部沿轴向延伸的涡轮支轴，在所述两个涡轮支轴之间以能够旋转的方式安装有涡轮，在所述涡轮设置有磁钢，所述磁钢与安装于其中一个轴支架的霍尔元件对置，所述滚珠轴承式涡轮流量计的特征在于，所述涡轮经由滚珠轴承旋转安装于所述两个涡轮支轴。
本实用新型的第二方案提供一种滚珠轴承式涡轮流量计，在第一方案的滚珠轴承式涡轮流量计的基础上，所述滚珠轴承是微型深沟球滚珠轴承。
根据上述涡轮流量计，由于采用滚珠轴承来代替宝石轴承，以滚动方式降低了动力传递过程中的摩擦力，因此轴承的耐磨性大幅提高，根据图2的试验结果可知，涡轮流量计的测量上限得到很大提高(最高约2000m3/d)，可达到现有涡轮流量计的4倍左右。
本实用新型的第三方案提供一种滚珠轴承式涡轮流量计，在第一或第二方案的滚珠轴承式涡轮流量计的基础上，在所述涡轮的轴向两端分别凹设有与所述涡轮同轴的圆柱形槽，所述滚珠轴承嵌入并紧固于所述圆柱形槽。
根据上述涡轮流量计，轴承外壁不会从涡轮滑脱，能够确保涡轮流量计的可靠性。
本实用新型的第四方案提供一种滚珠轴承式涡轮流量计，在第一或第二方案的滚珠轴承式涡轮流量计的基础上，在所述滚珠轴承设置有防沙罩。
根据上述涡轮流量计，能够避免沙粒进入滚珠轴承内部，以提高其使用寿命并减小磨损，从而提高了涡轮流量计的可靠性。
本实用新型的第五方案提供一种滚珠轴承式涡轮流量计，在第一或第二方案的滚珠轴承式涡轮流量计的基础上，所述涡轮支轴的位于所述外壳内的端部形成为逐渐变细的锥状。
根据上述涡轮流量计，可以保证涡轮支轴与滚珠轴承的内壁紧密接触，并且涡轮支轴不会接触到涡轮轮毂。
附图说明
图1是气水两相下，传统的涡轮流量计响应与气流量关系图。
图2是气水两相下，本实用新型的涡轮流量计响应与气流量关系图。
图3是本实用新型的滚珠轴承式涡轮流量计的结构示意图。
图4是本实用新型的滚珠轴承式涡轮流量计的轴支架的轴向视图。
标号说明
1：外壳；2：轴支架；21：贯穿孔；22：固定用螺纹孔；23：贯通孔圆环；24：圆环支撑臂；3：霍尔元件；4：轴尖(涡轮支轴)；5：涡轮；51：叶片；52：轮毂；53：圆柱形槽；6：磁钢；7：滚珠轴承；71：滚珠轴承防沙罩；8：固定螺丝。
具体实施方式
下面，结合附图对本实用新型的具体实施方式进行说明。
如图3所示，滚珠轴承式涡轮流量计具有一空心筒状的外壳1，在外壳1的轴向两端分别安装有轴支架2，在这两个轴支架2分别固定有向外壳1的内部沿轴向延伸的轴尖(涡轮支轴)4，在这两个轴尖4之间以能够旋转的方式安装有涡轮5，在涡轮5设置有磁钢6，磁钢6与安装于其中一个轴支架2的霍尔元件3对置，涡轮5经由微型深沟球滚珠轴承(以下简称滚珠轴承)7旋转安装于两个轴尖4。由于滚珠轴承7的耐磨性高于宝石轴承，因此涡轮流量计的测量上限得到很大提高。
此外，在轴支架2形成有供轴尖4贯穿的贯穿孔21，并且在轴支架2形成有从该贯穿孔21垂直贯穿至轴支架2的外周面的固定用螺纹孔22。将固定螺丝8拧入该固定用螺纹孔22中并与贯穿插入于贯穿孔21的轴尖4抵接，由此，轴尖4被固定于轴支架2，保证了轴尖4不会因震动而从轴支架2上脱落，同时也起到了定位涡轮叶片的作用，保证叶片居中于涡轮外壳内部。图4所示为轴支架2的轴向视图，轴支架2由一个贯通孔圆环23和与之焊接在一起的圆环支撑臂24组成，贯通孔圆环23与外壳1同心，其内径与轴尖4相同，厚度为1mm；贯通孔圆环23通过圆环支撑臂24与外壳1焊接在一起，三个支撑臂24长度相等，均匀分布在贯通孔圆环23的圆周上，互成120°，保征贯通圆环居中、稳固。两端的轴支架结构相同，此机械结构设计既可以保征足够的涡轮流量计流体流通通道，又保证流体流过涡轮支架时流型、流态不会受到影响。
此外，涡轮5包括叶片51和与叶片51一起旋转的轮毂52。轮毂52的直径例如为8mm，在涡轮轮毂52的轴向两端分别凹设有圆柱形槽53(其尺寸例如为φ5×2.5mm)，该圆柱形槽53的中心线与涡轮5的旋转轴线同轴。在圆柱形槽53内嵌入有与圆柱形槽53直径相等的滚珠轴承7(其尺寸例如为2×5×2.5mm)，由此，保征了滚珠轴承7的外钢圈与涡轮5的圆柱形槽53紧密贴合，不产生滑脱。即，滚珠轴承7嵌入并紧固于圆柱形槽53。此外，在轮毂52的外周面设置有永久磁钢6，霍尔元件3从轴支架2向外壳1的内部突出并延伸至该永久磁钢6附近而与其对置。当涡轮5旋转时，磁钢6产生的磁场就会切割霍尔元件3，霍尔元件3将检测到的磁场周期变化信号送入前级放大器，对信号进行放大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号，送入单位换算与流量积算电路，得到并显示累积流量值。
另外，也可以在滚珠轴承7设置防沙罩71。由于井下测量的液体并非纯净的液体，还掺杂有煤粉等颗粒，容易使滚珠轴承7卡住，因此通过设置防沙罩71，能够避免颗粒进入滚珠轴承7内部，提高涡轮流量计的使用寿命和可靠性。
另外，轴尖4的位于外壳1内的端部形成为逐渐变细的锥状。这样，在将轴尖4插入轴承7内时，轴尖4的外周缘与轴承7的内钢圈相切，保征内钢圈与轴尖4不产生滑脱，同时轴尖4不与涡轮轮毂52接触，防止轴尖4与轮毂52接触而对涡轮转动产生阻力。
对于如上构成的滚珠轴承式涡轮流量计，进行了如下实验：将滚珠轴承式涡轮流量计下入井筒内部，张开集流伞，调配不同的气水流量，观察涡轮响应随气水流量变化的规律。实验中，保持水量不变(5m3/d、10m3/d)，逐步增大气量(50m3/d～2000m3/d)，每隔100m3/d气量，记录下涡轮的响应平均值，依据所得数据拟合出直线方程y＝1.0784x4.9994，其中拟合度R2＝0.9921，最终得到滚珠轴承式涡轮流量计响应与气流量的关系图(图2)。如图2所示，涡轮流量计的测量上限大幅提高至大约2000m3/d。可见，在小水量条件、高气量条件下，滚珠轴承式涡轮流量计能保持较高稳定性，并且涡轮流量计的响应与气体流量呈线性关系。实验征明，滚珠轴承式涡轮流量计的流量测量上限是采用宝石轴承的涡轮流量计的4倍以上。
另外，作为轴承，本实用新型采用了微型深沟球滚珠轴承，但只要是滚珠轴承，就能够增加耐磨性从而提高流量计的测量上限。另外，若使用除滚珠轴承外的圆锥滚子轴承或滚柱轴承等其它滚动轴承，则不能达到上述效果。其它滚动轴承不适应的原因被认为有以下两方面：一方面是尺寸问题，本实用新型中的滚珠轴承式涡轮流量计是应用于油田产出井井下流体体积流量测量的传感器，由于测井环境的限制，测井仪器的外径只能是28mm，所以涡轮传感器径向尺寸很小，涡轮叶片的径向尺寸只有19mm，轮毂径向直径只有8mm，轴承必须嵌入到轮毂中才能够工作，因此轴承直径必须≤5mm，能做到直径如此小的只有微型滚珠轴承，滚柱轴承和圆锥滚子轴承等其它滚动轴承尺寸都不合适；另一方面是测量下限和精度的问题，油田使用的涡轮流量计在测量液体流量时，其测量下限(也就是启动排量)要求在1m3/d，由于安装了滚珠轴承，增大了摩擦阻力，启动排量必然会受影响，经实验证明，滚珠轴承涡轮流量计在测量液体时，启动排量为8m3/d，满足煤层气井流量测量的要求，但是滚柱轴承和圆锥滚子轴承等其它滚动轴承的摩擦阻力比滚珠轴承要大，不满足涡轮流量计对精度的要求，因此不能采用。
Claims (5)
1.一种滚珠轴承式涡轮流量计，其具有一空心筒状的外壳，在所述外壳的轴向两端分别安装有轴支架，在所述两个轴支架分别固定有向所述外壳的内部沿轴向延伸的涡轮支轴，在所述两个涡轮支轴之间以能够旋转的方式安装有涡轮，在所述涡轮设置有磁钢，所述磁钢与安装于其中一个轴支架的霍尔元件对置，所述滚珠轴承式涡轮流量计的特征在于，所述涡轮经由滚珠轴承旋转安装于所述两个涡轮支轴。
2.根据权利要求1所述的滚珠轴承式涡轮流量计，其特征在于，
所述滚珠轴承是微型深沟球滚珠轴承。
3.根据权利要求1或2所述的滚珠轴承式涡轮流量计，其特征在于，
在所述涡轮的轴向两端分别凹设有与所述涡轮同轴的圆柱形槽，所述滚珠轴承嵌入并紧固于所述圆柱形槽。
4.根据权利要求1或2所述的滚珠轴承式涡轮流量计，其特征在于，
在所述滚珠轴承设置有防沙罩。
5.根据权利要求1或2所述的滚珠轴承式涡轮流量计，其特征在于，
所述涡轮支轴的位于所述外壳内的端部形成为逐渐变细的锥状。
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