CN211287957U - 一种井下大功率涡轮发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种井下大功率涡轮发电机，结构简单、性能可靠、功率高。其包括外壳装置、涡轮转动装置、发电装置，所述外壳装置的内腔具体为发电装置安装腔，所述发电装置具体包括转子轴、定子总成，所述转子轴的对应于所述定子总成的区域环布有第一磁钢结构，所述转子轴对应于所述涡轮转动装置的发电装置安装腔的区域环布有第二磁钢结构，所述外壳装置的对应于所述第二磁钢结构的外环面套装有涡轮转动装置，所述涡轮转动装置的内环槽内环布有第三磁钢结构。

Description

一种井下大功率涡轮发电机

技术领域

本实用新型涉及井下发电机结构的技术领域，具体为一种井下大功率涡轮发电机。

背景技术

随着石油钻井技术的不断进步和开发石油的要求提高，随钻测量和井下导向控制技术有了很高的技术提升。例如，利用各种先进的井下工具和技术，将温度、压力、倾角、盐度等实时数据直接集成到钻杆中的网络硬件沿钻杆实时传输。这种网络硬件能够在地面设备(如分析、测控设备)和井下设备(如沿钻杆布置的工具和传感器)之间实现高速通信。随着网络和其他相关硬件的安装，需要一种高效可靠的功率源来运行该硬件。这种电源必须能够在井下环境的极端条件下提供可靠的电力。

目前，常用的为井下设备提供动力的方法有两种：

一种是采用锂电池为井下仪器及部件供电，但由于井下极端温度、压力或其他恶劣环境因素的影响，电池的预期寿命通常比“标准”操作条件下短得多。在钻井作业中一旦电池耗尽，井下工具仪器就不能正常工作，需要起钻更换电池，影响钻井作业效率。此外电池提供的电能有限，对于如旋转导向等耗电较高的工具仪器不宜采用电池供电。

另外一种是井下随钻涡轮发电机，利用泥浆的动能，带动转子转动，从而切割磁感线圈发电，达到供电的要求。但目前的井下涡轮发电机技术不成熟，其结构复杂、体积及质量大、性能不稳定、发电功率较小。

发明内容

针对上述问题，本实用新型提供了一种井下大功率涡轮发电机，其结构简单、性能可靠、功率高。

一种井下大功率涡轮发电机，其特征在于：其包括外壳装置、涡轮转动装置、发电装置，所述外壳装置的内腔具体为发电装置安装腔，所述发电装置具体包括转子轴、定子总成，所述转子轴的对应于所述定子总成的区域环布有第一磁钢结构，所述转子轴对应于所述涡轮转动装置的发电装置安装腔的区域环布有第二磁钢结构，所述外壳装置的对应于所述第二磁钢结构的外环面套装有涡轮转动装置，所述涡轮转动装置的内环槽内环布有第三磁钢结构。

其进一步特征在于：

所述外壳装置包括前套筒、后套筒，所述前套筒、后套筒套接后形成整体的发电装置安装腔，所述前套筒的前端设置有小径部分，所述小径部分的外环面套装有所述涡轮转动装置；

所述前套筒、后套筒的相向安装端通过螺纹结构连接，所述前套筒和后套筒的螺纹连接结构的环面间设置有O型圈、背环，确保泥浆不会通过前套筒、后套筒之间的连接间隙流入内部；

所述前套筒、后套筒均采用高硬质合金钢制作，其外表面喷涂耐磨材料，具有较高的机械强度及耐泥浆冲蚀的特性；

所述涡轮转动装置包括旋转涡轮、第三磁钢结构、磁钢载体、挡圈，所述旋转涡轮包括中心环体、外环涡轮，所述旋转涡轮的中心环体的中心设置有磁钢载体安装内凹环槽，所述磁钢载体固插于所述磁钢载体安装内凹环槽，所述磁钢载体的外环面上设置有内凹的均布的内环槽，相邻的内环槽间留有弧度间隙，若干片第三磁钢插装于对应的内环槽后形成所述第三磁钢结构，所述挡圈的前端面紧贴所述磁钢载体的后端面布置，所述挡圈的外环面和所述中心环体的后端内环壁过盈配合固接设置，所述中心环体的前端内环壁贴装于所述小径部分的对应外环面，所述挡圈的内环壁紧贴所述小径部分的对应外环面设置；

所述小径部分对应于所述中心环体的前端面的位置处套设有卡簧，所述卡簧将涡轮转动装置轴向固定在小径部分上；

所述定子总成由定子铁芯及定子线圈组成；

所述转子轴的带有第一磁钢结构的部分插装于所述定子总成的内腔内，所述第一磁钢结构和所述定子总成的定子铁芯及线圈组成磁感应发电机构，所述第一磁钢结构由若干片第一永磁体拼合形成圆筒长磁体，所述圆筒长磁铁的长度完全覆盖所述定子总成的定子线圈的长度，满足更大发电功率的要求，所述第二磁钢结构由若干片第二永磁体拼合形成，所述第二磁钢结构的长度覆盖所述第三磁钢结构的长度；

所述后套筒的对应于所述定子铁芯的后端止口位置处设置有安装座，所述后套筒对应于所述定子铁芯的前端止口位置处设置有挡块，所述前套筒的后端环面为外螺纹，所述前套筒的内伸于所述后套筒的后端面和所述挡块的前端面之间设置有蝶形弹簧，所述安装座的后端面紧压于所述后套筒的后端板布置；

所述转子轴长度方向的前端轴肩处套设有第一深沟球轴承、后端轴肩处套设有第二深沟球轴承，所述前套筒对应于所述第一深沟球轴承的位置设置有第一安装限位槽，所述第一深沟球轴承的外圈定位安装于所述第一安装限位槽，所述安装座的内环壁对应于所述第二深沟球轴承的位置设置有第二安装限位槽，所述第二深沟球轴承的外圈定位安装于所述第二安装限位槽；

所述定子总成安装在外壳装置的后套筒的内环壁上、通过公差环实现定子总成外圆与外壳装置内圆之间间隙的补偿与限位；

所述前套筒、后套筒的对应端板上设置有中心孔，其还分别配备有对应的端盖，根据发电机实际的工作环境选择使用端盖或不使用端盖，当发电机的前套筒、后套筒设置有外部封闭结构时、选择不使用端盖，当发电机的前套筒、后套筒直接置于空心钻杆内部时、使用端盖盖住中心孔，确保泥浆不会进入内腔。

采用本实用新型后，整个发电机的外壳装置固装于空心钻杆的内部，涡轮转动装置朝向泥浆的来料方向，涡轮转动装置的第三磁钢结构与转子轴上的第二磁钢结构构成磁耦合传动机构涡轮转动装置转动时，第三磁钢结构转动，进而驱动位于发电装置安装腔内的第二磁钢结构转动、进而使得转子轴转动、第一磁钢结构转动，使得定子总成的线圈切割磁力线，定子总成内的线圈产生感应电动势、形成三相高频交流点，通过电线供给需要电能的设备；其结构简单、性能可靠、功率高。

附图说明

图1为本实用新型的主视图剖视结构示意图；

图2为本实用新型的置于空心钻杆内部的剖视图结构示意图；

图3为本实用新型的发电装置的剖视结构示意图；

图4为本实用新型的涡轮转动装置的剖视结构示意图；

图中序号所对应的名称如下：

外壳装置1、涡轮转动装置2、发电装置3、发电装置安装腔4、转子轴5、定子总成6、后端止口61、前端止口62、第一磁钢结构7、第二磁钢结构8、第三磁钢结构9、前套筒10、小径部分101、后套筒11、后端板111、O型圈 12、背环13、旋转涡轮14、中心环体141、外环涡轮142、磁钢载体15、挡圈16、磁钢载体安装内凹环槽17、挡块18、蝶形弹簧19、第一深沟球轴承20、第二深沟球轴承21、第一安装限位槽22、第二安装限位槽23、公差环 24、中心孔25、端盖26、空心钻杆27、卡簧28、安装座29。

具体实施方式

一种井下大功率涡轮发电机，见图1-图4：其包括外壳装置1、涡轮转动装置2、发电装置3，外壳装置1的内腔具体为发电装置安装腔4，发电装置 3具体包括转子轴5、定子总成6，转子轴5的对应于定子总成6的区域环布有第一磁钢结构7，转子轴5对应于涡轮转动装置2的发电装置安装腔4的区域环布有第二磁钢结构8，外壳装置1的对应于第二磁钢结构8的外环面套装有涡轮转动装置2，涡轮转动装置2的内环槽内环布有第三磁钢结构9。

外壳装置1包括前套筒10、后套筒11，前套筒10、后套筒11套接后形成整体的发电装置安装腔4，前套筒10的前端设置有小径部分101，小径部分101的外环面套装有涡轮转动装置2；

前套筒10、后套筒11的相向安装端通过螺纹结构连接，前套筒10和后套筒11的螺纹连接结构的环面间设置有O型圈12、背环13，确保泥浆不会通过前套筒10、后套筒11之间的连接间隙流入内部；

前套筒10、后套筒11均采用高硬质合金钢制作，其外表面喷涂耐磨材料，具有较高的机械强度及耐泥浆冲蚀的特性，使得涡轮转动装置相对于前套筒进行旋转，不会产生环形磨损；

涡轮转动装置2包括旋转涡轮14、第三磁钢结构9、磁钢载体15、挡圈 16，旋转涡轮14包括中心环体141、外环涡轮142，旋转涡轮14的中心环体 141的中心设置有磁钢载体安装内凹环槽17，磁钢载体15固插于磁钢载体安装内凹环槽17，磁钢载体15的外环面上设置有内凹的均布的内环槽，相邻的内环槽间留有弧度间隙，若干片第三磁钢插装于对应的内环槽后形成第三磁钢结构9，挡圈16的前端面紧贴磁钢载体15的后端面布置，挡圈16的外环面和中心环体141的后端内环壁过盈配合固接设置，中心环体141的前端内环壁贴装于小径部分101的对应外环面，挡圈16的内环壁紧贴小径部分101 的对应外环面设置；

小径部分101对应于中心环体的前端面的位置处套设有卡簧28，卡簧28 将涡轮转动装置2轴向固定在小径部分101上；

定子总成6由定子铁芯及定子线圈组成，定子铁芯是由多个冲压成型的无取向硅钢片组成，通过氩弧焊接固定形成一个整体，定子铁芯内圆均匀冲出18个半闭口槽，定子线圈安装在定子铁芯内部安装槽内，两者之间设有耐高温的电机绝缘纸，增加其绝缘强度，按照18槽4极绕线组接线方式，完成定子线圈的接线；

转子轴5的带有第一磁钢结构7的部分插装于定子总成6的内腔内，第一磁钢结构7和定子总成6的定子铁芯及线圈组成磁感应发电机构，第一磁钢结构7由若干片第一永磁体拼合形成圆筒长磁体，圆筒长磁铁的长度完全覆盖定子总成的定子线圈的长度，满足更大发电功率的要求，第二磁钢结构8 由若干片第二永磁体拼合形成，第二磁钢结构8的长度覆盖第三磁钢结构9 的长度；

后套筒11的对应于定子总成6的后端止口61位置处设置有安装座29，后套筒11对应于定子总成的前端止口62位置处设置有挡块18，前套筒10的后端环面为外螺纹，前套筒10的内伸于后套筒11的后端面和挡块18的前端面之间设置有蝶形弹簧19，安装座29的后端面紧压于后套筒11的后端板111 布置；

转子轴5长度方向的前端轴肩处套设有第一深沟球轴承20、后端轴肩处套设有第二深沟球轴承21，前套筒10对应于第一深沟球轴承20的位置设置有第一安装限位槽22，第一深沟球轴承20的外圈定位安装于第一安装限位槽 22，安装座29的内环壁对应于第二深沟球轴承21的位置设置有第二安装限位槽23，第二深沟球轴承21的外圈定位安装于第二安装限位槽23；

定子总成5安装在外壳装置1的后套筒11的内环壁上、通过公差环24 实现定子总成外圆与外壳装置内圆之间间隙的补偿与限位；

前套筒10、后套筒11的对应端板上设置有中心孔25，其还分别配备有对应的端盖26，根据发电机实际的工作环境选择使用端盖26或不使用端盖，当发电机的前套筒10、后套筒11设置有外部封闭结构时、选择不使用端盖，当发电机的前套筒10、后套筒11直接置于空心钻杆27内部时、使用端盖26 盖住中心孔，确保泥浆不会进入内腔。

其工作原理如下，整个发电机的外壳装置固装于空心钻杆的内部，涡轮转动装置朝向泥浆的来料方向，涡轮转动装置的第三磁钢结构与转子轴上的第二磁钢结构构成磁耦合传动机构涡轮转动装置转动时，第三磁钢结构转动，进而驱动位于发电装置安装腔内的第二磁钢结构转动、进而使得转子轴转动、第一磁钢结构转动，使得定子总成的线圈切割磁力线，定子总成内的线圈产生感应电动势、形成三相高频交流点，通过电线供给需要电能的设备。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种井下大功率涡轮发电机，其特征在于：其包括外壳装置、涡轮转动装置、发电装置，所述外壳装置的内腔具体为发电装置安装腔，所述发电装置具体包括转子轴、定子总成，所述转子轴的对应于所述定子总成的区域环布有第一磁钢结构，所述转子轴对应于所述涡轮转动装置的发电装置安装腔的区域环布有第二磁钢结构，所述外壳装置的对应于所述第二磁钢结构的外环面套装有涡轮转动装置，所述涡轮转动装置的内环槽内环布有第三磁钢结构。

2.如权利要求1所述的一种井下大功率涡轮发电机，其特征在于：所述外壳装置包括前套筒、后套筒，所述前套筒、后套筒套接后形成整体的发电装置安装腔，所述前套筒的前端设置有小径部分，所述小径部分的外环面套装有所述涡轮转动装置。

3.如权利要求2所述的一种井下大功率涡轮发电机，其特征在于：所述前套筒、后套筒的相向安装端通过螺纹结构连接，所述前套筒和后套筒的螺纹连接结构的环面间设置有O型圈、背环。

4.如权利要求2所述的一种井下大功率涡轮发电机，其特征在于：所述涡轮转动装置包括旋转涡轮、第三磁钢结构、磁钢载体、挡圈，所述旋转涡轮包括中心环体、外环涡轮，所述旋转涡轮的中心环体的中心设置有磁钢载体安装内凹环槽，所述磁钢载体固插于所述磁钢载体安装内凹环槽，所述磁钢载体的外环面上设置有内凹的均布的内环槽，相邻的内环槽间留有弧度间隙，若干片第三磁钢插装于对应的内环槽后形成所述第三磁钢结构，所述挡圈的前端面紧贴所述磁钢载体的后端面布置，所述挡圈的外环面和所述中心环体的后端内环壁过盈配合固接设置，所述中心环体的前端内环壁贴装于所述小径部分的对应外环面，所述挡圈的内环壁紧贴所述小径部分的对应外环面设置。

5.如权利要求4所述的一种井下大功率涡轮发电机，其特征在于：所述小径部分对应于所述中心环体的前端面的位置处套设有卡簧，所述卡簧将涡轮转动装置轴向固定在小径部分上。

6.如权利要求2所述的一种井下大功率涡轮发电机，其特征在于：所述定子总成由定子铁芯及定子线圈组成；所述转子轴的带有第一磁钢结构的部分插装于所述定子总成的内腔内，所述第一磁钢结构和所述定子总成的定子铁芯及线圈组成磁感应发电机构，所述第一磁钢结构由若干片第一永磁体拼合形成圆筒长磁体，所述圆筒长磁铁的长度完全覆盖所述定子总成的定子线圈的长度，满足更大发电功率的要求，所述第二磁钢结构由若干片第二永磁体拼合形成，所述第二磁钢结构的长度覆盖所述第三磁钢结构的长度。

7.如权利要求6所述的一种井下大功率涡轮发电机，其特征在于：所述后套筒的对应于所述定子铁芯的后端止口位置处设置有安装座，所述后套筒对应于所述定子铁芯的前端止口位置处设置有挡块，所述前套筒的后端环面为外螺纹，所述前套筒的内伸于所述后套筒的后端面和所述挡块的前端面之间设置有蝶形弹簧，所述安装座的后端面紧压于所述后套筒的后端板布置。

8.如权利要求7所述的一种井下大功率涡轮发电机，其特征在于：所述转子轴长度方向的前端轴肩处套设有第一深沟球轴承、后端轴肩处套设有第二深沟球轴承，所述前套筒对应于所述第一深沟球轴承的位置设置有第一安装限位槽，所述第一深沟球轴承的外圈定位安装于所述第一安装限位槽，所述安装座的内环壁对应于所述第二深沟球轴承的位置设置有第二安装限位槽，所述第二深沟球轴承的外圈定位安装于所述第二安装限位槽。

9.如权利要求6所述的一种井下大功率涡轮发电机，其特征在于：所述定子总成安装在外壳装置的后套筒的内环壁上、通过公差环实现定子总成外圆与外壳装置内圆之间间隙的补偿与限位。

10.如权利要求2所述的一种井下大功率涡轮发电机，其特征在于：所述前套筒、后套筒的对应端板上设置有中心孔，其还分别配备有对应的端盖，根据发电机实际的工作环境选择使用端盖或不使用端盖，当发电机的前套筒、后套筒设置有外部封闭结构时、选择不使用端盖，当发电机的前套筒、后套筒直接置于空心钻杆内部时、使用端盖盖住中心孔。

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