旋轉磁場式井下發電裝置的製作方法

2023-07-30 02:28:41

專利名稱：旋轉磁場式井下發電裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及井下泥漿驅動的發電裝置領域，具體是一種用於鑽井工程隨鑽儀器供電的旋轉磁場式井下發電裝置。
背景技術：
隨著現代油氣鑽井技術的發展，隨鑽儀器在鑽井過程的應用越來越廣泛。在鑽井過程中，隨鑽儀器通過泥漿脈衝、電磁波或聲波等方式，將井下數據發送到地面，供地面技術人員進行分析和判斷，並根據數據對鑽井過程進行調整。目前為井下隨鑽儀器供電有電池組和發電機兩種途徑，由於電池容量受溫度影響很大，當溫度達到120°C時，容量減小 20%，同時電池安全性受到溫度影響較大，電池的使用溫度極限約為175°C。在隨鑽儀器中， 傳感器和相關電子電路的功耗通常僅有幾瓦到十幾瓦，而部分的井下測量與控制系統耗電最大可能達到700瓦，為延長工具在井下的操作時間，國外目前普遍將井下發電機作為井下儀器的電源，以減小電池容量和體積，利用井下發電機為電池補充電能及/或為傳感器組與信號發生裝置供電。美國專利US5517464中公開了一種集成了泥漿脈衝發生器與渦輪發電機的井下 MWD工具。渦輪發電機與泥漿脈衝發生器集成一體，渦輪發電機由渦輪推進器、驅動軸、變速器、三相交流發電機、轉速測量裝置組成。由於井下空間的限制和渦輪結構的特性，發電機提供的功率較小，一般為幾十瓦，不能滿足大功率要求；系統採用齒輪變速箱實現渦輪和電機的轉速響應，結構複雜；線圈直接工作於泥漿中，對泥漿質量、軸承性能和線圈的絕緣性要求極高，且在井下高溫、強振動惡劣環境中長期高速運轉極易損壞，從而降低了渦輪發電機的使用壽命。中國專利201010533100. 2中公開了一種石油鑽井泥漿發電系統。該系統包括線圈繞組、磁鐵、葉輪、上下堵頭、中心軸及隔離套，其中磁鐵鑲嵌在葉輪輪轂內，線圈繞組固定在中心軸與上下堵頭及隔離套所形成的密閉腔體內；葉輪輪轂與隔離套間隙配合，當帶壓泥漿從上向下衝刷時，被衝刷的葉輪旋轉，使鑲嵌在葉輪輪轂內的磁鐵跟隨葉輪同步旋轉，並使線圈切割磁力線而發電；此外葉輪與隔離套之間安裝耐磨合金套，葉輪旋轉時耐磨合金套起到支撐和扶正作用；合金套與堵頭之間安裝減震器，減少泥漿衝擊對耐磨合金套的影響。該系統的優點是取消了動密封，但是由於其採用轉子與隔離套採用泥漿潤滑的間隙配合做支撐與扶正，當用於泥漿中高速旋轉的情況下時，由於泥漿中的砂粒等是常態存在的，極易砂卡導致整個系統失效和泥漿的潤滑失效。另外金屬材質的隔離套位於磁鋼與線圈之間，在變化的磁場中有渦流損耗存在，使發電系統難以提供較大的功率。同時，渦流損耗的直接表現形式為發熱，其溫升不可避免。

實用新型內容本實用新型的目的就是針對現有技術存在的問題，提供一種功率大、運轉穩定的旋轉磁場式井下發電裝置。[0007]本實用新型是通過以下技術方案實現的旋轉磁場式井下發電裝置包括渦輪轉子與永久磁鐵組合的轉子，不旋轉本體與繞組線圈、疊鋼片組合的定子，以及密封插件。所述定子為不旋轉本體下端外部設內外兩級階梯凸沿，其內凸沿與上部的調整環之間形成環形槽，環形槽內套裝疊鋼片和繞組線圈，不旋轉本體徑向設有與其內孔貫通的插孔；所述轉子為永久磁鐵套在繞組線圈外，上部連接渦輪轉子。渦輪轉子與調整環之間通過轉子上軸承與徑向軸承對接，永久磁鐵與不旋轉本體的外凸沿通過轉子下軸承與本體軸承對接，轉子上軸承與徑向軸承由定子壓帽與不旋轉本體固聯後對接配合。上述方案還包括在定子壓帽與轉子上軸承和徑向軸承之間增設導流定子，導流定子設有與渦輪轉子相同的外流道，導流定子上設有定子泥漿通道，定子與轉子之間的預留泥漿通道，定子泥漿通道與轉子上軸承和徑向軸承之間的間隙、定子與轉子之間的泥漿通道和轉子下軸承與本體軸承之間的間隙構成泥漿流道。在導流定子與轉子上軸承的結合部設有滑環。轉子的永久磁鐵內外分別裝有非導磁內護罩和鐵軛，定子的繞組線圈設有絕緣外敷層，密封插件與不旋轉本體插孔密封配合接入繞組線圈。本實用新型的旋轉磁場式井下發電裝置的技術效果是該裝置採用安裝於定子和轉子兩端的軸承在旋轉中進行支撐與扶正，並以繞組線圈外塗敷絕緣外敷層的方法進行隔離，使得定子與轉子之間不再有機械間隙配合，降低了泥漿中的沙粒對轉子和定子的磨損並減少砂卡現象，工作穩定。同時該裝置的轉子和定子都浸泡在泥漿中，各軸承採用滑動軸承，以泥漿為潤滑介質，工作可靠性高，同時泥漿經定子泥漿通道高速流過定子、轉子間隙的泥漿，可以帶走發電裝置的熱量，防止發電裝置過熱，發電裝置的轉子與定子之間無切割磁力線的金屬隔離，因此無渦流損耗；定子、轉子間氣隙較小，發電裝置效率較高，功率可達 Ikff以上。渦輪轉子與永磁體組合，形成旋轉磁場；將導流定子、繞組線圈與不旋轉本體固聯，與用電系統之間可以採用多種形式的聯接方式；不旋轉本體中心通孔可供其他用電系統做通信通道。發電裝置整體為一模塊，可與用電系統方便聯接。

圖1是旋轉磁場式井下發電裝置的示意圖。圖中，1.不旋轉本體2.定子壓帽 3.導流定子4.定子泥漿通道 5.滑環 6.轉子上軸承 7.徑向軸承 8.渦輪轉子 9.鐵軛10.永久磁鐵11.非導磁內護罩12.泥漿通道13.絕緣外敷層14.轉子下軸承15.本體軸承 16.密封插針17.調整環 18.內孔19.疊鋼片20.繞組線圈21.電源引線。
具體實施方式
參照圖1所示，旋轉磁場式井下發電裝置主要包括不旋轉本體1，導流定子3，滑環 5，轉子上軸承6，徑向軸承，渦輪轉子8，鐵軛9，永久磁鐵10，非導磁內護罩11，絕緣外敷層 13，轉子下軸承14，本體軸承15，疊鋼片19，繞組線圈20。不旋轉本體1是整個發電裝置的安裝基礎，發電裝置所有部件均安裝在不旋轉本體1上，同時不旋轉本體1用於發電裝置與用電系統的連接。不旋轉本體1上沿軸向從內到外依次安裝各部件，最內側安裝本體軸承15，然後疊鋼片19和繞組線圈20，然後是調整環17、徑向軸承7和導流定子3，最後以定子壓帽2將各部件軸向壓緊，軸向壓緊之後，封固絕緣外敷層13，將繞組線圈20與外部環境隔離密封。渦輪轉子8上部安裝有轉子上軸承6，與導流定子3上安裝的滑環5構成軸向軸承副；同時轉子上軸承6與不旋轉本體1上安裝的徑向軸承7形成徑向軸承副。渦輪轉子 8下端與鐵軛9固聯，鐵軛9內部裝有永久磁鐵10，在永久磁鐵10內部安裝有保護磁鐵的非導磁內護罩11 ；鐵軛9下端安裝有轉子下軸承14，與不旋轉本體1上安裝的本體軸承15 形成徑向滑動軸承副和軸向推力軸承副。泥漿導流定子3上加工有定子泥漿通道4，並與轉子上軸承6和徑向軸承7之間的通道，定子與轉子之間的泥漿通道12，和轉子下軸承14與本體軸承15之間的通道，形成較小的泥漿流道，泥漿大部分流過導流定子3推動渦輪轉子8發電，少量泥漿流經上述泥漿流動為繞組線圈20降溫，潤滑各滑動軸承副，並防止砂粒停留。滑環5採用過盈配合加粘接膠與導流定子3固接，形成一個穩定的上部限位，在井下振動和衝擊強烈的時候，與轉子上軸承6接觸，形成滑動軸承，防止導流定子3與渦輪轉子8直接接觸。不旋轉本體1上可開有內孔18，繞組線圈20通過安裝在不旋轉本體1上的密封插針16將電力通過電源引線21輸出，引入到內孔18，內孔18可加工成盲孔，用以直接引出電力，也可以在軸線上沿軸向加工成階梯型通孔，當發電機為井下系統供電時，內孔18可以作為穿越發電機的上下信號通道。本實用新型的工作過程是在鑽進過程中，具有一定排量和壓力的泥漿通過裝置， 小部分泥漿通過定子泥漿通道，流經轉子上軸承與徑向軸承形成的軸承副，然後流經泥漿通道，經過轉子下軸承與本體軸承形成的軸承副流出，完成潤滑及降溫功能；大部分泥漿流經導流定子，推動渦輪轉子旋轉，形成旋轉磁場，繞組線圈切割磁力線，產生電能，通過電源引線輸出。
權利要求1.一種旋轉磁場式井下發電裝置，包括渦輪轉子(8)與永久磁鐵(10)組合的轉子，不旋轉本體(1)與繞組線圈(20)、疊鋼片(19)組合的定子，以及密封插件，其特徵在於所述定子為不旋轉本體(1)下端外部設內外兩級階梯凸沿，其內凸沿與上部的調整環(17)之間形成環形槽，環形槽內套裝疊鋼片(19)和繞組線圈(20)，不旋轉本體(1)徑向設有與其內孔(18)貫通的插孔；所述轉子為永久磁鐵(10)套在繞組線圈(20)外，上部連接渦輪轉子 (8)；渦輪轉子(8)與調整環(17)之間通過轉子上軸承(6)與徑向軸承(7)對接，永久磁鐵 (10)與不旋轉本體(1)的外凸沿通過轉子下軸承(14)與本體軸承(15)對接，轉子上軸承 (6)與徑向軸承(7)由定子壓帽(2)與不旋轉本體(1)固聯後對接配合。
2.根據權利要求1所述的旋轉磁場式井下發電裝置，其特徵在於在定子壓帽(2)與轉子上軸承(6)和徑向軸承(7)之間增設導流定子(3)，導流定子(3)設有與渦輪轉子(8)相同的外流道，導流定子(3)上設有定子泥漿通道(4)，定子與轉子之間的預留泥漿通道(12)， 泥漿通道(4)與轉子上軸承(6)和徑向軸承(7)之間的間隙、定子與轉子之間的泥漿通道(12)和轉子下軸承(14)與本體軸承(15)之間的間隙構成泥漿流道。
3.根據權利要求2所述的旋轉磁場式井下發電裝置，其特徵在於在導流定子(3)與轉子上軸承(6)的結合部設有滑環(5)。
4.如權利要求1或2所述的旋轉磁場式井下發電裝置，其特徵在於轉子的永久磁鐵 (10)內外分別裝有非導磁內護罩(11)和鐵軛(9)，定子的繞組線圈(20)外帶有絕緣外敷層(13)，密封插件(16)與不旋轉本體(1)插孔密封配合接入繞組線圈。
專利摘要本實用新型公開了一種旋轉磁場式井下發電裝置，其導流定子、繞組線圈與不旋轉本體固聯，渦輪轉子與永久磁鐵組合形成旋轉磁場，永久磁鐵內部安裝有非導磁內護罩；繞組線圈外帶有絕緣外敷層。定子與轉子之間各軸承採用滑動軸承，並具有較小的泥漿流道；不旋轉本體中心可打通孔，以供其他用電系統做通信通道。該井下發電裝置線圈系等採用靜態密封，且工作過程中相對於本體為靜態，工作穩定、可靠性高；轉子與定子之間無切割磁力線的金屬隔離，渦流損失小；以流經泥漿通道的泥漿為潤滑介質，防止發電裝置過熱，保證了發電裝置的大功率輸出；與用電系統之間可以採用多種聯接方式，使用靈活方便。
文檔編號F03B13/02GK202220711SQ201120320948
公開日2012年5月16日 申請日期2011年8月30日 優先權日2011年8月30日
發明者劉慶龍, 呂振華, 孫峰, 徐鳳玲, 王義峰, 陳威 申請人:中國石化集團勝利石油管理局鑽井工藝研究院, 中國石油化工股份有限公司