专利名称：一种井下涡轮发电机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种涡轮发电机，尤其涉及一种井下涡轮发电机。
背景技术：
在石油钻井作业中，随钻测量、随钻测井及旋转导向等工具已经广泛应 用于定向井、分支井及水平井的施工。现有的随钻测量、随钻测井及^t转导
向工具仪器等普遍采用电池供电，电池寿命一般为400小时左右。由于电池 的寿命有限，而且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，工作中大量 废旧电池的产生也不利于环境保护。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，提供一种井下发电装置，可将钻井液 如泥浆的动能转化为电能，为随钻测量、随钻测井及旋转导向等相关井下仪 器供电。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种井下涡轮发电机，包括 一机体、 一动能转换装置、 一传动装置和一发电装置，其中
所述机体由一个或多个固定连接的套筒组成；
所述动能转换装置包括固定安装在所述机体外周上的具有螺旋状叶片
的导流机构，以及通过轴承安装在所述机体外周上且在该导流;〖几构一侧的涡 轮转子；
所述传动装置包括安装在所述机体内部的传动轴，连接在该传动轴和所
述涡轮转子之间的第 一扭矩转递机构、以及连接在该传动轴和所述发电装置
转子之间的第二扭矩传递机构；
所述发电装置的定子固定安装在所述机体上，其转子通过第二扭矩传递 机构与所述传动轴耦合。
所述井下涡轮发电机中，所述导流机构包括导流叶轮。所述导流叶轮的 叶片数为4个叶片，叶片螺旋角为70。，叶轮外径为103mm。对应地，所述 涡轮转子的叶片数量为7个叶片，螺旋角为38°,叶片外径为102mm。
所述井下涡轮发电机中，所述第一扭矩传递机构包括磁离合机构所述 导流叶轮和所述涡轮转子是中空的，在所述涡轮转子的空腔内侧壁上镶嵌有 第 一磁钢，所述传动轴的表面上与所述涡轮转子上的第 一石兹钢相对应的位 置，也镶嵌有长度相应的第二磁钢。
所述井下涡轮发电机中，所述第二扭矩传递机构包括变速器。进一步地， 所述变速器包括齿轮变速器。更进一步地，所述齿轮变速器的变速比为1: 2。
所述井下涡轮发电机，进一步包括整流稳压电源模块，通过导线与所述 定子线圈连接。
采用本实用新型所述的井下涡轮发电机为井下工具仪器供电，不需要起 钻更换电池，提高了钻井作业效率；还可以对耗电较高的工具仪器供电，解 决了这类工具仪器供电困难的问题；另外，由于避免在工作中使用电池，因 而也利于保护环境。
附困说明
图1是本实用新型实施例示意图2是本实用新型实施例动能转换装置放大图3是本实用新型实施例发电装置放大图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细说明。
本实用新型井下涡轮发电机，是一种将机械动能转化为电能的设备，如 图l所示，本实用新型通过固定基座15及钻铤中的各种固定用台阶结构，
安装在钻铤l内部，包括如下装置
机体，由一个或多个固定连接的套筒组成，用以为其他装置提供支撑。
如图2所示，将第一套筒16的一端以嵌入的方式螺接在固定基座15上， 而将第二套筒19螺接在第一套筒16另一端的外周。通过这种方式为其他装 置提供支撑。
动能转换装置，包括固定安装在机体外周上的具有螺旋状叶片的导流机 构，以及通过轴承安装在机体外周上且在该导流机构一侧的涡轮转子，该涡
轮转子上也有螺旋状的叶片。该动能转换装置用以把通过井筒打入的钻井液 的流动方向改变成螺旋流动，使得钻井液沖击涡轮转子转动。
图2中导流叶轮7螺接在第二套筒19的外周上，在导流叶轮7的一侧 有涡轮转子3，涡轮转子3通过第一轴承2和第二轴承17,连接在第一套筒 16的外周上，且涡轮转子3中间的管状部分内壁，与第一套筒16的外壁， 有一定的间隙。从钻井液流经钻铤1的流动方向来看，是先流经导流叶轮7， 再流经涡轮转子3的。
传动装置，包括安装在机体内部的传动轴，连接在该传动轴和涡轮转子 之间的第一扭矩转递机构、以及连接在该传动轴和发电装置转子之间的第二 扭矩传递纟几构；
图2中，涡轮转子3的管状部分内壁上，镶嵌有永磁体第一磁钢4。第 一套筒16和第二套筒19是管状的，其中是与二者都有一定间隙的传动轴6。 传动轴6套在第一套筒16中与涡轮转子3相重合的部分，外表面上也镶嵌 有永磁体第二磁钢5。这样，涡轮转子3和传动轴6形成的磁离合机构，构 成了第一扭矩转递机构，可以将涡轮转子3的转动，传递给传动轴6。由于 磁离合的作用，涡轮转子3和传动轴6之间不会出现丟转，即传动轴6以与 涡轮转子3同样的速度进行转动。
传动轴6又通过第二扭矩传递机构，将转动传递给发电装置。同时考虑
为了获得较合适的发电量，第二扭矩传递机构可以通过设计为一个转速调节 结构来实现扭矩传递，比如变速器。本实用新型实施例，以齿轮变速器为例
进行说明。
图1中，通过螺接在第二套筒19的内壁，齿轮变速器8与固定 基座15形成固定连接。
发电装置，其定子固定安装在机体上，其转子通过第二扭矩传递机构与 传动轴耦合。
如图3所示，经过齿轮变速器8的转速调节之后，传动轴6的转动传递 给发电机磁轴9。通过第三轴承13和第四轴承20，发电机磁轴9安装在发 电机定子外套ll的空腔内，与发电机定子外套ll留有一定的间隙。发电机 磁轴9上镶嵌有永磁体第三磁钢12,构成本实用新型的转子。在发电机定 子外套11的空腔内侧壁上，根据第三磁钢12的长度，相应地绕有发电机定 子线圈10,构成了本实用新型的定子。发电机定子外套ll通过齿轮变速器 8,与机体固定。
当有钻井液如泥浆进入钻铤1中时，本实用新型的工作过程如下钻井 液经过导流叶轮7改变流动方向，然后沖击涡轮转子3，在第一扭矩转递机 构的作用下，传动轴6转动，通过第二扭矩传递机构，使得磁轴9转动。在 发电机磁轴9的转动下，发电机定子线圈IO就可产生交流电。
通过与定子线圈IO连接的导线，发电装置产生的交流电传输到整流稳 压电源模块14,经过整流稳压电源模块14进行整流稳压之后，输出稳定的 直流电，为井下工具仪器供电。
导流叶轮7以及涡轮转子3上的叶片数量和叶片螺旋角角度可以根据不 同钻井排量而设计，以满足不同钻井工况的需求。
涡轮转子3和传动轴6形成的磁离合机构，除了将涡轮转子3的转动传 递给了传动轴6,而且还保证了发电机磁轴和发电机定子线圈在一个静密封 的腔体环境中工作，减少了产生泥浆泄漏情况出现的几率。
齿轮变速器8的转速比，可根据具体情况进行选择，比如在不提高涡轮 转速的条件下，可以通过齿轮变速器8提高发电机磁轴的转速，从而提高发 电机的发电量。另外传动轴6和发电机磁轴9是中空的，其内部分别还有一根用来走线 用管道18和管道21,管道18和管道21中容纳有导线22,供井下相关设备 使用。
以下结合本实用新型的一个具体应用，对本实用新型进行更进一步的说明。
在某钻井现场，本实用新型在8-1/2英寸井眼内工作，钻铤中的泥浆正 常排量范围为1400升/分钟~ 2500升/分钟，高速泥浆经导流叶轮7作用后 改变流动方向，推动涡轮转子3的叶片，带动涡轮转子3转动，在上述泥浆 正常排量情况下，涡轮转子3的转速约为1500转/分钟~ 4500转/分钟。选 择导流叶轮7的叶片数为4个叶片，叶片螺旋角为70。，叶轮外径为103mm; 涡轮转子3的叶片数量为7个叶片，螺旋角为38°，叶片外径为102mm。导 流叶轮7和涡轮转子3这些参数的选定，既可以满足发电功率的需要，导流 叶轮7和涡轮转子3又可以获得较长的使用寿命周期。齿轮变速器8根据涡 轮转子3的转速，选择转速比为1: 2的类型，当然，变速器8根据具体的 应用环境，可以选用其他转速比的齿轮变速器，甚至还可以根据具体应用环 境，选用其他类型的变速器。传动轴6通过该齿轮变速器进行增速，驱动发 电机磁轴9及镶嵌在其上的第三磁钢12以2倍于传动轴6的速度旋转进行 发电。
本实用新型安装在钻铤中，可以适应不同钻井直径的各种排量，只要钻 井中钻井液正常循环，就会产生足够的电能供井下仪器使用。本实用新型可 以和电池配合使用，当钻柱中的泥浆或其他钻井液不循环，比如说随钻测井 仪器起钻进行测井作业时，发电机不能进行发电工作，此时可以转换成电池 供电方式，因此可实用于各种钻井作业工况。本实用新型除了可以和电池配 合使用外，还可以多个发电机在钻铤中进行串联组合，增加发电量，以满足 不同钻井工况及井下仪器供电的要求。
本实用新型的结构，是以涡轮转子和第二扭矩传递机构分别分布在导流 叶轮两侧的情况为例进行说明的。在此基础上的变形或变换，均应属于本实 用新型的保护范围之内。比如，将涡轮转子、第二扭矩传递机构、以及发电 装置均分布在导流叶轮的一侧。当然，这种设计也只是对本实用新型的一种
具体实现。
权利要求1、一种井下涡轮发电机，其特征在于，包括一机体、一动能转换装置、一传动装置和一发电装置，其中所述机体由一个或多个固定连接的套筒组成；所述动能转换装置包括固定安装在所述机体外周上的具有螺旋状叶片的导流机构，以及通过轴承安装在所述机体外周上且在该导流机构一侧的涡轮转子；所述传动装置包括安装在所述机体内部的传动轴，连接在该传动轴和所述涡轮转子之间的第一扭矩转递机构、以及连接在该传动轴和所述发电装置转子之间的第二扭矩传递机构；所述发电装置的定子固定安装在所述机体上，其转子通过第二扭矩传递机构与所述传动轴耦合。
2、 如权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述导流机构包括导流 叶轮。
3、 如权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述导流叶轮的叶片数 为4个叶片，叶片螺旋角为70°,叶轮外径为103mm。
4、 如权利要求3所述的发电机，其特征在于，所述涡轮转子的叶片数 量为7个叶片，螺旋角为38°，叶片外径为102mm。
5、 如权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述第一扭矩传递机构 包括磁离合机构所述导流叶轮和所述涡轮转子是中空的，在所述涡轮转子 的空腔内侧壁上镶嵌有第一磁钢，所述传动轴的表面上与所述涡轮转子上的 第一磁钢相对应的位置.，也镶嵌有长度相应的第二磁钢。
6、 如权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述第二扭矩传递机构 包括变速器。
7、 如权利要求6所述的发电机，其特征在于，所述变速器包括齿轮变 速器。
8、 如权利要求7所述的发电机，其特征在于，所述齿轮变速器的变速 比为1: 2。
9、 如权利要求1所述的发电机，其特征在于，进一步包括整流稳压电 源模块，通过导线与所述定子线圈连接。
10、 如权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述传动轴和磁轴是中 空的。
专利摘要本实用新型公开了一种井下涡轮发电机，包括一机体、一动能转换装置、一传动装置和一发电装置。其中所述机体由一个或多个固定连接的套筒组成；所述动能转换装置包括固定安装在所述机体外周上的具有螺旋状叶片的导流机构，以及通过轴承安装在所述机体外周上且在该导流机构一侧的涡轮转子；所述传动装置包括安装在所述机体内部的传动轴，连接在该传动轴和所述涡轮转子之间的第一扭矩转递机构、以及连接在该传动轴和所述发电装置转子之间的第二扭矩传递机构；所述发电装置的定子固定安装在所述机体上，其转子通过第二扭矩传递机构与所述传动轴耦合。采用本实用新型发电机，不需要起钻更换电池，提高了钻井作业效率，也利于保护环境。
文档编号F03B3/18GK201013526SQ20072010371
公开日2008年1月30日 申请日期2007年3月1日 优先权日2007年3月1日
发明者兰洪波, 张玉霖, 王智明, 菅志军, 许朝辉, 贺麦红 申请人:中国海洋石油总公司