涡轮电流发生器

技术领域

本发明涉及一种涡轮电流发生器。

背景技术

本发明用于从移动的流体中提取能量以便直接或通过存储系统向测量系统、传感器和/或类似的电气装置/电子装置供电的领域。

因此，本发明的目的既适合于在石油领域中使用，特别是关于油田的开采和勘探，也适合于在设想流体移动的任何其他领域中使用，比如举例来说在高架渠中、在也可能处于压力下的流体分配系统中。

众所周知，存在用于从环境中常用的来源中回收电能的各种过程和装置。这种装置的一个示例可以在涡轮和/或叶轮中找到，所述涡轮和/或叶轮用于将移动的流体所具有的动能转换成电能。

从文献CN201902238U中已知一种电流发生器，该电流发生器提供了在管道内流动的流体中浸没的叶轮。

参考文献CN107575334，描述了一种电流发生器，该电流发生器被容纳在管道外部，在该管道中有流体流动，从该管道中提取要转换成电能的能量。每个电流发生器设置有一个或更多个叶轮，该一个或更多个叶轮位于浸没在流动流体中的参考管道内。每个叶轮借助于从内向外穿过管道的轴连接到相应的电流发生器。

文献US2014117669也描述和说明了电流发生器的不同解决方案，该电流发生器的主体和一些部件被容纳在参考管道的外部，而相关的叶轮布置在管道内，以便由在管道中流动的流体驱动运动。同样在这种情况下，每个叶轮的轴从内向外穿过相关的管道。

同样从文献CN201874727U中已知一种电流发生器的叶轮，该叶轮布置在流体穿过的管道内，并且该管道设置有从内向外穿过管道的轴。

参考文献GB201218534，已知一种电流发生器，该电流发生器提供了串联布置在其中有流体流动的管道内部的一个或更多个叶轮。用于将动能/机械能转换成电能的部件也布置在管道内部或集成到管道中。事实上，电流发生器的一些基本部件安装在叶轮的转子上，而其他部件则布置在对应的定子上，这些定子将叶轮封闭在对应的管道内部。

尽管已知的电流发生器提出了用于将在管道内移动的流体所具有的动能/机械能转换成电能的不同解决方案，但是，申请人发现，这些电流发生器并非没有一些缺点，并且可以在各个方面进行改进，主要涉及在高压(约700bar)和高温(约200℃)下抽取流体(其在截面减小(不超过20mm)的导管和管道内流动)的情况下使用电流发生器、涉及在装配电流发生器的点处的导管和管道整体密封、涉及在装配电流发生器的点处的导管和管道的整体尺寸、涉及电流发生器的整体尺寸。

具体地说，申请人发现，已知的电流发生器不太适合在以高压和高温为特征的环境中工作，比如在油田的开采和勘探期间人们必须正常工作的环境。

事实上，其电流发生器位于管道外部且其对应的叶轮布置在管道内部的所有已知解决方案在管道的壁的传动轴的交叉处都经受严重的密封问题，这在高压的情况下尤其严重。

此外，由于这些电流发生器在叶轮和位于管道外部的叶轮的主要零件之间需要合适的传动机构，所以它们特别笨重，从而也增加了管道的整体尺寸。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种能够解决现有技术中遇到的问题的电流发生器。

本发明的另一个目的是提供一种电流发生器，即使在高压(例如约700bar)以及高温(例如约200℃)的情况下，该电流发生器也适合于有效工作。

本发明还有一个目的是提供一种紧凑的电流发生器，该电流发生器可以容纳在管道内部，即使是小尺寸的管道，比如举例来说其截面不超过20mm的管道。

本发明的另一个目的是提供一种电流发生器，该电流发生器能够确保其所装配的管道的整体尺寸。

如以下权利要求中所表达和描述的，这些特定的目的和又进一步的目的基本上通过涡轮电流发生器来实现。

举例来说，现在报告根据本发明的涡轮电流发生器的优选但非唯一的实施例的描述。

附图说明

下文将参考附图进行此类描述，附图仅用于说明目的并且因此不是限制性的，其中：

图1是根据本发明的涡轮电流发生器的前视图；

图2是沿着图1的平面II-II截取的涡轮电流发生器的截面图；

图3是图1和图2的涡轮电流发生器的另一前视图；

图4是沿着图3的平面IV-IV截取的涡轮电流发生器的截面图；

图5是用于支撑图1至图4的发生器中存在的多个绕组的柔性层状结构的示意性透视图；

图6是图5的柔性层状结构的示意性横截面图，该柔性层状结构相对于图1至图4的发生器的中空支承柱体示出，以形成发生器的定子；

图7至图11是柔性层状结构的部分的示意性视图，其中可以看到图1至图4的发生器的绕组的一系列导电迹线。

具体实施方式

参考附图，数字1整体上表示根据本发明的涡轮电流发生器。

涡轮电流发生器是包括定子和转子的类型。

详细地说，电流发生器1包括中空的支承柱体2，该中空的支承柱体可以接合在用于输送流体的管道或导管内(未示出，因为这是已知的)，特别是源自油田的钻探和/或勘探的加压流体输送导管。

电流发生器1还包括中空的旋转柱体3，该中空旋转柱体可旋转地且同轴地接合在中空支承柱体2内并且限定用于流体的相应的输送柱形腔室4。

如图2和图4可见，中空支承柱体2和中空旋转柱体3至少部分地限定至少一个柱形间隙5，该柱形间隙形成在中空支承柱体2和中空旋转柱体3之间。

电动发生器1进一步包括磁性部件或电磁部件6，该磁性部件或电磁部件可操作地接合到中空支承柱体2和/或中空旋转柱体3，以当中空旋转柱体3在中空支承柱体2内旋转期间至少生成电流。

仍然参考图2和图4，电流发生器1设置有至少一个叶轮7，该至少一个叶轮沿着与中空旋转柱体3的纵向轴线X对齐的位置布置在该中空旋转柱体的输送柱形腔室4中。

根据图2和图4所示的实施例，电流发生器1设置有多个叶轮7，所述多个叶轮沿着与中空旋转柱体3的纵向轴线X对齐的位置布置在该中空旋转柱体的输送柱形腔室4中。

有利地，叶轮7接合在中空旋转柱体3内，以便在流体的作用下与中空旋转柱体一体地旋转，所述流体流过中空旋转柱体3的输送柱形腔室4并作用在每个叶轮7上。

详细地说，每个叶轮7通过相应的周边部分7a固定到中空旋转柱体3的内表面3a上，以便在由于流体在输送柱形腔室4中的输送而引起叶轮旋转时使中空柱体3旋转。

仍然参考图2和图4，涡轮电流发生器1包括至少一个流量整流器8，该至少一个流量整流器布置在中空旋转柱体3的输送柱形腔室4中，优选地，包括多个流量整流器8，其布置在中空旋转柱体3的输送柱形腔室4中。

叶轮7和整流器8交错设置，以便沿着中空旋转柱体3的纵向延伸方向交替。

涡轮电流发生器1进一步包括静态支撑轴9，该静态支撑轴在中空旋转柱体3的输送柱形腔室4内轴向延伸。

叶轮7可旋转地接合在静态支撑轴9上，以便与中空旋转柱体3一体地围绕该中空旋转柱体的纵向轴线X旋转。

替代地，每个流量整流器8固定在静态支撑轴9上，使得每个流量整流器与静态支撑轴一起相对于叶轮7和中空旋转柱体3保持静止。

如图2和图4可见，静态支撑轴9在其端部9a、9b处接合到第一支撑柄10和第二支撑柄11，该第一支撑柄和第二支撑柄分别限定中空旋转柱体3的输送柱形腔室4的入口4a和出口4b。

具体地，每个支撑柄10、11包括大致柱形的主体10a、11a，在该大致柱形的主体内，多个支撑件10b、11b径向延伸并且会聚在中心圆形座10c、11c中，静态支撑轴9的相关端部9a、9b插入到该中心圆形座中。

第一支撑柄10和第二支撑柄11的支撑件10b、11b与对应的输送开口10d、11d(图4)交错，前进的流体通过所述输送开口自由地进入输送柱形腔室4并且从该输送柱形腔室中离开。

如图2和图4可见，涡轮电流发生器1包括操作性地介于第一支撑柄11、中空支承柱体2和中空旋转柱体3之间的第一轴承12和操作性地介于第二支撑柄11、中空支承柱体2和中空旋转柱体3之间的第二轴承13。轴承12、13是这样一种类型，以确保柱形间隙5相对于中空旋转柱体3的输送柱形腔室4的绝缘，所述轴承部分地限定了该柱形间隙5。

具体参考前述的磁性部件或电磁部件6，第一磁性部件或电磁部件6a、优选多个第一磁性部件或第一电磁部件6a在柱形间隙5内例如通过胶合接合到、特别地固定到中空支承柱体2的内表面2a。

根据图5至图11所示的本发明的优选实施例，第一磁性部件或第一铁磁部件6a包括多个绕组6c(图5、7和8)，每个绕组具有大致扁平的结构。

详细地，每个绕组6c包括一系列导电迹线6d，所述导电迹线限定了层状的和柔性的印刷电路。

有利地，每个绕组6c的导电迹线6d基本上彼此平行延伸，具有大致正交的连接部分6e。

此外，每个绕组6c的导电迹线6d以集中的方式在至少两个叠加的平面或层上延伸。

优选地，每个绕组6c的导电迹线6d结合在柔性层状结构16中或由该柔性层状结构支撑，该柔性层状结构也可以采取柱形或半柱形构造。

有利地，支撑绕组6c的导电迹线6d的柔性层状结构16可以采用具有叠加的结构部分的卷绕构造或缠绕构造(图5和图6)。以这种方式，柔性层状结构对压力具有高度的机械强度并且大幅地简化了电动发生器1的组装步骤。

为了使绕组6c尤其是在结构的叠加部分处绝缘，适当地在绕组6c的导电迹线6d上涂覆至少一种绝缘漆，并且因此在柔性层状结构16的两个面上涂覆至少一种绝缘漆。

根据本发明的优选构造，每个绕组6c的导电迹线6d在柔性层状结构16的相应的结构扇区16a上被分组，该相应的结构扇区各自具有大致矩形的形状。

如图7和图8可见，柔性层状结构16的结构扇区16a沿着相应的长侧边16b并排布置。

根据该实施例，每个绕组6c从柔性层状结构16的相应的结构扇区16a的侧边中的一个(优选长侧边16b)延伸，所述绕组大致平行于该结构扇区16a的相应的周边从该结构扇区的外围16c朝向该结构扇区的中心区域16d延伸。

在柔性层状结构16的相应的结构扇区16a的中心区域16d处，相应的绕组6c从一个平面或一个层延伸到另一个平面或另一个层，在该另一个平面或另一个层中，所述绕组大致平行于相应的结构扇区16a的周边从相应的结构扇区16a的中心区域16d延伸到该相应的结构扇区的外围16c。

如图7和图8可见，柔性层状结构16的每个结构扇区16a的绕组6c通过对应的连接桥6f彼此串联地电连接或彼此并联地电连接。

参考图5和图7-11，柔性层状结构16包括大致扁平的至少一个电连接附件16e，用于将绕组6c连接到电动发生器1的至少另一个部件上的一个或更多个电连接迹线6g沿着所述电连接附件延伸。

根据本发明的优选解决方案，柔性层状结构16包括由绝缘材料制成的至少一个薄膜，举例来说能够在-269℃和400℃之间的温度范围内保持稳定的聚酰亚胺。

柔性层状结构16还具有上下两个铜层。

根据本发明的优选解决方案，聚酰亚胺层具有不小于17μm的厚度，而两个铜层各自具有不小于25μm的厚度。

最薄的柔性层状结构16具有不小于0.067mm的厚度。

有利地，柔性层状结构16沿着卷绕构造或缠绕构造(图5和6)定位在柱形间隙5中并且优选地通过胶合固定到中空支承柱体2的内表面2a上。

替代地，可以提供具有不同圆周的两个或更多个柔性层状结构16，所述柔性层状结构被固定，最宽的一个柔性层状结构被固定抵靠中空支承柱体2的内表面2a，宽度最小的一个柔性层状结构被固定抵靠最宽的一个柔性层状结构。

有利地，与柔性层状结构16一起构成发生器1的定子的中空支承柱体2由铁磁材料制成，该铁磁材料适于加工或烧结成与主磁钢相比具有低的饱和水平的简单形状，比如一些铁基的和镍基的磁性金属合金或具有高磁导率的金属合金。

替代地，中空支承柱体2也可以由塑料材料制成，以在涡轮的生产率特别低的情况下限制铁的损失。

第二磁性部件或第二电磁部件6b与中空旋转柱体3接合，以在第一磁性部件或第一电磁部件6a处面向柱形间隙5。

根据本发明的优选解决方案，第二磁性部件或第二铁磁部件6b包括多个永磁体，这些永磁体优选通过胶合固定在中空旋转柱体3的外表面3b上。

每个永磁体具有大致平行六面体的形状，其优选地具有矩形基部并且被容纳在中空旋转柱体3的外表面3b上获得的相应的座中。

每个永磁体有利地沿着其纵向延伸方向或轴向延伸方向被分割成多个部分，以便减少由于涡流造成的损失。

优选的是，永磁体由具有低热系数的材料制成，比如举例来说钐钴。

为了即使在中空旋转柱体3的高转速期间也能确保永磁体在该中空旋转柱体上的定位，可以提供具有柱形外表面的箍带或容纳结构(附图中未示出)。

替代地，为了使永磁体具有没有结构不连续性的整体柱形表面，可以应用能够使中空旋转柱体3和永磁体组件具有连续柱形外表面的树脂或类似材料，从而将间隙5中存在的任何流体对转子旋转的阻力降低到最小。

中空旋转柱体3充当由永磁体支撑的用于磁流量的流量引导件。

有利地，中空旋转柱体2由能够承受机械载荷和化学试剂的侵蚀的铁磁材料制成。

优选地，中空旋转柱体2由相对磁导率大于100的铁磁材料制成，以便为其容纳的永磁体提供足够的流动路径并且实现低的磁动势下降。

详细地说，中空旋转柱体2由不锈钢或例如镍合金制成，这种材料允许在厚度和磁饱和水平与合适的机械特性之间进行适当的折衷。

关于第一磁性部件6a和第二磁性部件6b的布置，应当考虑的是，对于本发明的目的，不排除以任何方式规定将永磁体施加到中空支承柱体2的内表面2a并且将绕组布置在中空旋转柱体3上，或者规定将相应的绕组施加到中空支承柱体2和中空旋转柱体3上。

根据本发明的有利方面，柱形间隙5相对于中空旋转柱体3的输送柱形腔室4是气密绝缘的并且至少部分地由介电流体(优选为介电油)占据。

如图2和图4可见，柱形间隙5包括至少一个连接通道14，该至少一个连接通道具有汇合在柱形间隙5中的第一连接端口14a以及在出口4b和第二支撑柄11处汇合在输送腔室4中的第二连接端口14b。

详细地，柱形间隙5设置有多个连接通道14，该多个连接通道各自具有第一连通端口14a和第二连通端口14b。

压力补偿装置15操作性地布置在每个连接通道14内。

具体地，每个补偿装置15包括至少一个补偿腔室15a，该至少一个补偿腔室与第一连接端口14a和第二连接端口14b之间的相应的连接通道14流体连通，并且该至少一个补偿腔室由至少一个补偿活塞15b操作性地占据。

每个补偿装置15被设计成随着中空旋转柱体3的输送柱形腔室4中的压力增加而减小柱体间隙5的整体体积。

以这种方式，每个补偿装置15保持柱形间隙5与中空旋转柱体3的输送柱形腔室4之间的压力差恒定，该压力差优选地在-1bar和+1bar之间，甚至更优选地大致等于0bar。

根据本发明的电流发生器解决了已知技术中观察到的问题并且实现了重要的优点。

首先，上述电流发生器即使在高压(例如约700bar)以及高温(例如约200℃)的情况下也适于有效地工作。

此外，上述涡轮电流发生器的结构性构造使发生器本身的整体尺寸显著减小，从而非常紧凑。

最后，应当考虑的是，上述发生器的结构性构造允许将其应用于其预期的管道和/或导管内部，从而避免通常由于机械体和/或传动装置穿过这些管道而导致的任何密封问题。