井下外磁轉子式渦輪發(fā)電機設計與試驗研究

陳 威

(1.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東青島 266580；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017)

井下外磁轉子式渦輪發(fā)電機設計與試驗研究

陳 威1,2

(1.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東青島 266580；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017)

為了滿足自動垂直鉆井系統(tǒng)渦輪發(fā)電機壽命及功率需求，采用理論計算方法和仿真分析方法確定井下外磁轉子式渦輪發(fā)電機電氣參數(shù)，建立仿真分析模型，進行電磁場、場路耦合以及溫度場分析，對發(fā)電機電磁特性、損耗以及溫度變化進行數(shù)值模擬。理論計算和數(shù)值模擬結果表明，發(fā)電機輸出功率達到設計額定功率800 W，在額定轉速下的最大功率輸出時定子穩(wěn)態(tài)溫升23 ℃。利用現(xiàn)場試驗對理論計算與仿真數(shù)據(jù)以及發(fā)電機壽命進行驗證，試驗結果為額定轉速下最大輸出功率1 000 W，穩(wěn)態(tài)定子溫升20.5 ℃，仿真與試驗數(shù)據(jù)基本吻合，發(fā)電機運行320 h后仍能正常工作。研究表明，井下外磁轉子式渦輪發(fā)電機功率輸出性能達到設計目標，可以為井下各類儀器設備用電源提供技術保障。

自動垂直鉆井系統(tǒng) 井下渦輪發(fā)電機 電磁場 溫度場

穩(wěn)定平臺是自動垂直鉆井系統(tǒng)的核心[1-8]，其電力由井下渦輪發(fā)電機提供。穩(wěn)定平臺渦輪發(fā)電機采用渦輪直驅的結構，其定子、轉子的結構采用常規(guī)渦輪發(fā)電機形式，渦輪動力由傳動軸直接傳遞到發(fā)電機轉子，通過傳動軸上安裝的旋轉密封系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)電機內部與外部鉆井液的隔離，其缺點是旋轉密封系統(tǒng)破壞會導致鉆井液進入發(fā)電機系統(tǒng)，造成整個發(fā)電機破壞，使穩(wěn)定平臺失去電力供應?，F(xiàn)場應用表明，渦輪發(fā)電機旋轉密封系統(tǒng)是影響整個穩(wěn)定平臺壽命的關鍵部位，其壽命在穩(wěn)定平臺所有部件中最短，因此渦輪發(fā)電機是提高穩(wěn)定平臺乃至自動垂直鉆井系統(tǒng)壽命的關鍵。

1 外磁轉子式渦輪發(fā)電機的結構及原理

目前，國內外多家公司推出了井下磁耦合渦輪發(fā)電機。渦輪動力輸入發(fā)電模塊的方式是影響或決定井下渦輪發(fā)電機結構形式的關鍵因素之一。渦輪與發(fā)電機旋轉軸之間的動力傳輸有硬連接和非接觸式連接等方式。傳統(tǒng)磁耦合渦輪發(fā)電機結構包括渦輪葉片、磁耦合器、發(fā)電機定子和轉子等部件(見圖1)[9-11]。

磁耦合渦輪發(fā)電機工作時，鉆井液驅動渦輪旋轉，帶動磁耦合器外磁體旋轉，同時帶動隔離套內部的內磁體旋轉[12-13]；內磁體與發(fā)電機轉子固連，驅動發(fā)電機轉子在定子內部旋轉并產生交變磁場，從而實現(xiàn)發(fā)電。磁耦合器由內、外2個永磁體及內、外磁體轉子間的隔離套等構件組成，為非接觸式動力傳輸單元，其傳動扭矩由磁體磁力及隔離套材質決定，井下使用時隔離套多采用金屬材質，以達到抗壓要求，金屬隔離套渦流損耗是影響傳遞效率的主要因素。磁耦合器工作時輸出扭矩超過其最大扭矩后會產生滑脫或失步，導致發(fā)電機輸出電壓基本為0[14-15]，在井下環(huán)境中面臨大功率沖擊負載等不確定環(huán)境時，難以滿足需求。

針對渦輪發(fā)電機存在的問題,研制了井下外磁轉子式渦輪發(fā)電機(見圖2)，其采用渦輪直驅、轉子外置的結構形式[16]，無動密封需求；交變磁場中無金屬隔離系統(tǒng)，即無隔離系統(tǒng)渦流損耗，發(fā)電效率高；滿足自動垂直鉆井系統(tǒng)大功率和長壽命的要求。

外磁轉子式渦輪發(fā)電機可以代替自動垂直鉆井系統(tǒng)中帶旋轉密封的渦輪發(fā)電機進行工作。工作時，鉆井液驅動渦輪旋轉，帶動與其直接固連的發(fā)電機轉子旋轉，形成交變磁場；發(fā)電機定子位于發(fā)電機轉子內，安裝于不旋轉的軸上，利用絕緣覆層實現(xiàn)密封與耐磨隔離，產生電力通過引線孔的引線輸出；絕緣覆層采用陶瓷耐磨材料，外殼體內灌注高溫環(huán)氧樹脂，耐磨且可承受井下高壓。定、轉子系統(tǒng)通過滑動軸承實現(xiàn)動、靜隔離，滑動軸承副摩擦面鑲嵌PDC復合材料，耐磨性好且摩擦系數(shù)小；定子前端的入口孔可使部分鉆井液進入定子、轉子氣隙，潤滑滑動軸承，同時帶走定子的部分熱量,實現(xiàn)降溫目的，最終經(jīng)由出口孔陣列流出。與磁耦合渦輪發(fā)電機相比，外磁轉子式渦輪發(fā)電機的隔離套為非金屬不導電材料，因此隔離套沒有渦流損耗；渦輪的動力直接作用于發(fā)電機轉子，產生的沖擊負載不會導致發(fā)電機轉子滑脫或失步。

2 關鍵參數(shù)設計

外磁轉子式渦輪發(fā)電機(以下簡稱發(fā)電機)的功率和工作環(huán)境參數(shù)需滿足自動垂直鉆井系統(tǒng)的要求，前期室內和現(xiàn)場試驗表明，自動垂直鉆井系統(tǒng)穩(wěn)定平臺測控系統(tǒng)及力矩電機功率消耗約700 W，工作環(huán)境最高溫度為150 ℃，因此，確定發(fā)電機設計指標為：最高環(huán)境溫度150 ℃，最大外徑105.0 mm，額定轉速2 000 r/min；額定功率800 W，輸出電壓60～150 V，最大功率輸出定子穩(wěn)態(tài)溫升不大于50 ℃。

2.1 結構尺寸計算

發(fā)電機的主要尺寸包括定子電樞直徑和定子鐵芯的有效長度，其數(shù)學關系式為：

(1)

其中Kw=KdKp

(2)

(3)

2.2 磁參數(shù)設計

發(fā)電機選用離散Halbach陣列磁體結構，每極由ms塊磁體拼裝而成，其磁場分布受磁體數(shù)、極對數(shù)和磁體厚度等結構參數(shù)影響。定義磁體相對厚度系數(shù)α為：

(4)

式中：hpm為磁體厚度，m；δ為氣隙厚度，m。

發(fā)電機氣隙有鉆井液通過，具有潤滑及降溫作用，因此氣隙尺寸受結構限制，由結構確定。氣隙越大，磁場強度越小，功率密度越小，輸出功率相同時的銅耗增大，效率減??；但氣隙太小，不利于流體通過，需要根據(jù)結構折中考慮。

2.3 繞組參數(shù)設計

發(fā)電機額定功率PN與其額定電壓和額定電流之間的關系式為：

(5)

式中：UN為發(fā)電機額定電壓，V；IN為發(fā)電機額定電流，A；cosφ為發(fā)電機額定功率因數(shù)，取0.8。

發(fā)電機三相輸出電壓的計算式為：

(6)

式中：UE為發(fā)電機帶載后的相端電壓，V；ω為角速度，rad/s。

考慮電壓調整率的影響，輸出端電壓經(jīng)不控整流后的直流電壓記為Ud，其計算式為：

Ud=ζUE

(7)

式中：ζ為電壓調整系數(shù)，ζ=2.34～2.45。

當Ud=60 V時，取ζ=2.34，則，UE=25.6 V。

發(fā)電機額定電流IN的計算式為：

(8)

預估每極磁通Φ′的計算式為：

(9)

(10)

(11)

式中：ΔUN為電壓調整率， 取15%；KNm為氣隙磁場波形系數(shù)；f為發(fā)電機的額定頻率，由額定轉速及極對數(shù)計算，Hz；N為發(fā)電機每相串聯(lián)匝數(shù)；Kw為基波繞組系數(shù)。

由式(10)可得每相串聯(lián)匝數(shù)為：

(12)

根據(jù)額定電流可以確定繞組導線直徑，即導線截面積為：

(13)

式中：Sd為每根銅裸導線的面積，m2；Ja為發(fā)電機電流密度，A/m2，為保證可靠性一般取5 A/m2；n為并繞導線根數(shù)；a為繞組并聯(lián)支路數(shù)。

3 性能仿真

3.1 電磁場仿真

在Ansoft/Maxwell 2D中建立發(fā)電機電磁仿真模型，并對其進行空載分析，空載磁場分布云圖見圖3。發(fā)電機定子軛部最高磁通密度未達到定子鐵芯材料的飽和值(鐵芯材料采用DW310時，該值為1.8 T)。發(fā)電機在2 000 r/min時的空載三相繞組相反電動勢如圖4所示。永磁體在發(fā)電機的定子繞組中產生的反電動勢為對稱的三相正弦波。

3.2 磁損耗場路耦合仿真

采用場路瞬態(tài)耦合分析方法分析發(fā)電機特性和計算損耗，搭建有限元仿真模型和三相不控整流電路，然后通過耦合鏈接模塊進行場-路瞬態(tài)耦合仿真(見圖5)。仿真中永磁發(fā)電機經(jīng)三相不控整流橋及濾波后接阻感負載，分析發(fā)電機電磁損耗。

根據(jù)設計指標確定仿真分析參數(shù)，發(fā)電機設計環(huán)境溫度最高為150 ℃，以此作為電磁場-溫度場雙向迭代耦合分析的初始溫度，在該溫度條件下仿真分析發(fā)電機的空載損耗和額定負載損耗,結果見表1。空載時主要損耗為定子鐵芯損耗，當處于額定負載時，繞組通電產生銅耗，并帶來電樞反應，使得轉子及磁體保護套等渦流損耗顯著增加，定子鐵損略微減小。

3.3 發(fā)電機溫度場仿真

建立循環(huán)后，大部分鉆井液推動渦輪葉片旋轉，小部分通過入口孔經(jīng)滑動軸承進入發(fā)電機氣隙，經(jīng)由下端軸承處流出。定子外表面鉆井液對流傳熱系數(shù)隨著排量的增大而增大，而轉子的轉速對此處鉆井液的傳熱效率有直接的影響，因為黏性摩擦損耗會隨著轉速的增大而顯著增大，使得流體溫度升高，導致對流傳熱能力減弱。氣隙中鉆井液黏性摩擦損耗功率計算式為：

(14)

式中：P為氣隙中鉆井液黏性摩擦損耗功率，W；l為氣隙軸向長度，m；r1為轉子半徑，m；Cf為摩擦系數(shù)；kl為表面粗糙度系數(shù)；ρ為鉆井液密度，kg/m3。

由式(14)可知，在轉子旋轉速度變化時，定子、轉子氣隙流體的黏性摩擦損耗與轉子轉速的三次方呈正比，且隨著渦輪排量的增大而增大?？紤]黏性摩擦損耗時，氣隙流體的對流傳熱系數(shù)隨排量和轉速的變化如圖6所示。由圖6可知，對于某一排量，當轉子轉速為2 000 r/min時對流傳熱系數(shù)達到最大值。

建立發(fā)電機溫度場仿真分析模型，對發(fā)電機溫度分布進行分析，設計環(huán)境溫度150 ℃，轉子額定轉速2 000 r/min時，按最大功率(超出額定功率)輸出進行溫升仿真分析，結果如圖7所示。由圖7可知，由于定子繞組周圍為導熱率低的絕緣體，阻礙了繞組損耗所產生的熱量傳遞，最大溫升23.0 ℃，出現(xiàn)在定子鐵芯位置。

以上研究表明，額定轉速下，發(fā)電機定子鐵芯磁場強度為飽和值的78%，空載三相反電動勢波形為平滑三相正弦波；場路耦合分析表明，發(fā)電機在額定功率輸出情況下的自身總損耗達54.42 W，發(fā)電機效率為94%，超過了理論計算的預設值，發(fā)電機實際功率輸出將會超過額定功率的預設值。當通過渦輪系統(tǒng)輸入發(fā)電機的功率一定的情況下，除發(fā)電機電磁損耗外，氣隙內鉆井液會降低發(fā)電機實際輸出功率，但氣隙內鉆井液排量及性能參數(shù)對定子表面對流傳熱系數(shù)影響較大，為保證最大降溫效果，發(fā)電機應于額定轉速范圍附近工作。

4 試驗分析

在勝利油田某井進行了發(fā)電機試驗系統(tǒng)現(xiàn)場測試。將發(fā)電機懸掛短節(jié)安裝于旋塞與鉆桿之間，發(fā)電機動力經(jīng)由發(fā)電機懸掛短節(jié)側面輸出。發(fā)電機定子繞組內預置溫度傳感器，以可變三相電阻為發(fā)電機負載，連接三相功率質量分析儀和示波器監(jiān)測電壓和電流輸出。測試某一排量下的發(fā)電機功率輸出能力、發(fā)電機壽命以及發(fā)電機最大功率輸出時的定子溫升。

建立鉆井液循環(huán)，排量28 L/s，密度1.05 kg/L。對發(fā)電機進行不間斷流體測試，通過負載調整，使發(fā)電機在轉速2 061 r/min時整流輸出電壓102 V，電流10.5 A，輸出功率1 066 W，達到最大輸出功率；長時間運轉，試驗總運行時間約320 h。定子最終穩(wěn)定溫升為20.5 ℃，與仿真數(shù)值基本吻合(見圖8)。試驗電壓及溫升數(shù)據(jù)均略低于仿真數(shù)據(jù)，但其一致性吻合較好。試驗后對發(fā)電機進行拆檢，隔離套無沖蝕，滑動軸承副磨損量極小，與試驗前相比，軸承配合間隙變化小于0.02 mm。

5 結 論

1) 根據(jù)自動垂直鉆井系統(tǒng)需求提出了外磁轉子式渦輪發(fā)電機設計方案，磁場、流體及溫度耦合場等多物理場的仿真結果對發(fā)電機性能的預測準確性高；現(xiàn)場試驗也證明仿真數(shù)據(jù)與設計數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)吻合度較高，該設計、仿真方法可縮短發(fā)電機設計周期。

2)外磁轉子式渦輪發(fā)電機采用永磁體轉子外置、線圈系內置的結構，定子、轉子采用相對獨立的靜密封結構，解決了井下環(huán)境旋轉驅動力傳輸時的密封與隔離問題，輸出功率高；降溫與潤滑通道可有效降低定子溫升并潤滑軸承，保證發(fā)電機壽命。改變外磁轉子式渦輪發(fā)電機外徑、定子長度等參數(shù)，可實現(xiàn)相似結構下發(fā)電機不同功率需求系列化設計。

3) 鉆井液排量和性能及轉子轉速決定定子外表面對流傳熱系數(shù)，最終直接影響定子工作狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)溫升，需進一步研究不同性能鉆井液對定子外表面對流傳熱系數(shù)的影響。

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[編輯 滕春鳴]

Design and Experimental Research on the Downhole Turbine Generator with an Outer Magnetic Rotor

Chen Wei1,2

(1.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong，266580,China；2.DrillingTechnologyResearchInstitute,SinopecShengliOilfieldServiceCorporation,Dongying,Shandong,257017,China)

A design and experimental research on downhole outer magnetic rotor turbine alternator was proposed to fulfill the life and power requirements of the turbine alternator in the vertical drilling system.The electrical parameters of the alternator were designed by theoretical and simulation methods,a simulation model was built to carry out electromagnetic field,field-circuit coupling and thermal field simulation,the electromagnetic characteristics,loss and temperature increments data were gained by simulation.The analysis result showed that the power output the alternator reached design targets(800 W),and the maximum stable state tempreture increments at maximum power output were 23 ℃.Then a field experiment was carried out to verify the theoretical calculation and simulation.During the experiment,the stable maximum power output reached 1 000 W,stable state tempreture increments were 20.5 ℃,after 320 h field experiment,the alternator worked normally.The research and experiment shows that the performance of downhole outer magnetic rotor turbine alternator reaches design targets,and it might be a solution to power requirements of vertical drilling system and other downhole instruments.

automatic vertical drilling system； downhole turbine alternator； electromagnetic field； thermal field

2015-04-16；改回日期：2015-10-28。

陳威(1980—)，男，安徽固鎮(zhèn)人，2002年畢業(yè)于石油大學(華東)機械設計及制造專業(yè)，2005年獲中國石油大學(華東)機械電子工程專業(yè)碩士學位，高級工程師，主要從事隨鉆測控技術井下控制與工具相關研究。

國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)項目“自動垂直鉆井系統(tǒng)工程樣機研制”(編號：2009AA093501)部分研究內容。

?鉆采機械?

10.11911/syztjs.201506021

TE924

A

1001-0890(2015)06-0114-06

聯(lián)系方式：(0546)8771808，15954666110@126.com。