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ZTS电磁随钻测量系统小直径涡轮发电机设计

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ZTS 电磁 测量 系统 直径 涡轮 发电机 设计
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磁随钻测量系统小直径涡轮发电机设计吴翔 1,宋继伟 2(1,中国地质大学工程学院,湖北武汉 430074;2,贵州省地矿局,贵州贵阳 100011)摘要 采用欠平衡井开采中、低压油藏是现代石油工程的最新热点,电磁式随钻测量仪是为欠平衡井提供井下信息的最有效工具,俄罗斯 列电磁随钻测量系统(以下简称 统)就是在此前提下引进的,统吸收、研发工作的一项重点内容就是其附属井下电源——涡轮发电机的小直径化设计问题。文章在介绍 统涡轮发电机的工作原理的基础上,以 统使用的 发电机作为参考原型进行发电机的小直径化设计,通过计算比较,总结出涡轮发电机系统的设计方法,确定出小直径发电机合理的结构和水力参数。关键词 电磁随钻测量 涡轮发电机 涡轮 小直径 水力性能中图分类号: 文献标识码:引言自 20 世纪 90 年代得以充分发展的欠平衡钻井技术是旋转钻井的发展和继续,是钻井工作者经过长期实践针对中、低压油藏所采用的科学对策 [1]。国内外实践证明,开发低压低渗和裂缝孔洞性碳酸岩储层,欠平衡钻井是减小污染、提高采收率的有效途径。常规泥浆脉冲式 欠平衡井钻进测量工作中存在很大的缺陷,相比较而言,电磁波式随钻测量系统在这个领域中应用具有显著的优越性,统就是在此前提下引进的。统的吸收研发工作,不仅可以解决欠平衡井钻进测量问题,同时可以为其在小井眼钻井和固体矿床钻探领域寻找到巨大的推广应用空间。目前统的研究工作主要集中在两个方面:电磁信号传输特性的研究和井下仪器供电技术的研究。井下仪器系统的供电技术是电磁随钻测量技术的一个关键问题,在传统的石油钻井中,由于井眼直径较大,井下仪器采用大直径涡轮发电机在技术上是可行的,并在实际应用上已经实现大直径涡轮发电机长时间连续供电,但在小井眼钻井和固体矿床勘探中,由于涡轮发电机的输出性能与涡轮直径的减小成五次方关系衰减,因此,对系统的供电则很少采用涡轮发电机,一般是采用锂电池供电,但由于供电时间相对较短,对钻井工程产生一定制约,同时,频繁的更换电池与充电等,也造成应用繁琐等问题,因此,小直径涡轮发电机的研究开发已成为 统的重要课题。)为89次设计目的在于完成 75涡轮发电机结构和工作数据的确定。2 轮发电机工作原理井底涡轮发电机右端涡轮侧悬挂,左侧通过航空插头向井内仪器送电。发电机的轴和缠绕在它上面的线圈在工作时处于轴向静止状态组成发电机的定子。外壳中固定了圆环柱状高强磁的磁钢,以建立磁场,组成了发电机的转子。涡轮在钻井液的冲击下快速旋转,通过连接带动装有磁钢的外壳(即转子)旋转,从而形成一个旋转的磁场,发电机线圈相对于这个磁场旋转,类似运动的导体往复的切割磁力线,从而产生交流电 [2]。统配备的三种型号涡轮发电机如图 1。轮发电机结构和工作数据流量范围:7~20l/s;额定流量:12 l/s;转速范围:550~3000r/定转速: =1400r/=225W;发 电=89轮毅直径: =44mm;=叶片厚度: 重叠系数: =5.5;轮发电机设计路线电磁学原理知道,涡轮发电机的输出电压公式为: 由公式可以看出,决定发电机输出电压和功率的参数有三个,磁场强度 B、转速 ω 和发电机工作线圈等效面积 ф。发电机磁场强度 B 是固定不变的值,设计结果只需保证小直径化后仍有足够的转速,并且线圈有足够72 型 73 型 74 型图 1 统三种型号的井底涡轮发电机的切割面积,那么就能保证小直径化后仍能提供足够的功率。本文采用 发电机额定功率和额定转速作为小直径化后额定功率和额定转速的设计基准。这样在转速作为已知条件的情况下,只需进行以下两部分工作:其仍能提供足够的转速和扭矩;其仍能保证有效的磁场切割面积。因此发电机的设计主要分为两部分:涡轮叶片和线圈。线圈的设计计算比较简单,以下内容将涡轮的设计计算作为发电机设计的重点内容 。轮设计模型关于涡轮发电机涡轮叶片的具体设计方法,国内尚无成型可用的计算模型,尝试寻找近似的机械理论进行设计方法的研究改进以期完成发电机涡轮的设计。最容易想到的类似机械就是涡轮钻具用涡轮马达和工业用轴流泵涡轮。虽然这是两种与涡轮发电机不同的水力机械,但是如果不关注这三种机械水力部件的工况,而把研究的重点放在这三种机械内流体上,可以知道,三种情况下流体的流态是近似相同的,这一点,就为把它们的设计方法应用到发电机涡轮设计上搭起了桥梁。只要对涡轮内的流体流态进行详细分析,同时将上面两种机械设计方法针对涡轮发电机的具体细节进行相应调整,那么使用这部分内容完成发电机涡轮的设计是完全合理而且可能的。本文综合采用上面两种机具的设计方法,同时辅以相关知识,对发电机涡轮叶片和涡轮内流体水力特性进行分析,在分析的基础上进行涡轮的设计计算。 经上述两种机械工作特性的研究,总结出轴流式涡轮的力学基本方程 [3]: )(2121建立了研究轴流式涡轮的两个重要工具 [4]:1、轴流涡轮叶栅典型的轴流涡轮叶栅如图所示:2、轴流涡轮速度三角形通过速度三角形即可确定液体相对于涡轮叶片的牵连速度 、相对速度 、绝对速度 、绝对速度轴面分速度值 ,从而可以用以叶片安装角 以及涡轮的扭矩 、功率 、压降 等输出参数。 轮的尝试设计计算 以上述研究得出的理论结果为基础,辅以相关讨论,首先进行涡轮的尝试设计计算,研究设计一个发电机涡轮的完整过程。该过程确定了一个发电机涡轮所需设计的全部结构和工作参数,它们包括:1、涡轮结构参数 涡轮直径、轮毂比、轮毂直径、平均直径、比转速、叶片形状、叶片数、叶片材料、叶片厚度、叶片安装角、叶栅形式、叶片栅距、叶片稠密度、叶片弦长、叶轮高度。2、涡轮输入、输出特性参数流量范围、额定流量、转速、功率、扭矩、压降。通过以上计算,总结出了一整套用于设计发电机涡轮的系统方法。使用 发电机数据验证计算过程的正确性。 作 面 背 面图 2 轴流叶栅将 数据代入计算过程,得出 发电机的额定流量为 12L/s,这与 际工作情况非常符合,因此可以确定使用该计算方法进行发电机的设计计算是可行的。轮输出特性的影响因素研究涡轮发电机涡轮的参数主要有流量 、轮毂比Q、叶片安装角 、转速 、功率 、扭矩 、压d其中转速 、功率 、扭矩 称为涡轮输出特性,轮毂比 、叶片安装角 、流量 称d为涡轮输出特性的影响参数,轮毂比 、叶片安装于结构参数(内特性参数) ,流量 属于输入参数(外特性参数) ,这三个影响参数单独以及不同的组合都能对涡轮的输出特性造成影响,但是影响程度是不一样的,这样就决定了涡轮设计结果的优劣和可用性。在上面已经形成系统计算过程的情况下,对以上三个参数进行详细的取值配比,然后计算讨论,分析涡轮在不同结构和输入参数组合时的输出特性,最终确定小直径涡轮的最优结构参数和输入参数。通过不同流量、不同轮毂比、不同叶片安装角的详细配比计算,确定 、 、 对涡轮输出特性影响规律如下:1、流量越大,相应涡轮的转速、功率、扭矩越高;2、安装角越小,相应涡轮的转速、功率、扭矩越高;3、轮毂比越大,相应涡轮的转速、功率、扭矩越高;4、极小的安装角极大的轮毂比相配合(称为涡轮参数的极大值配合)可以产生极高的转速、功率、扭矩,极大的安装角极小的轮毂比(称为涡轮参数的极小值配合)相配合会产生极小的转速、功率、扭矩;5、涡轮参数的极大值配合虽然可以产生更高的输出特性,但是这种配合带来的缺点就是:产生的转速过高,影响发电机的平稳工作和机械安全性能;涡轮产生压力降过大,大幅度的增加泵压,影响整个钻进系统冲洗液的循环性能。涡轮参数的极小值配合会使涡轮达不到设计性能的要求。因此涡轮的安装角和轮毂比的选取应该使是一个合理折中的数值,一般有要求安装角在 25°~45°之间,轮毂比在 理得出 9 个影响系数:1、流量对涡轮转速、功率、扭矩的影响系数:)75(1202221675(42、安装角对涡轮转速、功率、扭矩的影响系数:)75(1202231)(6h)75(4223、轮毂比对涡轮转速、功率、扭矩的影响系数: 直径涡轮发电机结构和工作参数的最终确定在上面分析的基础上,通过详细的计算,最终确定了适用于小直径(钻头外径 91电机外径75进用的涡轮发电机涡轮结构尺寸以及相应的流量配比、输出特性如下:外径 =75毂比 =毂直径5转速 =500,叶片数 =8,叶片弦长片高度 =83装角 =32°,l h额定流量 =10 ,额定转速 =1741r/ 定 定功率 =318W, 扭矩 =·m,压降轮工作特性输出曲线如图 3:转 速 、 功 率 、 扭 矩 关 系 曲 线020040060080010000 1000 2000 3000转 速 r/m 功 率扭 矩4 线圈设计统发电机线圈是固结封装在定子内的,很难清楚知道其具体绕组形式,因此本部分设计中使用比例计算。已经知道,决定发电机输出电压和功率的参数有三个,磁场强度 B、转速 ω 和发电机工作线圈等效面积 ф,以下计算中,小直径化后发电机参数角标使用 2,原 发电机参数角标使用 1。现在的情况是,发电机磁场强度固定不变,转速变为原先的: 8.可保证小直径化后仍能提供足够的功率。具体修改过程为 = = ,在匝数 不变于线圈绕组直径已经变为原来的: (.论1、发电机的涡轮参数设计是一个多参数配备组合的过程,选取不同的组合在一定条件下可以得到相同性能要求,这是一个多变而又灵活的计算程序,设计者可以根据设计和实际工程情况自由而精细的选取较合理的初始计算流量和角度,最终完成发电机的涡轮的设计计算。2、线圈绕组的设计生产是一个简单而且灵活的工艺,可以在上面几个参数合理范围内自由组合,使其达到既定面积。本文所提到的组合只是其中的一种,读者可以在实践中自由设计确定。议虽然已经计算设计出适用于石油井钻进用更小一级(钻头外径 91电机外径 75井下涡轮发电机,但是它对于固体矿床勘探钻进的小流量和更小直径钻进仍有局限性,主要表现在:流量不足,难以保证足够的功率和扭矩,采用较大流量时虽可以达到要求,但是工作性能不稳定以及加工精度高,同时增加钻进系统复杂性。建议:(1)进行更小直径发电机涡轮(59 者46构和工作参数的研究;(2)对线圈进行灵活广泛的设计选取;(3)使用更轻型的材料加工发电机叶片和外壳;(4)类似于涡轮马达,可以尝试增加涡轮的级数。设计和生产更小直径的涡轮发电机是完全可能的。参 考 文 献[1] 郑满圈,罗煜琼 ]003,31(增刊):132~133.[2] 鄢泰宁,3] (俄),鄢泰宁等译, 《定向井与水平井钻井的地质导向技术》 ,北京石油工业出版社,9~90.[4] 沈阳水泵研究所,《叶片泵设计手册》,重庆:机械工业出版社,76~286作者简介:吴翔,1964 年生,教授,中国地质大学在读博士,主要从事定向钻进技术教学与科研工作。地址:(430074)武汉市洪山区中国地质大学工程学院。电话:(027)87451897,13297991279。of
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