彭 勇蔣莊德王進(jìn)全

（1.西安交通大學(xué)，陜西西安 710049；2.西安石油大學(xué)，陜西西安 710065；3.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721002）

自動(dòng)垂直鉆井工具用渦輪發(fā)電機(jī)磁力驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

彭 勇1，2蔣莊德1王進(jìn)全3

（1.西安交通大學(xué)，陜西西安 710049；2.西安石油大學(xué)，陜西西安 710065；3.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721002）

自動(dòng)垂直鉆井工具測(cè)試與控制功能的耗能由井下渦輪發(fā)電機(jī)提供。為了解決井下渦輪發(fā)電機(jī)適應(yīng)泥漿工作環(huán)境的問(wèn)題，將動(dòng)密封補(bǔ)償式保護(hù)技術(shù)和磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)結(jié)合，取得了增加動(dòng)密封可靠性、提高高速軸承使用壽命、改善發(fā)電機(jī)效率、避免發(fā)電機(jī)線圈和磁鋼體直接被泥漿沖蝕的良好效果。該渦輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)不僅包括發(fā)電機(jī)本身性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，還包括磁力驅(qū)動(dòng)器和動(dòng)密封補(bǔ)償式保護(hù)組件中的補(bǔ)償彈簧等相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)。給出了井下渦輪發(fā)電機(jī)磁力驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)也對(duì)動(dòng)密封補(bǔ)償式保護(hù)器的彈簧設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論。

渦輪發(fā)電機(jī)；磁力驅(qū)動(dòng)器；設(shè)計(jì)；垂直鉆井

井下泥漿渦輪發(fā)電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱發(fā)電機(jī)）的動(dòng)力來(lái)源于循環(huán)泥漿，其功率范圍較寬，相對(duì)成本較低，無(wú)環(huán)境污染問(wèn)題，因此，它已成為自動(dòng)垂直鉆井工具測(cè)試與控制功能的主要供電形式。它不僅給自動(dòng)垂直鉆井工具實(shí)現(xiàn)井下信息的測(cè)量、存儲(chǔ)、傳輸?shù)裙δ芴峁╇娏Γ瑫r(shí)還是工具的控制動(dòng)力源。由于控制的需要，發(fā)電機(jī)往往成對(duì)配置，分為上、下發(fā)電機(jī)［1］，鉆井過(guò)程中隨著循環(huán)泥漿排量在15～50 L/s之間變化，發(fā)電機(jī)功率也在300～1 000 W之間變化。發(fā)電機(jī)工作于含有固相顆粒的鉆井泥漿介質(zhì)中，且高速旋轉(zhuǎn)，易導(dǎo)致軸承、密封件等運(yùn)動(dòng)部件快速研磨和沖蝕，使用壽命短，是鉆井工具的易損件。為解決發(fā)電機(jī)適應(yīng)泥漿工作環(huán)境的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者已將動(dòng)密封補(bǔ)償式保護(hù)和磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)結(jié)合，取得了增加動(dòng)密封可靠性、提高高速軸承使用壽命、改善發(fā)電機(jī)效率、避免發(fā)電機(jī)線圈和永磁體沖蝕的良好效果。渦輪發(fā)電機(jī)的研究涉及渦輪［2-4］、磁力驅(qū)動(dòng)［5］、電機(jī)設(shè)計(jì)［6］、密封設(shè)計(jì)［7］和結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)等，筆者重點(diǎn)介紹這類發(fā)電機(jī)中磁力驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法，討論相關(guān)參數(shù)對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)器性能指標(biāo)的影響，同時(shí)對(duì)動(dòng)密封補(bǔ)償式保護(hù)器的彈簧（形成0.3 MPa的壓差）設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論。

1 發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1.1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

下發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其原理是泥漿驅(qū)動(dòng)渦輪5旋轉(zhuǎn)，與渦輪一體的旋轉(zhuǎn)外永磁體8和磁力驅(qū)動(dòng)外殼12旋轉(zhuǎn)。由于外磁轉(zhuǎn)子8和內(nèi)磁轉(zhuǎn)子9構(gòu)成磁力驅(qū)動(dòng)，內(nèi)磁轉(zhuǎn)子9跟隨外磁轉(zhuǎn)子8同步旋轉(zhuǎn)，而與內(nèi)磁轉(zhuǎn)子9連接在一起的發(fā)電機(jī)外殼25、發(fā)電機(jī)永磁體28也隨之旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能。由于活塞環(huán)2、高速動(dòng)密封組件3和補(bǔ)償彈簧1以及活塞環(huán)15、高速動(dòng)密封組件16和補(bǔ)償彈簧17構(gòu)成的兩對(duì)補(bǔ)償式高速動(dòng)密封，將全部高速軸承4、10、14均密封在充滿高溫潤(rùn)滑油7的磁力驅(qū)動(dòng)外殼12內(nèi)，使高速軸承與泥漿隔離且具有良好的潤(rùn)滑狀態(tài)，同時(shí)補(bǔ)償彈簧1、17還可以使?jié)櫥偷膲毫κ冀K略高于泥漿壓力，確保泥漿不會(huì)通過(guò)動(dòng)密封進(jìn)入密封腔內(nèi)；磁力驅(qū)動(dòng)的隔離套6將整個(gè)發(fā)電機(jī)完全置于與泥漿隔離中；也具有利用磁力驅(qū)動(dòng)滑差效應(yīng)來(lái)擴(kuò)大發(fā)電機(jī)的適應(yīng)范圍，并保護(hù)發(fā)電機(jī)不致超過(guò)其極限轉(zhuǎn)速。

圖1 下渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

這種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)有以下特點(diǎn)：一是應(yīng)用；二是應(yīng)用了補(bǔ)償式動(dòng)密封技術(shù)。發(fā)電機(jī)的零件展開(kāi)圖見(jiàn)圖2。

圖2 下渦輪發(fā)電機(jī)零件示意圖

1.2 發(fā)電機(jī)額定參數(shù)

發(fā)電機(jī)額定參數(shù)包括額定功率、電壓、電流、轉(zhuǎn)速、相數(shù)、功率因數(shù)、效率等，額定參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)電機(jī)額定參數(shù)

2 磁力驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)扭矩計(jì)算

磁力驅(qū)動(dòng)器是整個(gè)發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件之一，除其結(jié)構(gòu)上需要適應(yīng)自動(dòng)垂直鉆井工具的要求外，還需與被驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)參數(shù)相匹配，匹配的關(guān)鍵參數(shù)是磁力驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)扭矩，該磁力驅(qū)動(dòng)扭矩的計(jì)算相對(duì)較復(fù)雜，涉及驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)尺寸、材料等多種因素，同時(shí)還有多種計(jì)算方法。

高斯求解法是采用高斯定理和永磁材料的B-H曲線而求解磁力驅(qū)動(dòng)扭矩的，其表達(dá)式［5］為

式中，Tmax為磁力驅(qū)動(dòng)器輸出扭矩，N·m；K為磁路系數(shù)，對(duì)于組合推拉磁路，K=4～6；M為磁化強(qiáng)度，Gs；H為外磁路在內(nèi)磁體處產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，Oe；L為磁極工作長(zhǎng)度，m；th為磁體平均厚度，m；R2為內(nèi)磁極外圓半徑，m；R3為外磁極內(nèi)圓半徑，m；Bm、Hm分別為工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度；N1為極面形狀經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，矩形極面N1=1.24；m為磁極的極對(duì)數(shù)；α為磁體厚度系數(shù)，當(dāng)tim/tom=0.25時(shí)，α=0.75，tg為工作氣隙寬度，m，t0為磁極弧長(zhǎng)，t0=4πR2/m，m；tim為內(nèi)磁體厚度，m，tom為外磁體厚度，m。磁力驅(qū)動(dòng)器使用耐高溫的永磁體，近年開(kāi)發(fā)出來(lái)的釤鈷永磁材料（Sm2Co17），工作溫度可以達(dá)到300 ℃，剩磁下降率為3%。由于釤鈷永磁材料的磁滯回線接近直線，且工作點(diǎn)選在最大磁能積處，磁化強(qiáng)度有

式中，Br為永磁體剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，Gs；Hc為磁感應(yīng)矯頑力，Oe。

2.2 需求扭矩計(jì)算

由已知條件可以得到發(fā)電機(jī)所需要的額定扭矩TN

式中，TN為磁力驅(qū)動(dòng)器扭矩，N·m；N為發(fā)電機(jī)輸出功率，kW；n為發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，r/min。

考慮上永磁電機(jī)的損失，其效率為η，故

2.3 磁極工作長(zhǎng)度計(jì)算

由于磁力驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，令

當(dāng)磁力驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式和材料選定后，其相關(guān)零件的徑向尺寸由于受井眼尺寸的限制，可調(diào)整的余地不大，為了滿足驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的需要，主要依靠磁力驅(qū)動(dòng)器磁極工作長(zhǎng)度的改變。通過(guò)上式可以推得

3 補(bǔ)償式動(dòng)密封參數(shù)設(shè)計(jì)

補(bǔ)償式動(dòng)密封是整個(gè)發(fā)電機(jī)的另一個(gè)關(guān)鍵部件，其補(bǔ)償彈簧則是影響密封性能的關(guān)鍵。補(bǔ)償彈簧用于形成壓力補(bǔ)償式旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封，其主要功能有2項(xiàng)：一是保證密封內(nèi)部的壓力始終高于外部，防止鉆井液進(jìn)入動(dòng)密封內(nèi)部，提高高速軸承使用壽命；二是補(bǔ)償磁力驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部絕緣油的漏失以及溫差引起油液體積的變化。因此對(duì)補(bǔ)償彈簧的要求是：有準(zhǔn)確、穩(wěn)定的彈性系數(shù)。由于它暴露在泥漿中，承受高溫高壓的腐蝕環(huán)境，應(yīng)該選用溫度性能穩(wěn)定、耐腐蝕的金屬材料。經(jīng)優(yōu)選，采用恒彈性耐高溫合金（3J21）材料，這種材料高溫彈性性能穩(wěn)定，且耐腐蝕。補(bǔ)償彈簧可以形成動(dòng)密封內(nèi)外液體的壓差，這個(gè)壓差控制在0.3～0.5 MPa較為合理，這也是補(bǔ)償彈簧的設(shè)計(jì)依據(jù)之一

式中，F(xiàn)為壓差所需的彈簧力，N；A為活塞環(huán)面積，A=π（D22-D12）/4，m2；Δp為壓差，?。?00～500）×103Pa；D1為活塞環(huán)內(nèi)徑，m；D2為活塞環(huán)外徑，m。

式中，k為彈簧系數(shù)，N/m；G為彈簧材料的剪切彈性模量，Pa；d為彈簧簧絲直徑，由于結(jié)構(gòu)限制，取0.02～0.03 m；D為彈簧平均直徑，m；q為彈簧有效圈數(shù)；δ為彈簧變形量，m。

式（8）也是密封活塞環(huán)的預(yù)置行程量。

4 結(jié)論

（1）磁力驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要取決于所需傳遞的扭矩，在井下工作環(huán)境中，由于受井眼尺寸的限制，磁極工作長(zhǎng)度是最主要的可調(diào)整參數(shù)，以滿足不同傳遞扭矩的需要。該長(zhǎng)度與傳遞的功率成正比，與轉(zhuǎn)速成反比，同時(shí)還取決于永磁體的體積參數(shù)和磁體特性參數(shù)。

（2）補(bǔ)償式動(dòng)密封是確保工作在泥漿環(huán)境中的高速軸承使用壽命的關(guān)鍵，其所用補(bǔ)償彈簧的設(shè)計(jì)除材料優(yōu)選外，合理地設(shè)計(jì)其預(yù)置壓縮量也是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的重要因素，該壓縮量與補(bǔ)償彈簧平均直徑的三次方成正比，與補(bǔ)償簧絲直徑的四次方成反比。

［1］閆文輝，彭勇，張紹槐.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的研制原理［J］.石油學(xué)報(bào)，2005，26（5）：94-97.

［2］張先勇，馮進(jìn)，羅海兵，等.井下渦輪式發(fā)電機(jī)水力性能研究［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2006，19（6）：44-45，57.

［3］張師帥，仇生生，韓培.井下泥漿渦輪設(shè)計(jì)及性能分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（11）：31-33.

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［5］趙克中.磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)與設(shè)備［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［6］蘇紹禹，高紅霞.永磁發(fā)電機(jī)機(jī)理、設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［7］郝木明.機(jī)械密封技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2010.

（修改稿收到日期 2013-10-22）

〔編輯 付麗霞〕

Design of the magnetic driver in turbine generators used in automatic vertical drilling

PENG Yong1,2,JIANG Zhuangde1,WANG Jinquan3
（1.Xi’an Jiaotong University,Xi’an710049,China;2.Xi’an Petroleum University,Xi’an710065,China;3.Baoji Petroleum Machinery Co.,Ltd.,Baoji721002,China）

The energy consumption of the test and control system in automatic vertical drilling tools is provided by the downhole turbine generator.In order to make downhole turbine generator adapt to mud working condition,we combined the dynamic sealing compensation protection technology with the magnetic driving technology,and achieved good results in improving the dynamic sealing reliability,increasing the service life of high speed bearings,improving generator efficiency,and avoiding the generator coil and the magnet steel from being eroded by mud.The design of this turbine generator covers not only the design of the performance and structure parameter of the generator itself,but also the related parameter design of the magnetic driver and the compensation spring,one of the dynamic sealing compensation protection components.The paper gives a design method for the magnetic driver of downhole turbine generator,and discusses the spring design of the dynamic sealing compensation protector.

turbine generator；magnetic driver；design；vertical drilling

彭勇，蔣莊德，王進(jìn)全.自動(dòng)垂直鉆井工具用渦輪發(fā)電機(jī)磁力驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)［J］.石油鉆采工藝，2013，35（6）：126-128.

TE921

：A

1000-7393（2013）06-0126-03

10.13639/j.odpt.2014.01.034

陜西省企業(yè)技術(shù)中心創(chuàng)新四大工程建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目“自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)研制”（陜工信發(fā)（2010）396號(hào)）。

彭勇，1961年生。主要從事石油天然氣鉆采裝備教學(xué)、科研工作，教授。電話：029-88382601。E-mail：ypeng@xsyu.edu.cn。