自動垂直鉆井工具用渦輪發電機磁力驅動器設計

彭 勇蔣莊德王進全

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

自動垂直鉆井工具用渦輪發電機磁力驅動器設計

彭 勇1，2蔣莊德1王進全3

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

自動垂直鉆井工具測試與控制功能的耗能由井下渦輪發電機提供。為了解決井下渦輪發電機適應泥漿工作環境的問題，將動密封補償式保護技術和磁力驅動技術結合，取得了增加動密封可靠性、提高高速軸承使用壽命、改善發電機效率、避免發電機線圈和磁鋼體直接被泥漿沖蝕的良好效果。該渦輪發電機的設計不僅包括發電機本身性能參數、結構參數設計，還包括磁力驅動器和動密封補償式保護組件中的補償彈簧等相關參數設計。給出了井下渦輪發電機磁力驅動器的設計方法，同時也對動密封補償式保護器的彈簧設計進行了討論。

渦輪發電機；磁力驅動器；設計；垂直鉆井

井下泥漿渦輪發電機（以下簡稱發電機）的動力來源于循環泥漿，其功率范圍較寬，相對成本較低，無環境污染問題，因此，它已成為自動垂直鉆井工具測試與控制功能的主要供電形式。它不僅給自動垂直鉆井工具實現井下信息的測量、存儲、傳輸等功能提供電力，同時還是工具的控制動力源。由于控制的需要，發電機往往成對配置，分為上、下發電機［1］，鉆井過程中隨著循環泥漿排量在15～50 L/s之間變化，發電機功率也在300～1 000 W之間變化。發電機工作于含有固相顆粒的鉆井泥漿介質中，且高速旋轉，易導致軸承、密封件等運動部件快速研磨和沖蝕，使用壽命短，是鉆井工具的易損件。為解決發電機適應泥漿工作環境的問題，國內學者已將動密封補償式保護和磁力驅動技術結合，取得了增加動密封可靠性、提高高速軸承使用壽命、改善發電機效率、避免發電機線圈和永磁體沖蝕的良好效果。渦輪發電機的研究涉及渦輪［2-4］、磁力驅動［5］、電機設計［6］、密封設計［7］和結構形式設計等，筆者重點介紹這類發電機中磁力驅動器的設計方法，討論相關參數對磁力驅動器性能指標的影響，同時對動密封補償式保護器的彈簧（形成0.3 MPa的壓差）設計進行了討論。

1 發電機的結構及參數

1.1 發電機結構

下發電機的結構見圖1，其原理是泥漿驅動渦輪5旋轉，與渦輪一體的旋轉外永磁體8和磁力驅動外殼12旋轉。由于外磁轉子8和內磁轉子9構成磁力驅動，內磁轉子9跟隨外磁轉子8同步旋轉，而與內磁轉子9連接在一起的發電機外殼25、發電機永磁體28也隨之旋轉實現發電功能。由于活塞環2、高速動密封組件3和補償彈簧1以及活塞環15、高速動密封組件16和補償彈簧17構成的兩對補償式高速動密封，將全部高速軸承4、10、14均密封在充滿高溫潤滑油7的磁力驅動外殼12內，使高速軸承與泥漿隔離且具有良好的潤滑狀態，同時補償彈簧1、17還可以使潤滑油的壓力始終略高于泥漿壓力，確保泥漿不會通過動密封進入密封腔內；磁力驅動的隔離套6將整個發電機完全置于與泥漿隔離中；也具有利用磁力驅動滑差效應來擴大發電機的適應范圍，并保護發電機不致超過其極限轉速。

圖1 下渦輪發電機結構示意圖

這種結構的發電機有以下特點：一是應用；二是應用了補償式動密封技術。發電機的零件展開圖見圖2。

圖2 下渦輪發電機零件示意圖

1.2 發電機額定參數

發電機額定參數包括額定功率、電壓、電流、轉速、相數、功率因數、效率等，額定參數見表1。

表1 發電機額定參數

2 磁力驅動器設計

2.1 驅動扭矩計算

磁力驅動器是整個發電機的關鍵部件之一，除其結構上需要適應自動垂直鉆井工具的要求外，還需與被驅動的發電機參數相匹配，匹配的關鍵參數是磁力驅動器的驅動扭矩，該磁力驅動扭矩的計算相對較復雜，涉及驅動器的結構尺寸、材料等多種因素，同時還有多種計算方法。

高斯求解法是采用高斯定理和永磁材料的B-H曲線而求解磁力驅動扭矩的，其表達式［5］為

式中，Tmax為磁力驅動器輸出扭矩，N·m；K為磁路系數，對于組合推拉磁路，K=4～6；M為磁化強度，Gs；H為外磁路在內磁體處產生的磁場強度，Oe；L為磁極工作長度，m；th為磁體平均厚度，m；R2為內磁極外圓半徑，m；R3為外磁極內圓半徑，m；Bm、Hm分別為工作點的磁感應強度與磁場強度；N1為極面形狀經驗系數，矩形極面N1=1.24；m為磁極的極對數；α為磁體厚度系數，當tim/tom=0.25時，α=0.75，tg為工作氣隙寬度，m，t0為磁極弧長，t0=4πR2/m，m；tim為內磁體厚度，m，tom為外磁體厚度，m。磁力驅動器使用耐高溫的永磁體，近年開發出來的釤鈷永磁材料（Sm2Co17），工作溫度可以達到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，且工作點選在最大磁能積處，磁化強度有

式中，Br為永磁體剩余磁感應強度，Gs；Hc為磁感應矯頑力，Oe。

2.2 需求扭矩計算

由已知條件可以得到發電機所需要的額定扭矩TN

式中，TN為磁力驅動器扭矩，N·m；N為發電機輸出功率，kW；n為發電機輸出轉速，r/min。

考慮上永磁電機的損失，其效率為η，故

2.3 磁極工作長度計算

由于磁力驅動器用于驅動發電機轉子，令

當磁力驅動器的結構形式和材料選定后，其相關零件的徑向尺寸由于受井眼尺寸的限制，可調整的余地不大，為了滿足驅動發電機的需要，主要依靠磁力驅動器磁極工作長度的改變。通過上式可以推得

3 補償式動密封參數設計

補償式動密封是整個發電機的另一個關鍵部件，其補償彈簧則是影響密封性能的關鍵。補償彈簧用于形成壓力補償式旋轉動密封，其主要功能有2項：一是保證密封內部的壓力始終高于外部，防止鉆井液進入動密封內部，提高高速軸承使用壽命；二是補償磁力驅動器內部絕緣油的漏失以及溫差引起油液體積的變化。因此對補償彈簧的要求是：有準確、穩定的彈性系數。由于它暴露在泥漿中，承受高溫高壓的腐蝕環境，應該選用溫度性能穩定、耐腐蝕的金屬材料。經優選，采用恒彈性耐高溫合金（3J21）材料，這種材料高溫彈性性能穩定，且耐腐蝕。補償彈簧可以形成動密封內外液體的壓差，這個壓差控制在0.3～0.5 MPa較為合理，這也是補償彈簧的設計依據之一

式中，F為壓差所需的彈簧力，N；A為活塞環面積，A=π（D22-D12）/4，m2；Δp為壓差，取（300～500）×103Pa；D1為活塞環內徑，m；D2為活塞環外徑，m。

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

式（8）也是密封活塞環的預置行程量。

4 結論

（1）磁力驅動器的結構參數主要取決于所需傳遞的扭矩，在井下工作環境中，由于受井眼尺寸的限制，磁極工作長度是最主要的可調整參數，以滿足不同傳遞扭矩的需要。該長度與傳遞的功率成正比，與轉速成反比，同時還取決于永磁體的體積參數和磁體特性參數。

（2）補償式動密封是確保工作在泥漿環境中的高速軸承使用壽命的關鍵，其所用補償彈簧的設計除材料優選外，合理地設計其預置壓縮量也是實現設計目標的重要因素，該壓縮量與補償彈簧平均直徑的三次方成正比，與補償簧絲直徑的四次方成反比。

［1］閆文輝，彭勇，張紹槐.旋轉導向鉆井工具的研制原理［J］.石油學報，2005，26（5）：94-97.

［2］張先勇，馮進，羅海兵，等.井下渦輪式發電機水力性能研究［J］.機械研究與應用，2006，19（6）：44-45，57.

［3］張師帥，仇生生，韓培.井下泥漿渦輪設計及性能分析［J］.石油礦場機械，2009，38（11）：31-33.

［4］沈躍，蘇義腦，李林，等.井下隨鉆測量渦輪發電機的設計與工作特性分析［J］.石油學報，2008，29（6）：907-912.

［5］趙克中.磁力驅動技術與設備［M］.北京：化學工業出版社，2004.

［6］蘇紹禹，高紅霞.永磁發電機機理、設計及應用［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［7］郝木明.機械密封技術及應用［M］.北京：中國石化出版社，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，王進全.自動垂直鉆井工具用渦輪發電機磁力驅動器設計［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

陜西省企業技術中心創新四大工程建設專項資金項目“自動垂直鉆井系統研制”（陜工信發（2010）396號）。

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