自动垂直钻井工具用涡轮发电机磁力驱动器设计

彭 勇蒋庄德王进全

（1.西安交通大学，陕西西安 710049；2.西安石油大学，陕西西安 710065；3.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721002）

自动垂直钻井工具用涡轮发电机磁力驱动器设计

彭 勇1，2蒋庄德1王进全3

（1.西安交通大学，陕西西安 710049；2.西安石油大学，陕西西安 710065；3.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721002）

自动垂直钻井工具测试与控制功能的耗能由井下涡轮发电机提供。为了解决井下涡轮发电机适应泥浆工作环境的问题，将动密封补偿式保护技术和磁力驱动技术结合，取得了增加动密封可靠性、提高高速轴承使用寿命、改善发电机效率、避免发电机线圈和磁钢体直接被泥浆冲蚀的良好效果。该涡轮发电机的设计不仅包括发电机本身性能参数、结构参数设计，还包括磁力驱动器和动密封补偿式保护组件中的补偿弹簧等相关参数设计。给出了井下涡轮发电机磁力驱动器的设计方法，同时也对动密封补偿式保护器的弹簧设计进行了讨论。

涡轮发电机；磁力驱动器；设计；垂直钻井

井下泥浆涡轮发电机（以下简称发电机）的动力来源于循环泥浆，其功率范围较宽，相对成本较低，无环境污染问题，因此，它已成为自动垂直钻井工具测试与控制功能的主要供电形式。它不仅给自动垂直钻井工具实现井下信息的测量、存储、传输等功能提供电力，同时还是工具的控制动力源。由于控制的需要，发电机往往成对配置，分为上、下发电机［1］，钻井过程中随着循环泥浆排量在15～50 L/s之间变化，发电机功率也在300～1 000 W之间变化。发电机工作于含有固相颗粒的钻井泥浆介质中，且高速旋转，易导致轴承、密封件等运动部件快速研磨和冲蚀，使用寿命短，是钻井工具的易损件。为解决发电机适应泥浆工作环境的问题，国内学者已将动密封补偿式保护和磁力驱动技术结合，取得了增加动密封可靠性、提高高速轴承使用寿命、改善发电机效率、避免发电机线圈和永磁体冲蚀的良好效果。涡轮发电机的研究涉及涡轮［2-4］、磁力驱动［5］、电机设计［6］、密封设计［7］和结构形式设计等，笔者重点介绍这类发电机中磁力驱动器的设计方法，讨论相关参数对磁力驱动器性能指标的影响，同时对动密封补偿式保护器的弹簧（形成0.3 MPa的压差）设计进行了讨论。

1 发电机的结构及参数

1.1 发电机结构

下发电机的结构见图1，其原理是泥浆驱动涡轮5旋转，与涡轮一体的旋转外永磁体8和磁力驱动外壳12旋转。由于外磁转子8和内磁转子9构成磁力驱动，内磁转子9跟随外磁转子8同步旋转，而与内磁转子9连接在一起的发电机外壳25、发电机永磁体28也随之旋转实现发电功能。由于活塞环2、高速动密封组件3和补偿弹簧1以及活塞环15、高速动密封组件16和补偿弹簧17构成的两对补偿式高速动密封，将全部高速轴承4、10、14均密封在充满高温润滑油7的磁力驱动外壳12内，使高速轴承与泥浆隔离且具有良好的润滑状态，同时补偿弹簧1、17还可以使润滑油的压力始终略高于泥浆压力，确保泥浆不会通过动密封进入密封腔内；磁力驱动的隔离套6将整个发电机完全置于与泥浆隔离中；也具有利用磁力驱动滑差效应来扩大发电机的适应范围，并保护发电机不致超过其极限转速。

图1 下涡轮发电机结构示意图

这种结构的发电机有以下特点：一是应用；二是应用了补偿式动密封技术。发电机的零件展开图见图2。

图2 下涡轮发电机零件示意图

1.2 发电机额定参数

发电机额定参数包括额定功率、电压、电流、转速、相数、功率因数、效率等，额定参数见表1。

表1 发电机额定参数

2 磁力驱动器设计

2.1 驱动扭矩计算

磁力驱动器是整个发电机的关键部件之一，除其结构上需要适应自动垂直钻井工具的要求外，还需与被驱动的发电机参数相匹配，匹配的关键参数是磁力驱动器的驱动扭矩，该磁力驱动扭矩的计算相对较复杂，涉及驱动器的结构尺寸、材料等多种因素，同时还有多种计算方法。

高斯求解法是采用高斯定理和永磁材料的B-H曲线而求解磁力驱动扭矩的，其表达式［5］为

式中，Tmax为磁力驱动器输出扭矩，N·m；K为磁路系数，对于组合推拉磁路，K=4～6；M为磁化强度，Gs；H为外磁路在内磁体处产生的磁场强度，Oe；L为磁极工作长度，m；th为磁体平均厚度，m；R2为内磁极外圆半径，m；R3为外磁极内圆半径，m；Bm、Hm分别为工作点的磁感应强度与磁场强度；N1为极面形状经验系数，矩形极面N1=1.24；m为磁极的极对数；α为磁体厚度系数，当tim/tom=0.25时，α=0.75，tg为工作气隙宽度，m，t0为磁极弧长，t0=4πR2/m，m；tim为内磁体厚度，m，tom为外磁体厚度，m。磁力驱动器使用耐高温的永磁体，近年开发出来的钐钴永磁材料（Sm2Co17），工作温度可以达到300 ℃，剩磁下降率为3%。由于钐钴永磁材料的磁滞回线接近直线，且工作点选在最大磁能积处，磁化强度有

式中，Br为永磁体剩余磁感应强度，Gs；Hc为磁感应矫顽力，Oe。

2.2 需求扭矩计算

由已知条件可以得到发电机所需要的额定扭矩TN

式中，TN为磁力驱动器扭矩，N·m；N为发电机输出功率，kW；n为发电机输出转速，r/min。

考虑上永磁电机的损失，其效率为η，故

2.3 磁极工作长度计算

由于磁力驱动器用于驱动发电机转子，令

当磁力驱动器的结构形式和材料选定后，其相关零件的径向尺寸由于受井眼尺寸的限制，可调整的余地不大，为了满足驱动发电机的需要，主要依靠磁力驱动器磁极工作长度的改变。通过上式可以推得

3 补偿式动密封参数设计

补偿式动密封是整个发电机的另一个关键部件，其补偿弹簧则是影响密封性能的关键。补偿弹簧用于形成压力补偿式旋转动密封，其主要功能有2项：一是保证密封内部的压力始终高于外部，防止钻井液进入动密封内部，提高高速轴承使用寿命；二是补偿磁力驱动器内部绝缘油的漏失以及温差引起油液体积的变化。因此对补偿弹簧的要求是：有准确、稳定的弹性系数。由于它暴露在泥浆中，承受高温高压的腐蚀环境，应该选用温度性能稳定、耐腐蚀的金属材料。经优选，采用恒弹性耐高温合金（3J21）材料，这种材料高温弹性性能稳定，且耐腐蚀。补偿弹簧可以形成动密封内外液体的压差，这个压差控制在0.3～0.5 MPa较为合理，这也是补偿弹簧的设计依据之一

式中，F为压差所需的弹簧力，N；A为活塞环面积，A=π（D22-D12）/4，m2；Δp为压差，取（300～500）×103Pa；D1为活塞环内径，m；D2为活塞环外径，m。

式中，k为弹簧系数，N/m；G为弹簧材料的剪切弹性模量，Pa；d为弹簧簧丝直径，由于结构限制，取0.02～0.03 m；D为弹簧平均直径，m；q为弹簧有效圈数；δ为弹簧变形量，m。

式（8）也是密封活塞环的预置行程量。

4 结论

（1）磁力驱动器的结构参数主要取决于所需传递的扭矩，在井下工作环境中，由于受井眼尺寸的限制，磁极工作长度是最主要的可调整参数，以满足不同传递扭矩的需要。该长度与传递的功率成正比，与转速成反比，同时还取决于永磁体的体积参数和磁体特性参数。

（2）补偿式动密封是确保工作在泥浆环境中的高速轴承使用寿命的关键，其所用补偿弹簧的设计除材料优选外，合理地设计其预置压缩量也是实现设计目标的重要因素，该压缩量与补偿弹簧平均直径的三次方成正比，与补偿簧丝直径的四次方成反比。

［1］闫文辉，彭勇，张绍槐.旋转导向钻井工具的研制原理［J］.石油学报，2005，26（5）：94-97.

［2］张先勇，冯进，罗海兵，等.井下涡轮式发电机水力性能研究［J］.机械研究与应用，2006，19（6）：44-45，57.

［3］张师帅，仇生生，韩培.井下泥浆涡轮设计及性能分析［J］.石油矿场机械，2009，38（11）：31-33.

［4］沈跃，苏义脑，李林，等.井下随钻测量涡轮发电机的设计与工作特性分析［J］.石油学报，2008，29（6）：907-912.

［5］赵克中.磁力驱动技术与设备［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［6］苏绍禹，高红霞.永磁发电机机理、设计及应用［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［7］郝木明.机械密封技术及应用［M］.北京：中国石化出版社，2010.

（修改稿收到日期 2013-10-22）

〔编辑 付丽霞〕

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，蒋庄德，王进全.自动垂直钻井工具用涡轮发电机磁力驱动器设计［J］.石油钻采工艺，2013，35（6）：126-128.

TE921

：A

1000-7393（2013）06-0126-03

10.13639/j.odpt.2014.01.034

陕西省企业技术中心创新四大工程建设专项资金项目“自动垂直钻井系统研制”（陕工信发（2010）396号）。

彭勇，1961年生。主要从事石油天然气钻采装备教学、科研工作，教授。电话：029-88382601。E-mail：ypeng@xsyu.edu.cn。