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隨著旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的逐步推廣應(yīng)用，利用電液方式驅(qū)動導(dǎo)向工具的模式已經(jīng)完善，由于國內(nèi)長期從事井下隨鉆測量技術(shù)的研究，井下的電源采用電池組或小功率渦輪發(fā)電機，無法滿足導(dǎo)向工具的需求。為此，根據(jù)鉆井液的性能特點和井下鉆具尺寸限制，通過對渦輪葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計和發(fā)電機各項性能參數(shù)的優(yōu)化，研制的井下大功率渦輪發(fā)電機基本可以滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的功率需求。
地面測試裝置 確保各項數(shù)據(jù)準確
井下渦輪發(fā)電機利用泥漿流動沖擊發(fā)電機外部渦輪實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，將泥漿的動能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機的電能輸出。由于鉆井液的循環(huán)壓力和流量依據(jù)鉆井工況的需要變化，而導(dǎo)向工具的驅(qū)動需要提供穩(wěn)定的電源，為此必須依據(jù)發(fā)電機的性能特點，配備相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)電路，以滿足工具的需求。同時，控制電路需要滿足井下高溫高壓環(huán)境中的穩(wěn)定可靠，為確保各項數(shù)據(jù)的準確，研制了井下大功率的渦輪發(fā)電機地面性能測試裝置。
井下大功率渦輪發(fā)電機結(jié)構(gòu) 井下大功率渦輪發(fā)電機的磁鋼通過卡瓦籠固定于發(fā)電機外筒上，處于頂部的驅(qū)動渦輪和底部的導(dǎo)向渦輪與外筒連接為一體。工作時，驅(qū)動渦輪在鉆井液的推動下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場，屬于外轉(zhuǎn)子式的永磁發(fā)電機。電樞繞組固定在心軸上，心軸與發(fā)電機固定裝置一體，因此電樞繞組相對轉(zhuǎn)子固定，這種結(jié)構(gòu)可以使旋轉(zhuǎn)的渦輪外筒和心軸之間不需要任何電氣連線，繞組與心軸之間沒有相對運動，避免了轉(zhuǎn)動部分和不轉(zhuǎn)動部分間的電氣連接，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性（見圖1） 。
發(fā)電機試驗裝置 井下渦輪發(fā)電機通過前后兩端的心軸固定在鉆鋌內(nèi)部，并將發(fā)電機端部接頭密封同時將測量引線引出到鉆鋌外部方便測量。實驗鉆鋌兩端利用焊接的法蘭接頭與兩端的實驗管道連接后，接好發(fā)電機實驗測試箱，泵開啟，實驗管道能夠調(diào)節(jié)液體流量，同時配有流量計可以讀出流量值。
在發(fā)電機入口端壓力傳感器輸出進口壓力值，出口端壓力傳感器顯示出口壓力值，通過發(fā)電機兩端的水的壓力差值，可以計算葉輪的壓力損失，發(fā)電機實驗測試箱測試輸出的交流電的頻率和電壓最大值，從而得出其轉(zhuǎn)速，通過連接負載電阻的形式，記錄發(fā)電機的電壓值，可以計算出發(fā)電機的功率大小。在實驗過程中，要特別注意發(fā)電機接頭位置的密封情況，以及發(fā)電機測試引線引出鉆鋌處的密封情況（見圖2）。
端子測試 用RLC測試儀測量從已經(jīng)連接好的試驗裝置引出的5個被測端子，其中：動力繞組是3、4抽頭，工作繞組是1、2抽頭，引出電纜的蘭、黃、紅、黑、白芯線對應(yīng)5、2、4、3、1端子。記錄電阻、電容，電感，記錄于表1并確定出繞組間的關(guān)系（見表1）。
空載電壓測量 在進入管道流體測試前，將發(fā)電機固定在機床上拖動，采用固定外筒拖動心軸的方式，以便弄清楚發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與頻率、電壓之間的關(guān)系。用測速儀直接測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速，同時用雙通道示波器測量輸出電壓V34，V12，同時測量頻率。根據(jù)逐步提高機床轉(zhuǎn)數(shù)，用示波器測試兩個繞組的輸出電壓、頻率。當轉(zhuǎn)速從22r/min增加到560r/min時，V12從0.968V升到68V，V34從0.92V升到25.4V，頻率從2.9 Hz升到29 Hz。
帶載電壓測量 為確認帶載情況下發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與頻率、電壓之間的關(guān)系?？蛰d試驗結(jié)束后，做發(fā)電機帶載試驗，用一個大功率定值電阻作為模擬負載。分別將動力繞組34連接1Ω和工作繞組12連接6Ω，逐步提高機床轉(zhuǎn)數(shù)，用示波器測出負載兩端的電壓和頻率（見表2）。
流量、轉(zhuǎn)速測量試驗 首先，將井下渦輪發(fā)電機從機床上取下，安裝在固定裝置鉆鋌短節(jié)內(nèi)部，并且試壓堵頭安裝在固定裝置兩端。然后將鉆鋌內(nèi)部注滿水，利用打壓泵打靜壓力，測試固定裝置鉆鋌短節(jié)與發(fā)電機及引線之間的密封性能。
對固定裝置分別打壓兩次到25MPa穩(wěn)壓十分鐘，然后拆掉固定裝置鉆鋌短節(jié)兩端的試壓堵頭，將發(fā)電機從固定裝置鉆鋌短節(jié)中取出，用萬用表次測量下各個端子之間的絕緣情況，如果出現(xiàn)不絕緣情況，認為固定裝置與發(fā)電機之間不密封，找出不密封的位置，進行改進。
待發(fā)電機干燥后，用萬用表再次測量各個端子之間的絕緣情況，絕緣值滿足要求的情況下，將發(fā)電機裝入固定裝置，連接試壓堵頭繼續(xù)打壓試驗，重復(fù)以上步驟。直到打壓試驗后，發(fā)電機取出后，絕緣情況在正常范圍，確認可以進行流體試驗。
將發(fā)電機固定裝置鉆鋌短節(jié)安裝于流量泵管線之間，通過法蘭盤連接好，將發(fā)電機的測量引線引出到遠離管線壓力高的位置，方便連接示波器測量發(fā)電機頻率電壓等參數(shù)。然后將12繞組、34繞組與負載6歐、1歐電阻連接。流量泵開啟，流量大小分別從0L增加到35L，每5L增加一次。
自主生產(chǎn)大功率 發(fā)電機具有可行性
由表3可知，現(xiàn)有泥漿發(fā)電機的流量由15L/S增加到35L/S時，轉(zhuǎn)速的變化范圍是690～2560rpm，頻率范圍是22.9Hz～160.3Hz，繞組1、2的峰值電壓范圍是13.9V～50.4V，功率范圍是16.1W～243W；繞組3、4的峰值電壓范圍是6.6V～34.4V，功率范圍是21.8W～591.8W，繞組1、2與繞組3、4相位不同。
說明：示波器的通道1即CH1接的是 1-2繞組，負載是6歐姆。示波器的通道1即CH2接的是3- 4繞組，負載是1歐姆。
由圖3可知，當流量越大的時候，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速越快；發(fā)電機的峰峰值電壓隨流量的增加而增大；當負載一定的情況下，流量越大電流也越大；當負載一定的情況下，流量越大發(fā)電機輸出功率越大呈非線性。
在做流體試驗前一定要測量各個引線接頭絕緣并且要對發(fā)電機試驗固定裝置進行密封測試，防止接頭短接，燒毀發(fā)電機。
通過試驗數(shù)據(jù)分析，國產(chǎn)大功率發(fā)電機在額定電阻的條件下，能夠達到500W功率；試驗數(shù)據(jù)為整理穩(wěn)壓電路板設(shè)計研究奠定基礎(chǔ)，理論上整理穩(wěn)壓的研制能夠?qū)崿F(xiàn)。
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