第２８卷第５期 Ｖ０１．２８ ＮＯ．５ 湖 北 工 业 大 学 学 报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２０１３年ｌＯ月 ０ｃｔ．２Ｏ１３ ［文章编号］１００３—４６８４（２０１３）０５—００４２—０３ 井下涡轮发电机水力性能测试平台设计 孟凡贺，董树伟 （中国地质大学工程学院，湖北武汉４３０００７４） ［摘 要］通过对井下涡轮发电机的基本结构和工作原理的理论分析，确定井下涡轮发电机的主要性能参数，以及 提高发电机输出性能的主要方法，针对性地设计了一套井下涡轮发电机水力性能测试平台，并对测控系统进行了 测试．结果表明，测控系统能够实时采集和处理数据，并能进行电子调节阀的比例控制． ［关键词］井下涡轮发电机；水力性能；测试平台；组态软件 ［中图分类号］ＴＥ９２１ ［文献标识码］：Ａ 在钻井过程中，为了实时获取井底信息并实现 井眼轨道控制，多种井下智能仪器被采用，其中典型 代表是随钻测量、随钻测井和导向钻进系统，这些系 统工作时需要持续的电源供给．目前其供电方式主 要有电池组、井下涡轮发电机以及两者联合使用．电 池组以高性能锂电池为主，优点是结构紧凑，可靠性 要由涡轮机构和发电机两部分组成．图１所示为一 种旋转磁极式涡轮发电机结构示意图，其工作原理 是钻井液驱动涡轮（一般一个或两个）旋转，涡轮又 带动安有永磁体的发电机转子旋转，在发电机定子 上安装有线圈绕组，线圈切割磁力线从而产生交流 电．其本质就是流体的能量（动能、势能及压力能）转 换成涡轮的机械能，并最终转换成发电机的电能． 高，输出电能平稳；缺点是容量有限，频繁更换影响 效率，且易受温度＿】］．井下涡轮发电机优点是功 率大、耐温高；缺点是输出电能不稳，须用稳压器调 节，且一旦零件损坏就会导致断电故障，维护有一定 难度．井下智能仪器总的发展趋势是集测量与控制 为一体，正常工作时消耗电量较大，供电持续性与可 靠性要求高．可充电电池组和井下涡轮发电机联合 使用，能够弥补相互不足，达到上述要求，已成为井 下智能仪器供电方式首选方案．受限于井下狭小的 空间，涡轮发电机又必须提供足够的电能，因此如何 提高涡轮发电机的能量转换效率，是一个关键性的 问题，而改善涡轮发电机的水力学性能是一个有效 途径．目前开展涡轮发电机水力性能研究的方法主 要有理论流体力学、计算流体力学和实验流体力学 １ ２ １ １ ｌＯ ９ ８ ７ １一涡轮；２一密封圈；３一外壳；４一永磁体； ５一轴承；６一涡轮；７一毡圈；８一Ｔ型套筒；９一密封圈； １Ｏ一线圈；１１心轴；１２轴承 图１ 井下涡轮发电机结构示意图 ２ 井下涡轮发电机基本理论 对于转速不是很高，结构要求简单的井下涡轮 发电机，一般采用凸极永磁式同步交流发电机，其电 磁功率 Ｐ 一Ｐ 一（Ｐ…＋Ｐ ＋Ｐ ）一Ｐ 一Ｐ。，（１） Ｐ 一Ｐ ２＋Ｐ １． 三种＿２］，但最终理论计算结果必须通过实验的检验 和验证，因此设计一套井下涡轮发电机水利性能测 试平台具有重要意义． １ 井下涡轮发电机的基本结构 井下涡轮发电机结构类似于轴流式水轮机，主 式中Ｐ 为输入功率；Ｐ…为机械损耗；Ｐｎ为定子 铁损；Ｐ 为附加损耗；Ｐ。为输出功率；Ｐ 为定 子铜损．将式（１）两端同除以角速度 ，可得转矩方 ［收稿日期］２０１３一Ｏ６—２２ ［作者简介］孟凡贺（１９８７一），男，山东济南人，中国地质大学博士研究生，研究方向为信息化，智能化钻井 第２８卷第５期 孟凡贺，等 井下涡轮发电机水力性能测试平台设计 ４３ 程：Ｔ 一Ｔ１一Ｔｏ． 使用了软连接，这样既隔绝振源，又减少管路安装难 度． １ 式中Ｔ 为电磁转矩；Ｔ 为驱动转矩；Ｔ。为 空载转矩．对井下涡轮发电机而言，Ｐ 和Ｔ 即为涡 轮机构的输出功率和转矩，要想提高发电机输出功 率，一方面要减少发电机自身损耗，另一方面要优化 涡轮结构，提高涡轮机构的输出功率．根据涡轮机械 理论和动量矩定理，可知一副涡轮产生的扭矩 Ｔ一叩 叩 ＩＤＱＲ（Ｃ ｃｏｔａ１＋Ｃ ｃｏｔ卢２一 ）， （２） 和功率 ｊ Ｐ＝＝＝Ｔ ． （３） 式中：叩 为容积效率； 为机械效率；１０为流体密 度；Ｑ为工作流量；Ｒ为平均流道半径；Ｃ 为轴向 流速；ａ 为进口液流角； 为出口液流角； 为转 子流道中径处圆周速度； 为涡轮转速．另外涡轮轮 毂比及前后压差也是涡轮设计和性能的重要参数， 结合式（２）和（３）可以得出结论，涡轮的参数主要有 扭矩、转速、功率、压差、轮毂比、叶片安装角和流量， 其中扭矩、转速、功率和压差是涡轮的输出特性，轮 毂比、叶片安装角以及流量是涡轮输出特性的影响 参数，轮毂比、叶片安装角属于结构参数，流量属于 输入参数．明确了以上参数，也就得到了涡轮设计和 发电机水力性能测试的依据． ３水力性能测试平台设计 根据前述井下涡轮发电机水力性能基本参数设 计了相应的测试平台，测试内容主要包括能量特性、 力特性、流态以及振动等．通过试验对参数进行采集 并分析，寻找出涡轮发电机的水力性能影响因素及 变化规律，从而优化设计参数，优选钻进规程，改善 涡轮发电机在井下智能仪器中的工作性能，提高其 工作效率和可靠性． ３．１机械结构设计 测试平台采用密闭循环方式＿４］，其机械结构如 图２所示，主要包括液罐、管道、离心泵、阀门、接头 和涡轮固定装置等．涡轮发电机不转的一端是安放 在管道内的一个支撑架上，随涡轮旋转的一端安装 在带有旋转密封的轴承座上，并通过联轴器与转速 转矩仪相连，清水或泥浆经多级离心泵加压后在管 道间流动，带动涡轮发电机工作．涡轮发电机所在位 置处外管采用有机玻璃，以便于在实验过程中观察 涡轮的运行状况和采用粒子成像测速（ＰＩＶ）系统采 集速度场、流场数据，同时管道上安装有水密接头， 方便内部数据输出．此外，为了降低泵和电机的振动 对试验平台及数据采集仪器的影响，在管路中多处 １～压力传感器；２一水密接头；３一压力泵； ４一转矩转速仪；５一电子调节阀；６一有机玻璃管； ７一ＰＩＶ系统；８一涡轮发电机；９一流量计；１０一液罐； １１一闸阀；１２一软连接；１３一离心泵 图２测试平台结构示意图 ３．２测控系统设计 为了实现数据采集和系统控制自动化，测试平 台采用如图３所示测控系统，通过电量变送器、转矩 转速仪、压力传感器和流量计等多种传感器以及数 据采集卡和测控软件可测量发电机的三相交流电 压、电流、功率、电网频率、转速、进出口压力、流量等 参数，并且数据采集卡能够输出模拟控制信号作用 于电子调节阀，以调节系统压力和流量．另外测控系 统安装有ＰＩＶ系统以采集速度场和流场数据． 图３测控系统流程图 调节阀选用电子式单座调节阀，其电动执行机 构内有伺服系统，连接电源后输入控制电流信号即 可控制运转．数据采集卡采用ＰＣＩ一８３３３多功能模入 模出接口卡，其模人模出及Ｉ／Ｏ信号均由卡上的３７ 芯Ｄ型插头通过端子板与外部信号源及设备连接． 组态软件以其通用性和灵活性广泛应用于电 力、石油以及化工等领域的数据采集和监控，测试平 台人机界面的开发采用的是力控组态软件［５］，其开 发步骤是：１）制作工程画面，用力控组态软件提供 的各种图形化工具绘制图形画面，描绘实际测试流 ４４ 湖 北 工 业 大 学 学报 ２０１３年第５期 程，模拟测试现场和工控设备；２）创建数据库，定 义一系列数据并连接数据采集卡，用于反映涡轮发 电机的各种属性；３）动画连接，建立数据库中的数 据与图形画面中的图形对象的连接关系，从而使画 面根据实际数据的变化来产生动画效果，如液流速 上，确定了涡轮发电机的性能参数，并针对其水力性 能设计了一套测试平台，完成了其机械结构设计和 基于力控组态软件的测控系统设计．通过连接硬件 设备对测控系统进行了测试，测试结果显示，系统能 够实现数据的自动采集和处理，以及电子调节阀的 度、涡轮转速和压力数据等．测控程序主要功能模块 包括：实时数据监控，数据存储与打印，电子调节阀 比例控制，历史数据读取以及系统异常报警等，其中 数据监控界面如图４所示． 比例控制．为了实现智能控制，进一步的研究内容是 计算机在测控过程中分析当前的真实情况，基于智 能算法，控制进、出口阀，自适应地调节最合理的工 况点，待状态稳定后自动采集相关数据，实现自适应 的最优控制． ［参 考 文 献［１］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ＥＪ］．石油学报，２００８，２９ （０６）：９０７—９１２． 图４监控界面 Ｅ２３ 张先勇，冯 进．井下水力涡轮的研究现状及发展ＥＪ］． 机械工程师，２０１２（１０）：２６—２９． 测控软件开发完成后连接数据采集卡对其进行 测试，测试结果显示，管道内可以实时演示液流方向 及涡轮转速，传感器能够采集并显示相应参数，控制 组件也可以调节电子阀开口比例，并反馈位置数据． Ｅ３］ 吕官云，孙２９． 峰，冯 进，等．井下发电机涡轮设计、 动力模拟与性能试验ＥＪ２．石油机械，２０１１，３９（７）：２５ —Ｅ４］王军丽，徐如良，焦磊，等．液力涡轮性能测试装置 设计及其工程实现［Ａ］∥２００６年中国机械工程学会年 会论文集Ｅｃ］：杭州，２００６． ［５］ 马国华．监控组态软件应用——从基础到实践［Ｍ］．北 京：中国电力出版社，２０１１． ４结论与建议 在分析井下涡轮发电机工作原理和理论的基础 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｄｏｗｎｈｏｌｅ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ ＭＥＮＧ Ｆａｎ—ｈｅ，ＤＯＮＧ Ｓｈｕ—ｗｅｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｄｏｗｎｈｏｌｅ ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗａｓ ｆｉｒｓｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｎ， ｂｙ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｄｏｗｎｈｏｌｅ ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ’ｓ ｏｕｔｐｕｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｄｏｗｎｈｏｌｅ ｔｕｒｂｉｎｅ ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｔｅｓｔｅｄ．Ａｔ １ａｓｔ。ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｔｅｓｔ— ｅｄ。ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｄａｔａ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ａｃｑｕｉｒｅｄ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ。ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ ｖａｌｖｅ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｏｗｎｈｏｌｅ ｔｕｒｂｉｎｅ ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｔｅｓｔｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ；ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ［责任编校：张众］
