井下涡轮发电机涡轮建模研究
井下水动力涡轮的应用现状
井下水动力涡轮的应用现状徐斌云;冯进;蒋清风;李东海;邓曦;江龙;卜永波【摘要】随着钻井工艺的发展和钻井技术的进步,井下水动力涡轮应用在涡轮钻具、井下涡轮发电机、并下水力增压等钻井领域的应用效果显著,尤其是在涡轮钻具应用上.概括了近年来井下水动力涡轮的应用现状及其应用领域的研究成果,对我国涡轮钻井技术的应用现状进行分析,提出应加大涡轮钻具开发力度、加快井下涡轮发电机的研发工作,同时加强对井下增压装置技术科研攻关等以满足不同的涡轮钻井技术的需要.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2011(000)005【总页数】3页(P171-173)【关键词】涡轮钻具;并下涡轮发电机;高压水射流;井下水力增压;应用【作者】徐斌云;冯进;蒋清风;李东海;邓曦;江龙;卜永波【作者单位】长江大学,湖北荆州434023;长江大学,湖北荆州434023;长江大学,湖北荆州434023;长江大学,湖北荆州434023;长江大学,湖北荆州434023;长江大学,湖北荆州434023;长江大学,湖北荆州434023【正文语种】中文【中图分类】TE241 引言在石油工业中，井下水动力涡轮是典型的平面叶栅轴流涡轮，而涡轮是叶轮机械中最核心的元件，井下水动力涡轮通过叶栅叶片与钻井液的相互作用，实现能量的转换，广泛应用于涡轮钻具、井下涡轮发电机、涡轮泵和液动锤、高压水射流以及井下水力增压等石油相关方面。
2 井下去和涡轮在涡轮钻具中的应用涡轮钻具在定向井、水平井、多分支井钻井中得到了广泛应用［1］，特别是配合金刚石钻头钻井，多项钻井指标创世界纪录(见表1)，取得了良好的经济效益。
荷兰一口水平井中采用孕镶金刚石钻头配弯外壳涡轮钻具钻井，机械钻速达到5m/h，节约钻井时间20天，节约钻井费用约200万美元［2］。
此外，涡轮钻具在欠平衡钻井、连续柔管钻井中使用也取得了成功。
世界上第一口连续柔管定向井是在挪威的UIt油田完成的，该井采用85.725 mm小井眼导向涡轮钻具在98.425 mm井眼进行了定向钻井作业，钻具入井深度为 3901.8 m，起钻深度为 4059.7 m，进尺158m，机械钻速为7.5m/h。
固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的建模及特征研究
第!"卷第#期$$$$$$$$$$$$$固体火箭技术%&’()*+&,-&+./0&12345316)&+&78$$$$$$$$$$$$$$9&+:!";&:#!<<=固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的建模及特征研究!屠秋野>，陈玉春>，苏三买>，蔡元虎>，蹇泽群!（>:西北工业大学动力与能源学院，西安$?><<?!；!:中国航天科技集团公司四院，西安$?><<!#）$$摘要：建立了固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的设计状态数学模型，提出了燃烧室燃气与空气配比的关系，分析了压气机增压比、涡轮进口燃气总温和涡轮落压比对燃烧室油气比的影响，以及固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的设计特点。
基于涡轮压气机功率平衡条件、静压相等的掺混条件和尾喷管流量匹配条件，建立了固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机的非设计状态数学模型。
$$关键词：固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机；设计状态；非设计状态；数学模型$$中图分类号：9@AB$$文献标识码：C$$文章编号：><<=D!?"A（!<<=）<#D<A>?D<A!"#$%&’(&$)*+’,-’$.)-"#/)0&.0&*+$1/&1)**-’"-+/2"#/3&2/&45)"5E F.’D83>，GHI;J’D16’)>，-E-*)DK*.>，GCL J’*)D6’>，%LC;M3DN’)!（>:-16&&+&,O&P3(*)/I)3(78，;&(46P3Q43()O&+84316).1*+E).R3(Q.48，S.T*)$?><<?!，G6.)*；!:563U&’(46C1*/3K8&,GC-G，S.T*)$?><<!#，G6.)*）$$630"/-4"：C K*463K*4.1*+K&/3+,&(V3(,&(K*)131*+1’+*4.&)&,Q&+./V(&V3++*)4*.(D4’(W&D(&1234.)/3Q.7)Q4*43P*Q/3(.R3/，*)/*(3+*4.&)Q6.V&,,’3+D*.((*4.&.)46316*KW3(P*Q V’4,&(P*(/:5633,,314Q&,1&KV(3QQ&(V(3QQ’(3(*4.&，4’(W.)3.)+34,’3+4&4*+ 43KV3(*4’(3*)/4’(W.)33XV*)Q.&)(*4.&&)463,’3+D*.((*4.&4&73463(P.46463/3Q.7),3*4’(3Q&,Q&+./V(&V3++*)4*.(D4’(W&D(&1234P3(3 *)*+8Y3/:Z*Q3/&)463V&P3(W*+*)131&)/.4.&)&,1&KV(3QQ&(*)/4’(W.)3，463K.X.)71&)/.4.&)&,3N.R*+3)4Q4*4.1V(3QQ’(3*)/463 ,+&P K*416.)71&)/.4.&)&,463W+*Q44’W3，*K*463K*4.1*+K&/3+,&(V3(,&(K*)131*+1’+*4.&)&,Q&+./V(&V3++*)4*.(D4’(W&D(&1234.) &,,D/3Q.7)Q4*43P*Q/3/’13/:$$7)%8&/$0：Q&+./V(&V3++*)4*.(D4’(W&D(&1234（-OC50）；/3Q.7)Q4*43；&,,D/3Q.7)Q4*43；K*463K*4.1*+K&/3+$$$符号说明：$$!#$$$总温$$"#总压$$!压比$$"效率$$#"定压比热容$$$比热容比$$%质量流量$$&配比，油气比$$下标及主要截面符号$$G$$$压气机$$5涡轮$$Z燃烧室$$*空气$$,富燃燃气D固体推进剂燃烧产物$$7燃气与空气的混合气$$<远前方未受扰动截面$$!$$压气机进口$$@涡轮进口$$#L涡轮出口$$#LL压气机出口$$=燃烧室进口$$?尾喷管进口$$"尾喷管出口9:引言固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机（-OC50）是一种应用前景十分广泛的动力装置，它集传统的固体推进剂火箭发动机和吸气式涡轮发动机的特点于一体，!收稿日期：!<<#D>!D>!；修回日期：!<<=D<=D>!。
井下涡轮发电机水力性能测试平台设计
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
效率 ， 且 易受 温度 限制＿ 】 ］ ． 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
１ ２
１ １
ｌ Ｏ
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 ；
１ Ｏ 一线 圈 ； １ １ 心轴 ； １ ２ 轴 承 图 １ 井 下 涡 轮 发 电 机 结 构 示 意 图
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
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
国产涡轮发电MWD首次在江汉油田的应用
国产涡轮发电MWD首次在江汉油田的应用国产涡轮发电MWD 首次在江汉油田的应用石玉江摘要涡轮发电MWD 是以钻井液为介质产生的动能来驱动涡轮旋转,带动发电机发电,为井下测量仪器提供电力的一种无线随钻测斜仪。
通过该仪器在江汉油田多口井的应用，分析对比了涡轮发电与锂电池供电的无线随钻测斜仪的一些优缺点，为今后涡轮发电无线随钻测斜仪的推广应用奠定了基础。
关键词泥浆涡轮随钻测井钻井一、概述近几来，MWD 广泛采用高性能锂电池为井下测量仪器供电，而锂电池的工作温度不能超过120℃，寿命为150～200小时。
随着深井数量和深度增加、随钻测量和井下导向控制技术的发展，随钻测量仪器和控制工具的功能越来越强，井下温度越来越高，深井中的高温环境使得锂电池性能和寿命都大幅度降低，甚至无法工作。
另外，频繁地更换锂电池，将降低钻井效率，再者，使用锂电池供电还将带来环境污染。
因此，作为井下主流电源的锂电池已难于满足随钻测量仪器和控制工具、深井钻井对电力的需要，而涡轮发电MWD 则解决了上述问题。
井下钻井液涡轮发电系统的基本原理是：利用钻井过程中钻井液冲刷涡轮带动驱动轴旋转，经过变速器使磁力耦合器内磁转子旋转，磁力耦合器外磁转子则跟随同步旋转，从而带动发电机转轴旋转，切割磁力线而发电，为井下无线随钻测斜仪器提供电源，实现了无接触传递动力；当排量高时，利用磁力耦合器内外磁转子产生的滑差效应保护发电机，实现了流体动能—机械能—电能的转化（见下图）。
目前，众多无线随钻测量仪器厂家纷纷推出各自的产品，国内陆上主要使用的进口产品有QDT 、SDI 、GEOLINK 、HALLIBURTON 等；国产的有北京海蓝、普利门、中天启明、恒泰等。
由于进口无线随钻测量仪器价格昂贵、维护保养困难、售后服务跟不上，很难适应国内定向井技术的发展。
烟台恒泰总结了国内外经验，生产出涡轮发电650型无线随钻测斜仪。
该仪器上端连接一液压泵，钻井液在鱼颈总成和限流环与蘑菇头形成的环形腔内流动，当电磁阀“吸合”时，蘑菇头升起9mm并且保持1秒，钻井液通道被堵死，就产生了钻井液正压力脉冲。
涡轮机械的动力学特性分析与优化设计
涡轮机械的动力学特性分析与优化设计涡轮机械是一种重要的动力传动装置，广泛应用于航空、航天、能源、汽车等领域。
为了提高涡轮机械的性能和可靠性，需要对其动力学特性进行深入分析，并进行优化设计。
本文将从涡轮机械的动力学特性入手，探讨其分析方法和优化设计思路。
一、涡轮机械的动力学特性分析1. 动态分析方法涡轮机械的动力学特性分析是通过建立涡轮机械的动力学模型，采用数学方法进行求解。
常用的动态分析方法包括：（1）有限元分析法：将涡轮机械划分为有限数量的小元素，通过求解各个元素的运动方程，得到整体的动力学行为。
（2）振动模态分析法：利用振动理论对涡轮机械进行模态分析，找出主要的振动模态和频率。
（3）传递函数法：通过建立涡轮机械的传递函数模型，分析输入与输出之间的关系，了解涡轮机械的传递特性。
2. 动力学特性分析内容涡轮机械的动力学特性包括振动、动力响应和稳定性等方面的分析。
具体内容如下：（1）振动分析：分析涡轮机械的振动特性，包括模态、共振、振型等。
（2）动力响应分析：分析涡轮机械在工作过程中的动力响应，包括加速度、速度和位移等。
（3）稳定性分析：分析涡轮机械的工作稳定性，包括自激振动、非线性现象等。
二、涡轮机械的优化设计1. 优化设计思路涡轮机械的优化设计旨在提高其性能和可靠性，减少功耗和振动噪声。
具体思路如下：（1）减小振动和噪声：通过改进结构设计、减小不平衡量、优化叶轮叶片形状等措施，减小涡轮机械的振动和噪声。
（2）提高传动效率：通过优化涡轮机械的叶轮叶片形状、流动道设计等，提高涡轮机械的传动效率。
（3）增加工作稳定性：通过改进涡轮机械的结构设计、控制系统等，提高涡轮机械的工作稳定性，减少自激振动现象。
2. 优化设计方法涡轮机械的优化设计可以采用以下方法：（1）智能优化算法：例如遗传算法、粒子群算法等，通过模拟自然进化过程，得到最优的设计方案。
（2）试验优化法：通过设计一系列试验，测量不同设计参数下的性能指标，通过试验数据进行优化设计。
基于多物理场方法的新型涡轮永磁发电机设计
Ｃ ｏ ． ， Ｌ ｔ ｄ ． ， Ｓ Ｉ Ｎ Ｏ Ｐ Ｅ Ｃ， Ｄ ｏ ｎ ｇ ｙ ｉ ｎ ｇ ２ ５ ７ ０ １ ７ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
体 冲蚀 ， 从 而实 现 较 高 的 可靠 性 。该 类 涡 轮 发 电 机 基本 工作 原理 是利用 涡轮 叶 片将钻井 液 液压 能
入 口
转 化 为磁耦 合 外 磁体 旋 转 动 能 ， 并 利 用 磁 耦 合 实
现 转矩 无接 触 传 递 ， 从 而带 动 发 电机转 子旋 转 并 产生 电能 。此类 发 电机通 常结 构 复 杂 ， 需 要 更 多
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ；ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ － ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ；ｈ ａ ｌ ｂ ａ ｅ ｈ ａ ｒ ｒ ａ ｙ；ｈ ｉ ｇ ｈ － ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ；ｈ ｉ ｇ ｈ － ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ
或 者采 用 已有 的 经 验公 式 来 计 算 。 。对 于 井 下
采用外转子 结构形 式 ， 并 直 接 与 涡 轮 转 子 整 合 在 一起 ， 可 以有 效 简 化 结 构 和减 小 发 电 机 体 积 。
定转子独立静 密封 取代 传统磁 耦合 方式 ， 就 可 以使 钻 井 液 通 过 滑 动 轴 承 流 经 发 电 机 气 隙 ， 从 而实 现 有 效 的 轴 承 润 滑 、 流 体 强 迫 对 流 散 热 以 及 电机 内 外 压 力 平 衡 。 利 用 Ｈａ ｌ ｂ ａ ｃ ｈ磁 体 阵 列
涡轮增压器叶轮流场数值模拟与分析
涡轮增压器叶轮流场数值模拟与分析涡轮增压器（Turbocharger）作为一项重要的汽车发动机动力增加装置，具有高效率、低排放以及提升动力等优势，在汽车行业中得到广泛应用。
而涡轮增压器叶轮流场数值模拟与分析是对涡轮增压器性能评估的重要手段。
本文将通过数值模拟的方法，对涡轮增压器叶轮的流场进行分析，探讨其运行机理与性能优化。
一、涡轮增压器原理简介涡轮增压器作为一种以废气能为动力的装置，通过废气的压力能转化为机械能，驱动引擎进气，提高其功率输出。
其基本构造由涡轮及增压器两个部分组成。
涡轮由涡轮叶片、轴和轴承组成，通过废气的作用下旋转，并将旋转动能传递给增压器，增加进气压力。
增压器由压气机壳、压气机叶片和出口管组成，将旋转动能转化为压力能。
二、涡轮增压器数值模拟方法为了更好地理解涡轮增压器的运行机理和性能特性，在实际工程中采用数值模拟的方法进行研究是常见的手段。
数值模拟可通过计算流体力学（CFD）方法实现，该方法基于流体力学原理和数值计算方法，对流体流动进行模拟与计算。
1. 几何建模涡轮增压器叶轮的几何形状对其性能有着重要影响，因此建立准确的叶轮几何模型至关重要。
常见的方法包括基于实际叶轮形状的三维建模和基于理想叶轮形状的二维轴对称建模。
其中，三维建模更接近真实情况，但计算复杂度较高，而二维轴对称建模则适用于一些简化的研究工作。
2. 网格划分数值模拟需要将流体区域划分为小单元，即网格。
合适的网格划分可以提高计算精度，同时也决定了计算复杂度。
在涡轮增压器叶轮流场模拟中，将流经叶轮的区域进行三维网格划分，确保在叶轮表面和流经区域都有足够的网格分辨率。
3. 基本方程涡轮增压器流场模拟主要涉及流体力学的基本方程，包括连续方程、动量方程和能量方程。
连续方程描述了质量守恒原理，动量方程描述了动量守恒原理，能量方程描述了能量守恒原理。
这些方程通过网格单元边界上的守恒通量以及初始和边界条件进行求解。
4. 数值求解利用有限体积法或有限元法等数值求解方法，对基本方程进行离散化处理，转化为代数方程组。
石油钻井用泥浆涡轮发电机
石油钻井用泥浆涡轮发电机发布时间：2023-02-06T03:21:23.538Z 来源：《中国科技信息》2022年第9月第18期作者：杨涛[导读] 石油钻井过程中，一般都需要给井下电子测量总成以及旋转导向系统中的导向控制模块供电杨涛盘锦辽河油田天意石油装备有限公司 124000摘要：石油钻井过程中，一般都需要给井下电子测量总成以及旋转导向系统中的导向控制模块供电，与传统的锂电池相比，泥浆发电机具有耐高温型好，输出功率大等优势。
根据涡轮与发电机本体连接方式的不同以及本体接头形式的不同，论述了泥浆涡轮发电机的主要结构形式及其优缺点。
结合泥浆涡轮发电机的结构示意图，阐明了其工作原理，指明由于发电机本体直径受限，并且工作在井下高温高压及泥浆排量变化的严酷环境下，导致其输出功率难以大幅度提高，并且给发电机本体制造工艺及涡轮选型等方面带来一系列特殊要求。
文章详细介绍了泥浆涡轮发电机在无线随钻测量（MWD）和旋转导向系统中的应用情况。
最后从耐高温高压、输出电压的稳定性、功率、体积三方面指明了泥浆涡轮发电机的发展趋势。
关键词：石油钻井、泥浆涡轮发电机、结构形式、旋转导向系统、无线随钻系统一、泥浆发电机结构形式及工作原理石油钻井用泥浆涡轮发电机主要由涡轮、发电机及两者的连接机构组成。
1.涡轮部分为了提高涡轮效率，涡轮又分为导轮和叶轮（见图1）：图1：流体示意图导轮与钻铤固定，其上分布有导轮叶片，导轮的作用是将流过的泥浆沿着涡轮叶片的入口角进行导向，提高泥浆发电机对泥浆动能的利用率以及减小泥浆对叶轮的轴向冲击力。
叶轮上也分布叶轮叶片。
2.发电机部分发电机转子和发电机定子构成发电机本体（见图2）。
发电机定子为硅钢片叠压的齿槽结构，槽里绕有漆包线绕组，绕组为三相Y行接法。
发电机转子上分布有磁钢，可以是一对级，也可以是多对级，磁钢充磁方向主要有径向结构和切向结构两种。
发电机本体主要结构为内磁钢转子，外绕组定子形式。
3.涡轮与发电机连接方式由于井下泥浆涡轮发电机通过泥浆冲刷涡轮为整个发电机提供动力，涡轮直接与高温高压泥浆接触，而发电机需要与泥浆隔离，内外压力压差较大。