基于多物理場方法的新型渦輪永磁發電機設計*

劉慶龍, 孫 峰

(1. 中國石油大學 石油工程學院，山東 青島 266555；2. 中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257017)

基于多物理場方法的新型渦輪永磁發電機設計*

劉慶龍1,2, 孫 峰2

(1. 中國石油大學 石油工程學院，山東 青島 266555；2. 中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257017)

針對井下高溫、高壓、振動且空間有限等諸多惡劣環境，提出了一種基于Halbach磁體的定子密封式渦輪永磁發電機，定子靜密封取代磁耦合靜密封，在保證壓力平衡的同時，流經氣隙的鉆井液可以有效改善散熱環境和潤滑軸承；同時，Halbach磁體的單邊聚磁特性和較好的氣隙磁密正弦度可以有效地提高發電機功率密度，改善繞組反電勢。最后，對其進行了包括電磁場、熱-流共軛耦合場、結構場的多物理場分析與計算，得到了發電機內流場、溫度場和應力場的分布。樣機溫度與負載試驗結果與仿真結果的對比驗證了該方法的有效性。

渦輪發電機； 多物理場； Halbach陣列； 高溫高壓

0 引 言

隨著油氣鉆井技術的不斷發展，高級井下工具對電能需求越來越高。由于具有工作溫度范圍寬和穩定的電能輸出等特點，渦輪發電機正在成為井下設備的主要電源。該系統的設計關鍵在于無動密封以保證渦輪永磁發電機運行可靠性。磁耦合作為一種目前廣泛使用的靜密封形式[1]，能夠實現轉矩的無接觸傳遞，避免了泄露和機械磨損，因此一些井下設備發電裝置均采用基于磁耦合的渦輪永磁發電機。但隨著環境溫度和壓力的不斷增大，它的不足使其難以滿足不斷增加的井下電能需求。本文針對這一問題，提出了一種基于定子靜密封的新型渦輪永磁發電機。

工作于高溫、高壓及流體環境中，渦輪永磁發電機的設計將不可避免地成為一個多物理場耦合問題，其中包括電磁場、流體場、熱場和結構場。對于傳統設計方法來說，通常是只需考慮電磁場和熱場，即便是需要考慮其他也不考慮彼此耦合或者采用已有的經驗公式來計算[2-3]。對于井下這一特殊惡劣環境，多物理場之間存在明顯耦合[4-6]，故在設計階段必須予以考慮才能保證設計的精度和可信度。本文提出一種基于多物理場的渦輪永磁發電機設計方法，為驗證該方法的有效性和準確性，對原理樣機進行了溫度和帶載試驗，并與仿真結果進行了對比分析。

1 新型渦輪永磁發電機的基本結構

傳統渦輪發電機通常包括渦輪、磁耦合組件、軸承、發電機定轉子，如圖1所示。磁耦合用于靜密封，實現轉矩的無接觸傳遞，由內、外磁體以及隔離套組成，能夠有效保護發電機定轉子免受流體沖蝕，從而實現較高的可靠性。該類渦輪發電機基本工作原理是利用渦輪葉片將鉆井液液壓能轉化為磁耦合外磁體旋轉動能，并利用磁耦合實現轉矩無接觸傳遞，從而帶動發電機轉子旋轉并產生電能。此類發電機通常結構復雜，需要更多的空間，隔離套中產生顯著的渦流損耗導致較低的能量傳遞效率，更為重要的是當負載突變時容易產生柔性諧振和滑脫現象，對運行可靠性構成極大的威脅，此時只能通過選擇較大的設計裕量來避免此類故障，但是這又會使得該類發電機體積增大和功率密度降低。因此，上述這些缺點使得傳統磁耦合渦輪發電機越來越難以滿足井下對電能的需求。

圖1 傳統渦輪發電機結構示意圖

本文提出一種定子靜密封形式的渦輪發電機，一些適用于井下場合的結構形式同時被采用。新型渦輪發電機結構示意圖如圖2所示。采用外轉子結構形式，并直接與渦輪轉子整合在一起，可以有效簡化結構和減小發電機體積。定轉子獨立靜密封取代傳統磁耦合方式，就可以使鉆井液通過滑動軸承流經發電機氣隙，從而實現有效的軸承潤滑、流體強迫對流散熱以及電機內外壓力平衡。利用Halbach磁體陣列的單邊聚磁特性和較好的氣隙磁密正弦度等優點來進一步提高發電機功率密度和抑制損耗，采用分數槽繞組來抑制銅耗和保證較低的電壓調整率。

圖2 新型渦輪發電機結構示意圖

2 多物理場分析與設計

考慮到高溫高壓的環境因素以及鉆井液流經發電機氣隙，使得采用傳統設計方法來設計該渦輪發電機，而不考慮多物理場彼此耦合，必然會帶來設計的較大誤差。因此，本文提出了一種多物理場設計方法以確保設計的可靠性和準確性。其流程圖如圖3所示。根據設計指標和井下約束條件(例如電功率、空間大小、高溫高壓等)，利用經驗公式進行分析計算得出初步的設計結果，其中包括結構尺寸和材料屬性等。利用商用軟件Ansoft/Maxwell來對其進行電磁有限元分析，將發電機損耗分布映射到熱場-流體場共軛耦合分析當中去求解溫度場，再將溫度分布結果返回到電磁場計算中，從而實現多次迭代直至收斂。這樣就既可以保證電磁場、熱場、流體場的耦合計算精度，又不至于計算量太大。同時，考慮到結構場與上述三場之間的耦合屬于弱耦合，采用順序耦合方式求解，即將上述三場收斂結果傳給結構場計算，從而得出最后的應力應變。最后判斷得到的電磁場、溫度場、流體場和結構場結果是否滿足設計指標，如不滿足，則重新調整設計結果重新計算直至滿足指標。

圖3 渦輪發電機多物理場設計流程圖

2.1 電磁場分析

建立永磁同步發電機的有限元模型，如圖4所示。Halbach磁體陣列采用每極4塊形式來保證一定的磁場分布正弦度。分數槽繞組采用8極9槽形式，優點在于繞線簡單、端部繞線短、槽滿率高。

圖4 永磁發電機有限元仿真模型

由于井下環境溫度高，因此分析溫度對其輸出性能的影響，以確保在極端溫度環境下發電機運行的可靠性。

由圖5、圖6可知，直流母線電壓會隨著溫度的不斷增加而降低，但電壓調整率卻會隨著溫度增加而有略微增加。例如，相比于20℃，當溫度增加至200℃時電壓調整率增加1.45%。此外，隨著溫度的增加，負載容量將會顯著降低。

圖5 直流母線電壓隨溫度變化情況

圖6 在不同環境溫度時的輸出功率

2.2 溫度場分析

考慮到幾何結構及損耗、流場的周期性分布性，選取軸向1/3模型作為計算區域，其同時包括固體域和流體域。流體通道示意圖如圖7所示。

圖7 流體通道示意圖

為方便計算，做如下基本假設和邊界條件設置: (1) 忽略固體表面的接觸熱阻；(2) 流-固接觸面為光滑面，滿足無滑移條件；(3) 導體在槽中均勻分布，并基于熱等效原理將其等效為一個導熱體，絕緣等效為另一個導熱體分布于其周圍；(4) 轉子外表面設置為恒溫邊界；(5) 軸的端面設置為絕熱邊界；(6) 入口為速度入口，出口為自然出流。仿真結果如圖8～圖10所示。

圖8 在不同排量時氣隙中流體軸向速度

圖9 在不同旋轉速度時流體切向速度

圖10 發電機溫度場分布

從圖8、圖9可知，氣隙中流場的分布是一種螺旋狀分布，符合流體邊界層理論。從圖10可知，最大溫升為23K，低于最高溫升約束。這意味著強迫對流是有效的。同時，最熱的地方在定子繞組處。

2.3 結構場分析

采用一種耐高溫特殊絕緣覆層來實現定子靜密封，而繞組部分采用C級絕緣浸漆來實現電絕緣。但是這兩種絕緣材料的熱膨脹系數遠高于其他結構件，同時考慮到發電機溫度分布的不均勻性，因此有必要對其進行熱應力分析。

為得到總的熱應變，將溫度分布與流體壓力分布結果傳遞給結構場來求解，環境壓力設置為140MPa。仿真結果如圖11、圖12所示。

圖11 未考慮熱效應時的總應變

圖12 考慮熱效應時的總應變

由圖11、圖12對比可以看出，當考慮熱效應時，發電機定轉子總應變變化明顯，最大的應變量出現在定子繞組端部，為0.038mm。

3 原理樣機與試驗

基于上述多物理場分析與設計，加工制造了一臺原理樣機，并對其進行溫度和帶載試驗以驗證方法的有效性。為實現在線測溫，將一熱電阻Pt100埋置于發電機繞組軸向中間部位，該位置被認為是溫升最大的地方。試驗框圖如圖13所示。

圖13 試驗框圖

其中，液壓泵排量可調，三相可調電阻箱作為發電機負載，試驗結果與仿真結果對比如圖14、圖15所示。

圖14 發電機輸出外特性

圖15 額定負載下發電機溫升曲線

從對比可以看出，試驗結果與仿真計算結果相符合。輸出外特性的相對誤差約4.9%。最后所測得發電機最大溫升為22.5K，仿真誤差為2.2K。

4 結 語

為滿足井下設備越來越高的電能需求，提出了一種新型渦輪永磁發電機。該發電機結構簡單，具有低電壓調整率、高功率密度和高效率等優點。同時，考慮到井下這一高溫、高壓、流體等惡劣環境中多物理場并存且耦合的問題，提出了一種基于多物理場方法的渦輪永磁發電機設計方案，并對設計樣機進行了溫度與帶載試驗測試。其結果與仿真結果相符合。對比分析表明該渦輪發電機能夠滿足未來井下日益增長的電能需求，具有良好的應用前景。同時，該方法也可以為工作于復雜環境中的電機設計提供指導。

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Multi-Physics Design of a Novel Downhole Turbine Permanent Magnet Generator

LIUQinglong1，2,SUNFeng2

(1. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266555, China;2. Drilling Technology Research Institute, Shengli Petroleum Engineering Co., Ltd., SINOPEC, Dongying 257017, China)

Taking into account of downhole harsh environment such as high temperature, high pressure and limited space, a novel stator-sealed downhole turbine permanent magnet generator based on Halbach array magnets was presented. Conventional magnetic coupling was replaced by the separate seals of stator and magnet, which could make drilling fluid flow from the air gap of the generator via the sliding bearings. Then the effective lubrication of bearings and cooling of generator were achieved consequently as well as high power density and pressure balance of the generator in the downhole. A multi-physics design procedure based on finite element method was proposed involving the electromagnetic, thermal, fluid and stress field for downhole harsh environment. The simulation results of generator surface temperature were compared with prototype test results to verify its correctness.

turbine generator; multi-physics; halbach array; high-temperature; high-pressure

國家“863”高技術研究發展計劃項目(2009AA093501)；中國石油化工集團公司“十條龍”科技攻關項目(JP11006)

孫 峰

TM 302

A

1673-6540(2015)05-0023-05

2014-10-17