煤礦井下渦輪發電機設計與試驗分析

譚 超，李宗燎，王家成

(三峽大學，宜昌 443002)

0 引 言

由于具有在高溫調節下能夠穩定電能輸出和使用壽命較長等特點，渦輪發電機正成為隨鉆測井儀器的主要電源[1-2]。在石油鉆探方面，很多學者對渦輪發電機展開了研究，并獲得了一定的成果。文獻[3]對渦輪發電機的關鍵部件渦輪進行設計、建模和仿真，并根據結果得到了最佳的葉片數、葉片出口角度、中弧線圓弧半徑大小及葉片進口角度等參數,使得設計的渦輪模型水力性能達到最好，極大地提高渦輪的輸出功率。文獻[4]提出了一種基于Halbach永磁體且采用磁耦合靜密封方式的渦輪發電機，通過對發電機的結構場、共軛耦合場和電磁場的多物理場求解計算，得出了該結構電機能夠有效提高發電機的功率密度。文獻[5]設計了一種自動補償式動密封的渦輪發電機，該電機同時運用磁耦合傳動結構，并對其進行了建模與仿真分析，發電機在額定轉速下，輸出相電壓可達到50 V左右，功率可高達千瓦。王智明、郭云等人研究了一種混合的勵磁模式渦輪發電機，剖析了高溫高壓對發電機運行的影響，經過實驗驗證，混合勵磁構造下發電機輸出功率不受高壓影響，但隨著溫度上升效率會降低[6]。

煤礦隨鉆測井與石油鉆井的井口口徑大小不同，并且煤礦鉆探過程中要考慮防爆等因素，因此用于石油鉆井的渦輪發電機不能直接用于煤礦之中。本文根據煤礦鉆井井口口徑，設計了一種渦輪葉片直徑70 mm、其他通徑小于55 mm的外轉子式新型渦輪發電機，該新型電機可以克服了傳統磁耦合發電機極易發生滑脫及柔性諧振的缺點。通過仿真模型分析及實物帶載試驗驗證，設計的發電機輸出波形諧波含量小且趨于正弦波，輸出功率可滿足供電要求。

1 渦輪發電機整體結構及分析

傳統渦輪發電機多采用磁耦合結構模式，利用磁耦合結構可實現能量的無接觸傳遞，能夠有效保護發電機定轉子內部，使其不受鉆井液的沖蝕。然而此類發電機結構復雜，需要極大的空間安裝隔離套及內外磁體，當負載突然變化時極易出現柔性諧振和滑脫現象，可靠性較低[7-8]，這些缺點使得傳統發電機無法長遠地進行井下供電。

本文研究了一種定子密封形的外轉子新型渦輪發電機，圖1是井下渦輪發電機的基本結構。渦輪發電機由渦輪葉片驅動器、發電機本體(外旋轉磁鐵結構及內定子線圈)及整流穩壓器3個部分組成，發電機整體通過扶正器固定在鉆鋌內部，該發電機采納外轉子結構模式，將外轉子與渦輪轉子直接連接，可以有效簡化結構、減小發電機體積，不會發生滑脫現象，并且采用定子密封形式，可以避免鉆井液對內部結構的腐蝕。

圖1 渦輪發電機基本結構

在鉆井測量過程中，鉆井液(高壓清水)通過分流器導流后沖擊渦輪使發電機外殼轉動，同時帶動與渦輪外殼直接連接的12片轉子磁片旋轉產生可變磁場，12片轉子磁片通過機械槽限位結構和外旋轉軸直接固連，定子繞組線圈固定在發電機內不旋轉的軸上，在變化的磁場中定子線圈切割磁感線，產生電能，最后通過整流穩壓處理輸出恒壓直流電。本文主要進行發電機部分的結構參數設計以及仿真實驗研究。

2 發電機設計及計算

發電機采用如圖2所示的外轉子結構，與傳統發電機結構不同，轉子磁片直接固定在發電機外殼上，隨渦輪一起轉動，內部為定子線圈和鐵心，通過銅制的隔離套保護定子線圈免受磨損。這樣的結構與傳統內轉子發電機相比，電機氣隙可以設計得更大，發電機得到的轉動慣量也較高。

圖2 發電機結構圖

采用9個呈Y形連接的三組三相線圈作為定子繞組，轉子中放入6對均勻排列的釹鐵硼強力瓦形磁鐵，當轉子隨著渦輪驅動器轉動時，磁鐵與定子線圈作切割磁感線運動，從而產生交流電。從流體力學來看，發電機輸出的電能與渦輪捕獲的能量有關，輸出功率隨著液體流速的增加而增加[9-10]，其關系如下：

(1)

式中：P為渦輪從流體中捕獲的功率；ρ為鉆井液密度；v為鉆井液的流速；KP為水動能轉換為渦輪機械能的效率，一般取0.4～0.6;r′為發電機半徑。

默認捕獲的能量全部轉化為發電機的輸出功率，發電機的輸出功率也可以表示如下：

(2)

式中：E為額定輸出電壓;R為帶載電阻。

根據需要的發電機輸出電壓，可以確定發電機電子線圈匝數[11]:

(3)

式中：Φ1為氣隙合成磁通；N為定子線圈繞組每相匝數；KN為定子繞組系數，一般小于1。

發電機的電樞直徑為定子線圈直徑加轉子厚度和氣隙長度，表達如下 ：

D=2r′=2(r+hr+δ)(4)

式中：D為發電機電樞直徑；r為定子線圈半徑；hr為轉子磁鋼高度；δ為發電機氣隙大小。其中發電機氣隙不能太大或太小，δ太小，轉子容易掃定子膛；δ太大，漏磁增大，發電機效率降低，因此，氣隙應控制合理數值，一般取δ=0.5～3 mm。

根據式(1)和式(4)，發電機直徑可以轉換如下式：

(5)

極對數與發電機轉速及頻率關系如下:

(6)

式中：p為發電機極對數；nh為發電機轉子額定轉速。

本文設計的渦輪發電機額定功率為15 W，已知鉆井液流體額定流速為2 m/s，鉆井液密度ρ取水的密度1 000 kg/m3，由式(5)得到的渦輪發電機直徑為55 mm，在發電機外徑約束下，根據式(1)～式(6)，確定的其它參數如表1所示。

表1 發電機主要參數

3 發電機仿真分析

為了驗證設計的發電機是否達到設計要求，在COMSOL中建立如圖2所示的外轉子旋轉磁鐵和內定子繞組線圈結構的發電機電磁仿真模型。定義如表1所示的發電機結構參數，設置磁鐵剩余磁通密度為1 T，導線截面積設置為1×10-5m2，線圈匝數設置為22匝，定子線圈保持靜止，中心部分選用鐵心材料，磁化關系選用系統自帶的中碳鋼B-H曲線來實現，通過邊界條件設置發電機的旋轉區域為外轉子磁片及外殼，并定義外旋轉磁片旋轉速度，內部電子線圈固定不動。

對建立的模型進行瞬態分析，在0.17 s時對發電機模型的磁通密度分布進行繪制，其磁場密度分布圖如圖3(a)所示，發電機定子軛部最高磁通密度未達到定子鐵心材料的飽和值(鐵心材料采用DW310時，該值為1.2 T)。發電機轉子在額定轉速2 000 r/min時，其感應電動勢如圖3(b)所示，其波形穩定趨于正弦波，發電機在帶載35 Ω時輸出幅值為13.2 V，輸出功率可計算為14.9 W，證明設計的電機參數較為合理。

(a) 發電機磁通密度分布圖

(b) 2 000 r/min時發電機感應電動勢

4 樣機試驗及結果分析

4.1 渦輪發電機樣機與測試平臺

根據上述渦輪葉片和發電機的結構設計及仿真分析，制作了如圖4(a)所示的渦輪發電機樣機。發電機前端引流器設計成子彈頭式，使得水流能夠更大能力地沖擊渦輪葉片，尾部的整流穩壓電路采用TPS5430 buck電路，發電機的輸出經過穩壓電路處理后穩定輸出5 V直流電。圖4(b)為發電機內置定子線圈，采用22匝9槽式結構；圖4(c)為發電機內置外轉子磁片，采用釹鐵硼12片強力瓦形磁片及套圈構成外轉子。發電機所有尺寸參數都如表1所示。

(a) 發電機整體實物

(b) 發電機內定子線圈

(c) 發電機外轉子磁片

為測試渦輪發電機能否滿足要求，在完成了渦輪發電機樣機后，搭建了渦輪發電機系統測量實驗平臺，實驗平臺結構如圖5所示。該平臺通過數控機床的電動機帶動渦輪發電機轉動，采用六位半數字萬用表Agilent 344001A測量發電機的輸出電壓以及經過整流電路的電壓，渦輪發電機負載接入50 Ω可調節的滑動變阻器。

圖5 測試系統原理圖

4.2 輸出電壓及功率分析

從小到大調節數控機床電動機的轉速，采用隔離通道示波器測得帶載20 Ω、轉速為2 000 r/min的輸出波形，如圖6所示，輸出波形趨于正弦波，且A，B，C三相對稱。采用示波器FFT功能對波形進行分析，測得的諧波分量如圖7所示。

圖6 發電機樣機輸出波形

圖7 輸出波形諧波幅度

通過諧波畸變率THD進行計算，THD越大，諧波含量越大，反之，THD越小，諧波成分越小。計算公式如下：

(7)

式中：Bk為k次諧波幅度值;B1為基波幅度值。

計算得到THD為10.23%，其值較小，說明輸出波形諧波含量小，輸出比較穩定。采用六位半數字萬用表測量發電機空載、帶負載20 Ω以及通過整流穩壓電路的輸出電壓，如圖8所示。

圖8 發電機樣機測量曲線圖

經過擬合計算得到空載及帶載20 Ω輸出電壓與轉速的關系：

y0=0.007n-0.089(8)

y1=0.005n-0.589(9)

式中：y0為空載輸出電壓；y1為帶載20 Ω輸出電壓。

通過Excel中的RSQ函數分析式(8)、式(9)擬合程度指標R2大于0.996，輸出電壓與轉速呈線性關系。在空載額定轉速2 000 r/min下的輸出電壓為13.1 V與仿真的輸出電壓13.2 V大致相同，并且空載輸出電壓明顯強于帶負載后的輸出，這是因為發電機本身存在一定的電阻和電感，使得帶載輸出電壓要小于空載輸出電壓。發電機輸出經過整流穩壓處理，在轉速大于1 800 r/min時，輸出電壓保持5 V不變。在額定轉速2 000 r/min，測得帶載20 Ω的輸出電壓幅值為9.5 V，根據式(2)得到輸出功率為13.6 W，加上電機本身發熱消耗的功率，發電機輸出功率基本達到預期15 W輸出要求。

5 結 語

根據發電機的輸出功率外徑尺寸以及其它各個主要參數的約束關系，確定了新型外轉子發電機結構參數大小。為了判別設計的發電機能否滿足要求，采用COMSOL對發電機模型進行瞬態計算，在轉速為2 000 r/min時輸出電壓可達到13.2 V。

按照上述參數設計制作渦輪發電機樣機，通過樣機實驗，得到發電機輸出波形趨于正弦波并且輸出穩定，帶載20 Ω時額定轉速下的實際輸出電壓為9.5 V，輸出功率為13.5 W，考慮發電機實際發熱消耗部分功率，其輸出功率基本達到預先設計要求。該分析過程和設計結果可以為后續煤礦井下渦輪發電機產品研發提供參考。