隨著旋轉導向鉆井技術的逐步推廣應用，利用電液方式驅動導向工具的模式已經完善，由于國內長期從事井下隨鉆測量技術的研究，井下的電源采用電池組或小功率渦輪發電機，無法滿足導向工具的需求。為此，根據鉆井液的性能特點和井下鉆具尺寸限制，通過對渦輪葉片結構的設計和發電機各項性能參數的優化，研制的井下大功率渦輪發電機基本可以滿足旋轉導向工具的功率需求。

地面測試裝置 確保各項數據準確

井下渦輪發電機利用泥漿流動沖擊發電機外部渦輪實現能量轉換，將泥漿的動能轉化為發電機的電能輸出。由于鉆井液的循環壓力和流量依據鉆井工況的需要變化，而導向工具的驅動需要提供穩定的電源，為此必須依據發電機的性能特點，配備相應的控制調節電路，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境中的穩定可靠，為確保各項數據的準確，研制了井下大功率的渦輪發電機地面性能測試裝置。

井下大功率渦輪發電機結構 井下大功率渦輪發電機的磁鋼通過卡瓦籠固定于發電機外筒上，處于頂部的驅動渦輪和底部的導向渦輪與外筒連接為一體。工作時，驅動渦輪在鉆井液的推動下旋轉，產生一個旋轉的磁場，屬于外轉子式的永磁發電機。電樞繞組固定在心軸上，心軸與發電機固定裝置一體，因此電樞繞組相對轉子固定，這種結構可以使旋轉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，避免了轉動部分和不轉動部分間的電氣連接，提高系統的可靠性和安全性（見圖1） 。

發電機試驗裝置 井下渦輪發電機通過前后兩端的心軸固定在鉆鋌內部，并將發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，接好發電機實驗測試箱，泵開啟，實驗管道能夠調節液體流量，同時配有流量計可以讀出流量值。

在發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，通過發電機兩端的水的壓力差值，可以計算葉輪的壓力損失，發電機實驗測試箱測試輸出的交流電的頻率和電壓最大值，從而得出其轉速，通過連接負載電阻的形式，記錄發電機的電壓值，可以計算出發電機的功率大小。在實驗過程中，要特別注意發電機接頭位置的密封情況，以及發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系（見表1）。

空載電壓測量 在進入管道流體測試前，將發電機固定在機床上拖動，采用固定外筒拖動心軸的方式，以便弄清楚發電機的轉速與頻率、電壓之間的關系。用測速儀直接測量發電機轉速，同時用雙通道示波器測量輸出電壓V34，V12，同時測量頻率。根據逐步提高機床轉數，用示波器測試兩個繞組的輸出電壓、頻率。當轉速從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電機的轉速與頻率、電壓之間的關系。空載試驗結束后，做發電機帶載試驗，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，逐步提高機床轉數，用示波器測出負載兩端的電壓和頻率（見表2）。

流量、轉速測量試驗 首先，將井下渦輪發電機從機床上取下，安裝在固定裝置鉆鋌短節內部，并且試壓堵頭安裝在固定裝置兩端。然后將鉆鋌內部注滿水，利用打壓泵打靜壓力，測試固定裝置鉆鋌短節與發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穩壓十分鐘，然后拆掉固定裝置鉆鋌短節兩端的試壓堵頭，將發電機從固定裝置鉆鋌短節中取出，用萬用表次測量下各個端子之間的絕緣情況，如果出現不絕緣情況，認為固定裝置與發電機之間不密封，找出不密封的位置，進行改進。

待發電機干燥后，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，將發電機裝入固定裝置，連接試壓堵頭繼續打壓試驗，重復以上步驟。直到打壓試驗后，發電機取出后，絕緣情況在正常范圍，確認可以進行流體試驗。

將發電機固定裝置鉆鋌短節安裝于流量泵管線之間，通過法蘭盤連接好，將發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電機頻率電壓等參數。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。

自主生產大功率 發電機具有可行性

由表3可知，現有泥漿發電機的流量由15L/S增加到35L/S時，轉速的變化范圍是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，發電機的轉速越快；發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電機試驗固定裝置進行密封測試，防止接頭短接，燒毀發電機。

通過試驗數據分析，國產大功率發電機在額定電阻的條件下，能夠達到500W功率；試驗數據為整理穩壓電路板設計研究奠定基礎，理論上整理穩壓的研制能夠實現。