随着旋转导向钻井技术的逐步推广应用，利用电液方式驱动导向工具的模式已经完善，由于国内长期从事井下随钻测量技术的研究，井下的电源采用电池组或小功率涡轮发电机，无法满足导向工具的需求。为此，根据钻井液的性能特点和井下钻具尺寸限制，通过对涡轮叶片结构的设计和发电机各项性能参数的优化，研制的井下大功率涡轮发电机基本可以满足旋转导向工具的功率需求。

地面测试装置 确保各项数据准确

井下涡轮发电机利用泥浆流动冲击发电机外部涡轮实现能量转换，将泥浆的动能转化为发电机的电能输出。由于钻井液的循环压力和流量依据钻井工况的需要变化，而导向工具的驱动需要提供稳定的电源，为此必须依据发电机的性能特点，配备相应的控制调节电路，以满足工具的需求。同时，控制电路需要满足井下高温高压环境中的稳定可靠，为确保各项数据的准确，研制了井下大功率的涡轮发电机地面性能测试装置。

井下大功率涡轮发电机结构 井下大功率涡轮发电机的磁钢通过卡瓦笼固定于发电机外筒上，处于顶部的驱动涡轮和底部的导向涡轮与外筒连接为一体。工作时，驱动涡轮在钻井液的推动下旋转，产生一个旋转的磁场，属于外转子式的永磁发电机。电枢绕组固定在心轴上，心轴与发电机固定装置一体，因此电枢绕组相对转子固定，这种结构可以使旋转的涡轮外筒和心轴之间不需要任何电气连线，绕组与心轴之间没有相对运动，避免了转动部分和不转动部分间的电气连接，提高系统的可靠性和安全性（见图1） 。

发电机试验装置 井下涡轮发电机通过前后两端的心轴固定在钻铤内部，并将发电机端部接头密封同时将测量引线引出到钻铤外部方便测量。实验钻铤两端利用焊接的法兰接头与两端的实验管道连接后，接好发电机实验测试箱，泵开启，实验管道能够调节液体流量，同时配有流量计可以读出流量值。

在发电机入口端压力传感器输出进口压力值，出口端压力传感器显示出口压力值，通过发电机两端的水的压力差值，可以计算叶轮的压力损失，发电机实验测试箱测试输出的交流电的频率和电压最大值，从而得出其转速，通过连接负载电阻的形式，记录发电机的电压值，可以计算出发电机的功率大小。在实验过程中，要特别注意发电机接头位置的密封情况，以及发电机测试引线引出钻铤处的密封情况（见图2）。

端子测试 用RLC测试仪测量从已经连接好的试验装置引出的5个被测端子，其中：动力绕组是3、4抽头，工作绕组是1、2抽头，引出电缆的兰、黄、红、黑、白芯线对应5、2、4、3、1端子。记录电阻、电容，电感，记录于表1并确定出绕组间的关系（见表1）。

空载电压测量 在进入管道流体测试前，将发电机固定在机床上拖动，采用固定外筒拖动心轴的方式，以便弄清楚发电机的转速与频率、电压之间的关系。用测速仪直接测量发电机转速，同时用双通道示波器测量输出电压V34，V12，同时测量频率。根据逐步提高机床转数，用示波器测试两个绕组的输出电压、频率。当转速从22r/min增加到560r/min时，V12从0.968V升到68V，V34从0.92V升到25.4V，频率从2.9 Hz升到29 Hz。

带载电压测量 为确认带载情况下发电机的转速与频率、电压之间的关系。空载试验结束后，做发电机带载试验，用一个大功率定值电阻作为模拟负载。分别将动力绕组34连接1Ω和工作绕组12连接6Ω，逐步提高机床转数，用示波器测出负载两端的电压和频率（见表2）。

流量、转速测量试验 首先，将井下涡轮发电机从机床上取下，安装在固定装置钻铤短节内部，并且试压堵头安装在固定装置两端。然后将钻铤内部注满水，利用打压泵打静压力，测试固定装置钻铤短节与发电机及引线之间的密封性能。

对固定装置分别打压两次到25MPa稳压十分钟，然后拆掉固定装置钻铤短节两端的试压堵头，将发电机从固定装置钻铤短节中取出，用万用表次测量下各个端子之间的绝缘情况，如果出现不绝缘情况，认为固定装置与发电机之间不密封，找出不密封的位置，进行改进。

待发电机干燥后，用万用表再次测量各个端子之间的绝缘情况，绝缘值满足要求的情况下，将发电机装入固定装置，连接试压堵头继续打压试验，重复以上步骤。直到打压试验后，发电机取出后，绝缘情况在正常范围，确认可以进行流体试验。

将发电机固定装置钻铤短节安装于流量泵管线之间，通过法兰盘连接好，将发电机的测量引线引出到远离管线压力高的位置，方便连接示波器测量发电机频率电压等参数。然后将12绕组、34绕组与负载6欧、1欧电阻连接。流量泵开启，流量大小分别从0L增加到35L，每5L增加一次。

自主生产大功率 发电机具有可行性

由表3可知，现有泥浆发电机的流量由15L/S增加到35L/S时，转速的变化范围是690～2560rpm，频率范围是22.9Hz～160.3Hz，绕组1、2的峰值电压范围是13.9V～50.4V，功率范围是16.1W～243W；绕组3、4的峰值电压范围是6.6V～34.4V，功率范围是21.8W～591.8W，绕组1、2与绕组3、4相位不同。

说明：示波器的通道1即CH1接的是 1-2绕组，负载是6欧姆。示波器的通道1即CH2接的是3- 4绕组，负载是1欧姆。

由图3可知，当流量越大的时候，发电机的转速越快；发电机的峰峰值电压随流量的增加而增大；当负载一定的情况下，流量越大电流也越大；当负载一定的情况下，流量越大发电机输出功率越大呈非线性。

在做流体试验前一定要测量各个引线接头绝缘并且要对发电机试验固定装置进行密封测试，防止接头短接，烧毁发电机。

通过试验数据分析，国产大功率发电机在额定电阻的条件下，能够达到500W功率；试验数据为整理稳压电路板设计研究奠定基础，理论上整理稳压的研制能够实现。