一种摆动阀脉冲发生器的扭轴装配角度的确定方法与流程

1.本公开涉及摆动阀脉冲发生器，更具体地，涉及一种摆动阀脉冲发生器的扭轴装配角度的确定方法。


背景技术：

2.在石油与天然气钻井过程中，随钻测量系统在提高钻采效率、缩减工程周期方面发挥着不可替代的作用。随钻测量系统主要由井下各种参数测量仪器、信息传输工具以及地面接收工具组成，其中信息传输系统中以连续波信号传输为代表的钻井液脉冲法得到了国内外的广泛关注。
3.一种摆动阀脉冲发生器机构主要由电机、扭轴、定子和转子等构成。由直流电机驱动扭轴，由扭轴带动转子转动产生脉冲信号。其中扭轴作为驱动电机与转子的连接件及动力传送装置。现有技术在进行扭轴装配时，通常直接选择某一角度进行装配，如0
°
、6
°
等。但是这些装配角度存在电机功耗大、响应速度慢，或者憋泵等问题。


技术实现要素：

4.以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
5.本公开实施例提供了以下方案。
6.一种摆动阀脉冲发生器的扭轴装配角度的确定方法，所述摆动阀脉冲发生器包括电机、定子、转子和扭轴，所述电机驱动所述扭轴，由所述扭轴带动所述转子转动产生脉冲信号；所述方法包括：
7.确定所述摆动阀脉冲发生器在未上电时所述转子的最大关闭角度；
8.确定所述扭轴的装配角度，使所述转子处于所述最大关闭角度时，所述扭轴产生的扭矩与所述转子受到的水力转矩方向相反，且所述扭矩的值不小于所述水力转矩的值。
9.本公开实施例提供的摆动阀脉冲发生器的扭轴装配角度的确定方法，能够合理地确定扭轴的装配角度，可以避免憋泵。此外，还可以尽量降低摆动阀脉冲发生器的功耗，提高摆动阀脉冲发生器的响应速度。
10.在阅读并理解了附图和详细描述后，可以明白其他方面。
附图说明
11.附图用来提供对本文技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本文的技术方案，并不构成对本文技术方案的限制。
12.图1为一种摆动阀脉冲发生器的结构示意图；
13.图2为摆动阀脉冲发生器定子、转子截面示意图；
14.图3为本公开实施例水力转矩沿转子角度的分布曲线图；
15.图4为本公开实施例排量为2.0m3/min时不同转子装配角度下平衡转矩沿转子角
度的分布曲线图；
16.图5为本公开实施例转子装配角度为8.19
°
时不同排量下平衡转矩沿转子角度的分布曲线图。
具体实施方式
17.下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
18.需要说明，本公开实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
19.另外，在本公开实施例中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
20.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
21.另外，本公开各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本公开要求的保护范围之内。
22.如图1所示是本公开一实施例的摆动阀脉冲发生器的结构示意图。如图1所示，本公开实施例提供的摆动阀脉冲发生器包括安装在轴承1上的电机2、扭轴3、联轴器4、定子5和转子6，由电机2驱动扭轴3，扭轴3通过联轴器4带动转子6转动产生脉冲信号。泥浆从定子5所在的一侧流向转子6所在的一侧，电机2驱动扭轴3，扭轴3带动转子6相对定子5转动，摆动阀脉冲发生器的定子5和转子6周期性阻断流体通道，剪切穿过的泥浆，从而产生脉冲信号(也称压力波)。扭轴3如可以采用扭簧实现。
23.对泥浆穿过摆动阀脉冲发生器的流道模型采用非结构化网格进行离散，由于转子6做往复运动，采用动网格技术来实现网格更新，并通过fluent软件对摆动阀脉冲发生器的转子6在不同转速条件下的流场特性进行模拟仿真。在流场稳定的情况下，泥浆的动量变化产生稳态水力转矩，因此，可以通过控制转子6匀速运动或静止在不同角度模拟流场，分析稳态水力转矩特性。动态水力转矩是由转子6加减速造成的流场变化引起的，可通过控制转子6在一定加速度下运动来分析转子6的动态水力转矩特性。通过对摆动阀脉冲发生器的定、转子计算域的流体分析，可以得到以下结论：水力转矩基本沿着同一方向分布，即驱动转子6向闭合方向运动；水力转矩与转子6位置关系密切，和转子6转动的角速度和角加速度关系较小；压力波变化主要与流量即阀口通流面积相关；转子6转动角度对水力转矩的影响
明显，定、转子接近闭合位置时出现最大水力转矩。根据理论分析，还可再结合实验测试，可以得到水力转矩(稳态水力转矩、动态水力转矩)与转子转动角度的关系曲线。相同条件下，动态水力转矩的变化规律与稳态水力转矩基本相同，幅值略低于稳态水力转矩。因此，本实施例转子6受到的所述水力转矩可以按照稳态水力转矩计算，按照稳态水力转矩计算的同时可增大计算结果的裕量，但在其他实施例中也可以按照动态水力转矩计算，或者按照稳态水力转矩和动态水力转矩的加权值计算。
24.发明人经研究发现，摆动阀脉冲发生器中扭轴3的刚性及装配角度将直接影响脉冲器的工作效果，扭轴3在摆动阀脉冲发生器工作时产生的弹性变形扭矩能够帮助电机克服外部的水力转矩，但扭轴3如果因变形产生的回复力矩过大，会增加电机的负载，影响泥浆脉冲信号的效果。例如，若选择较小角度装配，可能存在电机功耗过大，响应速度慢等问题。若选择较大角度装配，如果该角度处水力转矩大于扭轴扭矩，当仪器未上电或故障时，则转子6会在水力转矩的作用下趋向于闭合从而造成憋泵。因此需要提供一种对扭轴3进行计算校核的方法，使扭轴3的扭转力矩、泥浆的水力转矩与电机的功能相匹配。
25.如图2所示，是本技术一示例性实施例的摆动阀脉冲发生器定子5和转子6结构的截面示意图。在图示的示例中，定子5的叶片和转子6的叶片均为扇面，角度均为α，开口角度均为γ，扭轴装配角度为β0，即安装后定子叶片与转子叶片之间的初始角度：0
°
≤β0≤γ。在一示例中，定子叶片和转子叶片的扇面角度均为37
°
，开口角度均为23
°
，在下文中均以23
°
作为开口角度的示例，但是本技术不局限于此。
26.为了使扭轴3能够平衡水力转矩，扭轴装配角度β0通常要大于0
°
。开泵之初摆动阀脉冲发生器不能正常上电工作，如果扭轴3装配不当，扭轴3产生的扭矩不能够平衡水力转矩，则水力转矩可能驱动转子6关闭，从而造成憋泵。假设扭轴3的刚度系数为k，当转子6的角度为β时，水力转矩为t
h
(β)，扭轴的扭矩为t
m
(β)＝k
·
(β0‑
β)，二者的平衡转矩为t(β)：则有：
27.t(β)＝t
h
(β) t
m
(β)＝t
h
(β) k
·
(β0‑
β)
28.其中，当平衡转矩t(β)>0时则表示平衡转矩驱动转子6向摆动阀脉冲发生器的关闭方向转动。
29.本技术提供一种摆动阀脉冲发生器的扭轴装配角度的确定方法，该方法包括：
30.确定摆动阀脉冲发生器在未上电时转子的最大关闭角度；
31.确定所述扭轴的装配角度，使转子处于该最大关闭角度时，扭轴产生的扭矩与转子受到的水力转矩方向相反，且扭矩的值不小于水力转矩的值。
32.在本公开一示例性实施例中，在摆动阀脉冲发生器的设计选型完成之后，通过适当选择扭轴装配角度，在摆动阀脉冲发生器上电工作之前或故障情况下保证转子6有一定的开启程度，可以避免憋泵。假设摆动阀脉冲发生器在工作场景下未上电时转子6的最大关闭角度(从转子6全开启位置向关闭方向转动的最大角度)为θ
c
(θ
c
<23
°
)，本实施例定义该最大关闭角度是摆动阀脉冲发生器能够维持正常排量循环时转子6的关闭角度的最大值，此时对应的稳态水力转矩记为t
h
(θ
c
)，则在该示例中避免憋泵的条件为：
33.t(θ
c
)＝k
·
(β0‑
θ
c
) t
h
(θ
c
)≤0
34.可以求得：
[0035][0036]
平衡转矩t(θ
c
)小于等于0，意味着转子角度为θ
c
时，在稳态水力转矩和扭轴扭矩的共同作用下，不会再驱动转子6向关闭方向转动，从而避免转子6转动到大于θ
c
的角度，使摆动阀脉冲发生器难以维持正常排量，造成憋泵。也就是说，当未上电时转子6的最大关闭角度为θ
c
时，对于刚度系数为k的扭轴3，能够避免憋泵的扭轴装配角度β0的最大值能不超过
[0037]
在一示例中，假定转子6采用分段正弦方式控制，即对电机绕组施加一定的电压，使电机绕组中产生分段正弦电流，通过控制正弦电流的幅值及相位达到控制电机转矩的目的。当摆动阀脉冲发生器正常工作时(即排量正常)，其等效过流面积约为转子6全开时的33％，即转子6的最大关闭角度设置为定子5的叶片开口角度的67％，相当于转子角度为23
°
*0.67＝15.41
°
，因此当转子最大关闭角度θ
c
＝15.41
°
时脉冲器能够维持正常排量循环，将该示例确定的θ
c
带入上述求解扭轴装配角度β0的公式(1)，即可得到此时的扭轴装配角度为：
[0038][0039]
再进一步确定在转子6处于15.41
°
时的水力转矩以及扭轴3的刚度系数，就能够确定具体的扭轴装配角度β0。
[0040]
该扭轴装配角度β0为扭轴3装配时的最大装配角度。即如果扭轴装配角度超过β0，在电机未上电时或者摆动阀脉冲发生器出现故障后，扭轴扭矩无法完全抵抗稳态水力转矩，摆动阀脉冲发生器不能维持正常排量循环。但是，如果扭轴3的装配角度β0过小，扭轴3因变形产生的回复力矩过大，会增加电机的负载，影响泥浆脉冲信号的效果。可见，在能够防止憋泵的前提下，扭轴装配角度β0也不能过小。因此，在确定了扭轴装配角度β0的上限后，还需要进一步限定其取值的下限。在本公开一示意性的实施例中，扭轴的装配角度其中，a为设定的系数。进一步地，该系数a范围可以是0.7≤a≤0.9。
[0041]
图3的两条曲线分别示出了本公开一示例性实施例中，在泥浆排量分别为1.8m3/min和2.0m3/min工况下转子6在不同角度时受到的水力转矩。其中，本实施例的定子5和转子6的间隙为1.26mm。以扭轴刚度系数k＝10/24n
·
m/
°
为例，当转子6处于最大关闭角度15.41
°
时，水力转矩分别为2.3635n
·
m(泥浆排量为1.8m3/min时)和3.0061n
·
m(泥浆排量为2.0m3/min时)，由上述计算扭轴装配角度的公式能求得摆动阀脉冲发生器的转子装配角度β0分别为9.7377
°
和8.1953
°
。换言之，本实施例中，当扭轴装配角度不超过9.7377
°
时，即使仪器断电，也可以保证排量分别为1.8m3/min时不出现憋泵现象。当扭轴装配角度不超过8.1953
°
时，即使仪器断电，也可以保证排量为2.0m3/min时不出现憋泵现象。
[0042]
以上述泥浆排量为2.0m3/min时的计算结果为例，当增大或减小转子装配角度时，水力转矩和扭轴扭矩作用在转子6上的平衡转矩如图4所示。从图4中可以看出，当β0约为8.19
°
时，在2.0m3/min排量断电情况下，转子6在10
°
～16
°
时平衡转矩为0，转子6大致在10
°
～16
°
之间处于振荡。此时通过电机控制转子6在该角度范围附近摆动，以剪切泥浆产生脉冲信号时，需要克服的平衡转矩很小，因而功耗低，响应速度快。
[0043]
如果β0增大至10
°
，则转子6的关闭角度在20
°
附近时平衡转矩为0，转子6的开启角度(转子当前位置到全关闭位置的角度)只能维持在3
°
左右。如果β0减小至7
°
，则转子6的关闭角度在5
°
附近时平衡转矩为0，转子6的开启角度会变大，能够维持在18
°
左右。可见，降低β0有助于增大转子6的开启角度，定子5和转子6能够为泥浆的通过提供更大的过流面积，但同时也会使得转子6处于较高的角度时需要克服的平衡转矩增大(因为扭矩会增大)，从而增大功耗，降低响应速度；反之，如果增大β0，则会减小转子6的开启角度，使泥浆的过流面积变小，可能会造成憋泵现象。
[0044]
同样地，以上述泥浆排量分别为1.8和2.0m3/min的计算结果为例，当利用较大排量(示例中为2.0m3/min)计算出转子装配角度后，将该转子装配角度直接应用到较小排量的工况(示例中为1.8m3/min)中，如图5所示，当转子装配角度β0约为8.19
°
时，如果排量降低至1.8m3/min，转子6的开启角度会有一定程度的增大，能够保持在14
°
左右，此时转子6的最大关闭角度约为9
°
；反之，如果排量增大超过2.0m3/min，则转子6的开启角度会有所减小，也就是说，转子6的最大关闭角度超过了能够维持排量正常循环的角度即大于15.41
°
，这种情况下泥浆的过流面积变小，可能导致憋泵。
[0045]
如果摆动阀脉冲发生器具有多个排量的工况，水力转矩可以按照摆动阀脉冲发生器处于该多个排量中最高排量的工况时受到的水力转矩计算。如果摆动阀脉冲发生器具有高排量、中排量和低排量三种工况，水力转矩也可以按照摆动阀脉冲发生器处于中排量工况时受到的水力转矩计算。
[0046]
在本公开一示例性实施例中，泥浆排量分为1.8和2.0m3/min两种不同工况。当采用2.0m3/min排量计算出转子装配角度时，不论开泵时的初始泥浆排量为1.8或2.0m3/min，均可以防止憋泵；当仪器出现故障后，也不需要将泥浆排量从2.0m3/min降低到1.8m3/min，转子6的最大关闭角度也能够维持排量正常循环的角度。
[0047]
当采用1.8m3/min排量计算出转子装配角度时，在电机2正常工作情况下摆动阀脉冲发生器可以正常开启和关闭，但是在开泵的初始阶段，电机2还没有正常上电，如果此时就将泥浆排量设定为2.0m3/min，则有憋泵的风险，所以，为了避免开泵初期憋泵，应将初始阶段的泥浆排量设置为1.8m3/min排量；同样地，当仪器发生故障后，应降低排量至1.8m3/min防止憋泵。
[0048]
本公开实施例提供的摆动阀脉冲发生器的扭轴装配角度的确定方法，能够合理地确定扭轴的装配角度，可以在避免憋泵的前提下，尽量降低摆动阀脉冲发生器的功耗，提高摆动阀脉冲发生器的响应速度。
[0049]
本技术还提供一种摆动阀脉冲发生器，该摆动阀脉冲发生器包括电机、定子、转子和扭轴，电机通过扭轴带动转子相对于定子转动。其中，扭轴的装配角度根据上述的摆动阀脉冲发生器的扭轴装配角度的确定方法所确定。
[0050]
虽然本公开所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本公开而采用的实施方式，并非用以限定本公开。任何本公开所属领域内的技术人员，在不脱离本公开所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本公开的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。