一种连续波脉冲发生器风洞实验装置的制作方法

本发明涉及一种用于模拟井下连续波信号的发生和检测的实验装置，特别涉及一种连续波脉冲发生器风洞模拟实验装置。

背景技术：

目前，在石油钻井行业的随钻测量领域，钻井液连续压力波信息传输方式代表着无线随钻测量技术的发展方向。该传输方式最早是在1977年提出的，目前，Schlumberger、Baker Hughes、Halliburton和APS等公司拥有相关产品或技术，其技术相对已经成熟。连续波钻井液高速数据传输系统研究能够突破随钻测控技术发展的瓶颈，推动随钻测井及地质导向技术更好地为石油勘探开发服务，创造出巨大的经济和社会效益。

目前，国内开发的无线随钻测量系统大多是以正脉冲泥浆压力波传输的，对连续波信号的发生和传输阶段的理论研究以及MWD设备的研制还处于起初阶段。对连续波泥浆脉冲发生器的研究，几乎还是空白。连续波泥浆脉冲发生器研制有两个关键的地方，一个是转子和定子转阀结构的确定，另一个是连续波信号处理。而对于以上两个关键点如果仅仅通过数值模拟来分析的话，由于井下仪器工作环境比较复杂，很难真实地模拟连续波仪器井下工作的实际状况，因此有必要开展连续波脉冲发生器实验装置的设计和研发。通过该装置可以开展以下方面的研究：1）研究信号波形随阀口形状、转定子轴向间隙、信号频率的变化规律；2）研究水力转阀随阀口形状、转子厚度、转子叶片倾角、转子阀瓣个数、流量、信号频率的变化规律；3）研究连续波信号在管路中的反射、叠加现象。对工作在井下的信号发生器设计与控制，由于其所处的特殊工况环境，进行井下实验成本高、周期长，且受多种因素制约。根据动力相似理论，空气动力与钻井液具有相似的雷诺系数，可以利用空气动力模拟钻井液流动，基于此理念可以采用风洞实验装置可模拟复杂的井下作业环境。中国专利（ZL201120235402.1）公布了一种连续波信号发生器风洞模拟实验装置，该装置在一定程度上可以模拟井下信号发生器的设计与控制过程，但是也存在一定的问题，无法模拟钻头处反射，而钻头处反射信号对连续波信号影响较大，因此，设计了一种用于连续波脉冲发生器的可以模拟钻头反射的风洞实验装置。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种更加方便、快捷、廉价地模拟井下连续波发生器工作状态的连续波脉冲发生器风洞实验装置。

一种连续波脉冲发生器风洞实验装置，包括鼓风机1、信号发生器转阀6、传动轴8、电机10、实验段外壳体12和数据采集系统，鼓风机1的出风管与实验段外壳体12密封连接构成贯通风道，信号发生器转阀6、传动轴8和电机10设在实验段外壳体12内，信号发生器转阀6包括与实验段外壳体12连接的定子和与电机10传动轴8连接的转子,其中：在鼓风机1的出风管上连接旁通管和旁通阀2、空气流量计3,在信号发生器转阀6的进风端的实验段外壳体12内设置压力传感器阵列5,在信号发生器转阀6的进/出风端的实验段外壳体12内设置压差传感器7,在传动轴8上设置扭矩传感器9, 空气流量计3、压力传感器阵列5、压差传感器7、扭矩传感器9通过数据采集系统与上位机连接；在实验段外壳体12出风端还密封连接有连接模拟钻头11，模拟钻头11上分布若干与风道贯通的水眼，在模拟钻头11外设置U型阻风罩13，U型阻风罩13封闭端与模拟钻头11工作面端相对。

上述方案进一步包括：

设在实验段外壳体12内的信号发生器转阀6定子与转子间距为可调节设置。可调节设置方式包括：定子与实验段外壳体12固定连接，转子通过固定销与传动轴滑动锁定配合；或者定子与实验段外壳体12通过固定销滑动锁定配合，转子与传动轴固定连接。

鼓风机1与实验段外壳体12以及实验段外壳体12与模拟钻头11均通过法兰连接构成直通风道。

本实验装置在基于动力相似的基础上更加方便、快捷、廉价地模拟井下连续波发生器工作状态，所需动力小，系统压力低，拆装方便，以空气为介质不需要建立完全封闭的环路。与现有技术相比，该实验装置不仅能够模拟井下信号发生器的设计与控制过程，研究信号波形随阀口形状、转定子轴向间隙、信号频率的变化规律，研究水力转阀随阀口形状、转子厚度、转子叶片倾角、转子阀瓣个数、流量、信号频率的变化规律，还能够模拟井下钻头反射，研究连续波信号在管路中的反射、叠加现象。该装置为连续波脉冲发生器的研制提供强有力的技术保障。

附图说明：

图1为连续波脉冲发生器风洞实验装置结构示意简图。

1、鼓风机， 2、旁通阀，3、空气流量计，4、法兰，5、压力传感器阵列，6、信号发生器转阀，7、压差传感器，8、传动轴，9、扭矩传感器，10、电机，11、模拟钻头，12、实验段外壳体，13、U型阻风罩。

具体实施方式：

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提出的一种连续波脉冲发生器风洞实验装置包括：鼓风机1、旁通阀2、空气流量计3、法兰4、压力传感器阵列5、信号发生器转阀6、压差传感器7、传动装置8、扭矩传感器9、电机10、模拟钻头11、实验段外壳体12、U型阻风罩13。空气流量计3、压力传感器阵列5、压差传感器7、扭矩传感器9测量的数据通过数据采集系统与上位机连接。根据设计的流量要求，鼓风机1产生的风量在经过旁通阀2时，可以通过调节旁通阀2的开关，同时监测空气流量计3数值以达到设计的流量范围。

在转子旋转的过程中，转阀口从最大流通面积变化到最小流通面积，然后再从最小流通面积变化到最大流通面积。当转阀流通面积增大时，气体流动畅通，压力减小；当流通面积减小时，气体流动受阻，压力增大。在转子转动过程中，转子与定子之间切割流体，产生不同的压力差，从而产生了压力波动信号。所以，按一定规律控制电机的旋转速度，就会产生一定规律的压力波动信号。

上述的信号发生器转阀6包括转子和定子，它与压力传感器阵列5、压差传感器7、传动轴8、扭矩传感器9、电机10及实验段外壳体12构成了信号发生实验段。根据实验需要，压力传感器阵列5可由2个或更多个压力传感器组成，通过压力传感器阵列5获取多个实时压力数据，利用数据融合方法对多个压力检测数据进行综合分析，可以有效去除连续波信号中的反射干扰；压差传感器7的两端分布在信号发生器转阀6的左右两侧，通过监测压差传感器数值，可以分析信号经过信号发生器转阀6压力变化情况；扭矩传感器9用于监测电机8不同的工作模式下以及不同的信号发生器转阀6组合产生的扭矩；信号发生器的定子通过螺丝固定在实验段外壳体上12，转子由固定装置固定以保证转子不能前后移动，同时固定装置上带有刻度标尺，可根据需要调节转子和定子之间的距离；电机10通过传动轴8带动转子旋转，电机10与电机驱动器及旋转变压器相连，电机驱动器又与上位机相连，通过上位机可以控制电机按照一定的模式进行工作。

通过信号发生实验段，可以开展以下研究：1信号波形随阀口形状、转定子轴向间隙、信号频率的变化规律；2水力转阀随阀口形状、转子厚度、转子叶片倾角、转子阀瓣个数、流量、信号频率的变化规律。

上述的模拟钻头11上分布若干水眼，从信号发生实验段流出的风通过模拟钻头11的水眼继续向右传播，右侧为封闭段，与一个比实验段外壳体12直径更大的U型阻风罩13相连。通过增加模拟钻头11及U型阻风罩13，使得从信号发生实验段产生的波动经过钻头处会有一部分反射，这可以有效模拟井下钻井液压力波遇钻头反射的状况，反射回来的波会与信号发生实验段产生的波形成叠加，这对于我们研究连续波信号在管路中的反射、叠加现象有着重要的作用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。