井下涡轮发电机导轮与涡轮结构优化与分析

发布时间：2020-02-10 18:51

【摘要】：井下随钻测井仪器是石油勘探的关键技术,其主要供电电源包括锂电池组和井下泥浆涡轮发电机。与锂电池组比较,涡轮发电机具备耐高温高压、抗磨、无需经常更换的优点,在石油勘探中开始得到广泛应用。本文对大功率井下泥浆涡轮发电机进行研究,对其关键部件导轮与涡轮进行设计与建模,并对其三维模型应用CFD进行网格划分,在ANSYS/Fluent平台上模拟两者流场,并依此优化两者结构设计,提高井下泥浆涡轮发电机的工作性能。主要研究内容如下:(1)分析MWD无线随钻测井系统,构建泥浆正脉冲发生器总体结构,设计井下涡轮发电机整体结构,依据涡轮叶片形式与基本设计原则设计导轮与涡轮叶片结构,导轮采用中弧线为三次曲线的等厚度形式,涡轮采用等厚度等螺距与变厚度等螺距的两种形式进行对比,分析井下工作环境与要求,选择导轮与涡轮材料。(2)判断井下泥浆流动特性,分析其作为高雷诺数湍流流体的特征值,依此建立其数值模拟模型,设定井下涡轮流体的数值解法,并进行CFD网格生成及模拟条件前处理,设定井下涡轮发电机的假设条件及Fluent相关模拟参数,包括流体模型、材料及相关边界条件、求解器及求解方法的设置。(3)综合利用Pro/E和Solid Works对导轮与涡轮建模,划分流场计算域,以计算机流利力学软件ANSYS/Fluent为平台,对导轮及涡轮流场进行模拟求解,依据求解所得轴向受力、叶片扭矩、流场内部静压差及流体流速、涡轮理论输出功率对导轮及涡轮结构特征进行优化选择,包括叶片数目、叶片厚度、导轮出口角、导轮出口直线段长度、涡轮螺旋升角等结构特征。(4)研究导轮与涡轮整体间距及井下泥浆流量对两者流场的影响,通过对流场模拟数值的CFD-Post后处理,对整体设计及流量进行优化规划。
【图文】：

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图 1-1 海上定向钻井示意图Fig.1-1 Schematic of offshore directional drilling井相比于传统的钻井方法有许多优点，一方面它既可以提高油田采用方面，定向钻进在处理井喷事故时也更有利于人员救援。定向钻井为用随钻测量（MWD）/随钻测井（LWD）导向系统收集被钻地层的数据钻井业中，一般会利用钻井液或电磁波将钻井过程中得到的测井数据脑中，这种技术便称为随钻测量技术，其包括随钻测量(MWD)和随部分[10]。这两者都属于先进的测井、录井技术，在国际钻井技术中占技石油钻井技术的应用大大提高了大位移井、高难度水平井的工程控能力。和 LWD 都是在钻井过程中，实时测量井下各项勘探参数并上传至地只是 LWD 比 MWD 功能更为齐全，其传输的信息也更多，井下测绘2]。

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图 1-3 SlimPulse 井下泥浆涡轮发电机结构示意图Fig.1-3 Structure of downhole turbine generator of SlimPulse1.1.3 CFD 技术的发展及应用计算机技术和工程技术的进步和发展为工程设计师提供了高效快捷的绘图方式。从20 世纪 60 年代开始，计算机的不断发展也促进了计算机辅助设计的发展，人们逐渐认可计算机辅助软件。其最初主要应用在飞行器与汽车行业，随着其技术的不断完善与计算机的普及，在其他工业及制造行业的也慢慢得到推广。计算机辅助设计也随着工业的发展被人们越来越重视，为了更好地辅助工业生产，人们加大了对计算机辅助软件的研发力度，出现了三维建模、计算机图形学等新兴学科与技术，，而且对计算机算法、理论与绘图思路进行了完善。现在数字产品更新换代越来越快，计算机辅助设计系统不仅仅可以缩短产品的开发
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P631.83;TM31

【参考文献】