基于响应面法的涡轮钻具叶片优化设计与研究

发布时间：2017-04-03 18:18

  本文关键词：基于响应面法的涡轮钻具叶片优化设计与研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着全球经济的快速发展,各行各业对能源的需求不断扩大,尽管各国都在力求开发新型能源,但地层油气藏资源仍是当代社会最主要的能源需求。在常规勘探开发区域油气资源产量难以大幅增加、油气消费量迅猛增长的严峻形势下,油气资源开采的主战场逐渐转向深井、超深井领域,在高温、高压复杂地层,实现高效、可靠地钻进面临着严峻的挑战。涡轮钻具作为一种不含橡胶元件、耐高温的井下动力钻具,自应用之初就备受重视。涡轮钻具配合高效钻头可实现防斜快打和轻压吊打,现已在多趟深井、超深井的钻进过程中取得了良好的应用效果。作为涡轮钻具核心部件的涡轮对涡轮钻具性能有着决定性的影响,涡轮由定子和转子构成,定子和转子叶片形状复杂,叶片型线结构多样,不同型线的涡轮叶片决定着涡轮钻具的不同性能。因此,叶片型线设计与优化对提高涡轮钻具的性能有着不可估量的作用。然而,影响涡轮叶片设计的叶片结构参数多达十几个,它们对涡轮性能的影响程度也不同,且很多参数间还存在相互制约的关系,这无疑给叶片的设计带来了很大的挑战。本课题就是针对涡轮叶片设计的复杂性,通过调研大量国内外文献,在叶片型线设计理论、计算流体力学、试验设计方法和优化算法的基础上,通过理论分析、仿真模拟和试验设计分析首次系统研究了涡轮叶片的设计、仿真分析和优化过程,形成了一套较为系统的从叶片型线设计、性能预测到优化的方法。具体的分析过程和研究方法如下：(1)基于贝塞尔曲线理论和叶轮机械理论,建立了涡轮叶片的型线设计方法,并以Φ127涡轮钻具叶片型线设计为例,通过叶片型线曲率检验和流道检验验证了该方法的适用性;(2)基于贝塞尔曲线理论、三维建模软件和CFD技术,建立了涡轮叶片从型线设计、三维建模到流场仿真的分析方法。首次系统研究了三次、四次和五次贝塞尔曲线拟合叶型下涡轮性能的变化规律,通过分析和计算选取五次贝塞尔叶型作为后文涡轮叶片的研究基础；(3)采用正交试验设计研究了涡轮叶片参数对效率和扭矩的影响,结合对涡轮效率和扭矩的极差分析及关系趋势图分析,获得了影响涡轮性能的叶片参数的主次关系和敏感性。确定了后文优化设计的设计变量,并给出了其参数范围；(4)以优选的叶片结构参数为设计变量,以涡轮扭矩和效率为优化目标,通过Box-Behnken的响应设计方法建立优化目标与设计参数的响应面模型,并根据变异系数、复相关系数和修正复相关系数、预测-模拟分布以及残差正态概率分布对响应面模型进行了评估,验证了该模型的可行性；(5)运用罚函数法对模型进行了寻优处理,获得了最优的叶片参数组合。对径向叶高进行了单独优化,最终确定优化后的涡轮叶片,并对优化前后的叶片流场及其水力性能进行了对比分析。结果表明,优化后的的叶片速度场分布得到改善,有效地改善了涡轮的工作状态。且相比优化前,优化后的涡轮水力性能得到了大幅提升,效率从0.563613增加到0.57559,提高了2.13%,扭矩从4.95248N·m增加到8.44266N·m,提高了3.4902N·m。
【关键词】：涡轮叶片 贝塞尔曲线 正交试验设计 响应面法 罚函数法 CFD
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE921.2
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 研究背景及目的意义10-11
• 1.2 国内外涡轮钻井发展概况及趋势11-16
• 1.2.1 国外涡轮钻井技术发展概述11-12
• 1.2.2 国内涡轮钻井技术发展概述12-13
• 1.2.3 涡轮钻具叶片设计发展过程13-15
• 1.2.4 响应面法在旋转机械叶片中的应用15-16
• 1.3 本文主要研究内容及技术路线16-19
• 1.3.1 研究内容16-17
• 1.3.2 技术路线17
• 1.3.3 创新点17-19
• 第2章 涡轮钻具叶片的参数设计及检验19-35
• 2.1 定子和转子叶片的几何结构特点及相关理论19-21
• 2.2 定子和转子叶片相关参数的确定21-23
• 2.3 基于贝塞尔曲线的涡轮叶片造型23-32
• 2.3.1 贝塞尔曲线基本理论24-25
• 2.3.2 涡轮叶片的造型25-32
• 2.4 叶型检验分析32-34
• 2.4.1 叶片型线曲率检验32-33
• 2.4.2 流道检验33-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第3章 基于CFD的涡轮钻具叶片水力性能分析及型线选择35-51
• 3.1 CFD技术35-36
• 3.2 涡轮性能参数的理论计算36-39
• 3.2.1 涡轮的扭矩36-38
• 3.2.2 涡轮的功率38
• 3.2.3 涡轮的效率38-39
• 3.3 涡轮叶片的数值模拟分析39-44
• 3.3.1 建立涡轮三维模型39-41
• 3.3.2 定义边界条件41
• 3.3.3 建立涡轮计算模型41-44
• 3.4 CFD求解及流场结果分析44-49
• 3.5 叶片型线的选择49-50
• 3.6 本章小结50-51
• 第4章 涡轮叶片设计变量的选取与分析51-63
• 4.1 正交试验设计及其思想51-52
• 4.2 叶片参数的敏感性分析52-55
• 4.2.1 试验指标的确定52
• 4.2.2 试验因素的选取及取值范围的初步确定52-54
• 4.2.3 正交设计方案的提出54-55
• 4.3 正交试验设计结果分析55-58
• 4.3.1 设计结果的极差分析55-57
• 4.3.2 因素与指标的关系趋势图57-58
• 4.4 第二次正交设计与结果58-62
• 4.4.1 极差分析59-60
• 4.4.2 关系趋势图分析60-62
• 4.5 本章小结62-63
• 第5章 基于响应面法的涡轮叶片参数优化设计63-82
• 5.1 响应面法的基本内容63-66
• 5.1.1 响应面法的基本思想63
• 5.1.2 响应面主要设计方法63-64
• 5.1.3 响应面基本构造原理64-65
• 5.1.4 响应模型主要评估方法65-66
• 5.2 定义目标函数66
• 5.3 涡轮叶片的响应面模型建立及模型评估66-73
• 5.3.1 建立响应面模型66-69
• 5.3.2 模型评估69-73
• 5.4 罚函数法寻优73-75
• 5.4.1 罚函数法原理73-74
• 5.4.2 寻优计算及结果分析74-75
• 5.5 对径向叶高寻优75-76
• 5.6 优化结果与分析76-81
• 5.6.1 优化结果对比76-77
• 5.6.2 叶片优化前后流场分析及水力性能对比77-81
• 5.7 本章小结81-82
• 第6章 结论与展望82-84
• 6.1 本文总结82-83
• 6.2 展望83-84
• 致谢84-85
• 参考文献85-89
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果89

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