井下发电机导轮与涡轮的参数匹配及结构优化研究

发布时间：2017-12-21 08:40

  本文关键词：井下发电机导轮与涡轮的参数匹配及结构优化研究　出处：《西南石油大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：目前国内的随钻测量、测井技术以及旋转导向工具中多使用锂电池作为其供电来源,但电池易受井下高温高压环境的影响使其供电稳定性差,从而直接影响钻井效率;同时,不断使用电池也会对生态环境造成不良影响。涡轮发电机因利用钻井液的不断流动实现循环发电,产生的电能具有长期性和持续性,能够适应井下高温高压环境。因此,为了保障较高的钻井效率,对于大功率、高效率的涡轮发电机研究是很有必要的。本文研究了井下涡轮发电机的导轮与涡轮结构之间的交互作用,并对涡轮与导轮的叶型结构进行了改进设计,利用CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟技术、正交试验设计、响应面法以及Matlab数值计算方法进行了参数匹配及结构优化研究,最终得到导轮与涡轮最佳匹配结构。论文的主要研究内容如下:(1)根据理论分析及初始设计要求确定了螺旋涡轮、导轮的叶片基本结构参数,利用三维软件SolidWorks建立了螺旋涡轮、导轮的三维模型以及相关计算域模型。(2)利用CFX对螺旋导轮与涡轮组成的叶轮全流道模型进行流场数值模拟,分析了螺旋涡轮与导轮的不同结构参数对涡轮性能的影响。(3)基于流场分析,采用单因素试验设计方法,筛选出了影响螺旋涡轮性能的显著参数与次显著参数,得到了 4个显著参数:导轮螺旋升角β1、涡轮螺旋升角β2、导轮叶片数Z1、涡轮叶片数Z2;同时得到了 4个次显著参数:导轮叶片厚度m1、涡轮叶片厚度m2、导轮叶片旋转角θ1、涡轮叶片旋转角θ2。(4)定义涡轮的最高效率为目标函数,采用Box-Behnken设计法分析了 4个显著参数对涡轮性能的影响,以及显著参数间的交互作用。对4个次显著参数采用正交试验法分析其对涡轮性能的影响,进一步对结构参数进行匹配优化。最终8个参数经过第一次匹配分析后较优取值分别为β1=46°、β2=29.2°、Z1=15、Z2=5、m1=2mm、m2=5mm、θ1=02=60°。(5)在第一次参数匹配优化基础上,对导轮及涡轮叶型结构进行改进设计。对不同叶型的导轮与涡轮之间进行了第二次匹配分析,得到不同叶型结构的导轮与涡轮匹配后扭矩、压降、效率的对比情况。通过对比分析,最终导轮叶片选择直线-圆弧-直线组合式的扭曲叶片,涡轮叶片结构采用NACA66(mod)翼型扭曲叶片。(6)在第二次匹配的基础上,对改型后的导轮及涡轮进行结构参数取值范围内的匹配优化分析,利用多参数正交试验设计得到了 BP神经网络的样本数据。采用BP神经网络与遗传算法以及Fmincor1函数、For循环函数结合的方法,得到了参数取值范围内的第三次匹配的最优组合。(7)第三次优化后,涡轮的最高效率较原始设计提升了约24.1%,最高效率对应的工作转速也从最初的1250r/min升高至2250r/min。涡轮的扭矩较原始设计值只提升了2.1N·m,但是涡轮的输出功率增加了 1449.3W。涡轮的输出功率得到了有效的提高,井下涡轮发电机的整机输出功率也将提高。因此,本文经过三次优化后的涡轮和导轮具有良好的性能和实际应用价值。最后,对不同流量下优化后的涡轮性能进行流场分析,得到其效率、功率与转速的关系,对工程实际应用具有一定的指导意义。
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE43

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本文编号：1315441