本文關(guān)鍵詞：基于響應(yīng)面法的渦輪鉆具葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,各行各業(yè)對(duì)能源的需求不斷擴(kuò)大,盡管各國(guó)都在力求開(kāi)發(fā)新型能源,但地層油氣藏資源仍是當(dāng)代社會(huì)最主要的能源需求。在常規(guī)勘探開(kāi)發(fā)區(qū)域油氣資源產(chǎn)量難以大幅增加、油氣消費(fèi)量迅猛增長(zhǎng)的嚴(yán)峻形勢(shì)下,油氣資源開(kāi)采的主戰(zhàn)場(chǎng)逐漸轉(zhuǎn)向深井、超深井領(lǐng)域,在高溫、高壓復(fù)雜地層,實(shí)現(xiàn)高效、可靠地鉆進(jìn)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。渦輪鉆具作為一種不含橡膠元件、耐高溫的井下動(dòng)力鉆具,自應(yīng)用之初就備受重視。渦輪鉆具配合高效鉆頭可實(shí)現(xiàn)防斜快打和輕壓吊打,現(xiàn)已在多趟深井、超深井的鉆進(jìn)過(guò)程中取得了良好的應(yīng)用效果。作為渦輪鉆具核心部件的渦輪對(duì)渦輪鉆具性能有著決定性的影響,渦輪由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成,定子和轉(zhuǎn)子葉片形狀復(fù)雜,葉片型線結(jié)構(gòu)多樣,不同型線的渦輪葉片決定著渦輪鉆具的不同性能。因此,葉片型線設(shè)計(jì)與優(yōu)化對(duì)提高渦輪鉆具的性能有著不可估量的作用。然而,影響渦輪葉片設(shè)計(jì)的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)多達(dá)十幾個(gè),它們對(duì)渦輪性能的影響程度也不同,且很多參數(shù)間還存在相互制約的關(guān)系,這無(wú)疑給葉片的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。本課題就是針對(duì)渦輪葉片設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,通過(guò)調(diào)研大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn),在葉片型線設(shè)計(jì)理論、計(jì)算流體力學(xué)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上,通過(guò)理論分析、仿真模擬和試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析首次系統(tǒng)研究了渦輪葉片的設(shè)計(jì)、仿真分析和優(yōu)化過(guò)程,形成了一套較為系統(tǒng)的從葉片型線設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)到優(yōu)化的方法。具體的分析過(guò)程和研究方法如下：(1)基于貝塞爾曲線理論和葉輪機(jī)械理論,建立了渦輪葉片的型線設(shè)計(jì)方法,并以Φ127渦輪鉆具葉片型線設(shè)計(jì)為例,通過(guò)葉片型線曲率檢驗(yàn)和流道檢驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的適用性;(2)基于貝塞爾曲線理論、三維建模軟件和CFD技術(shù),建立了渦輪葉片從型線設(shè)計(jì)、三維建模到流場(chǎng)仿真的分析方法。首次系統(tǒng)研究了三次、四次和五次貝塞爾曲線擬合葉型下渦輪性能的變化規(guī)律,通過(guò)分析和計(jì)算選取五次貝塞爾葉型作為后文渦輪葉片的研究基礎(chǔ)；(3)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究了渦輪葉片參數(shù)對(duì)效率和扭矩的影響,結(jié)合對(duì)渦輪效率和扭矩的極差分析及關(guān)系趨勢(shì)圖分析,獲得了影響渦輪性能的葉片參數(shù)的主次關(guān)系和敏感性。確定了后文優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量,并給出了其參數(shù)范圍；(4)以優(yōu)選的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量,以渦輪扭矩和效率為優(yōu)化目標(biāo),通過(guò)Box-Behnken的響應(yīng)設(shè)計(jì)方法建立優(yōu)化目標(biāo)與設(shè)計(jì)參數(shù)的響應(yīng)面模型,并根據(jù)變異系數(shù)、復(fù)相關(guān)系數(shù)和修正復(fù)相關(guān)系數(shù)、預(yù)測(cè)-模擬分布以及殘差正態(tài)概率分布對(duì)響應(yīng)面模型進(jìn)行了評(píng)估,驗(yàn)證了該模型的可行性；(5)運(yùn)用罰函數(shù)法對(duì)模型進(jìn)行了尋優(yōu)處理,獲得了最優(yōu)的葉片參數(shù)組合。對(duì)徑向葉高進(jìn)行了單獨(dú)優(yōu)化,最終確定優(yōu)化后的渦輪葉片,并對(duì)優(yōu)化前后的葉片流場(chǎng)及其水力性能進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明,優(yōu)化后的的葉片速度場(chǎng)分布得到改善,有效地改善了渦輪的工作狀態(tài)。且相比優(yōu)化前,優(yōu)化后的渦輪水力性能得到了大幅提升,效率從0.563613增加到0.57559,提高了2.13%,扭矩從4.95248N·m增加到8.44266N·m,提高了3.4902N·m。
【關(guān)鍵詞】：渦輪葉片 貝塞爾曲線 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 響應(yīng)面法 罰函數(shù)法 CFD
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TE921.2
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-19
• 1.1 研究背景及目的意義10-11
• 1.2 國(guó)內(nèi)外渦輪鉆井發(fā)展概況及趨勢(shì)11-16
• 1.2.1 國(guó)外渦輪鉆井技術(shù)發(fā)展概述11-12
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)渦輪鉆井技術(shù)發(fā)展概述12-13
• 1.2.3 渦輪鉆具葉片設(shè)計(jì)發(fā)展過(guò)程13-15
• 1.2.4 響應(yīng)面法在旋轉(zhuǎn)機(jī)械葉片中的應(yīng)用15-16
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線16-19
• 1.3.1 研究?jī)?nèi)容16-17
• 1.3.2 技術(shù)路線17
• 1.3.3 創(chuàng)新點(diǎn)17-19
• 第2章 渦輪鉆具葉片的參數(shù)設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)19-35
• 2.1 定子和轉(zhuǎn)子葉片的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及相關(guān)理論19-21
• 2.2 定子和轉(zhuǎn)子葉片相關(guān)參數(shù)的確定21-23
• 2.3 基于貝塞爾曲線的渦輪葉片造型23-32
• 2.3.1 貝塞爾曲線基本理論24-25
• 2.3.2 渦輪葉片的造型25-32
• 2.4 葉型檢驗(yàn)分析32-34
• 2.4.1 葉片型線曲率檢驗(yàn)32-33
• 2.4.2 流道檢驗(yàn)33-34
• 2.5 本章小結(jié)34-35
• 第3章 基于CFD的渦輪鉆具葉片水力性能分析及型線選擇35-51
• 3.1 CFD技術(shù)35-36
• 3.2 渦輪性能參數(shù)的理論計(jì)算36-39
• 3.2.1 渦輪的扭矩36-38
• 3.2.2 渦輪的功率38
• 3.2.3 渦輪的效率38-39
• 3.3 渦輪葉片的數(shù)值模擬分析39-44
• 3.3.1 建立渦輪三維模型39-41
• 3.3.2 定義邊界條件41
• 3.3.3 建立渦輪計(jì)算模型41-44
• 3.4 CFD求解及流場(chǎng)結(jié)果分析44-49
• 3.5 葉片型線的選擇49-50
• 3.6 本章小結(jié)50-51
• 第4章 渦輪葉片設(shè)計(jì)變量的選取與分析51-63
• 4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其思想51-52
• 4.2 葉片參數(shù)的敏感性分析52-55
• 4.2.1 試驗(yàn)指標(biāo)的確定52
• 4.2.2 試驗(yàn)因素的選取及取值范圍的初步確定52-54
• 4.2.3 正交設(shè)計(jì)方案的提出54-55
• 4.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果分析55-58
• 4.3.1 設(shè)計(jì)結(jié)果的極差分析55-57
• 4.3.2 因素與指標(biāo)的關(guān)系趨勢(shì)圖57-58
• 4.4 第二次正交設(shè)計(jì)與結(jié)果58-62
• 4.4.1 極差分析59-60
• 4.4.2 關(guān)系趨勢(shì)圖分析60-62
• 4.5 本章小結(jié)62-63
• 第5章 基于響應(yīng)面法的渦輪葉片參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)63-82
• 5.1 響應(yīng)面法的基本內(nèi)容63-66
• 5.1.1 響應(yīng)面法的基本思想63
• 5.1.2 響應(yīng)面主要設(shè)計(jì)方法63-64
• 5.1.3 響應(yīng)面基本構(gòu)造原理64-65
• 5.1.4 響應(yīng)模型主要評(píng)估方法65-66
• 5.2 定義目標(biāo)函數(shù)66
• 5.3 渦輪葉片的響應(yīng)面模型建立及模型評(píng)估66-73
• 5.3.1 建立響應(yīng)面模型66-69
• 5.3.2 模型評(píng)估69-73
• 5.4 罰函數(shù)法尋優(yōu)73-75
• 5.4.1 罰函數(shù)法原理73-74
• 5.4.2 尋優(yōu)計(jì)算及結(jié)果分析74-75
• 5.5 對(duì)徑向葉高尋優(yōu)75-76
• 5.6 優(yōu)化結(jié)果與分析76-81
• 5.6.1 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比76-77
• 5.6.2 葉片優(yōu)化前后流場(chǎng)分析及水力性能對(duì)比77-81
• 5.7 本章小結(jié)81-82
• 第6章 結(jié)論與展望82-84
• 6.1 本文總結(jié)82-83
• 6.2 展望83-84
• 致謝84-85
• 參考文獻(xiàn)85-89
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果89

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  本文關(guān)鍵詞：基于響應(yīng)面法的渦輪鉆具葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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