本文關(guān)鍵詞：井下發(fā)電機導(dǎo)輪與渦輪的參數(shù)匹配及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究　出處：《西南石油大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：目前國內(nèi)的隨鉆測量、測井技術(shù)以及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具中多使用鋰電池作為其供電來源,但電池易受井下高溫高壓環(huán)境的影響使其供電穩(wěn)定性差,從而直接影響鉆井效率;同時,不斷使用電池也會對生態(tài)環(huán)境造成不良影響。渦輪發(fā)電機因利用鉆井液的不斷流動實現(xiàn)循環(huán)發(fā)電,產(chǎn)生的電能具有長期性和持續(xù)性,能夠適應(yīng)井下高溫高壓環(huán)境。因此,為了保障較高的鉆井效率,對于大功率、高效率的渦輪發(fā)電機研究是很有必要的。本文研究了井下渦輪發(fā)電機的導(dǎo)輪與渦輪結(jié)構(gòu)之間的交互作用,并對渦輪與導(dǎo)輪的葉型結(jié)構(gòu)進行了改進設(shè)計,利用CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬技術(shù)、正交試驗設(shè)計、響應(yīng)面法以及Matlab數(shù)值計算方法進行了參數(shù)匹配及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究,最終得到導(dǎo)輪與渦輪最佳匹配結(jié)構(gòu)。論文的主要研究內(nèi)容如下:(1)根據(jù)理論分析及初始設(shè)計要求確定了螺旋渦輪、導(dǎo)輪的葉片基本結(jié)構(gòu)參數(shù),利用三維軟件SolidWorks建立了螺旋渦輪、導(dǎo)輪的三維模型以及相關(guān)計算域模型。(2)利用CFX對螺旋導(dǎo)輪與渦輪組成的葉輪全流道模型進行流場數(shù)值模擬,分析了螺旋渦輪與導(dǎo)輪的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對渦輪性能的影響。(3)基于流場分析,采用單因素試驗設(shè)計方法,篩選出了影響螺旋渦輪性能的顯著參數(shù)與次顯著參數(shù),得到了 4個顯著參數(shù):導(dǎo)輪螺旋升角β1、渦輪螺旋升角β2、導(dǎo)輪葉片數(shù)Z1、渦輪葉片數(shù)Z2;同時得到了 4個次顯著參數(shù):導(dǎo)輪葉片厚度m1、渦輪葉片厚度m2、導(dǎo)輪葉片旋轉(zhuǎn)角θ1、渦輪葉片旋轉(zhuǎn)角θ2。(4)定義渦輪的最高效率為目標(biāo)函數(shù),采用Box-Behnken設(shè)計法分析了 4個顯著參數(shù)對渦輪性能的影響,以及顯著參數(shù)間的交互作用。對4個次顯著參數(shù)采用正交試驗法分析其對渦輪性能的影響,進一步對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行匹配優(yōu)化。最終8個參數(shù)經(jīng)過第一次匹配分析后較優(yōu)取值分別為β1=46°、β2=29.2°、Z1=15、Z2=5、m1=2mm、m2=5mm、θ1=02=60°。(5)在第一次參數(shù)匹配優(yōu)化基礎(chǔ)上,對導(dǎo)輪及渦輪葉型結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計。對不同葉型的導(dǎo)輪與渦輪之間進行了第二次匹配分析,得到不同葉型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)輪與渦輪匹配后扭矩、壓降、效率的對比情況。通過對比分析,最終導(dǎo)輪葉片選擇直線-圓弧-直線組合式的扭曲葉片,渦輪葉片結(jié)構(gòu)采用NACA66(mod)翼型扭曲葉片。(6)在第二次匹配的基礎(chǔ)上,對改型后的導(dǎo)輪及渦輪進行結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍內(nèi)的匹配優(yōu)化分析,利用多參數(shù)正交試驗設(shè)計得到了 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本數(shù)據(jù)。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法以及Fmincor1函數(shù)、For循環(huán)函數(shù)結(jié)合的方法,得到了參數(shù)取值范圍內(nèi)的第三次匹配的最優(yōu)組合。(7)第三次優(yōu)化后,渦輪的最高效率較原始設(shè)計提升了約24.1%,最高效率對應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速也從最初的1250r/min升高至2250r/min。渦輪的扭矩較原始設(shè)計值只提升了2.1N·m,但是渦輪的輸出功率增加了 1449.3W。渦輪的輸出功率得到了有效的提高,井下渦輪發(fā)電機的整機輸出功率也將提高。因此,本文經(jīng)過三次優(yōu)化后的渦輪和導(dǎo)輪具有良好的性能和實際應(yīng)用價值。最后,對不同流量下優(yōu)化后的渦輪性能進行流場分析,得到其效率、功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系,對工程實際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TE43

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本文編號：1315441