SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要 ：针对小井眼钻井技术井下仪器稳定的供电需求， 设计了一款磁耦合式井下涡轮发电机 。 同时对涡导轮叶片结构参数进行了 设计 。为提高涡轮发电机的工作性能， 对涡轮发电机涡导轮叶片结构参数进行研究设计优化 。采用数值模拟分析方法， 建立基本 模型结构参数和流域划分模型 。在转速 2 000 r/min 、流速 15 L/s 情况下， 通过单因素模拟实验， 对叶片的单一参数进行了提取分 析; 通过响应曲面法基于 Box-Behnken 设计试验， 对涡导轮叶片参数进行优化 。研究分析表明： 在转速和流量一定的情况下， 通 过单因素以及响应曲面法得到的叶片结构参数组合， 其效率明显改善。
关键词：井下发电机,涡导轮,单因素实验,响应曲面法,参数优化
Matching Analysis of Structural Parameters of Underground Turbine Generator Blades
Xi Wenkui， Jia Chao， Sun Dongxin， Wang Keqiang
(School of Mechanical Engineering, Xi´an Shiyou University, Xi´an 710065. China)
Abstract: A magnetic coupling downhole turbine generator was designed to meet the stable power supply demand of downhole instruments in slim hole drilling technology. At the same time, the structural parameters of the turbine guide vane were designed . In order to improve the working performance of turbine generator, the structural parameters of turbine stator blades of turbine generator were studied and optimized . The basic model structure parameters and watershed division model were established by using numerical simulation analysis method . At the speed of 2 000 r/min and the flow rate of 15 L/s, a single parameter of the blade was extracted and analyzed through a single factor simulation experiment. Based on Box-Behnken design test, the parameters of turbine guide vane were optimized by response surface method . The research and analysis show that the efficiency of the combination of blade structure parameters obtained by single factor and response surface method is significantly improved when the speed and flow rate are fixed .
Key words: underground generator,vortex guide wheel, single factor experiment; response surface method, parameter optimization
引言:
在钻井过程中， 为实时掌握井下工况， 需要利用随钻测量进行被钻地层信息的收集与反馈， 因此可靠地向 井下仪器和工具提供持续稳定的电能是非常重要[1] 。 目 前， 井下仪器供电方式主要是锂电池供电， 由于小井眼 钻井技术导致锂电池结构紧凑且容量十分有限， 通常电 池连续工作时间不超过 200 h， 无法满足井下仪器长时间 大功率的电量需求; 其次， 电池的工作受环境影响大， 难以适应井下高温 、腐蚀 、震动与撞击的恶劣环境[2]; 另外， 频繁地更换锂电池耗费人力物力且会给环境造成 压力， 不具有环保意义[3]。
相比较锂电池组供电方式， 涡轮发电机能够适应井 下高温高压等复杂环境[4]， 并且井下涡轮发电技术属于 流体机械范畴， 实现井下泥浆动能转化为涡轮机械能再 通过发电机转轴转化为电能的能量转化[5] 。其中， 导轮主要起导流作用， 在机械结构中属于定子， 而涡轮主要 是通过叶片与流体介质相互作用， 把流体的动能或压能 转换为涡轮发电机的机械能， 在机械结构中属于转子 。 故涡导轮叶片作为其中的关键部件决定井下涡轮发电机 的性能好坏。涡导轮叶片结构优化的主要目的是提高发电 系统的整体发电性能 。因此， 导轮与涡轮叶片结构的设 计是提高涡轮效率的关键， 决定整个涡轮发电机的效率。 国内外学者对涡轮发电机做了大量研究 。Hoschek Josef[6]利用放样 B 样条来控制方程变量， 采用牛顿插值法 进行参数调整从而达到减小绘制图的误差范围， 能更好 地设计出叶片形状 。贾惠芹等[7] 通过建立涡轮模型， 采 用流体动力学软件 Fluent 对涡轮的紊流流场进行仿真和 分析， 设计出体积小 、性能优 、效率高的小直径涡轮发 电机 。张晓东等[8]通过对不同叶型的导轮和涡轮组合的 CFD 流场分析， 研究不同结构的导轮对涡轮性能的影响，
基于 BP 神经网络和 Fmincon 函数与遗传算法结合的方法 对叶片进行优化分析 。李方韬等[9]采用滑移网格方法， 编写 UDF 对井下涡轮进行动态仿真， 研究井下涡轮水动 力性能的影响， 并对井下涡轮的启动特性和运动过程进 行了分析。
为提高发电效率， 通过单因素实验对比不同叶片结 构参数对速度以及流场的影响并进行响应曲面法优化参 数， 使涡轮发电机在相同条件下具有更高的效率， 因此， 开展泥浆涡轮发电机的叶轮性能研究具有十分重要的现 实意义[10]。
1 涡轮发电机结构设计与流域划分
1.1 涡轮发电机整体结构
针对具体小尺寸钻井仪器工具供电方式， 设计了一 种涡轮发电机， 整体结构采用磁耦合器连接方式， 涡轮 通过磁力耦合作用与发电机转子连接， 省去了旋转动密 封， 不存在泄漏等动密封引起的不可靠因素[11] 。总体结 构如图 1 所示
泥浆泵将泥浆注入到井下时， 泥浆经过定子导轮导流， 高速流动的泥浆进入转子涡轮叶片流道， 冲击叶片 产生旋转力矩， 带动转子涡轮高速旋转; 转子涡轮通过 磁力耦合装置带动转子轴旋转， 从而驱动发电机组件的 转子旋转， 产生电能。
1.2 涡导轮叶片模型建立 目前， 直叶片和弯扭叶片是涡轮叶片的两大基本叶片形式， 两者各有优劣， 采取扭曲叶片会减少沿叶高冲角变化和径向流动能量的损失， 选取弯扭叶片进行模拟实验 。其中弯扭叶片的中弧曲线段如图 2所示。
根 据 图 2 坐 标 系 中的曲线可以建立叶片变化方程为：
其螺旋升角为 γ， 螺距为 S， 涡轮外径为 Dr， 三者 关系如下：
S = πDr tan γ ( 2 )
根据钻铤尺寸及涡轮工作强度要求， 设参数如表 1 所示， 由式 ( 1 ) ~ ( 2 ) 可得其螺距为 220 mm。如图 3 所示 。采用 1 个涡轮加 1 个导轮的组合方式， 钻井时， 当井下泥浆经导轮导流驱动涡轮转动时， 磁耦 合器外磁钢和涡轮进行同步转动， 利用磁性材料同性相 斥 、异性相吸的工作原理， 磁耦合器内磁钢及固联的发 电机转轴一起转动， 转子在定子线圈中做切割磁感线运 动并产生电能。
图 3 发电机三维模型
2 单因素实验
为确定涡导轮结构参数对效率的影响， 需要进行单 因素实验 (控制变量法)， 将多因素问题简化为多个单因 素问题 。依据涡导轮结构不同， 选取涡轮叶片数目 Z 1、 涡轮螺旋升角β1 、进口段长度 L 1 、涡轮叶片厚度 M1. 对 导轮结构选取导轮叶片数目 Z2 、导轮螺旋升角β2 、出口 段长度 L2 和导轮叶片厚度 M2. 在转速 2 000 r/min 、流速 15 L/s 下效率最高 。 因此 8 个结构参数在此条件下进行 单因素实验， 得到每个结构参数对涡导轮性能的影响 。 图 4 所示为单因素实验的结果曲线。
在第 1 节建模的基础上进行单因素实验， 其中取叶 片数目 5 、7 、9 、 11 、 13. 分别取螺旋升角 25° 、35° 、 45° 、55° 、65°， 分别取叶片厚度 1.5 、3 、4.5 、6 、7.5 mm， 分别取出口段长度 4 、12 、20 、28 、36 mm。
如图 4 (a) 所示， 在 5 叶片与 7 叶片之间， 导轮压 差急剧下降， 经过 7 叶片后压差逐渐平稳递增， 导轮速 度一直平稳递增， 没有太大的波动 。涡轮压差在 7 叶片 周围有明显波动， 在 11 叶片和 13 叶片之间， 速度的变化 最为明显， 波动范围最大。
如图 4 (b) 所示， 导轮压差随着螺旋升角的增大逐 渐地上升， 导轮速度在 35°~45°之间有明显的跃升 。涡轮 压差随着螺旋升角增大而逐渐减少， 涡轮速度在 55°附 近有明显波动。
如图 4 (c) 所示， 导轮速度在叶片厚度 6 mm 附近 压差有明显的波动， 速度随着叶片厚度变化一直趋于平 稳上升 。涡轮压差随着叶片厚度增大而逐渐降低， 在叶 片厚度为 4.5 mm 时， 稍微有波动， 特别是在叶片厚度为 4.5 mm 左右时， 有明显变化。
如图 4 (d) 所示， 导轮速度在出口段长度为 20 mm 时有明显的波动， 其中两者都在长度 12 mm 处有微小波 动， 但变化效果并不明显。
3 响应曲面法参数匹配分析
响应曲面法[12]是一种统计学中的试验方法， 针对某 个单一因素进行取优运算， 进一步由其实验结果得到拟 合和优化后的模型 。 由第 2 节的分析结果整理得到因素 水平表如表 2 所示。
3.1 响应曲面试验设计
响应曲面法是目前国际上较为流行的试验设计及数 据分析方法[13]， 依据涡导轮结构影响因素不同， 对涡轮 叶片结构选取显著性影响因素涡轮叶片数目 Z 1 、涡轮螺 旋升角β1 、进口段长度 L 1 、涡轮叶片厚度 M1. 对导轮叶 片结构选取显著性影响因素导轮叶片数目 Z2 、导轮螺旋 升角β2 、出口段长度 L2 和导轮叶片厚度 M2.
采用 Box-Behnken 方法[14]对进行试验设计分析， 由 于分别有 4 个因素， 其中包含 3 个连续因子和 1 个类别因 子， 每个因素有 2 或 3 个水平， 若进行全面组合实验， 则 需要做 54 次实验， 两组需要做 128 次实验， 由于实验次 数较多， 所以采用响应曲面试验方法设计实验方案 。响 应曲面试验利用因素水平表安排较少次数实验。
本文利用 Minitab 软件进行统计学分析运算与数据处 理 。在显著性水平 0.05 的条件下， 结合表 2 因素水平表 用 Minitab 软件进行数据处理分析 。基于 Box-Behnken 得 出 结 果， 分 析 模 型 显 著 性 时， 多 项 评 估 值 P 值 大 于 0.05[15]， 表现为不显著。
由方差分析可知， 涡轮在叶片厚度为 4.5 mm 条件下， 螺旋升角和出口段长度的影响最为明显 。 由图 5 可 知 13 叶片下响应曲面图几乎一致， 都在螺旋升角为 55° 附近达到峰值， 从 13 叶片的等高线图中可以明显看出选 择出口段长度的影响几乎一样。
由方差分析可知， 导轮在出口段长度为 12 mm 条件下， 螺旋升角和叶片厚度的影响最为明显 。 因此利用 Minitab 得到其在不同叶片数目下交互作用的响应曲面图 和等高线图， 由图 6 可知在 5 叶片下响应曲面和等高线图 几乎一致， 5 叶片情况下效率明显较高， 响应曲面图都 在螺旋升角为 55°附近达到峰值， 等高线图的出口段长 度都在 3 mm 附近达到峰值。
3.2 响应优化及结果验证
对上述参数进行响应优化得到优势方案并进行数值 模拟， 结果如表 3~4 所示， 可以直观地看到相对较优方 案工作效率明显提高且与预测效率几乎相同， 涡导轮效率明显得到了提高。
4 结束语
( 1 ) 利用数值计算软件模拟涡轮发电机的实际工况， 响应曲面法得出的预测值进行对比， 其各方案差值较小， 表 明响应曲面法应用于涡轮发电机结构参数优化具有可行性。
( 2 ) 随着相关参数的改变， 速度和压差都有明显的 变化趋势。
( 3 ) 经过验证， 相对较优的参数组合效率明显提高。 涡轮效率提高了 0.2%， 导轮效率提高了 0.5% 。优化结果 较好， 为井下涡轮发电机的实际生产提供了理论依据。
参考文献：
[1] 张先勇, 冯进 . 井下水力涡轮的研究现状及发展[J]. 机械工程 师, 2012(10):26-29.
[2] P Lurie, P Head, J Smith. Smart Drilling with Electric Drilling[J]. SPE, 2003(2): 1- 13.
[3] 李怡珍 . 油气井下大功率涡轮永磁发电机特性研究与结构改 进[D]. 西安:西安石油大学, 2021.
[4] 鲁慧萍 . 井下发电机导轮与涡轮的参数匹配及结构优化研究 [D]. 成都:西南石油大学, 2017.
[5] 陈龙, 张冀冠 . 煤矿井下钻孔内涡轮发电机的设计[J]. 煤矿机 械, 2020.41(5): 28-30.
[6] Hoschek J, Müller R. Turbine blade design by lofted B-spline surfaces[J]. Journal of Computationaland Applied Mathematics, 2000. 119(1-2):235-248.
[7] 贾惠芹, 万咪, 焦伟 . 小直径涡轮发电机的设计与实验研究[J]. 国外电子测量技术, 2019. 38(1): 63-66.
[8] 张晓东, 欧松,龚彦,等 . 井下涡轮发电机叶片改型与优化设计 [J]. 机械科学与技术, 2018. 37(5): 663-668.
[9] 李方韬, 薛启龙,刘宝林,等 . 基于滑移网格方法的井下涡轮水 动力性能仿真[J]. 科学技术与工程,2020.20(7):2674-2680.
[10] 张达,万教育,王恒,等 . 泥浆涡轮发电机用叶轮设计及性能分 析[J]. 中国设备工程, 2018 (8): 85-87.
[11] 黄晓凡,林恩怀 . 石油钻井用泥浆发电机综述[J]. 石油仪器, 2013.27(1):31-33.
[12] 庞超明,黄弘 . 试验方案优化设计与数据分析[M]. 南京:东南 大学出版社,2018.
[13] 卢定强,段柳, 陈建辉,等 . 响应曲面法优化固体碱催化制备生 物柴油的工艺[J]. 可再生能源,2008. 140(4):41-45.
[14] Varsihini, CJS, Das. Optimization of parameters for cerium(III) biosorption onto biowaste materials of animal and plant origin using 5-level Box-Behnken design: Equilibrium, kinetic, ther‐ modynamic and regeneration studies[J]. 稀 土 学 报 ( 英 文 版), 2014. 32(8):14.
[15] 陈魁 . 试验设计与分析[M]. 北京:清华大学出版社,2005.
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/58705.html
