井下泥浆涡轮发电系统中涡轮优化设计及匹配研究

论文摘要

随着石油工业的不断发展以及地球上石油储备量的不断减少，石油开采深度逐渐增加，井下的高温高压环境直接影响着为随钻设备提供电源的锂电池性能，从而使得代替锂电池的井下泥浆涡轮发电系统的开发显得尤为在重要，该系统的关键过流部件为涡轮，涡轮的性能直接影响着发电系统的整体性能，为了提高井下泥浆涡轮发电系统的工作效率，本文在分析相关理论及国内外文献的基础上，对井下泥浆涡轮发电系统中的关键部件涡轮进行了优化设计及匹配研究。井下泥浆涡轮是一种叶轮机械，弯掠叶片和翼型截面叶片在叶轮机械上得到广泛的应用，利用弯掠叶片、翼型截面叶片都能够提高流体机械的水力性能，在此基础上，本文从以下几个方面来进行探讨：首先，根据设计参数，在叶轮机械设计理论的基础上，设计出常用的圆弧平板直叶片涡轮，并对其进行了流动分析，提出改进措施。其次，在圆弧形平板直叶片的基础上，将直叶片改变成前弯叶片，翼型截面叶片和翼型+前弯叶片，并对各个涡轮模型进行数值模拟计算，分别对比分析改进前后涡轮的性能变化，找出最优的改进方案。最后，针对钻井过程中的变工况条件，设计出不同的导叶和转叶，以及其匹配方案，定义出不同匹配方案的适用范围。并分析不同流量范围内，导叶转叶匹配后的水力性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 井下泥浆涡轮发电机概述
• 1.2 井下泥浆涡轮发电系统中涡轮的研究现状
• 1.3 CAD、CFD 技术的应用
• 1.4 本文主要工作
• 2 井下泥浆涡轮的设计及 CFD 分析
• 2.1 设计原理
• 2.2 设计方案
• 2.3 初步设计
• 2.4 实体模型与网格划分
• 2.5 数值模拟
• 2.6 泥浆涡轮的性能分析
• 2.7 本章小结
• 3 NACA 翼型叶片与圆弧平板叶片涡轮性能对比分析
• 3.1 内部流动对比分析
• 3.2 水力性能对比分析
• 3.3 本章小结
• 4 弯曲叶片对涡轮性能的影响
• 4.1 弯曲叶片降低能量损失的原理
• 4.2 弯曲叶片的分类及其选择
• 4.3 前弯叶片涡轮模型的性能分析
• 4.4 NACA 翼型+前弯叶片涡轮的性能分析
• 4.5 本章小结
• 5 变工况条件下涡轮的性能研究
• 5.1 流体机械的工况调节
• 5.2 不同流量下的涡轮设计
• 5.3 数值模拟计算
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者硕士期间发表的论文