一种涡轮发电机流道结构优化的分析方法

摘要

本发明涉及一种涡轮发电机流道结构优化的分析方法，该方法根据已有的模型确定涡轮、导轮的叶片基本结构参数，利用三维软件建立涡轮、导轮的三维模型及相关计算域模型，利用流体仿真软件对涡轮及流道进行流场数值模拟，分析涡轮与导轮的不同结构参数对涡轮性能的影响。本发明基于流场分析，采用CFD技术，筛选出影响涡轮性能的显著参数并进行参数匹配优化，从而对涡轮及导轮叶型结构进行改进设计，通过对比分析，得出最优组合，实现以较短的周期，较少的人力物力，得到涡轮结构方面的最佳匹配方案。

说明书

技术领域

本发明涉及一种涡轮发电机流道结构优化的分析方法。

背景技术

现有国内的随钻测量通常使用涡轮发电机进行循环发电，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进行流道结构研究是很有必要的。目前对涡轮发电机的研究手段主要通过实验进行，由于涡轮发电机规格各异，单一对某规格涡轮发电机所获得实验结果，不具备较好的通用性，因此对不同规格的涡轮发电机进行实验，需要花费大量的人力物力。因此有必要采用仿真方式对涡轮发电机流道进行结构优化，以较短的周期，较少的人力物力，得到涡轮结构方面的最佳匹配方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种涡轮发电机流道结构优化的分析方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种涡轮发电机流道结构优化的分析方法，具有以下步骤：

(1)、对涡轮模型结构特征进行简化处理并抽取流道；

(2)、利用hypermesh对抽取的流道计算域模型进行网格划分，其中导轮进口流域和涡轮进口流域采用结构化的六面体网格，导轮叶片流域和涡轮叶片流域采用非结构化的四面体网格，并且在叶片处进行加密处理，使用mesh quality功能对各个模型的网格进行质量检查；

(3)、由于在实际工作中，导轮是固定的而涡轮是旋转的，因此选择合适的分析模型-MRF，将模型分域成旋转域和静止域；

(4)、设定输入工况，包括涡轮的转速和流体的流量；

(5)、设定输出文件，包括压力云图和速度云图；

(6)、计算求解；求解计算全流道模型在不同转速下的压力云图、速度云图；

(7)、重复以上步骤计算不同的工况；

(8)、根据涡轮叶片的压力云图、速度云图，改变叶片的螺旋升角、叶片厚度，重新提交计算比较分析涡轮发电机的输出性能。

进一步地，步骤(2)中，采用CFD技术对划分网格后的计算域模型进行流场数值模拟，研究导轮与涡轮的主要结构参数：包括螺旋升角、旋转角、叶片厚度分别对涡轮性能的影响。

由于在CFD中，只有设定了正确的边界条件才能求解出流场问题的解，因此设置具体的边界条件如下：Z轴为旋转轴，X轴为旋转方向。

本发明的有益效果是：本发明基于流场分析，采用CFD技术，筛选出影响涡轮性能的显著参数并进行参数匹配优化，从而对涡轮及导轮叶型结构进行改进设计，通过对比分析，得出最优组合，实现以较短的周期，较少的人力物力，得到涡轮结构方面的最佳匹配方案。

具体实施方式

一种涡轮发电机流道结构优化的分析方法，具有以下步骤：

(1)、对涡轮模型结构特征进行简化处理并抽取流道；

(2)、利用hypermesh对抽取的流道计算域模型进行网格划分，其中导轮进口流域和涡轮进口流域采用结构化的六面体网格，导轮叶片流域和涡轮叶片流域采用非结构化的四面体网格，并且在叶片处进行加密处理，使用mesh quality功能对各个模型的网格进行质量检查；

(3)、由于在实际工作中，导轮是固定的而涡轮是旋转的，因此选择合适的分析模型-MRF，将模型分域成旋转域和静止域；

(4)、设定输入工况，包括涡轮的转速和流体的流量；

(5)、设定输出文件，包括压力云图和速度云图；

(6)、计算求解；求解计算全流道模型在不同转速下的压力云图、速度云图；

(7)、重复以上步骤计算不同的工况；

(8)、根据涡轮叶片的压力云图、速度云图，改变叶片的螺旋升角、叶片厚度，重新提交计算比较分析涡轮发电机的输出性能。

具体分析过程中，首先利用hypermesh软件对计算域模型划分网格，分别对导轮、涡轮、导轮进口流域、涡轮进口流域进行网格划分，整个流道被分成四部分，其中导轮叶片流域和涡轮叶片流域采用非结构化的四面体网格，导轮进口和涡轮进口流域采用结构化的六面体网格，网格划分完成后，使用mesh quality功能对各个模型的网格进行质量检查。

采用CFD技术即计算流体动力学，对划分网格后的计算域模型进行流场数值模拟，研究导轮与涡轮的主要结构参数：螺旋升角、旋转角、叶片厚度分别对涡轮性能的影响；然后对各个参数进行匹配分析，在第一次匹配分析的基础上，分别对导轮的型线结构、涡轮的叶片截面进行改进设计，给出改型后的涡轮叶片建模方法，对不同型线的导轮和涡轮进行组合匹配分析，得到性能最佳的组合方式。保持涡轮转速不变，得到压降、效率、扭矩与叶片螺旋升角的关系。随着导轮螺旋升角的增大，扭矩、压降逐渐减小，效率呈现先增大后减小的趋势。导轮的作用是通过改变涡轮入口液流角来提高能量的利用率，导轮叶片重叠系数的大小与旋转角度的选取有关，而重叠系数选择不当会对叶片水利效率产生不良影响。因此，分析导轮叶片旋转角对涡轮输出扭矩、压降、效率的影响是很有必要的。

具体实施时，取导轮叶片数为5，涡轮叶片数为7，两者的螺旋角均为44.7°，改变导轮叶片的旋转角进行流场分析，随着导轮叶片旋转角逐渐增大，扭矩、压降、效率均先增大后减小，在旋转角为60°时三者均达到最值，并且他们的变化趋势基本一致。在旋转角大于95°后，旋转角的变化范围较大时涡轮的扭矩、压降、效率才会产生比较平缓的变化；改变导轮叶片厚度，得到的涡轮扭矩和压降的变化情况基本一致，随着厚度的增加会增大，而效率随着厚度增加会减小；但是，扭矩与压降、效率的变化非常细微，说明导轮叶片厚度对涡轮的扭矩、压降、效率影响很小。

选择导轮进口流域的单元数为7400个，quality的最小值为0.56；导轮叶片流域的单元数为310405个，quality最小值为0.36,；涡轮叶片流域的单元数为248507个，quality最小值为0.35；涡轮出口流域的单元数为7021个，quality最小值为0.63；在CFD中，因为只有设定了正确的边界条件才能求解出流场问题的解，因此具体的边界条件设置如下：Z轴为旋转轴，X轴为旋转方向，进口需要设置流体流入的位置、流量大小、方式及温度等。

采用清水代替实际钻井液作为仿真模拟的流体介质，速度质量流量进口作为导轮入口边界条件，初始流量为27L/S。出口需要设置流体流出的位置及方式等边界条件，选择出口边界条件为压力出口，出口压力设置为0，叶片壁面、轮缘、轮毂设置为无滑移壁面边界条件。在实际工作中，由于导轮是固定的而涡轮是旋转的，因此选用MRF方法，将涡轮设置为旋转域。为确保数值计算的正确性，需要对网格无关性进行检查，采用整体网格数增加来验证网格无关性。当网格数从57万增加至145万时，扭矩、压降、效率值变化很小，说明此时网格数对计算结果的影响性很小，可以认为此时已经达到了网格无关。

求解计算压力云图、速度云图时，从压力云图中可以得到：无论是导轮叶片还是涡轮叶片，其叶片工作面的压力大于背面的压力，最大压力都出现在进口区域，随着转速的增加，最大压力的数值逐渐减小。随着转速增加，低压区域面积逐渐减小，由此可知，转速对涡轮内部流场压力分布的影响较大；从速度云图中可知：液体进入导叶和涡轮叶片之后，都分为两部分运动，一部分沿着叶片工作面流动，一部分沿着背面运动。

通过模拟计算得到涡轮性能曲线图，在流体密度和流量一定情况下，涡轮随着转速的增加，扭矩是呈直线逐渐减小的；效率是呈抛物线变化，先增大达到最值后逐渐减小的；压降随着转速增大减小，但是变化很平缓。涡轮性能不仅取决于自身的结构参数，导轮的结构参数对涡轮的性能同样有影响。通过分别改变导轮与涡轮的结构参数，仿真得到：导轮和涡轮的结构参数中，螺旋升角对涡轮输出性能影响比较大，叶片厚度和旋转角影响相对较小。同时有必要将导轮与涡轮结构参数进行混合匹配分析，由此获得导轮与涡轮最佳结构参数匹配组合，使得涡轮在此种组合下性能达到最优。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。