基于Bezier和正交试验的涡轮叶片参数优化设计

涡轮的叶片型线在涡轮钻具设计中处于核心地位,对其进行优化设计具有重要的意义。基于Bezier曲线对涡轮叶片型线的表达式进行推导。以ø127 mm涡轮为例,应用计算流体力学软件Fluent对其进行数值模拟,并结合正交试验方法,以叶片形状控制参数为因素,以涡轮的转矩和效率为指标,对叶片型线进行优化。结果表明,此方法可综合考虑转矩和效率,得到水力性能优秀的叶片型线参数,为涡轮钻具的叶片设计和优化提供指导。     

Bezier曲线在井底增压钻井离心泵叶片三维造型中的应用

在几何外形设计与机械加工中,Bezier曲线得到越来越广泛的应用。在低比转速离心泵设计领域,利用Bezier曲线对叶片型线进行拟合的方法显现出了很大的优越性,这种方法摒弃了以往用一段或者几段圆弧来逼近圆柱型叶片型线的做法,不仅提高了设计精度,而且非常有利于实现参数化设计。简要论述了利用Bezier曲线对圆柱型叶片三维造型的方法,并通过该方法对井底增压钻井中的多级高速离心泵叶轮进行了设计。     

高速多级离心泵叶片参数化造型设计

针对井底增压钻井离心泵叶片的设计问题,提出一种新的离心泵叶片参数化造型设计方法。该方法采用VB语言和Pro/E相结合,应用三次Bezier曲线来构造离心泵叶片型线,其关键是根据Bezier的端点性质控制多边形的构造。给出了针对离心泵叶片的设计流程框图和设计实例。实际应用表明,这种参数化设计方法为相似产品的快速设计开辟了一种行之有效的途径,可避免设计中大量的重复劳动。     

涡轮钻具涡轮叶片造型设计新方法

涡轮叶片的型线对涡轮钻具性能影响很大。通过分析涡轮叶片型线对液流流动参数的影响 ,认为叶片型线上存在不连续的曲率是影响涡轮性能的主要因素 ,得出叶片压力面和吸力面型线应为单型线且具有连续三阶导数的结论。提出用五次多项式构造叶片型线 ,给出叶片型线与几何参数的关系、定量求解方法和叶片型线检验要求。 165涡轮钻具设计应用实践表明 ,采用这种新方法设计涡轮 ,可优化涡轮叶片形状 ,改进涡轮性能 ,提高设计质量和总效率     

涡轮外特性理论计算方法探究及验证

涡轮作为一种动力转化元件,其外特性的研究对于叶片型线的设计及叶轮内液流流动状态的研究具有重要意义。通过对叶轮内液流微元圆柱层的分析,提出了一种涡轮外特性的积分计算方法,采用该方法得到的涡轮外特性计算公式与传统公式具有相同的形式,但在理论上更符合液流的实际流动情况。为检验积分计算方法的优越性,基于四阶Bezier方程构造了240 mm涡轮钻具涡轮定、转子叶片型线,采用CFD方法模拟了该涡轮的外特性,并以此作为基础,综合对比了2种计算方法在3种特殊工况下的外特性情况。对比结果表明:积分计算方法得到的涡轮外特性更接近于CFD仿真结果,具有更小的计算误差。研究结果对涡轮的理论设计及液流流动理论的研究具有一定的工程意义。     

涡轮叶片造型设计软件的开发

通过对涡轮叶片型线设计理论分析，将涡轮叶片设计过程分为数据选取、中间计算、结果输出3部分。开发的软件主要用于中间计算过程。软件对计算结果采用离散数据的形式存储到文件中，增强了数据的交互性，在涡轮叶片的设计和研究中，可以大大减少科研人员的工作量，具有一定的应用价值。     

涡轮叶片型线结构对叶栅流场的影响研究

涡轮叶片型线影响涡轮液流压降变化和速度变化的平稳程度,从而影响涡轮水力能量转化效率。分析了涡轮叶片的结构参数,据此绘制出五圆弧叶型及三次多项式叶型涡轮的叶片型线,在此基础上,利用Fluent软件对常用的五圆弧叶型和三次多项式叶型的涡轮叶栅流场压力、速度变化进行了模拟分析。分析结果表明,三次多项式叶型涡轮的液流压降变化和速度变化比五圆弧叶型涡轮更平稳,因此前者的水力损失比后者更小,水力效率更高。建议涡轮钻具叶片型线设计时尽量采用三次多项式。     

调控参数对涡轮钻具叶片性能的影响

涡轮叶片的参数调控优化设计能够较好地改善涡轮钻具的转矩、效率等水力参数。为此,基于贝塞尔曲线理论和流体动力学理论,通过理论分析、仿真模拟及试验对比等方法全面研究了涡轮叶片参数的设计对涡轮性能的影响。分析结果表明:提出的数值模拟方法可以系统地实现涡轮叶片从造型设计、性能预测到参数优化的全面分析;在低转速时,安装角对输出功率与效率的影响不明显,超过最优转速后其对效率和功率的影响显著,并且涡轮扭矩、压降、输出功率及效率随安装角的增大呈降低趋势;随着后锥角的增大,扭矩、压降及输出功率都呈增大趋势,因此涡轮要在最高效率下获得较大输出功率,可适当增大后锥角。所得结论可为高性能涡轮叶片型线的设计提供参考。     

一种应用于双锥型液-液旋流器的导叶设计新方法

针对双锥型液 液旋流器导叶的设计问题,提出了一种新的基于空气动力学翼型的参数化造型设 计方法,该新方法根据进口角、出口角等参数直接确定导叶关键点处位置,再通过Bezier曲线将关键点 连接起来,形成叶型曲线。详述了新方法的导叶设计流程,推导了叶片型线方程,建立了导叶型线的参 数化模型,并结合实例进行模拟验证。结果表明,新方法导叶具有以下优势：在几何特性方面,导叶型 线光滑性好,具有良好的形状控制能力,且叶片型线方程中各个参数含义明确,便于有针对性地快速修 改设计参数并再生模型;在流场特性方面,导叶产生流场具有更高的切向速度,并且导叶对流体的控制 性好,更利于液 液分离。该新方法为轴流式液 液旋流器导叶设计与造型提供新的思路,可供工程设 计使用。     

54 mm涡轮钻具三维叶片造型设计与研究

针对涡轮转子不同半径圆柱层液体圆周速度不同，导致的液体与转子叶片产生冲击产生的水力损失问题，利用多截面造型方法建立了一种三维叶片涡轮。基于实际工况中从第二级涡轮开始，定子入口的流速是上一级涡轮转子出口流速，速度方向并不垂直于定子入口面这一情况，对现有的涡轮流道模型进行修正，建立了多级流道模型。通过数值模拟方法，对多级涡轮流道模型进行流场分析，得到中间一级涡轮的相关性能参数的特性曲线。研究结果表明：三维叶片涡轮压降更低，单幅涡轮压降减少约为12%;在最佳工况点处，三维叶片涡轮效率达到了60.25%,比直叶片涡轮高出约10%。考虑径向间隙对涡轮性能的影响，建立了相对应的流道模型，验证了方案的可行性。研究结果对涡轮叶片的设计和多级涡轮流场分析具有一定的指导意义。     

外包双倒T形叶根振动强度特性

通过对镇海炼化分公司化工部Ⅲ电站1#汽轮机叶片断裂事故的原因分析,阐述了外包双倒T形叶根的振动强度特性,其结果可为叶片改进设计提供参考。     

ø73 mm小尺寸涡轮钻具叶型设计及优化

小尺寸涡轮钻具主要用于深部高温硬岩地层钻进,对我国油气、干热岩等深部能源矿藏的地质调查具有重要意义,在石油行业中小井眼钻井、老井加深及连续油管钻修井等方面具有较好的应用前景。目前,国内尚无ø73 mm小尺寸涡轮钻具,为推进涡轮钻具系列化,对ø73 mm小尺寸涡轮钻具的涡轮节中常规级定转子叶片及制动级定转子叶片进行设计优化,旨在研制长度短、转矩适中、转速适中、压降小、功率高及效率高的ø73 mm小尺寸涡轮钻具,使ø73 mm小尺寸涡轮钻具尽快在我国实现现场应用。设计出符合性能要求的3种常规定转子叶型方案和5种制动级叶型方案,通过理论分析及数值模拟,选出最优的常规定转子叶型及制动级叶型方案,并提出常规涡轮级与制动涡轮级复配的5种涡轮节结构方案,同时对涡轮节结构进行了性能分析及方案优选,优选的涡轮节方案在流量5.5 L/s,工作转速1 500～2 500 r/min时,输出转矩为109～140 N·m,平均压降为11.5 MPa,制动转矩为185.5 N·m,可满足小井眼钻井对ø73 mm小尺寸涡轮钻具的输出性能要求。     

涡轮钻具水力设计与分析方法应用现状研究

涡轮钻具是一种重要的钻井工具,涡轮叶型线特征是其水力性能设计与分析的关键因素。在分析涡轮钻具水力工作原理的基础上,研究了涡轮钻具水力性能设计研究现状,详细比较分析了涡轮钻具水力性能设计的理论方法、计算机建模与仿真及水力性能试验分析方面的研究现状与发展水平,提出了计算机辅助设计及理论分析。与试验修正相结合的综合研究方法是涡轮钻具水力性能设计与分析的重要方法,对涡轮钻具水力部件的主要问题与发展趋势进行了展望,为涡轮钻具的水力设计提供参考。     

气动涡轮钻具涡轮副叶栅的优化设计

气动涡轮钻具涡轮副的设计包括强度结构设计和气动力计算2个方面,而气动力计算则在于合理设计涡轮副的气流通道。轮周效率只考虑定子、转子流道中的损失、余速损失,较明显地反映了流道中气流角度与涡轮效率的关系。运用鲍威尔法对其参数进行了优化设计,为了避免"退化现象",又提出修正算法,克服了退化不利的情形,能有效地收敛于无约束条件。应用实例表明,该优化方法可在涡轮副叶栅的初始设计中合理选择多个变量值,保证和提高了涡轮副的效率。     

涡轮钻具叶片电解加工阴极工具设计

由于涡轮钻具叶片型线的设计愈加复杂,叶片的传统加工方法面临越来越多的加工难题。因此拟将电解加工技术应用于涡轮钻具叶片的制造领域,对涡轮钻具叶片电解加工阴极工具的设计进行了研究。以127 mm涡轮钻具叶片的设计为例:首先基于多项式曲线拟合的方法,在MATLAB中编程计算绘制出最初的叶片曲线;然后将得到的曲线导入AutoCAD,根据理论计算得到的叶片几何参数修补得到叶片型线的几何图纸;最后将叶片型线导入GAMBIT有限元前处理软件进行网格划分,并在ANSYS Fluent软件中进行流场仿真分析,同时在Tecplot360软件中进行后处理得到流场中流体的流向图、速度云图及压力云图。结果表明利用这种方法设计的叶片可以满足实际工作状况的要求。研究内容和结果为涡轮钻具叶片的电解加工研究奠定了良好基础。     

井下水动力轴流涡轮设计与试验研究

通过井下水动力涡轮的设计和试验,发现流道中线决定涡轮设计工况的液流平均流动,而不是沿叶片骨线进口结构角方向。指出传统平面叶栅轴流涡轮设计方法存在的局限性,并提出了最高效率点的平均液流进口方向沿流道中线进口结构角方向的观点,从而较好地解释了理论设计的机械性能与实际机械性能存在差异的原因。根据该观点,建议在涡轮叶栅叶型造型设计时,应检查流道中线在前、后缘额线处的切线,保证与设计液流方向基本相同,以提高涡轮设计的正确性和质量。对其他同类型的涡轮机械设计具有参考价值。