CN105089635A - 一种井下摄像仪的后置涡轮设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下摄像仪的后置涡轮设计方法及系统，其中，方法包括：确定涡轮各截面对应的叶片最大厚度以及涡轮翼型；确定涡轮各截面对应的叶片弦长l；确定栅中翼型的升力系数C_y；根据所述涡轮翼型以及涡轮各截面对应的叶片弦长确定涡轮各截面对应的厚度h；利用涡轮翼型的厚度h、叶片弦长l和修正后的升力系数C_y获得冲角△α；根据冲角△α和涡轮截面的初始安放角β_∞获得涡轮截面的最终安放角β；根据涡轮各截面对应的叶片最大厚度、涡轮翼型的厚度h、叶片弦长l、冲角△α、最终安放角β获得涡轮各截面表面处的立体坐标，利用涡轮各截面表面处的立体坐标绘制涡轮的三维图形。

Description

一种井下摄像仪的后置涡轮设计方法及系统

技术领域

本发明涉及石油测井技术领域，特别涉及一种井下摄像仪的后置涡轮设计方法及系统。

背景技术

井下摄像仪是一种应用可见光摄像机查看油、气、水井的测试仪器，通过该仪器可以直接观测被测井的套管破损、套管错断、井下落物、射孔质量、注水见效方向等情况。而可见光摄像仪在油、气、水井中应用的最大问题就是油污、杂质的沾污问题。

根据现有可见光摄像仪存在的不足之处，发明人发明了后置涡轮防沾污的测试仪器，方法是在可见光电视外加装集流筒，集流筒与可见光电视之间形成环空通路，在可见光电视后部加装一个涡轮，在电机的带动下用涡轮吸入流体后沿环空通路喷向仪器前端，。其中涡轮是整个仪器原理的核心部件，需要进行特殊设计。现有的涡轮均不具备防沾污的功能，无法满足实际的需要。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明提出一种井下摄像仪的后置涡轮设计方法及系统，设计出的涡轮使其能够满足后置涡轮井下摄像仪防沾污原理和功能的需求。

为实现上述目的，本发明提供了一种井下摄像仪的后置涡轮设计方法，包括：

确定比转数n_s、圆周速度u、涡轮各截面对应的叶片最大厚度以及涡轮翼型；

根据所述比转数n_s确定轮毂比d以及叶片数Z；

根据所述轮毂比d确定轮毂外径d_h；

利用所述轮毂外径d_h确定涡轮的直径；其中，涡轮的直径包括：截面Ⅰ的直径D_Ⅰ、截面Ⅱ的直径D_Ⅱ、截面III的直径D_Ⅲ、截面Ⅳ的直径D_Ⅳ、截面Ⅴ的直径D_Ⅴ；

利用所述涡轮的直径确定涡轮各截面对应的轴面速度v_m′；

对涡轮各截面对应的轴面速度v_m′进行校正；

根据所述圆周速度u确定涡轮截面的绝对速度的圆周分量v_u2；

根据所述圆周分量v_u2、圆周速度u、和校正后的涡轮各截面对应的轴面速度确定涡轮截面的安放角β_∞；

根据涡轮的直径和叶片数Z确定涡轮各截面对应的叶栅间距t；

根据所述叶片数Z选定涡轮截面的叶栅稠密度；

根据涡轮各截面对应的叶栅间距t以及涡轮截面的叶栅稠密度确定涡轮各截面对应的叶片弦长l；

根据校正后的涡轮各截面对应的轴面速度、圆周速度u、涡轮截面的绝对速度的圆周分量v_u2、涡轮截面的初始安放角β_∞以及选定的气蚀系数λ确定栅中翼型的升力系数C_y，并对升力系数C_y进行修正；

根据所述涡轮翼型以及涡轮各截面对应的叶片弦长确定涡轮各截面对应的厚度h；

利用涡轮翼型的厚度h、叶片弦长l和修正后的升力系数C_y获得冲角△α；

根据冲角△α和涡轮截面的初始安放角β_∞获得涡轮截面的最终安放角β；

根据涡轮各截面对应的叶片最大厚度、涡轮翼型的厚度h、叶片弦长l、冲角△α、最终安放角β获得涡轮各截面表面处的立体坐标，利用涡轮各截面表面处的立体坐标绘制涡轮的三维图形。

优选地，所述确定比转数n_s的步骤包括：

根据仪器结构设计给出涡轮喷射清水的扬程H，当达到防污效果时所需的流体流量Q，根据电气设计给出电机在工况下输出的电机转数n，根据仪器结构设计允许涡轮的最大外径D；

利用扬程H、流体流量Q、电机转数n确定比转数n_s。

优选地，所述根据所述轮毂比d确定轮毂外径d_h的步骤具体包括：

利用所述轮毂比d和最大外径D获得轮毂外径d_h。

优选地，所述圆周速度u的确定方法包括：

利用涡轮的最大外径D和电机转数n确定圆周速度u。

优选地，所述对涡轮各截面对应的轴面速度v_m′进行校正的步骤包括：

确定涡轮各截面的叶片排挤系数ψ；

利用叶片排挤系数ψ对涡轮各截面对应的轴面速度v_m′进行校正。

为实现上述目的，本发明还提供了一种井下摄像仪的后置涡轮设计系统，包括：

初始化单元，用于确定比转数n_s、圆周速度u、涡轮各截面对应的叶片最大厚度以及涡轮翼型；

轮毂比和叶片数确定单元，用于根据所述比转数n_s确定轮毂比d以及叶片数Z；

轮毂外径确定单元，用于根据所述轮毂比d确定轮毂外径d_h；

涡轮直径确定单元，用于利用所述轮毂外径d_h确定涡轮直径；其中，所述涡轮直径包括：截面Ⅰ的直径D_Ⅰ、截面Ⅱ的直径D_Ⅱ、截面III的直径D_Ⅲ、截面Ⅳ的直径D_Ⅳ、截面Ⅴ的直径D_Ⅴ；

轴面速度确定单元，用于利用所述涡轮的直径确定涡轮各截面对应的轴面速度v_m′，并对涡轮各截面对应的轴面速度v_m′进行校正；

圆周分量确定单元，用于根据所述圆周速度u确定涡轮截面的绝对速度的圆周分量v_u2；

初始安放角确定单元，用于根据所述圆周分量v_u2、圆周速度u、和校正后的涡轮各截面对应的轴面速度确定涡轮截面的初始安放角β_∞；

叶栅间距确定单元，用于根据涡轮的直径和叶片数Z确定涡轮各截面对应的叶栅间距t；

叶栅稠密度确定单元，用于根据所述叶片数Z选定涡轮截面的叶栅稠密度；

叶片弦长确定单元，用于根据涡轮各截面对应的叶栅间距t以及涡轮截面的叶栅稠密度确定涡轮各截面对应的叶片弦长l；

升力系数确定单元，用于根据校正后的涡轮各截面对应的轴面速度、圆周速度u、涡轮截面的绝对速度的圆周分量v_u2、涡轮截面的安放角β_∞以及选定的气蚀系数λ确定栅中翼型的升力系数C_y，并对升力系数C_y进行修正；

涡轮截面厚度确定单元，用于涡轮根据所述涡轮翼型以及涡轮各截面对应的叶片弦长确定涡轮各截面对应的厚度h；

冲角确定单元，用于利用涡轮翼型的厚度h、叶片弦长l和修正后的升力系数C_y获得冲角△α；

最终安放角确定单元，用于根据冲角△α和涡轮截面的初始安放角β_∞获得涡轮截面的最终安放角β；

绘图单元，用于根据涡轮各截面对应的叶片最大厚度、涡轮翼型的厚度h、叶片弦长l、冲角△α、最终安放角β获得涡轮各截面表面处的立体坐标，利用涡轮各截面表面处的立体坐标绘制涡轮的三维图形。

优选地，所述初始化单元包括：

参数确定模块，用于根据仪器结构设计给出涡轮喷射清水的扬程H，当达到防污效果时所需的流体流量Q，根据电气设计给出电机在工况下输出的电机转数n，根据仪器结构设计允许涡轮的最大外径D；

比转数确定模块，用于利用扬程H、流体流量Q、电机转数n确定比转数n_s。

优选地，所述轮毂外径确定单元进一步用于利用所述轮毂比d和最大外径D获得轮毂外径d_h。

优选地，所述初始化单元还包括：圆周速度获得模块；

圆周速度获得模块，用于利用涡轮的最大外径D和电机转数n确定圆周速度u。

优选地，所述轴面速度确定单元包括：

叶片排挤系数确定模块，用于确定涡轮各截面的叶片排挤系数ψ；

校正模块，用于利用叶片排挤系数ψ对涡轮各截面对应的轴面速度v_m′进行校正。

上述技术方案具有如下有益效果：

本技术方案设计出的涡轮可以实现后置涡轮井下摄像仪功能的要求，使摄像头镜头免沾污。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的一种井下摄像仪的后置涡轮设计方法流程图；

图2为本发明提出的一种井下摄像仪的后置涡轮设计系统框图；

图3为轮毂比和比转数的关系曲线图；

图4为本实施的NACA翼型的尺寸示意图；

图5为本实施例绘制后的轮廓线及辅助线示意图；

图6为本实施例基于图5转换后的示意图；

图7为本实施例的划分网格的涡轮示意图；

图8为本实施例的网格线投影到轮廓线示意图；

图9为本实施例绘制后的涡轮的各截面的轮廓示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术方案的工作原理为：本技术方案在井下摄像机后部加入涡轮实现防沾污功能的井下摄像仪，采用轴流泵原理将流体从仪器后部吸入并通过环空喷向仪器前端，以防止油污、杂质直接接触镜头，达到防沾污的目的，作为该仪器的关键部件，仪器中的涡轮需要进行特殊的设计，才能使涡轮起到防沾污的作用。

鉴于以上对后置涡轮井下摄像仪工作原理的要求，本技术方案提出一种后置涡轮井下摄像仪涡轮的设计方法，使设计出的涡轮满足后置涡轮井下摄像仪的功能要求。

如图1所示，为本发明提出的一种井下摄像仪的后置涡轮设计方法流程图。包括：

步骤101)：确定比转数n_s、圆周速度u、涡轮各截面对应的叶片最大厚度以及涡轮翼型；

步骤102)：根据所述比转数n_s确定轮毂比d以及叶片数Z；

步骤103)：根据所述轮毂比d确定轮毂外径d_h；

步骤104)：利用所述轮毂外径d_h确定涡轮的直径；其中，所述涡轮的直径包括：截面Ⅰ的直径D_Ⅰ、截面Ⅱ的直径D_Ⅱ、截面III的直径D_Ⅲ、截面Ⅳ的直径D_Ⅳ、截面Ⅴ的直径D_Ⅴ；

步骤105)：利用所述涡轮的直径确定涡轮各截面对应的轴面速度v_m′；

步骤106)：对涡轮各截面对应的轴面速度v_m′进行校正；

步骤107)：根据所述圆周速度u确定涡轮截面的绝对速度的圆周分量v_u2；

步骤108)：根据所述圆周分量v_u2、圆周速度u、和校正后的涡轮各截面对应的轴面速度确定涡轮截面的安放角β_∞；

步骤109)：根据涡轮的直径和叶片数Z确定涡轮各截面对应的叶栅间距t；

步骤110)：根据所述叶片数Z选定涡轮截面的叶栅稠密度；

步骤111)：根据涡轮各截面对应的叶栅间距t以及涡轮截面的叶栅稠密度确定涡轮各截面对应的叶片弦长l；

步骤112)：根据校正后的涡轮各截面对应的轴面速度、圆周速度u、涡轮截面的绝对速度的圆周分量v_u2、涡轮截面的初始安放角β_∞以及选定的气蚀系数λ确定栅中翼型的升力系数C_y，并对升力系数C_y进行修正；

步骤113)：根据所述涡轮翼型以及涡轮各截面对应的叶片弦长确定涡轮各截面对应的厚度h；

步骤114)：利用涡轮翼型的厚度h、叶片弦长l和修正后的升力系数C_y获得冲角△α；

步骤115)：根据冲角△α和涡轮截面的初始安放角β_∞获得涡轮截面的最终安放角β；

步骤116)：根据涡轮各截面对应的叶片最大厚度、涡轮翼型的厚度h、叶片弦长l、冲角△α、最终安放角β获得涡轮各截面表面处的立体坐标，利用涡轮各截面表面处的立体坐标绘制涡轮的三维图形。

如图2所示，为本发明提出的一种井下摄像仪的后置涡轮设计系统框图。包括：

初始化单元201，用于确定比转数n_s、圆周速度u、涡轮各截面对应的叶片最大厚度以及涡轮翼型；

轮毂比和叶片数确定单元202，用于根据所述比转数n_s确定轮毂比d以及叶片数Z；

轮毂外径确定单元203，用于根据所述轮毂比d确定轮毂外径d_h；

涡轮直径确定单元204，用于利用所述轮毂外径d_h确定涡轮直径；其中，所述涡轮直径包括：截面Ⅰ的直径D_Ⅰ、截面Ⅱ的直径D_Ⅱ、截面III的直径D_Ⅲ、截面Ⅳ的直径D_Ⅳ、截面Ⅴ的直径D_Ⅴ；

轴面速度确定单元205，用于利用涡轮的直径确定涡轮各截面对应的轴面速度v_m′，并对涡轮各截面对应的轴面速度v_m′进行校正；

圆周分量确定单元206，用于根据所述圆周速度u确定涡轮截面的绝对速度的圆周分量v_u2；

初始安放角确定单元207，用于根据所述圆周分量v_u2、圆周速度u、和校正后的涡轮各截面对应的轴面速度确定涡轮截面的初始安放角β_∞；

叶栅间距确定单元208，用于根据涡轮的直径和叶片数Z确定涡轮各截面对应的叶栅间距t；

叶栅稠密度确定单元209，用于根据所述叶片数Z选定涡轮截面的叶栅稠密度；

叶片弦长确定单元210，用于根据涡轮各截面对应的叶栅间距t以及涡轮截面的叶栅稠密度确定涡轮各截面对应的叶片弦长l；

升力系数确定单元211，用于根据校正后的涡轮各截面对应的轴面速度、圆周速度u、涡轮截面的绝对速度的圆周分量v_u2、涡轮截面的安放角β_∞以及选定的气蚀系数λ确定栅中翼型的升力系数C_y，并对升力系数C_y进行修正；

涡轮截面厚度确定单元212，用于涡轮根据所述涡轮翼型以及涡轮各截面对应的叶片弦长确定涡轮各截面对应的厚度h；

冲角确定单元213，用于利用涡轮翼型的厚度h、叶片弦长l和修正后的升力系数C_y获得冲角△α；

最终安放角确定单元214，用于根据冲角△α和涡轮截面的初始安放角β_∞获得涡轮截面的最终安放角β；

绘图单元215，用于根据涡轮各截面对应的叶片最大厚度、涡轮翼型的厚度h、叶片弦长l、冲角△α、最终安放角β获得涡轮各截面表面处的立体坐标，利用涡轮各截面表面处的立体坐标绘制涡轮的三维图形。

实施例

1、根据仪器结构设计给出涡轮喷射清水的扬程H，当达到防污效果时所需的流体流量Q，根据电气设计给出电机在工况下输出的电机转数n，仪器结构设计允许涡轮的最大外径D；

2、计算比转数n_s；

$n_s=\frac{3.65n\sqrt{Q}}{H^{3/4}}$

3、选择轮毂比d；

根据比转数n_s与轮毂比的关系曲线确定d；如图3所示，为轮毂比和比转数的关系曲线图。

4、计算轮毂外径d_h；

d_h＝Dd

5、根据比转数n_s来选定叶片数；

一般Z＝3～6，比转数高，叶片负荷轻，叶片数可少一些。比转数n_s＝500～600，叶片数取6～5；比转数n_s＝700～900，叶片数取4个，比转数n_s＝1000～1400，叶片数取3个；

6、估算容积效率、机械效率和水力效率；

一般取如下参考值；容积效率：η_v＝0.98；机械效率：η_m＝0.95；水力效率：η_h＝0.81。

7、确定涡轮截面，并计算出涡轮各截面的直径D_x；

涡轮截面Ⅰ：D_Ⅰ＝(d_h/2+0.02×D)×2

涡轮截面Ⅴ：D_Ⅴ＝(D/2-0.02×D)×2

涡轮截面Ⅲ：D_Ⅲ＝(D_Ⅰ+D_Ⅴ)/2

涡轮截面Ⅱ：D_Ⅱ＝(D_Ⅰ+D_Ⅲ)/2

涡轮截面Ⅳ：D_Ⅳ＝(D_Ⅲ+D_Ⅴ)/2

8、计算截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ的圆周速度u；

$u=\frac{{\mathrm{\πD}}_{x}n}{60}$

9、计算截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ的轴面速度v_m′；

$v_m^{\′}=\frac{Q}{\frac{\mathrm{\π}}{4}(D_x^2-d_h^2){\mathrm{\η}}_{min}}$

计算轴面速度时需考虑容积效率η_v、机械效率η_m、水力效率η_h，取三者中的最小值η_min参与计算，由于本次设计涡轮的直径较小，可以不考虑容积效率、机械效率、水力效率，计算如下式进行；

$v_m^{\′}=\frac{Q}{\frac{\mathrm{\π}}{4}(D_x^2-d_h^2)}$

10、选定截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ对应地叶片排挤系数ψ；

11、校正截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ对应地轴面速度v_m；

v_m＝v′_m/ψ

12、计算截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ的绝对速度的圆周分量v_u2；

$v_{u2}=\frac{gH}{u}$

其中，g为重力加速度，取9.8，H表示扬程；

13、计算截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ的安放角β_∞；

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{\∞}}=arctg\frac{v_m}{u-\frac{v_{u2}}{2}}$

14、选定截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ的气蚀系数λ；

取λ＝1

15、计算截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ的叶栅间距t；

$t=\frac{{\mathrm{\πD}}_x}{Z}$

16、根据叶片数选择截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ的叶栅稠密度l/t；

$Z=3,\frac{l}{t}=0.65~0.75;$

$Z=4,\frac{l}{t}=0.75~0.85;$

$Z=5,\frac{l}{t}=0.80~\mathrm{0.90.}$

17、计算截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ的叶片弦长；

l＝l/t×t

18、计算栅中翼型的升力系数C_y并进行修正，获得修改后的升力系数C_y1；

${\mathrm{\ω}}^2=v_m^2+{(u-v_{u2}/2)}^2$

$C_y\frac{l}{t}=\frac{2gH}{{\mathrm{\ω}}^2}\frac{v_m}{u}\frac{cos\mathrm{\λ}}{sin({\mathrm{\β}}_{\mathrm{\∞}}+\mathrm{\λ})}$

C_y1＝C_y/L

其中，L表示修正系数；

19、选择截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ的叶片最大厚度δ_max；

20、从哥丁根(Gottingen)翼型、ВИГМ翼型、NACA(4406-4415)翼型、RAF-6翼型、791翼型、圆弧翼型中选择翼型；对于本实施例来说，翼型为NACA翼型。

21、根据所述涡轮翼型以及涡轮各截面对应的叶片弦长确定涡轮各截面对应的厚度h；

22、由涡轮各截面对应的厚度h、叶片弦长l和校正后的升力系数C_y1计算冲角△α；

$C_{y1}=0.1\mathrm{\Δ}\mathrm{\α}+10\frac{h}{l}$

23、计算各截面最终的安放角β；

β＝β_∞+Δα

下表2为本实施例利用上述步骤获得的后置涡轮参数结果表。

根据涡轮各截面对应的叶片最大厚度、涡轮翼型的厚度h、叶片弦长l、冲角△α、最终安放角β获得涡轮各截面表面处的立体坐标，利用涡轮各截面表面处的立体坐标绘制涡轮的三维图形。

对于本实施例来说，翼型为NACA翼型。如图4所示，为本实施的NACA翼型的尺寸示意图。在图4中，lx表示NACA翼型不同位置x轴方向的坐标值；lx/l为NACA翼型不同位置坐标与弦长的比值；a、b为对应lx处翼型上轮廓线到弦长的距离和对应lx处翼型下轮廓线到弦长的距离。

根据计算得到的各截面的弦长l和附表1中的lx/l计算得到截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ翼型轮廓线的lx坐标，根据计算得到的各截面的最大厚度δ_max和附表1中的a、b和最大厚度计算得到对应lx的翼型轮廓线实际的a和b。

对应于lx坐标的实际a值＝(各截面的最大厚度δ_max×附表1中的a)/附表1中的最大厚度。

对应于lx坐标的实际b值＝(各截面的最大厚度δ_max×附表1中的b)/附表1中的最大厚度。

这样就得到实际的(lx，a)、(lx，b)的截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ翼型上轮廓线和下轮廓线的平面坐标，在绘图软件中根据得到实际的(lx，a)、(lx，b)绘制截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ的翼型的轮廓线。

连接轮廓线的两个端点，形成一条直线该直线即为此界面的弦长线。

根据计算得到的实际的a、b值计算轮廓线的实际的最大厚度|a|+|b|，找到最大厚度所对应的lx坐标，在最大厚度处绘制一条与弦长线相垂直的直线，此直线为最大厚度线，上下轮廓线形成两个交点。

以(lx，(|a|+|b|)/2)为坐标绘制翼型中心线，翼型中心线与最大厚度线的交点为旋转中心，绘制后的轮廓线及辅助线如图5所示。

以旋转中心为原点，将绘制得到的截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ轮廓线及辅助线旋转至附表2中安放角β。旋转后的轮廓线如图6所示。

以最大厚度线为起点(或叫做角坐标0点)，以截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ的Dx为同心圆对整个涡轮进行网格划分，划分网格的涡轮如图7所示。将划分完网格的截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ展开，网格线投影到轮廓线上形成空间坐标z方向上的网格线，如图8所示。

设定直于截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ的网格线之间的夹角以最大厚度处为坐标起点，设定由截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ的投影圆的截面直径和网格线在起点处的夹角θ。

根据下式计算出空间中各截面翼型的空间x坐标、y坐标：

x＝cosθ×Dx/2

y＝sinθ×Dx/2

在绘图软件中用尺寸标注量出夹角θ对应弧长处网格线与翼型轮廓线的上下两个交点z₁和z₂与选定z方向的基准面之间的距离，将空间x坐标、y坐标、z₁、z₂坐标组成三维坐标(x，y，z₁)，(x，y，z₂)，在三维绘图软件中绘制出各截面的轮廓线，将轮廓线用曲面连接即形成涡轮的叶片，如图9所示。

通过该方法设计出的涡轮可以实现后置涡轮井下摄像仪功能的要求，使摄像头镜头免沾污。

表1

表2

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种井下摄像仪的后置涡轮设计方法，其特征在于，包括：

确定比转数n_s、圆周速度u、涡轮各截面对应的叶片最大厚度以及涡轮翼型；

根据所述比转数n_s确定轮毂比d以及叶片数Z；

根据所述轮毂比d确定轮毂外径d_h；

利用所述轮毂外径d_h确定涡轮的直径；其中，涡轮的直径包括：截面Ⅰ的直径D_Ⅰ、截面Ⅱ的直径D_Ⅱ、截面III的直径D_Ⅲ、截面Ⅳ的直径D_Ⅳ、截面Ⅴ的直径D_Ⅴ；

利用所述涡轮的直径确定涡轮各截面对应的轴面速度v_m′；

对涡轮各截面对应的轴面速度v_m′进行校正；

根据所述圆周速度u确定涡轮截面的绝对速度的圆周分量v_u2；

根据所述圆周分量v_u2、圆周速度u、和校正后的涡轮各截面对应的轴面速度确定涡轮截面的安放角β_∞；

根据涡轮的直径和叶片数Z确定涡轮各截面对应的叶栅间距t；

根据所述叶片数Z选定涡轮截面的叶栅稠密度；

根据涡轮各截面对应的叶栅间距t以及涡轮截面的叶栅稠密度确定涡轮各截面对应的叶片弦长l；

根据校正后的涡轮各截面对应的轴面速度、圆周速度u、涡轮截面的绝对速度的圆周分量v_u2、涡轮截面的初始安放角β_∞以及选定的气蚀系数λ确定栅中翼型的升力系数C_y，并对升力系数C_y进行修正；

根据所述涡轮翼型以及涡轮各截面对应的叶片弦长确定涡轮各截面对应的厚度h；

利用涡轮翼型的厚度h、叶片弦长l和修正后的升力系数C_y获得冲角△α；

根据冲角△α和涡轮截面的初始安放角β_∞获得涡轮截面的最终安放角β；

根据涡轮各截面对应的叶片最大厚度、涡轮翼型的厚度h、叶片弦长l、冲角△α、最终安放角β获得涡轮各截面表面处的立体坐标，利用涡轮各截面表面处的立体坐标绘制涡轮的三维图形。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定比转数n_s的步骤包括：

根据仪器结构设计给出涡轮喷射清水的扬程H，当达到防污效果时所需的流体流量Q，根据电气设计给出电机在工况下输出的电机转数n，根据仪器结构设计允许涡轮的最大外径D；

利用扬程H、流体流量Q、电机转数n确定比转数n_s。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述轮毂比d确定轮毂外径d_h的步骤具体包括：

利用所述轮毂比d和最大外径D获得轮毂外径d_h。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述圆周速度u的确定方法包括：

利用涡轮的最大外径D和电机转数n确定圆周速度u。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对涡轮各截面对应的轴面速度v_m′进行校正的步骤包括：

确定涡轮各截面的叶片排挤系数ψ；

利用叶片排挤系数ψ对涡轮各截面对应的轴面速度v_m′进行校正。

6.一种井下摄像仪的后置涡轮设计系统，其特征在于，包括：

初始化单元，用于确定比转数n_s、圆周速度u、涡轮各截面对应的叶片最大厚度以及涡轮翼型；

轮毂比和叶片数确定单元，用于根据所述比转数n_s确定轮毂比d以及叶片数Z；

轮毂外径确定单元，用于根据所述轮毂比d确定轮毂外径d_h；

涡轮直径确定单元，用于利用所述轮毂外径d_h确定涡轮直径；其中，所述涡轮直径包括：截面Ⅰ的直径D_Ⅰ、截面Ⅱ的直径D_Ⅱ、截面III的直径D_Ⅲ、截面Ⅳ的直径D_Ⅳ、截面Ⅴ的直径D_Ⅴ；

轴面速度确定单元，用于利用所述涡轮的直径确定涡轮各截面对应的轴面速度v_m′，并对涡轮各截面对应的轴面速度v_m′进行校正；

圆周分量确定单元，用于根据所述圆周速度u确定涡轮截面的绝对速度的圆周分量v_u2；

初始安放角确定单元，用于根据所述圆周分量v_u2、圆周速度u、和校正后的涡轮各截面对应的轴面速度确定涡轮截面的初始安放角β_∞；

叶栅间距确定单元，用于根据涡轮的直径和叶片数Z确定涡轮各截面对应的叶栅间距t；

叶栅稠密度确定单元，用于根据所述叶片数Z选定涡轮截面的叶栅稠密度；

叶片弦长确定单元，用于根据涡轮各截面对应的叶栅间距t以及涡轮截面的叶栅稠密度确定涡轮各截面对应的叶片弦长l；

升力系数确定单元，用于根据校正后的涡轮各截面对应的轴面速度、圆周速度u、涡轮截面的绝对速度的圆周分量v_u2、涡轮截面的安放角β_∞以及选定的气蚀系数λ确定栅中翼型的升力系数C_y，并对升力系数C_y进行修正；

涡轮截面厚度确定单元，用于涡轮根据所述涡轮翼型以及涡轮各截面对应的叶片弦长确定涡轮各截面对应的厚度h；

冲角确定单元，用于利用涡轮翼型的厚度h、叶片弦长l和修正后的升力系数C_y获得冲角△α；

最终安放角确定单元，用于根据冲角△α和涡轮截面的初始安放角β_∞获得涡轮截面的最终安放角β；

绘图单元，用于根据涡轮各截面对应的叶片最大厚度、涡轮翼型的厚度h、叶片弦长l、冲角△α、最终安放角β获得涡轮各截面表面处的立体坐标，利用涡轮各截面表面处的立体坐标绘制涡轮的三维图形。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述初始化单元包括：

参数确定模块，用于根据仪器结构设计给出涡轮喷射清水的扬程H，当达到防污效果时所需的流体流量Q，根据电气设计给出电机在工况下输出的电机转数n，根据仪器结构设计允许涡轮的最大外径D；

比转数确定模块，用于利用扬程H、流体流量Q、电机转数n确定比转数n_s。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述轮毂外径确定单元进一步用于利用所述轮毂比d和最大外径D获得轮毂外径d_h。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述初始化单元还包括：圆周速度获得模块；

圆周速度获得模块，用于利用涡轮的最大外径D和电机转数n确定圆周速度u。

10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述轴面速度确定单元包括：

叶片排挤系数确定模块，用于确定涡轮各截面的叶片排挤系数ψ；

校正模块，用于利用叶片排挤系数ψ对涡轮各截面对应的轴面速度v_m′进行校正。