CN112182791A - 一种涡轮发电机流道结构优化的分析方法 - Google Patents
一种涡轮发电机流道结构优化的分析方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112182791A CN112182791A CN202010840758.1A CN202010840758A CN112182791A CN 112182791 A CN112182791 A CN 112182791A CN 202010840758 A CN202010840758 A CN 202010840758A CN 112182791 A CN112182791 A CN 112182791A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- turbine
- guide wheel
- model
- blade
- cloud picture
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000005457 optimization Methods 0.000 title claims description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 4
- 238000007689 inspection Methods 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 4
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 abstract description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/10—Numerical modelling
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/08—Fluids
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
Abstract
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。
Description
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。
Claims (3)
1.一种涡轮发电机流道结构优化的分析方法，其特征是：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。
2.如权利要求1所述的涡轮发电机流道结构优化的分析方法，其特征是：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。
3.如权利要求2所述的涡轮发电机流道结构优化的分析方法，其特征是：在CFD中，具体的边界条件设置如下：Z轴为旋转轴，X轴为旋转方向。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010840758.1A CN112182791A (zh) | 2020-08-20 | 2020-08-20 | 一种涡轮发电机流道结构优化的分析方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010840758.1A CN112182791A (zh) | 2020-08-20 | 2020-08-20 | 一种涡轮发电机流道结构优化的分析方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112182791A true CN112182791A (zh) | 2021-01-05 |
Family
ID=73923914
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010840758.1A Pending CN112182791A (zh) | 2020-08-20 | 2020-08-20 | 一种涡轮发电机流道结构优化的分析方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112182791A (zh) |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102819651A (zh) * | 2012-08-20 | 2012-12-12 | 西北工业大学 | 基于仿真的单晶涡轮叶片精铸工艺参数优化方法 |
| CN203161424U (zh) * | 2013-03-08 | 2013-08-28 | 朱小明 | 一种钻井用泥浆涡轮发电机构 |
| US20140112760A1 (en) * | 2012-10-23 | 2014-04-24 | United Technologies Corporation | Reduction of equally spaced turbine nozzle vane excitation |
| CN104166752A (zh) * | 2014-07-04 | 2014-11-26 | 贵州大学 | 液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法 |
| CN105042010A (zh) * | 2015-07-07 | 2015-11-11 | 同济大学 | 一种基于载荷特性的土方车辆液力变矩器选配方法 |
| CN108167229A (zh) * | 2018-02-28 | 2018-06-15 | 华南理工大学 | 一种叶片前缘凸起的冷却风扇及其气动噪声计算方法 |
| CN109543219A (zh) * | 2018-10-17 | 2019-03-29 | 杭州科技职业技术学院 | 一种液力变距器内流场的模型分析方法及系统 |
| CN110222467A (zh) * | 2019-06-20 | 2019-09-10 | 北京理工大学 | 一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法 |
| CN110378016A (zh) * | 2019-07-17 | 2019-10-25 | 哈尔滨工业大学 | 一种针对泵轮可调式液力变矩器的多目标优化设计方法 |
| CN110826159A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-02-21 | 大连理工大学 | 一种基于Fluent的多路阀仿真分析和结构优化方法 |
| CN111159941A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-05-15 | 同济大学 | 一种用于汽车液力变矩器内流场瞬态数值模拟的方法 |
| CN111209637A (zh) * | 2020-01-14 | 2020-05-29 | 江苏大学 | 一种离心泵叶轮在偏心涡动下流体激振力的计算方法 |
-
2020
- 2020-08-20 CN CN202010840758.1A patent/CN112182791A/zh active Pending
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102819651A (zh) * | 2012-08-20 | 2012-12-12 | 西北工业大学 | 基于仿真的单晶涡轮叶片精铸工艺参数优化方法 |
| US20140112760A1 (en) * | 2012-10-23 | 2014-04-24 | United Technologies Corporation | Reduction of equally spaced turbine nozzle vane excitation |
| CN203161424U (zh) * | 2013-03-08 | 2013-08-28 | 朱小明 | 一种钻井用泥浆涡轮发电机构 |
| CN104166752A (zh) * | 2014-07-04 | 2014-11-26 | 贵州大学 | 液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法 |
| CN105042010A (zh) * | 2015-07-07 | 2015-11-11 | 同济大学 | 一种基于载荷特性的土方车辆液力变矩器选配方法 |
| CN108167229A (zh) * | 2018-02-28 | 2018-06-15 | 华南理工大学 | 一种叶片前缘凸起的冷却风扇及其气动噪声计算方法 |
| CN109543219A (zh) * | 2018-10-17 | 2019-03-29 | 杭州科技职业技术学院 | 一种液力变距器内流场的模型分析方法及系统 |
| CN110222467A (zh) * | 2019-06-20 | 2019-09-10 | 北京理工大学 | 一种水下发动机喷管摆动高速射流特性的分析方法 |
| CN110378016A (zh) * | 2019-07-17 | 2019-10-25 | 哈尔滨工业大学 | 一种针对泵轮可调式液力变矩器的多目标优化设计方法 |
| CN110826159A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-02-21 | 大连理工大学 | 一种基于Fluent的多路阀仿真分析和结构优化方法 |
| CN111159941A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-05-15 | 同济大学 | 一种用于汽车液力变矩器内流场瞬态数值模拟的方法 |
| CN111209637A (zh) * | 2020-01-14 | 2020-05-29 | 江苏大学 | 一种离心泵叶轮在偏心涡动下流体激振力的计算方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104166752B (zh) | 液力变矩器全流道瞬态数值模拟计算方法 | |
| CN103939389A (zh) | 一种导叶式离心泵多工况水力设计方法 | |
| Zhang et al. | Multiobjective optimization design and experimental investigation on the axial flow pump with orthogonal test approach | |
| CN107076162B (zh) | 反转式水泵水轮机、包括其的自发电系统及反转式水泵水轮机的优化设计方法 | |
| CN107529643B (zh) | 一种兼顾水力、强度性能的混流式转轮多工况优化方法 | |
| Derakhshan et al. | Optimization of GAMM Francis turbine runner | |
| CN109598081A (zh) | 基于数据降维及多二维流面的径流式透平气动优化方法 | |
| CN110617238B (zh) | 一种离心泵叶轮的优化设计方法 | |
| CN109578085B (zh) | 一种通过导叶倾斜减弱涡轮动叶非定常作用力的方法 | |
| Li et al. | Optimum design on impeller blade of mixed-flow pump based on CFD | |
| Anciger et al. | Prediction of rotating stall and cavitation inception in pump turbines | |
| CN110378016A (zh) | 一种针对泵轮可调式液力变矩器的多目标优化设计方法 | |
| KR20170050196A (ko) | 고효율 엇회전 펌프 수차, 이의 최적화 설계방법 및 이를 포함하는 자가 발전 시스템 | |
| Zhu et al. | Pump selection and performance prediction for the technical innovation of an axial-flow pump station | |
| CN106529072A (zh) | 基于多学科优化的高温高压离心泵叶轮综合设计方法 | |
| Wang et al. | Energy efficiency optimization of water pump based on heuristic algorithm and computational fluid dynamics | |
| Kim et al. | Design optimization of mixed-flow pump in a fixed meridional shape | |
| CN110245408B (zh) | 一种汽轮机单圆弧压力面叶型设计方法 | |
| Wang et al. | Optimization of the cross section area on the meridian surface of the 1400-MW canned nuclear coolant pump based on a new medial axial transform design method | |
| CN112182791A (zh) | 一种涡轮发电机流道结构优化的分析方法 | |
| Gohil et al. | CFD: Numerical analysis and performance prediction in Francis turbine | |
| CN104675713B (zh) | 一种基于数据样本的离心泵无过载设计方法 | |
| CN114611214B (zh) | 基于螺旋桨高效建模的敞水性能仿真方法 | |
| Miao et al. | A study on the unsteady flow characteristics and energy conversion in the volute of a pump-as-turbine device | |
| CN112761969A (zh) | 一种离心泵结构参数的优化方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |