一种基于MATLAB及Pro_E的涡轮建模方法_图文

1、自动化与控制 与二一种基于MATLAB及Pro/E的涡轮建模方法王智明(中海油服油田技术事业部北京101149摘 要:介绍了在1wD、MWD中井下涡轮发电机的作用及工作原理。研究了涡轮发电机液力元件涡轮的 参数化建模方法。实现了基于MATLAB和Pro/E的快速建模。关键词:参数化建模工程软件前言随钻测井(LwD及随钻测量(MwD对于指导钻井、 提高采油率具有重要作用,能够实时指导钻进T作。井下 测量装置的供电电源之一是涡轮发电机,具有供电持续 性,能够适应井下高温高压环境及钻井液腐蚀。发电机为系统提供电力,是井下供电技术中的关键。 发电机短节如图l所示。1.钻铤:2.涡轮转子组件;3.轴承;

2、4.涡轮磁轴;5.导流叶轮;6.齿轮变速器: 7线圈磁轴;8.定子线圈;9.保护外套;10.轴承;11.整流稳胜电源模块图1涡轮发电机短节示意图短节中包括压力补偿器、发电机、增速箱、导轮及涡 轮。由钻柱来的高速泥浆流经导轮调整流动方向后,驱 动涡轮,将流体能量转化为机械能,涡轮组件旋转带动心 轴转动,经增速箱增速后,带动发电机转子.产生交流电。 Pm厄是主流的cAD,CAE,CAM三维建模工具软件,效 率高且建模精确,但在曲面建模方面,不能直接根据用户 编辑的数学方程完成相应的曲线曲面建模,此外该系统 自身的Pro硝瑚模块提供的函数有限,难以直接生成较为 复杂的曲线曲面【2l。因此,对于生成有

3、严格数学方程描述 的复杂曲线曲面,需要结合其它方法。MATLAB软件科学计算功能强大,如果借助MATLAB 对需要的曲线曲面进行数学编程处理,将所得数据送给 Pr(肥,可极大提高陬厄的曲面设计能力。涡轮叶片是涡轮建模的重点及难点。采用先确定叶片 的中弧线方程曲线方法,依据此曲线建立叶片截面轮廓 曲线并生成实体,再通过Pm厄特有的环形折弯命令折成 圆柱实体,然后完善涡轮主体结构建模,并将叶片根缘作 出过渡圆角,最后进行流场分析检验,确定合理的涡轮结 构。涡轮叶片模型的主要几何参数见表1。圆弧段相当于直叶片形式的叶片螺旋角,n一般赋值 1.0-1.1,主要是为了调整叶片的重合程度,提高发电效 率,

4、其中决定涡轮功率的相关参数有进口角,出口角,叶 片前缘半径,叶片后缘半径,将其作为待优化参数:袭1叶片模型几何参数l参数 叶片前 叶片后 叶片 出口角溉 l 缘半径 缘半径 弦长叶片数 进口角I符号 rl r2b Z a B n I1确定叶片中弧线数学表达式叶片主要承受来自钻柱内的高速钻井液冲击而作旋 转运动,为了配合钻井液的流入与流出,减小涡损及涡 旋。需要在叶片上设计一定的进口角和出口角,对于中间 弧段,主要是为了最大吸收钻井液的动能。由此确定骨 架一叶片中弧线组成:进口直线段+中间圆弧段十出口 直线段。如图2。.图2中弧线轨迹方程0A段直线:y【0,5,xl=培仪+ylAB段圆弧:y【5

5、,5一R￥sina+Rcosp,A(5tga,5,B(x=5tga+RcosaRsinB,y=5一Rsina+Rcos8 圆心P(x=5噜a+Rcosn,y=5一Rsina(半径R=45￥n,n 为调整系数,xl=xp一【R2一(y一rp2】叼.5Bc段直线:y【5一R+siIld+R啷p,45】,x=【y一5一Rsin d+Rcos p+tg(5tg a+Rcos qRsin p】,tg B 2在MATLAB中编写M文件在MATLAB中编写基本程序,将每段函数的数据点表 示出来,以较为复杂的第二段为例,程序如下:§§!堕!兰! !竺,苎!塑里苎!,塑v一2-5一R+啪f

6、JUd+n+P*fqr¨:“y一2是v2取下限值 吐=5:0OI:y_2r=yjl5+l肌1.s(I,t-J%产生b y2产度相同的向量.萁巾的每 一个至都是Ix0=5+I邮(Jkjd+R+邶(jkjd:yD=5一R枷(】州】.%酬心8=站一巾;ypJng坼(y2一y0.A J+f y2一妒+A】.x2=柚+一(H+一(妒一y0+(蛆一¨】5: B_2=5(m“=:y2=(一1吐;ph(垃.,2hohI蛳2l编写M脚本文件在原有的M文件中备骚甬敷的nh(mv-上面分别 加入以下程序,这佯敞主赞是为r将每段面教所取得的 敷据点表示虚数组矩眸的形式B2=【50l B-2x2.y

7、2J。.B3=IH_2孙一3:妇:v3h在山I(x3,y3下面加以下内容-I】lI】;A=I;Bl:【O O 0】:B2,【O 0O】.B3】:mI;其中【o o oI主蜚是为了后续应用数据时恢建准确寻 找第二,=嚣甬数数值舯起始数据点“示标志.22运行程序并修改hl数据文件“d=20。.B:35。.n=I为倒,在MTLB中运行该 程序,得到相应的数据点如图3所示。同时生成As川格 式的h1数据文持P帆暂小能识Z此种格式需要进 一步傲一些妊珲.目3口;20。.日=35。.n=1中4#镕_【IJ写字掘打开煳-hI数据文档.将第一析数据 ll 000000舢l 00*+O(l l帆“州h*o J厦

8、下面 的两行1000州m.。00O000000舢000000e+(x01般据分别按成以F各内容:OnmIr吲hB目n S,n。】 B喈n*“2B巾“叠cIlon3 B。口“cI椰B暗n“we【与卧onf um。1至此.政数据af“完全碱n娟识别井缕取.将此处 理史什保存。3基千Prn正的建模运行P州建缸一矩形薄板作为涡轮主体圆柱.板的 K度为卿柱周K.觉度为闭柱商座厚腰取5“5个 叶片为倒.确定问距,怔选一十叶片厦点位跫建立叶片中 弧线顶点坐标。单击<插人k模型基准>k曲线k自 文件,选样最后保存的tn洲数据文件.最绕开始馥人 数据,生成日标曲线.见幽4。根据受力情况.将叶片进u段

9、至叶片总长i分之一娃 逐步过渡加厚而出口段逐渐减薄的形式.采用等分法确 定各轮廓摹删,利相切约束绘制轮廓曲线.结果如下罔5和6。区8誉揣嚣等”裂鬻嚣4”4 4÷m蝗m镕 *#"*轮廓单击(插k高缀k环形折弯>l”.选取3柏。 单侧折成提轮宴体._睦后所撙摸蛔如下留7。口7*转3D撼 目8、9a;打.B=60.啦!自11 H的中§#甜镕栗J1I MTLAB与Pn拒结合对涡轮叶片建横.所得模 刑精确.而且模型盖鼬参数蠲世方便。当前受改壁某一参 数时.H须在MATLB巾州整初始罄数值.则巾弧线数据 发生变化,将过纽数据馥P矾中,堕新生墟¨怀曲线. 按照上

10、主的建横程序将租快得到新的模型。4结语涡轮发电机主要利用涡轮的转动将高速钻井液的机 槭能转换为电能供系统使川摹于积软,I:的涡轮硅模 是现代制造技术必不可少的班骤.使两种工程软件组 合建模,足一种快迎高敛的地模方法 基(T转第j9A圈12改进后双锥粉料罐 单元应变图 图13改进后出料斗处的 单元应力图农1锥粉料罐系统优化结果对照袭改造前 安全系数 改造后 安全系数 筒壁应力 178MPa 1.32165MPh 1.42整个系统位移15.6 llm出料斗应力 1020MPa 已破坏 97.5MPa 2.41支腿轴向应力 112MPa 2.09120MPa 1.96支腿与筒壁连接处 100MPa

11、1.1898MPa 1.2 5总结通过采用Ansys软件对双锥粉料罐进行强度计算.对 不同部位不同材料采用了不通的单元,根据载荷的实际 情况采用了合理彳1.效的载荷施加方式,同R寸考虑了风载 荷的作用,比较真实的模拟了粉料罐的实际丁况,为设计 者和原单位提供了比较可靠精确的分析结果。改进了原 设计中不安全及不合理的结构,改造后的设备已在施一亡. 现场投入使用,事实证明改造后的舣锥粉料罐能够安全 的工作,证明此改造简单、方便、有效。同时为类似的大型 存储粉料装置的计算分析了积累'广经验,提供了参考。参考文献【l J龙东平,谭建平,周亮,大型粉料储罐系统有限元分析.建筑 机械,2(x5(1

12、0:7779.【4】雷震。郑山锁,大型贮煤仓筒力学性能分析.山西建筑,2004 (4:2526.【5】saeed Mveni著.欧阳字。王嵩等译.有限元分析ANsYs 理论与应用。电子工业出版社,2003:246278.Fillite Element and Stmctm屯Optimization Based on ANSYS for C哪em StorageZHU Hon面i(Hun们College 0f Inf0肌ati彻,W蚰gcheng 410200,Ch;naAb吼膪ct:Acm兀1ing to tIIe cement 冉tomge sl九llu陀 肌d materiaJs,usin

13、g relevant ekment,fbunded a ma舯nahle疗ni忙element m(del,州1usAnsys softwa陀to柚aIy册山e stress 0f山e cement sto憎ge. It impmved lhe un明fe舳d unr朗sona.1e stru(叶u陀 of tIIeoriginal d鹤i印s, 蛐dprovided importarIt reI备陀nce f打 mech曲ical 删ysis 0f similar 18r带equipments.KeywOrds:c绷ent slfmge,finile elemet8蚰alysis.model

14、ing, shlJctuIe oDtimization+-卜-卜-+-+-+-+-+-+-+-+-+-卜-+-+-+-+-+-+-+-+一-卜+-+-+-+-+-+-+-+-+-+一+-+卜-+-卜-+-+(上接第56页于MArIILAB与P矶结合生成有严格数学方程描述的涡轮叶片轮廓曲线,提高了r模型的准确性。 参考文献【2】周一届.MatIab在Pr扼中的应用f J】.江南大学机械工程学 院,2004,03.A Method伽TurbiIIe M0deUng Based蚰MATLAB and PI,EWANC Zhiming(WeJJl”h 0f f:hiojmeld SewjLjmjled,Bejjjng J01149 Abstmct:Tu rbIne genemtor is one of key working pans of I.wD 锄d MWD. B“tl the rol鹤蛐d working principl嗍of turbine 铲ne糟tor a他 introtIured. eteri卫ed modeling melhf讨ah伽t 山e hyd脚Jli(-elemenl 0f turbine鲫emlor is sludi州.MATLAB co哪bine| w汕P删,E is us