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多相流下剪切阀连续波发生器水力转矩参数化建模与分析

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科学技术与工程 2022年第36期22卷 16032-16039页

作者：周博涛苏义脑王家进中国石油勘探开发研究院北京100000 中国石油集团工程技术研究院有限公司北京100000

振荡剪切阀连续波发生器(shear valve continuous wave generators,SVCWGs)具有信号传输速率高、鲁棒性强的特点,具有广阔的应用前景,而对于作用于剪切阀转子的水力转矩规律不明确制约了其发展。目前关于多相流影响下作用于具有任意形... 详细信息

振荡剪切阀连续波发生器(shear valve continuous wave generators,SVCWGs)具有信号传输速率高、鲁棒性强的特点,具有广阔的应用前景,而对于作用于剪切阀转子的水力转矩规律不明确制约了其发展。目前关于多相流影响下作用于具有任意形状阀口的振荡剪切阀的水力转矩的研究尚不充分,对于水力转矩的变化规律尚不明确。为此,基于流体动量定理,采用有限元方法,建立了分流量负载转矩分析模型,并采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真加以验证,并分析了井深及钻井液性质对于水力转矩的影响。结果表明:作用于振荡剪切阀的水力转矩呈先增大后减小趋势,且方向始终为使通流面积最大的方向;水力转矩随井深的增加略有减小;水力转矩随固相含量和液相密度的增加而增大;钻井液气相含量对水力转矩的影响很小。研究成果可为剪切阀连续波发生器设计提供理论参考。

关键词：水力转矩多相流任意阀口剪切阀连续波发生器(SVCWGs)

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泥浆脉冲发生器转子水力转矩多相流数值模拟

现代机械 2015年第6期 35-41页

作者：魏亮王赤忠程烨郑炳焕浙江大学海洋学院浙江杭州310058 华中科技大学船舶与海洋工程学院湖北武汉430074 中船重工第715研究所浙江杭州310023

连续波脉冲发生器是现代油气钻井系统的核心部件之一,脉冲发生器主要部件是其中的定子和转子,定、转子的相对运动会导致钻井液的复杂变化。定转子附近机构复杂,钻井液流速快,有明显的湍流现象,而且实际钻井液主要是由水和细砂组成的多... 详细信息

连续波脉冲发生器是现代油气钻井系统的核心部件之一,脉冲发生器主要部件是其中的定子和转子,定、转子的相对运动会导致钻井液的复杂变化。定转子附近机构复杂,钻井液流速快,有明显的湍流现象,而且实际钻井液主要是由水和细砂组成的多相流混合物。着重考虑多相流对转子水动力特性的影响,使用CFD数值仿真方法比较不同情况下,考虑多相流因素和纯水时的转子水动力特性。研究表明:转子水动力转矩基本不受多相流因素的影响,与来流速度、定转子间隙、相对旋转角度关系密切。研究还发现,流道内固相物质在定转子衔接处有积聚的特性。

关键词：多相流水力转矩泥浆脉冲发生器数值模拟

考虑水力和电磁激励的水电机组轴系统的扭转振动分析

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水力发电学报 2012年第3期31卷 240-245页

作者：宋志强马震岳西安理工大学水利水电学院西安710048 大连理工大学建设工程学部辽宁大连116023

推导了水轮发电机组的电磁力矩和电磁刚度的表达式,建立了考虑转子支臂刚度并在水力转矩和电磁力矩耦合作用下的轴系统机电耦联扭振模型。研究了轴系统扭振特性随转子转动惯量、支臂刚度、转轮水体附加质量的变化规律。分析了不同频率... 详细信息

推导了水轮发电机组的电磁力矩和电磁刚度的表达式,建立了考虑转子支臂刚度并在水力转矩和电磁力矩耦合作用下的轴系统机电耦联扭振模型。研究了轴系统扭振特性随转子转动惯量、支臂刚度、转轮水体附加质量的变化规律。分析了不同频率的水力激励对转子扭振响应的影响规律,得出了轴系最大扭矩内力、扭振角和电磁力矩的频响曲线。研究水力激励频率等于零频和一阶频率时的机电耦联共振特性,给出了激磁电流和内功率角对扭振的影响,揭示了机电耦联振动规律,为水电机组的设计与安全稳定运行提供理论依据。

关键词：水电机组扭转振动机电耦联水力转矩电磁转矩

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泥浆脉冲器脉冲发生机构流场研究

泥浆脉冲器脉冲发生机构流场研究

作者：肖俊远吉林大学

学位级别：硕士

本文是以开发的泥浆脉冲发生器为研究对象,以UG、CFD为软件平台,对泥浆脉冲器脉冲发生机构进行流场计算分析,并与试验进行对比分析验证,来指导泥浆脉冲器的结构设计,减少设计时间,提高效率。本文应用计算流体力学方法对泥浆脉冲器脉冲... 详细信息

本文是以开发的泥浆脉冲发生器为研究对象,以UG、CFD为软件平台,对泥浆脉冲器脉冲发生机构进行流场计算分析,并与试验进行对比分析验证,来指导泥浆脉冲器的结构设计,减少设计时间,提高效率。本文应用计算流体力学方法对泥浆脉冲器脉冲发生机构进行流场研究分析。论文的主要工作和研究内容如下： 1.分析泥浆脉冲发生器的工作机理、脉冲信号衰减的影响因素及提高脉冲强度的方法,其中转子所受的水力转矩是影响泥浆脉冲发生器工作性能的非常重要的因素;初步设计定转子的结构,利用UG建立三维模型;2.对泥浆脉冲发生器流道模型假设,利用UG建立泥浆脉冲发生机构流道三维模型,应用CFD软件进行流场计算;综合分析CFD软件提供的多种湍流模型、速度—压力耦合算法和离散式的特点,选择最适合本文研究内容的模型和算法;3.通过数值计算来分析泥浆脉冲发生器内部流场特性,分别从转子叶片形状、转子叶片厚度、转子叶片数、转子转速、定转子之间间隙、泥浆流量等这些因素泥浆脉冲发生机构进行流场分析计算,并对结果进行分析;4.实验对比,验证结果的可行性。本文详细地分析了泥浆脉冲发生机构的流场特性,对形成原因作了全面的分析,得到以下结论：转子开口形状对压力脉冲发生器的性能有较大的影响,扇形阀口和矩形阀口对流体的运动变化产生剧烈的影响,通过改变叶片两棱边,其实趋向于平滑变化,能有效地减轻转子的受力,综合分析三角形开口较好;在泥浆流量和定转子间隙一定的工况下,转子叶片厚度的改变,压力波形和脉冲强度基本上没有影响,但转子水力转矩变化比较明显,随着转子叶片的加厚逐渐增大的趋势。在同泥浆流量和定转子间隙的工况下,转子叶片个数的增加,使轴向间隙引起的流通面积增大,导致压力脉冲信号的强度减弱,对应的转子水力转矩也相应的减小。在叶片个数不同的情况下,为获得相同幅值的压力脉冲信号,将四叶片转阀的定转子间隙减小,所得转子转矩仍比三叶片的转矩要小。故增加转子叶片个数可以有效减小转子转矩,很好的改善了电机的控制性能。转子转速的变化对压力波形无明显的影响,只是转子转矩的相位随着转速的增大而滞后;流量一定,定转子结构一定,定转子间隙的改变对泥浆脉冲发生器转子的水力转矩和压力脉冲产生了非常大的影响,随着间隙的增大,所生的压力波幅值逐渐减小,转子所受水力转矩减小比较明显。通过以上分析结果得出了转子结构设计的一些基本原则：转子阀口的开口形状变化应趋向变化平滑,三角形阀口的压力波曲线较扇形及矩形阀口更光滑,更接近正弦波;在保证强度的前提下,尽量减小叶片的厚度;转子叶片个数影响压力波曲线的形状及幅值;合理选择定转子之间的间隙。在上述原则下,选择一较合适的定转子结构,来研究流量与间隙的关系,得出其对应的曲线。在间隙为0-2mm之间,虽然得到较高的压力幅值,但压力波形变化比较混乱,特别是随着流量的增加,波形变化更加混乱。在间隙为2-8mm,压力幅值变化比较大,当间隙大于10mm,压力幅值变化比较缓慢。通过研究分析找出了压力脉冲强度与流量和间隙的变化曲线对研究不同钻井深度时所需要的泥浆脉冲发生的设计具有一定的工程意义。

关键词：泥浆脉冲发生器水力转矩压力脉冲定转子间隙

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基于加载系统的连续波脉冲器控制与优化

基于加载系统的连续波脉冲器控制与优化

作者：赵子健中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

连续波泥浆脉冲器是随钻测量数据传输系统的重要手段,具有传输速率高、可靠性好和抗干扰能力强的特点,扭矩加载系统是在实验室条件下模拟井下水力转矩,辅助连续波脉冲器进行性能测试。基于加载系统的连续波脉冲器研究进一步解决加载系... 详细信息

连续波泥浆脉冲器是随钻测量数据传输系统的重要手段,具有传输速率高、可靠性好和抗干扰能力强的特点,扭矩加载系统是在实验室条件下模拟井下水力转矩,辅助连续波脉冲器进行性能测试。基于加载系统的连续波脉冲器研究进一步解决加载系统加载能力不足,脉冲器带载运行转速存在波动的问题,可为连续波脉冲器在井下稳定工作提供理论依据,提高数据传输的准确性,论文主要工作如下:介绍了连续波脉冲器和扭矩加载系统的国内外研究现状,说明了连续波脉冲器的工作原理及扭矩加载系统的实现方式与基本原理。针对扭矩加载系统加载能力有限的问题,建立直流力矩电机的数学模型,分别利用Maxwell和Simulink对电机性能、扰动通道和前向通道进行仿真,分析了影响扭矩加载系统加载能力的因素;确定了扭矩加载系统的三环控制结构,并对控制器进行参数整定,使扭矩加载系统的力矩输出误差减小至4%以内。针对连续波脉冲器带载运行的转速波动问题,首先根据连续波脉冲器剪切阀受力情况建立水力转矩与转阀转子角位置的数学关系,实现加载系统对连续波脉冲器的准确力矩加载;其次在Simulink中建立基于加载系统连续波脉冲器的模型,研究连续波脉冲器的转速环分别采用传统PID控制算法、改进型PID控制算法及线性自抗扰控制算法对转速的控制效果;最后对转速环的控制算法进行优化,通过引入负载观测器提高了连续波脉冲器的鲁棒性,确定了基于负载观测一阶线性自抗扰控制算法具有较好的抗负载扰动性能,加载5N·m力矩时连续波脉冲器转速的稳态误差小于0.4rps,基本满足连续波脉冲器室内测试的要求。针对基于加载系统连续波脉冲器的测试问题,使用NI公司的Lab Windows编写用于连续波脉冲器与扭矩加载系统通信的上位机软件,实现了对连续脉冲器准确的力矩加载。自行搭建基于加载系统连续波脉冲器的实验平台,一方面测试了扭矩加载系统当前的最大加载能力,另一方面基于加载系统对连续波脉冲器的转速环采用传统PID控制算法和线性自抗扰控制算法进行测试,验证了一阶线性自抗扰控制算法具有较好的抗负载扰动性,为连续波泥浆脉冲器的稳定工作奠定基础。

关键词：连续波脉冲器扭矩加载系统水力转矩自抗扰控制算法负载观测器

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可控速清管器调速装置的设计与研究

可控速清管器调速装置的设计与研究

作者：赵上马西华大学

学位级别：硕士

管道运输是国家能源发展的“生命线”,在国民经济和社会发展中起到重要作用。随着使用时间的增长,管道的事故风险变得突出,泄漏、爆炸事故时有发生。通过携带智能检测设备的清管器对管道进行定期检测,有利于对管道事故风险进行提前预测... 详细信息

管道运输是国家能源发展的“生命线”,在国民经济和社会发展中起到重要作用。随着使用时间的增长,管道的事故风险变得突出,泄漏、爆炸事故时有发生。通过携带智能检测设备的清管器对管道进行定期检测,有利于对管道事故风险进行提前预测和控制。但清管器由管道流体直接推动,其运行速度难以控制,降低了清管和检测结果的可靠性。为解决清管器的速度控制问题,本文针对可控速清管器的控速装置进行了一系列研究,通过对比国内外可控速清管器的性能参数,确定以旁通阀控速清管器为研究对象,具体研究了旁通阀结构参数对其控速性能的影响,并设计制造了一套旁通阀调速装置,主要研究工作和成果如下:(1)在深入调研可控速清管器研究现状的基础上,针对目前研究成果中存在的问题,提出了本文可控速清管器调速装置设计与研究的内容与分析路线。(2)阐述了可控速清管器运动过程中的影响因素,建立了基于假设条件的长输管道流体流动模型和可控速清管器的运动受力模型,提出通过调节压差的方法来控制清管器的运行速度,引入浙江杭甬线天然气DN800管道的设计条件,完成了清管器最大旁通面积比的试算。(3)开展了商业控速清管器的逆向分析研究。对ROSEN公司、Spetsneftegaz公司和***公司的控速清管器进行了流体阻力系数分析,利用数值计算结果建立各调速装置相对开度与流体阻力系数和负载扭矩之间的关系模型,综合考虑清管器的控速能力、功耗水平以及清管效率,选择旁通阀调速装置作为本文的研究对象。(4)基于旁通阀的流阻特性,完成了可控速清管器旁通阀装置的主要参数设计。以清管器的骨架尺寸为限制条件,确定旁通阀最大旁通面积比,在此基础上研究了旁通阀泄流孔的轴向长度、端面孔口、倒角参数以及电机仓和电池仓结构的阻力系数特性,通过调整天然气的输气策略来重新设计旁通阀装置,分析旁通阀的水力转矩,并在实验室建立管径为100mm的旁通阀试验系统,得到旁通阀阻力系数的试验与模拟数据的相互验证。(5)结合理论研究和试验的成果,设计可控速清管器的调速装置,对关键零部件进行有限元仿真分析,验校验结构设计强度,对设计的调速装置进行加工制造。

关键词：长输管道可控速清管器调速装置阻力系数水力转矩

往复式泥浆脉冲发生器中转子水动力特性多相流数值模拟

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往复式泥浆脉冲发生器中转子水动力特性多相流数值模拟

作者：魏亮浙江大学

学位级别：硕士

现代油气钻井系统要求在利用有限能源的情况下,高速、实时、准确地将井下数据传递到井上。连续波脉冲发生器是现代油气钻井系统的核心部件之一,脉冲发生器主要部件是其中的定子和转子,定、转子的相对运动会导致通过其中的钻井液产生复... 详细信息

现代油气钻井系统要求在利用有限能源的情况下,高速、实时、准确地将井下数据传递到井上。连续波脉冲发生器是现代油气钻井系统的核心部件之一,脉冲发生器主要部件是其中的定子和转子,定、转子的相对运动会导致通过其中的钻井液产生复杂的变化。定转子附近流动区域复杂,钻井液流速快,有明显的湍流现象,而且实际钻井液主要是由水和细砂组成的多相流混合物,故而在定转子附近的水力特性十分复杂,有必要开展基于多相流的研究工作。本文首先介绍国内外随钻测量与随钻测井技术的发展情况,同时简要叙述多相流理论的发展动态,指出对于脉冲发生器水力特性的研究需要考虑多相流的影响。其后,本文介绍流体力学的控制方程具体在本研究中的应用,同时对脉冲发生器中转子的稳态水力转矩进行理论上的介绍。在分析过程中,从多相流的角度进行分析,区别其与工作介质为纯水的不同之处。最后,通过数值仿真对水力特性进行计算研究,并与纯水状态下水力特性进行对比分析,在进一步研究水力转矩的同时,探讨多相流对往复式泥浆脉冲发生器中水力特性的影响。

关键词：多相流水力转矩往复式泥浆脉冲发生器数值模拟

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往复式脉冲器转子水力特性研究

往复式脉冲器转子水力特性研究

作者：程烨浙江大学

学位级别：硕士

连续波脉冲发生器是现代油气钻井系统的核心部件之一,井下数据能否高速、准确、实时传递到井上在很大程度上取决于连续波脉冲发生器利用井下有限能源产生的压力波信号的幅值、频率等特性。脉冲发生器利用定子、转子相对运动形成对钻井... 详细信息

连续波脉冲发生器是现代油气钻井系统的核心部件之一,井下数据能否高速、准确、实时传递到井上在很大程度上取决于连续波脉冲发生器利用井下有限能源产生的压力波信号的幅值、频率等特性。脉冲发生器利用定子、转子相对运动形成对钻井液的截流而产生压力变化,由于转子附近机构复杂,湍流现象明显,造成对其水力特性的研究很难精确开展,并造成转子外形参数及控制参数的优化工作缺乏指导。本文首先对转子所受水力转矩及定子、转子区域产生的压力波的产生机理进行分析。引入水力机械流体动力学中关于水轮机的分析方法对稳态水力转矩、瞬态水力转矩进行机理分析,并利用数值仿真及原理实验对结果进行验证。压力波机理分析中首先寻求转子转角与压力波的关系,并通过控制转子运动实现预计压力波形的输出。其次在机理分析的指导下,利用数值仿真软件对转子外形参数进行系统优化,以期降低对电机性能的需求。进而在优化模型的基础上开展控制参数优化,并对脉冲发生器提出优化意见,进而给出电机选型的决定参数。最后通过两套试验平台对理论分析结果进行验证,并基于优化意见调整脉冲发生器结构用于整体项目的实验。实验结果表明,理论分析准确地预计了水力转矩及压力波的分布特性,对转子外形参数的优化及添加扭簧的处理也很好的降低了发生器对电机性能的需求。利用优化后的脉冲发生器进行的循环系统试验获得了圆满成功。

关键词：往复式泥浆脉冲发生器水力转矩压力波转子运动控制扭簧

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连续波脉冲器扭矩加载平台研究

连续波脉冲器扭矩加载平台研究

作者：邰玉民中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

随着石油钻井向深海、深地发展,对随钻数据的实时传输要求越来越高,针对连续波泥浆脉冲器井下工作时,存在转速波动的问题,本课题自行设计开发扭矩加载平台,辅助连续波泥浆脉冲器调试,模拟脉冲器井下受力情况,提高连续波泥浆脉冲器的性... 详细信息

随着石油钻井向深海、深地发展,对随钻数据的实时传输要求越来越高,针对连续波泥浆脉冲器井下工作时,存在转速波动的问题,本课题自行设计开发扭矩加载平台,辅助连续波泥浆脉冲器调试,模拟脉冲器井下受力情况,提高连续波泥浆脉冲器的性能和控制精度,主要工作如下:针对扭矩加载平台方案设计问题,本论文首先介绍了连续波泥浆脉冲器的基本原理,重点对扭矩加载平台的国内外研究现状进行说明,并选择电动式加载系统作为加载方案;然后完成直流力矩电机、电机驱动器和扭矩传感器等元器件的选型工作,并自主设计扭矩加载实验台,搭建连续波脉冲器扭矩加载平台硬件系统;由于水力转矩存在幅值偏移,根据驱动器通讯协议,重新设计扭矩加载平台软件系统,实现偏移正弦扭矩加载功能,完成扭矩加载平台搭建工作。针对水力转矩对连续波脉冲器干扰问题,本论文首先从计算流体动力学角度分析连续波泥浆脉冲器旋转阀所受水力转矩变化规律,使用SolidWorks建立连续波脉冲器定、转子模型,并利用FLUENT对连续波脉冲器阀体模型进行仿真分析,得到水力转矩与阀体旋转角度的关系,这些分析为扭矩加载平台在实验室模拟水力转矩提供理论依据。针对扭矩加载平台实际加载性能问题,本论文首先通过MATLAB/Simulink搭建扭矩加载平台数学模型,通过仿真确定采用前馈校正环节对多余力矩进行抑制,为改善扭矩加载平台动态性能,将二阶线性自抗扰控制作为扭矩加载平台数学模型控制算法,模型仿真为扭矩加载平台的控制与改进提供理论指导;实验测试表明,扭矩加载平台实际加载性能较理想,并与水力转矩仿真分析结果一致,可以实现对连续波泥浆脉冲器的扭矩加载。

关键词：连续波脉冲器扭矩加载平台水力转矩多余力矩线性自抗扰控制