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；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，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ｒｌｒ２ｂＺａＢｎＩ
ａ＝５—３５。，Ｂ＝３０一６００，ｒｌ＝ｏ．６一ｌ哪，ｒ２＝０．４加．６ｍｍ。这些参数取值范嗣是经过实践及试验确定的较为合理的。
研究在给定工作参数要求下确定较为合理的模型结构参数。叶片根部直径ｄｌ＝７０ｎ删，叶片外部直径ｄ２＝１００ｌＩＩＩｍ，轴向长度ｌ＝６０ｍｍ，ｂ＝４５ｍｍ。
１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＋ｙｌ
ＡＢ段圆弧：ｙ∈【５，５一Ｒ￥ｓｉｎａ＋Ｒｃｏｓｐ)，
Ａ(５ｔｇａ，５)，Ｂ(ｘ＝５ｔｇａ＋Ｒｃｏｓａ—ＲｓｉｎＢ，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)ｒｐ)２】叼．５
Ｂｃ段直线：ｙ∈【５一Ｒ＋ｓｉＩｌｄ＋Ｒ啷ｐ，４５】，
ｘ＝【ｙ一５一Ｒｓｉｎｄ＋Ｒｃｏｓｐ)＋ｔｇ(５ｔｇａ＋Ｒｃｏｓｑ—Ｒｓｉｎｐ)】，ｔｇＢ
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：
