【成果】鄢志丹教授团队在随钻大功率井下涡轮发电机导轮与涡轮结构优化方面取得进展

近日，BB贝博艾弗森智能随钻测控技术与仪器课题组在随钻大功率井下涡轮发电机导轮与涡轮结构优化方面取得进展，相关研究成果《Mechanism Analysis and CFD Investigation on the Key Structures of the Guide Wheel and Turbine for a High-power Turbine Generator While Drilling》发表在《Geoenergy Science and Engineering》。《Geoenergy Science and Engineering》（原名为：Journal of Petroleum Science and Engineering）是石油工程领域的国际知名期刊，目前影响因子为4.6（SCI二区TOP期刊）。论文第一作者为鄢志丹教授，第二作者为博士生赵雪阳，通讯作者为鄢志丹教授，BB贝博艾弗森为第一署名单位和唯一通讯单位，该研究得到国家自然科学基金、山东省重点研发计划等多个项目的资助支持。

图1 论文首页

随钻大功率涡轮发电机是解决井下仪器串稳定电力供给难题的高可靠性、长时间、低成本的最佳选择。其中，涡轮发电机导轮与涡轮结构特征是影响其功率数值、能量转换效率的关键因素。为进一步丰富当前导轮与涡轮结构优化设计理论与计算流体力学实验方法，彻底厘清各典型结构尺寸的影响规律，本文基于随钻涡轮发电机工作原理与轴流式叶片设计理论，确定了衡量涡轮性能的评价指标，引入了三个无因次系数对导轮与涡轮的基本结构参数进行预设，并针对关键结构提出了一种基于四阶Bezier曲线的变厚度曲率优化叶片结构设计方法，实现了叶片中弧线的参数化优化和叶片叶型结构优化，有效改善了叶片曲率。同时，针对导轮与涡轮的不同结构参数进行了基于Fluent与Mechanical的CFD流固耦合性能优化实验研究，实现了参数敏感度分析和结构优化调整，最终获得了在30 L/s的流量下，效率87.3 %，压降0.224 MPa、扭矩16.7 N·m、输出功率5.83 kW的导轮与涡轮结构优化结果。这对研制大功率涡轮发电机，进而服务井下智能导钻、多参数测量、高速数据传输等前沿随钻作业具有重要意义。

图2叶片结构设计方法

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.geoen.2024.213609