【摘 要】
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连续波泥浆脉冲传输技术是随钻数据泥浆脉冲传输技术的前沿发展方向。为抑制复杂噪声干扰,保障可靠、高速传输,井下连续波脉冲器需产生高度相似正弦式原始压力波形,因此其转阀结构设计尤为重要。考虑到振荡剪切阀较之于旋转阀具有不易堵塞、波形调制方便等优点,在充分考虑电机加速-匀速-减速的运动特性下,本文对振荡剪切阀端面结构与转子非端面结构进行优化设计,以获得可现场应用的转阀形状,完成的主要工作如下:1)设定了
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连续波泥浆脉冲传输技术是随钻数据泥浆脉冲传输技术的前沿发展方向。为抑制复杂噪声干扰,保障可靠、高速传输,井下连续波脉冲器需产生高度相似正弦式原始压力波形,因此其转阀结构设计尤为重要。考虑到振荡剪切阀较之于旋转阀具有不易堵塞、波形调制方便等优点,在充分考虑电机加速-匀速-减速的运动特性下,本文对振荡剪切阀端面结构与转子非端面结构进行优化设计,以获得可现场应用的转阀形状,完成的主要工作如下:1)设定了转子在非匀速运动条件下的优化设计指标。对端面结构进行设计时,参照标准正弦波与实际压力信号的相关系数评价指标;对非端面结构进行设计时,以转子受到的最大最小水力转矩的均值与幅值差最小化为评价指标。2)在非匀速条件(加速-匀速-减速)下,提出了针对振荡剪切阀端面结构的优化设计方法。基于阀口的流通面积与流体压差间的函数关系,建立了阀口流通面积的极坐标方程,通过分析阀口流通面积与旋转角度的变化规律,得到了一种直线-圆弧-扇形的阀口形状的优化方法,该阀型能输出相关系数高达0.9997的正弦压力波信号。3)验证了端面结构设计的合理性。深入分析了转阀的计算流体动力学特性,利用Ansys建立了端面结构为直线-圆弧-扇形的仿真模型。采用UDF的方式实现转阀的变速运动,获得了阀口前后压差与旋转角度的变化规律,对比分析数值计算与流体仿真结果。4)深入研究振荡剪切阀非端面结构的设计方法。研究表明水力转矩是影响非端面结构优化的关键因素,因此在动量矩的基础上对水力转矩进行了数值计算。利用有限元分析软件模拟了转子的受力过程,分析了水力转矩与阀体旋转角度的关系,得到了一种能使最大最小水力转矩的均值和幅值差都较小的转子非端面结构。5)以定子直径为90mm,转子直径为80mm的扇形阀口为基础,最终得到了一种圆弧半径为26.7mm,直线为1.08mm,倾斜角度为15°,转子厚度为5mm,定转子间隙为1mm的振荡剪切阀结构,此阀型能产生相关系数高达0.999以上的正弦压力波形,同时能得到平稳的水力转矩来降低电机的控制难度。
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