小直徑井下發(fā)電機渦輪葉片仿真研究?

衣照秋

（遼河油田油建一公司，遼寧盤錦 124120）

小直徑井下發(fā)電機渦輪葉片仿真研究?

衣照秋

（遼河油田油建一公司，遼寧盤錦 124120）

采用計算流體動力學(xué)分析軟件FLUENT對小直徑井下渦輪發(fā)電機的渦輪葉片葉型進行了流體動力學(xué)分析，得到其定轉(zhuǎn)子內(nèi)部的流場分布。將仿真得到的入口壓力與理論計算所得的設(shè)計壓力降做對比，驗證了簡化后的二維葉型仿真的可行性。分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子葉片吸力面的彎曲程度過大將造成脫流，并且適當(dāng)增大轉(zhuǎn)子葉片出口角，可減少其尾緣出現(xiàn)渦的可能，提高渦輪葉片的水利效率。根據(jù)仿真結(jié)果對該葉型進行優(yōu)化。

渦輪；仿真；流體動力學(xué)；井下發(fā)電機

1 渦輪發(fā)電機研究的必要性

普遍使用高性能的鋰電池為井下測量儀器，如LWD、MWD、地質(zhì)導(dǎo)向、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具等供電，而鋰電池的工作溫度通常為150℃左右。隨著石油鉆探井深的日益增加，井筒溫度隨之升高，常規(guī)的鋰電池難以承受高溫考驗，壽命大大縮減，甚至無法正常工作。且頻繁更換電池也帶來了鉆井成本的升高和鉆時的增加，依賴電池為井下測量儀器供電的手段已無法滿足超深井鉆井的需求。

利用鉆井液來驅(qū)動井下渦輪，帶動發(fā)電機發(fā)電，為井下測量儀器提供電力是一種理想的供電方案。渦輪發(fā)電機的性能取決于渦輪葉片的水力性能。筆者利用FLUENT軟件對?115 mm渦輪發(fā)電機的葉型進行仿真并對其進行優(yōu)化［1］。

FLUENT是一種目前應(yīng)用最為廣泛的CFD軟件之一。它是基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法離散，具有計算靈活，高效，精確等優(yōu)點。FLUENT提供了眾多的物理模型，包括定常和非定常流動、層流、湍流、不可壓縮和可壓縮流動、傳熱和化學(xué)反應(yīng)等，同時用戶可根據(jù)需要自己設(shè)計計算模型。根據(jù)每一種物理問題，軟件還提供了多種適合的數(shù)值解法，用戶可進行選擇滿足精度及速度的要求。在后處理方面，F(xiàn)LUENT本身帶有強大的后處理功能，用戶能夠方便的得到分析后的各種數(shù)據(jù)曲線或者云圖［2］。

2 渦輪葉片的CFD模擬過程

由于渦輪發(fā)電機中的渦輪葉片在徑向各截面形狀完全一樣。在渦輪葉片設(shè)計過程中，定子、轉(zhuǎn)子葉片幾何參數(shù)都是在其水平展開的特征面內(nèi)規(guī)定的，以額定工況下，平均直徑特征面上葉片達到最小葉型損失的形狀為標(biāo)準(zhǔn)［3］。因此，將渦輪中鉆井液的三元流動簡化為特征面的二元流動是可行的。且如果將特征面展開，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動等價為轉(zhuǎn)子葉柵平移運動，其速度為v＝πdn／60。

2.1 CFD模擬理論依據(jù)

CFD的計算控制方程是流體流動必須遵守的基本方程，包括質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程，流體包含不同成分的組分守恒方程及湍流狀態(tài)下的湍流輸運方程。下面介紹渦輪葉柵流場分析中需要的質(zhì)量守恒和動量守恒方程，而能量守恒方程和組分守恒方程在分析中不需要，不做詳述，具體見參考文獻［4］。

（1）質(zhì)量守恒方程

微元體在單位時間內(nèi)流體質(zhì)量的增加，等于在同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。

式中：ρ為流體密度；t為時間；u、v、w為速度矢量U在x、y、z方向的分量。

對于渦輪鉆具中流動的鉆井液，在渦輪中流動可看成是不可壓縮流體，密度ρ為常數(shù)，則有：

（2）動量守恒方程

微元體中流體的動量對時間的變化等于外界作用在該微元體上的各種力的和。x、y和z3個方向的動量守恒方程為：

式中：div（a）＝?ax／?x＋?ay／?y＋?az／?z，p是流體微元體上的壓力；τxxτxyτxz等是因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性比力τ的分量；Fx、Fy、Fz是微元體上的體力，若體力只有重力，是z軸堅直向上，則Fx＝0、Fy＝0、Fz＝－ρg。

式（3）適合任何流體的流動，在渦輪葉柵設(shè)計及實驗過程中，常將鉆井液假定為水或其他牛頓流體，粘性應(yīng)力τ與流體的變形率成比例。因此，式（3）簡化為：

式（4）是牛頓流體的動量守恒動量方程，稱為N－S方程，式中u為動力粘度。

2.2 模型的建立

渦輪發(fā)電機的葉片是等截面直葉片，葉片之間的流道具有周期性，因此將渦輪副的任意1對葉片設(shè)置為周期邊界并對其進行流場仿真即可［5］。為減小入口及出口邊界設(shè)置與實際流動不一致而引起的影響，把定子的入口處和轉(zhuǎn)子出口處分別向上游和下游各延伸一定距離。對建立的渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片流道計算模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型如圖1所示。

2.3 設(shè)置邊界條件

計算模型邊界條件采用速度入口，其中，速度v＝Q／A。湍流參數(shù)采用定義湍流強度I與水力直徑DH，其中，入口為上游充分發(fā)展的管內(nèi)流動，I＝0.16×（ReDH）－1／8，水力直徑DH為通流面積與潤周比值的4倍。出口為壓力出口，則計算完畢后入口處的壓力值可看做是單級渦輪的壓降值。定、轉(zhuǎn)子的流域邊界設(shè)置為周期邊界。在上下游結(jié)合面處，定子固定流域和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動流域之間采用混合面模型 Mixing Plane Model，混合面兩側(cè)上游為壓力出口條件，下游采用壓力進口條件?；旌厦婺Ｐ椭袑⒚總€流域看成穩(wěn)定常態(tài)，在流域間的交界面上構(gòu)造一個混合面，混合平面用周向平均數(shù)據(jù)將兩側(cè)的流場變量聯(lián)系起來。消除了流域通道間因轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，定轉(zhuǎn)子間周向變化而導(dǎo)致的不穩(wěn)定，從而得到時均流場的合理近似穩(wěn)態(tài)解［6］。

3 CFD仿真結(jié)果分析及葉型優(yōu)化［7］

研究課題為?115軸流式渦輪葉片的仿真與優(yōu)化。工作流量為16 L／s，設(shè)計速度N＝600 r／min，設(shè)計壓力P＝0.5 MPa下得到定、轉(zhuǎn)子葉片壓力場及速度場如圖2～4所示。

圖1 渦輪葉片計算域的網(wǎng)格模型

圖2 單級渦輪葉片壓力 場分布

圖3 單級渦輪葉片速度場分布

圖4 轉(zhuǎn)子葉片尾緣速度 分布圖

由圖2所示的壓力場分布可以看出，渦輪副入口處壓力為0.41 MPa，與設(shè)計壓力降相符，證實了仿真結(jié)果的正確性。由仿真結(jié)果可看到在轉(zhuǎn)子吸力面尾緣附近壓力急劇降低，甚至出現(xiàn)負壓，因此有可能發(fā)生汽蝕現(xiàn)象破壞轉(zhuǎn)子葉片，并引發(fā)渦輪葉片的震動。

由圖3、4所示的速度分布看到轉(zhuǎn)子葉片表面脫流現(xiàn)象較明顯，轉(zhuǎn)子葉片尾緣出現(xiàn)渦流，且吸力面上出現(xiàn)脫流，渦及脫流的出現(xiàn)都使渦輪水力性能降低。

出現(xiàn)渦及脫流主要由以下原因造成：

（1）轉(zhuǎn)子葉片出口角過小造成尾緣出現(xiàn)渦流，葉片吸力面的彎曲程度過大造成脫流。所以根據(jù)速度場分布修整定、轉(zhuǎn)子出口角及葉片葉型。減小轉(zhuǎn)子吸力面的彎曲程度，并對優(yōu)化后的模型進行流場分析，得到壓力場如圖5所示，速度場如圖6所示（設(shè)計轉(zhuǎn)速N仍為600）。

（2）從優(yōu)化后的壓力分布云圖5可知，在轉(zhuǎn)子吸力面尾緣附近雖然壓力亦急劇降低，但并未出現(xiàn)強烈負壓，故減少了汽蝕和振動發(fā)生的可能性。

（3）從優(yōu)化后的速度云圖6可知，轉(zhuǎn)子葉片尾緣附近脫流明顯降低。故優(yōu)化結(jié)果積極。

圖5 葉型修正后動流場壓力分布分布圖

圖6 葉型修正后動葉尾緣附 近流場分布

4 結(jié) 論

（1）轉(zhuǎn)子葉片的吸力面尾緣附近容易出現(xiàn)紊流及脫流現(xiàn)象，造成能量的浪費，需對理論計算出的葉型進行適當(dāng)修正。

（2）轉(zhuǎn)子葉片的吸力面尾緣附近壓力急降，當(dāng)壓力降低過大，甚至出現(xiàn)負壓時，可能發(fā)生汽蝕現(xiàn)象并伴隨振動，將對渦輪發(fā)電機密封性能造成不良影響，甚至造成潤滑油泄漏，因此應(yīng)嚴(yán)格控制此處壓力降。

［1］ 舒世甄，朱 力.葉輪機械原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1991.

［2］ 韓占忠，王 敬，蘭小平.FLUENT：流體工程仿真計算實例與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

［3］ 馮永明，劉順降，鄭 群.多級渦輪三維黏性流場的數(shù)值模擬［J］.熱科學(xué)與技術(shù)，2003，2（3）：254－259.

［4］ 劉導(dǎo)治.計算流體力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：北京航空學(xué)院出版社，1989.

［5］ 王福軍.計算流體力動力學(xué)分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［6］ 劉孝光.渦輪鉆具葉柵水力性能仿真優(yōu)化技術(shù)研究［J］.冶金設(shè)備，2007（1）：21－28.

［7］ 胡澤民，劉志洲.渦輪鉆具渦輪葉柵的CAD優(yōu)化設(shè)計［J］.石油學(xué)報，1993，14（1）：109－116.

Research on Turbine Blade of Downhole Generator Used in Small－diameter Well Based on Simulation

YI Zhao－qiu
（Petro China Liaohe Oil Field No.1 Construction Engineering Company，Panjin Liaoning 124120，China）

Using the computational fluid dynamics analysis software to do the hydrodynamic analysis for the turbine blade of the downhole turbine generator and flow field distribution is got.By comparing with the design pressure drop of the theoretical calculation，the feasibility of the two－dimensional leaf shape simulation for the turbine blade is confirmed.Analysis Result showed that oversize of the degree of crook of the suction face would cause flow separation.Increasing the exit angle would de?crease the possibility of vortex along the trailing edge of the rotator and increasing the hydraulic efficiency of the turbine blade.The blade shape based on the conclusion of the simulation is optimized.

turbine；simulation；hydrodynamics；downhole generator

TH123

A

1007－4414（2013）04－0072－03

2013－05－25

衣照秋（1975－），女，遼寧朝陽人，工程師，主要從事油田地面建設(shè)技術(shù)施工管理和預(yù)結(jié)算管理工作。