油井作業(yè)發(fā)電機(jī)的渦輪設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬測(cè)試

油井作業(yè)發(fā)電機(jī)的渦輪設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬測(cè)試

李春玲 張曉軍

西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院

葉柵型渦輪設(shè)計(jì)以其研制周期短、研制費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地采用。這種渦輪是建立在一元流的渦輪機(jī)械理論基礎(chǔ)之上的新型設(shè)計(jì)，不僅方便使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行造型，也可以很好地進(jìn)行三維的模型數(shù)值模擬。使用正確的軟件（如CFD）對(duì)葉柵型的渦輪機(jī)械性能預(yù)測(cè)也比較準(zhǔn)確且簡(jiǎn)便。這種設(shè)計(jì)基本可以滿(mǎn)足目前的井下發(fā)電渦輪的機(jī)械要求，且對(duì)于實(shí)踐有非常重要的指導(dǎo)意義。

發(fā)電機(jī)；渦輪；設(shè)計(jì)方法；測(cè)試；參數(shù)

我國(guó)油田鉆探作業(yè)中，對(duì)于深層油氣的采集有一個(gè)難以逾越的鴻溝——高陡構(gòu)造的地層的防斜打快。隨著科技的進(jìn)步，這一難題逐漸被攻克，事實(shí)證明如今的一些智能工具，如果操作得當(dāng)?shù)脑?huà)，可以快速的、高質(zhì)量的完成復(fù)雜地質(zhì)條件下的開(kāi)采、鉆探工作。如今，這些新型工具已經(jīng)不再是傳統(tǒng)的單純信號(hào)傳輸或者建議的參數(shù)測(cè)量，而是將測(cè)量數(shù)值—有效傳輸—集成控制合為一體，成為巨型集成系統(tǒng)組件。這樣的智能工具雖然工作方便，但是有一個(gè)顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)，就是電損耗高。這種損耗已經(jīng)超出了普通電池的供電能力，也就是說(shuō)在普通電池的供電下，工作時(shí)間得不到保證，工作效率也比較低。在這種背景下，出現(xiàn)了使用井下渦輪發(fā)電機(jī)配合電池組的供電輸出方式。這種組合的優(yōu)勢(shì)在于，只要井下的泥漿處于安全、常規(guī)的循環(huán)，那么通過(guò)機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)化，井下的渦輪發(fā)電機(jī)就可以源源不斷地提供電能，持久地進(jìn)行工作，此時(shí)就可以保持電池組的被叫，進(jìn)行充電或者是待命。

一般情況下，要使井下渦輪發(fā)電機(jī)供電高效化，必須讓發(fā)電機(jī)的軸功率能夠滿(mǎn)足實(shí)際的工作流量，這就要求渦輪的設(shè)計(jì)能夠隨著科技進(jìn)步不斷進(jìn)行技術(shù)革新，滿(mǎn)足更高的實(shí)際應(yīng)用要求。在眾多學(xué)者進(jìn)行科研后，葉柵型的渦輪設(shè)計(jì)以其研制周期短、研制費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地采用。這種渦輪是建立在一元流的渦輪機(jī)械理論基礎(chǔ)之上的新型設(shè)計(jì)，不僅方便使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行造型，也可以很好地進(jìn)行三維的模型數(shù)值模擬。使用正確的軟件（如CFD）對(duì)于葉柵型的渦輪機(jī)械性能預(yù)測(cè)也比較準(zhǔn)確且簡(jiǎn)便。這種設(shè)計(jì)基本可以滿(mǎn)足目前的井下發(fā)電渦輪的機(jī)械要求，且對(duì)于實(shí)踐有非常重要的指導(dǎo)意義。

1 常見(jiàn)的渦輪型式

井下發(fā)電機(jī)要通過(guò)渦輪的作用進(jìn)行機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)換及能量傳遞。一般情況下，渦輪有定子型和轉(zhuǎn)子型之分，主要就是看渦輪本身是不是具有轉(zhuǎn)動(dòng)的能力，定子可以改變泥漿或者石油的流動(dòng)方向，轉(zhuǎn)子可以將能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化。常見(jiàn)渦輪型式見(jiàn)圖1。

圖1 常見(jiàn)渦輪型式

由于油田井下相對(duì)來(lái)說(shuō)空間限制較多，對(duì)渦輪的直徑來(lái)說(shuō)是越小越好，為了能夠在小渦輪的情況下獲得最大的動(dòng)力，可以選擇多級(jí)式渦輪。軸流式渦輪、葉柵式渦輪及螺旋式渦輪，都是非常好的選擇。在實(shí)際的工作中，可以根據(jù)不同的具體工作選擇不同類(lèi)型的渦輪，以達(dá)到最優(yōu)效果。

2 設(shè)計(jì)方法

假設(shè)發(fā)電機(jī)可以達(dá)到800 W的理論輸出值，令渦輪達(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定的1280r/min的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，如果電磁的轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到0.79以上，機(jī)械效率大于1的話(huà)，按照公式可以推算出：渦輪的扭矩在理論情況下可以達(dá)到5.96 N·m；實(shí)際上渦輪可以保證1 000 W的功率的輸出；渦輪的輸出扭矩在7.45～7.47 N·m之間。

根據(jù)伯努利方程和有關(guān)數(shù)學(xué)方程的計(jì)算，對(duì)于厚度相等、螺距相等及螺旋角相等的葉片參數(shù)計(jì)算，證明中弧線法設(shè)計(jì)的葉片相對(duì)輪廓更為清晰，且運(yùn)轉(zhuǎn)的功效性最強(qiáng)。這種葉片的直線段部分流體對(duì)于葉片壁的沖擊覆蓋面更大，圓弧的部分又有利于泥漿或者液體在緩沖之后釋放流體動(dòng)能。為了進(jìn)一步地減輕渦輪葉片的重量，達(dá)到輕巧簡(jiǎn)便的要求，根據(jù)葉片的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算情況，進(jìn)口處的葉片數(shù)量要增三分之一，出口仍舊保持不變；大量圓弧設(shè)計(jì)的采用使得流體的能量可以被充分吸收，葉片的緩沖作用也可以充分實(shí)現(xiàn)。

假設(shè)Y軸方向和進(jìn)口之間的夾角為a，X軸和水平方向的夾角為b，整個(gè)圓的弧半徑是R，設(shè)立一個(gè)模型的主體，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 渦輪模型設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)就可以完成簡(jiǎn)要的渦輪設(shè)計(jì)，建立隊(duì)形的擋輪和簡(jiǎn)要的模型，在建立模型的過(guò)程中，其他問(wèn)題也可參考上述的計(jì)算方法，并配合模型進(jìn)行解決。

3 數(shù)值模擬測(cè)試

測(cè)試的方法主要有試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法兩種。試驗(yàn)法較為直觀，就是構(gòu)建試驗(yàn)條件，通過(guò)測(cè)量渦輪在試驗(yàn)條件下的各項(xiàng)指標(biāo)（如壓降、轉(zhuǎn)速、流量等），檢驗(yàn)理論計(jì)算的各項(xiàng)輸出值。由于試驗(yàn)法所存在的種種缺陷，使得渦輪試驗(yàn)多為一種驗(yàn)證性質(zhì)的試驗(yàn)，主要用于檢驗(yàn)理論設(shè)計(jì)或者測(cè)試?yán)碚摻Y(jié)構(gòu)所帶來(lái)的參數(shù)準(zhǔn)確值。

另一種方法是數(shù)值模擬法，即CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，是目前主力的一門(mén)邊緣學(xué)科），它有幾個(gè)組合部分：計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、數(shù)值數(shù)學(xué)技術(shù)及近代流體力學(xué)技術(shù)。這種技術(shù)主要依托的是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的模擬能力和計(jì)算能力，只要設(shè)計(jì)出正確的運(yùn)算模式，符合基本的物理、數(shù)學(xué)定理，即使沒(méi)有實(shí)際的實(shí)驗(yàn)構(gòu)架臺(tái)也可以進(jìn)行快速高效的運(yùn)算，節(jié)省了大量的人力物力。目前的工程技術(shù)中也大量采用了這一方法，市場(chǎng)上也有很多這類(lèi)的商業(yè)軟件，如ANSYS CFX等。

對(duì)于發(fā)電機(jī)的具體工作，根據(jù)前期理論測(cè)算的各項(xiàng)數(shù)值，進(jìn)行了實(shí)體的模擬測(cè)試。通過(guò)改變不同的流量數(shù)值，就可以試驗(yàn)出后續(xù)的轉(zhuǎn)速、輸出功率、相電壓等。為了減少誤差，采取了多次測(cè)量、反復(fù)試驗(yàn)的方法。

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.3.031