渦輪鉆具定轉(zhuǎn)子軸向間隙對(duì)性能影響

譚春飛，王雨軒，姚　洋，李博文，李　陽(yáng)

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249)①

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渦輪鉆具定轉(zhuǎn)子軸向間隙對(duì)性能影響

譚春飛，王雨軒，姚洋，李博文，李陽(yáng)

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249)①

摘要：為研究定轉(zhuǎn)子葉片軸向間隙對(duì)渦輪鉆具性能的影響，設(shè)計(jì)了4組不同軸向間隙的渦輪鉆具定轉(zhuǎn)子葉片，利用數(shù)值模擬方法獲取其性能和流場(chǎng)細(xì)微結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：軸向間隙從2.5 mm增加到14.5 mm的過(guò)程中渦輪鉆具的轉(zhuǎn)矩、軸向力、壓降和水力效率均有不同程度的下降；在最高效率點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩下降21.4%，軸向力下降18.2%，壓降下降9.8%，水力效率下降12.8%；定子下游渦流逐漸發(fā)展，能量損失增加；隨著流動(dòng)路徑的增加，流體流動(dòng)更加均勻。

關(guān)鍵詞：渦輪鉆具；性能；軸向間隙；數(shù)值模擬

渦輪鉆具是一種重要的井下動(dòng)力鉆具，適用于深井、超深井和高溫、高壓作業(yè)環(huán)境。目前，對(duì)于渦輪鉆具的研究主要集中在定子和轉(zhuǎn)子的葉片造型上，而對(duì)定子和轉(zhuǎn)子的軸向間隙的研究比較少。楊濤等人[1]討論了裝配過(guò)程中上緊力矩與軸向力的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出了在裝配過(guò)程中調(diào)節(jié)渦輪鉆具軸向間隙的方法；許福東等人[2]提出了一種預(yù)測(cè)軸向間隙分布的仿真算法。然而，對(duì)于軸向間隙如何影響渦輪鉆具性能的研究還不夠，有必要針對(duì)不同軸向間隙下渦輪鉆具的性能和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，為提高渦輪鉆具的性能提供依據(jù)。

1研究對(duì)象及計(jì)算方法

本文所研究的渦輪鉆具設(shè)計(jì)參數(shù)如下：定轉(zhuǎn)子葉片分別采用五次多項(xiàng)式設(shè)計(jì)[3]，定子葉片高度11 mm，入口結(jié)構(gòu)角136°，出口結(jié)構(gòu)角23.5°，轉(zhuǎn)子葉片高度13 mm，入口結(jié)構(gòu)角145°，出口結(jié)構(gòu)角28°。為研究不同軸向間隙對(duì)渦輪鉆具性能的影響，設(shè)計(jì)了2.5、6.5、10.5、14.5 mm[4-5]4組定轉(zhuǎn)子軸向間隙。應(yīng)用數(shù)值模擬方法，研究流量為50 L/s時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?gòu)? 增加到600 r/min時(shí)一級(jí)定轉(zhuǎn)子的輸出特性。

數(shù)值計(jì)算采用NUMECA軟件包，應(yīng)用有限體積法求解圓柱坐標(biāo)系下三維定常Navier-Stokes(N-S)方程組[6-7]。

假設(shè)邊界條件為進(jìn)口給定流體速度大小及方向，出口給定靜壓；在進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的模擬時(shí)，保持進(jìn)出口邊界條件不變。為增加模擬的準(zhǔn)確性以使之更符合實(shí)際工況，采用模擬三級(jí)定轉(zhuǎn)子并讀取中間一級(jí)定轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)的方法。計(jì)算網(wǎng)格使用NUMECA軟件包中的AUTO-GRID模塊，自動(dòng)生成H-O-H型網(wǎng)格[8]。

2計(jì)算結(jié)果分析

2.1軸向間隙對(duì)渦輪性能的影響

針對(duì)4種不同定轉(zhuǎn)子軸向間隙的渦輪鉆具進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速下的數(shù)值模擬，獲取其性能以及流場(chǎng)細(xì)節(jié)。

不同軸向間隙時(shí)一級(jí)渦輪鉆具中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩、軸向力隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖1～2所示。從圖中可以看出：不同間隙時(shí)，轉(zhuǎn)子提供的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增加而降低；所受軸向力隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。

不同軸向間隙時(shí)一級(jí)渦輪的壓降和水力效率隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖3～4所示。從圖中可以看出：不同間隙時(shí)，一級(jí)渦輪的壓降隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，水力效率隨轉(zhuǎn)速的增加呈拋物線形，在400 r/min時(shí)水力效率達(dá)到最大值，說(shuō)明此型渦輪鉆具的最佳工作狀態(tài)為400 r/min左右。

圖1　轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖2　轉(zhuǎn)子軸向力隨轉(zhuǎn)速變化曲線

軸向間隙的變化并不會(huì)改變渦輪鉆具各性能參數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，且隨著軸向間隙的增加，渦輪鉆具各參數(shù)均有降低。

圖3　一級(jí)渦輪壓降隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖4　一級(jí)渦輪水力效率隨轉(zhuǎn)速變化

最高效率點(diǎn)(400 r/min)時(shí)，不同軸向間隙對(duì)一級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩和軸向力以及一級(jí)渦輪的壓降和水力效率的影響如圖5～8所示。從圖中可以看出：在最佳工況時(shí)，轉(zhuǎn)矩、軸向力、壓降、水力效率均隨軸向間隙的增加而降低。在軸向間隙從2.5 mm增加到14.5 mm過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩降低了6.7%、14.6%和21.4%，軸向力降低了10.1%、14.8%和18.2%，壓降降低了2%、7%和9.8%，水力效率降低了4.8%、8.1%和12.8%。隨著軸向間隙的增加，渦輪鉆具各參數(shù)基本呈現(xiàn)線性下降，且下降幅度較大。

圖5　最高效率點(diǎn)轉(zhuǎn)矩隨軸向間隙變化

圖6　最高效率點(diǎn)軸向力隨軸向間隙變化

圖7　最高效率點(diǎn)壓降隨軸向間隙變化

圖8　最高效率點(diǎn)水力效率隨軸向間隙變化

2.2軸向間隙對(duì)渦輪流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響

定子流道壓力變化如圖9所示。隨著軸向間隙的增加，定子吸力面下部低壓區(qū)域增大，這可能是由于軸向間隙增加使轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)對(duì)定子尾跡發(fā)展的影響減弱，從而給了定子吸力面下部渦流充分發(fā)展的機(jī)會(huì)，而渦流的發(fā)展會(huì)導(dǎo)致能量損失增加。

a　間隙2.5 mm

b　間隙6.5 mm

c　間隙10.5 mm

d　間隙14.5 mm

不同軸向間隙的轉(zhuǎn)子承壓面壓力分布如圖10所示。隨著軸向間隙的增加，上游尾跡與主流摻混過(guò)程加長(zhǎng)，流動(dòng)參數(shù)的均勻性增強(qiáng)。主要表現(xiàn)為隨著軸向間隙的增加，轉(zhuǎn)子葉面的壓力梯度減小，壓力分布更加均勻。來(lái)流品質(zhì)的提高有助于減少二次流損失，從而減少能量的消耗。

a　間隙2.5 mm

b　間隙6.5 mm

c　間隙10.5 mm

d　間隙14.5 mm

特別指出的是通過(guò)提高轉(zhuǎn)子來(lái)流品質(zhì)從而提高渦輪鉆具輸出性能的方式并不見得有效，關(guān)鍵在于由軸向間隙的增加導(dǎo)致的渦流損失的加劇與二次流損失的改善何種因素占主導(dǎo)地位[9]。如果渦流損失的加劇占主導(dǎo)地位，則增加軸向間隙會(huì)增加能量的消耗。如果二次流損失改善占主導(dǎo)地位，則會(huì)降低能量的消耗。從對(duì)渦輪鉆具壓降的模擬結(jié)果來(lái)看，隨著軸向間隙的增加，消耗的壓能在降低，說(shuō)明二次流損失改善占主導(dǎo)地位。

3結(jié)論

1)在軸向間隙增加的過(guò)程中，渦輪鉆具的轉(zhuǎn)矩、軸向力、壓降和水力效率均有不同程度的下降。在最高效率點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩下降最大值為21.4%，軸向力下降最大值為18.2%，壓降下降最大值為9.8%，水力效率下降最大值為12.8%。

2)隨著軸向間隙的增加，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)對(duì)定子尾跡發(fā)展的影響減弱，定子下游渦流逐漸發(fā)展，能量消耗增加。同時(shí)，定子尾跡與主流摻混過(guò)程加長(zhǎng)，流動(dòng)參數(shù)的均勻性增強(qiáng)，二次流損失減少，能量損失減少。

3)隨著軸向間隙的增加，渦輪鉆具壓降降低。說(shuō)明渦流發(fā)展導(dǎo)致的能量消耗增加和流動(dòng)均勻性增強(qiáng)導(dǎo)致的能量消耗減小這兩個(gè)因素中，二次流損失占主導(dǎo)地位。通過(guò)增加軸向間隙來(lái)提高渦輪鉆具性能是可行的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊濤，符達(dá)良，許福東，等.渦輪鉆具軸向間隙的正確調(diào)節(jié)[J].石油機(jī)械，1998(8)：24-26.

[2]許福東，符達(dá)良，馬德坤.計(jì)算渦輪節(jié)軸向間隙分布的仿真算法[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，1998，27(6)：34-37.

[3]馮進(jìn)，符達(dá)良.渦輪鉆具渦輪葉片造型設(shè)計(jì)新方法[J].石油機(jī)械，2000(11)：9-12.

[4]楊善國(guó).葉片式氣動(dòng)馬達(dá)軸向間隙的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代機(jī)械，2003(5)：10-25.

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[6]張慢來(lái)，馮進(jìn)，龍東平，等.多級(jí)渦輪內(nèi)流場(chǎng)的CFD模擬[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005，34(3)：17-19.

[7]張皓光，楚武利，吳艷輝，等.軸向間隙引氣對(duì)雙級(jí)軸流式壓氣機(jī)性能及流場(chǎng)影響的數(shù)值研究[J].流體機(jī)械，2006(7)：24-27.

[8]王掩剛，牛楠，劉波，等.雙級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)軸向間隙對(duì)性能的影響[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2010(3)：531-536.

[9]李增亮，顏廷俊，谷玉洪，等.渦輪鉆具渦輪中的能量損失分析[J].石油機(jī)械，1997(8)：49-52.

Investigation into Effects of Axial Spacing between Stators and Rotors on Performance of a Turbodrill

TAN Chunfei，WANG Yuxuan，YAO Yang，LI Bowen，LI Yang

(CollegeofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

Abstract：Four modules with different axial spacing between stators and rotors of a turbodrill were designed，and then the detailed flow structure and performance of them in different rotating speeds was obtained by numerical simulations.When the axial spacing between stators and rotors was changed from 2.5 mm to 14.5 mm，the following observations were obtained：The torque，axial force，pressure drop and hydraulic efficiency have different degrees of decline.At the maximum efficiency point，the torque decreased 21.4%，the axial force decreased 18.2%，pressure drop decreased 9.8% and the hydraulic efficiency decreased 12.8%.With the development of vortex in the downstream of the stators，the energy loss increased.With the increase of flow path，the fluid is more uniform.

Keywords：turbodrill；performance；axial spacing；numerical simulation

中圖分類號(hào)：TE921.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.002

作者簡(jiǎn)介：譚春飛(1968-)，男，四川巴中人，副研究員，碩士，主要從事油氣井工程的教學(xué)及井下動(dòng)力鉆具、深井超深井鉆井提速技術(shù)的研究。

收稿日期：①2015-09-26 國(guó)家科技重大專項(xiàng)“復(fù)雜結(jié)構(gòu)井優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制關(guān)鍵技術(shù)”(2011ZX05009-005)

文章編號(hào)：1001-3482(2016)03-0007-04