軸向間隙對(duì)?89 mm渦輪鉆具性能的影響分析

趙志濤， 翁 煒， 黃玉文， 楊 鵬， 徐軍軍

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

軸向間隙對(duì)?89 mm渦輪鉆具性能的影響分析

趙志濤， 翁 煒， 黃玉文， 楊 鵬， 徐軍軍

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

渦輪鉆具中渦輪定子、轉(zhuǎn)子設(shè)置合理的軸向間隙，可以保證轉(zhuǎn)動(dòng)系自由轉(zhuǎn)動(dòng)，避免定轉(zhuǎn)子相互碰撞而損壞。軸向間隙對(duì)鉆具壽命非常重要，但是受零件加工誤差和受壓變形等因素干擾，定轉(zhuǎn)子軸向間隙難以確定一個(gè)最優(yōu)定值，只能處于一個(gè)范圍內(nèi)。為了分析驗(yàn)證軸向間隙對(duì)?89 mm渦輪鉆具的性能影響，采用理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的論證方法，對(duì)效率和性能參數(shù)計(jì)算進(jìn)行了理論分析，并采用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)不同軸向間隙的單級(jí)?89 mm渦輪性能進(jìn)行數(shù)值模擬。分析結(jié)果表明，在合理范圍內(nèi)，軸向間隙變化對(duì)?89 mm渦輪鉆具性能影響細(xì)微，可以忽略。

渦輪鉆具；軸向間隙；效率；性能

渦輪鉆具以其高效、抗高溫、成孔質(zhì)量高等特點(diǎn)，正進(jìn)入了科學(xué)鉆探、地?zé)?、干熱巖等深井、高溫、硬巖鉆探領(lǐng)域。目前，渦輪鉆具在國(guó)外比較成熟，法國(guó)Neyrfor(已被Smith公司收購(gòu))、美國(guó)Halliburton、俄羅斯NGT等少數(shù)幾家公司是渦輪鉆具的主要供應(yīng)商，擁有成熟的73～240 mm口徑系列化的渦輪鉆具產(chǎn)品，應(yīng)用廣泛[1-3]。我國(guó)已擁有外徑為127～240 mm多種規(guī)格的渦輪鉆具，但尚缺少小口徑系列，因此，研制?89 mm渦輪鉆具，可改變國(guó)內(nèi)小口徑渦輪鉆具欠缺的現(xiàn)狀，促進(jìn)我國(guó)渦輪鉆具系列化。設(shè)置合理的定轉(zhuǎn)子軸向間隙是渦輪鉆具裝配過程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。鉆具使用過程中，上級(jí)轉(zhuǎn)子和下級(jí)定子的間隙越來越小，當(dāng)變?yōu)榱銜r(shí)，相互磨損而損壞，所以合理設(shè)計(jì)定轉(zhuǎn)子軸向間隙十分重要。軸向間隙可以在一定范圍內(nèi)取值，相關(guān)文獻(xiàn)就軸向間隙大小對(duì)渦輪性能的影響都極少研究和闡述，個(gè)別文獻(xiàn)有實(shí)際臺(tái)架測(cè)試結(jié)論，但并無分析過程。因此，本文采用理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的論證方法對(duì)該問題進(jìn)行分析，以指導(dǎo)渦輪鉆具相關(guān)設(shè)計(jì)和使用。

1 定轉(zhuǎn)子軸向間隙

1.1 定轉(zhuǎn)子間隙的作用

渦輪節(jié)是由2部分組成：一是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，它依靠渦輪軸的兩端螺紋連接將渦輪轉(zhuǎn)子壓緊固定在軸上，使渦輪轉(zhuǎn)子與軸在工作過程中不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；二是定子系統(tǒng)，它依靠外殼兩端的螺紋連接將渦輪定子壓緊在殼體上，使渦輪定子與外殼在工作過程中不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。多個(gè)渦輪節(jié)連接時(shí)，各節(jié)的渦輪輪軸通過花鍵聯(lián)軸器連接，外殼之間通過螺紋連接。為了保證渦輪鉆具正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須在定、轉(zhuǎn)子間保持一定的徑向間隙和軸向間隙。間隙大小的設(shè)置，直接影響鉆具壽命和性能。

如圖1所示，定轉(zhuǎn)子軸向間隙分為上間隙和下間隙。軸向間隙，可避免定轉(zhuǎn)子之間的相互接觸磨損，便于轉(zhuǎn)子系自由轉(zhuǎn)動(dòng)。通常渦輪定子與轉(zhuǎn)子整體高度相等，稱之為渦輪級(jí)高；渦輪定子和轉(zhuǎn)子的葉片高度也相同。渦輪級(jí)高H和葉片高度h確定后，上下間隙的和為(H-2h)，即上下間隙只能在0～(H-2h)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。定轉(zhuǎn)子間隙大小，通過調(diào)節(jié)壓環(huán)長(zhǎng)度來調(diào)節(jié)，由止推軸承控制，不考慮零件加工誤差和受壓變形，各級(jí)定轉(zhuǎn)子的上間隙大小一致，下間隙也大小一致。在使用過程中，定轉(zhuǎn)子的下間隙隨著止推軸承的磨損逐漸變小，上間隙逐漸變大。因此，一般設(shè)置定轉(zhuǎn)子上間隙小于下間隙。當(dāng)下部軸向間隙小到為零(即形成上一級(jí)渦輪的轉(zhuǎn)子與下一級(jí)渦輪的定子相碰)時(shí)，將導(dǎo)致渦輪定子與轉(zhuǎn)子出現(xiàn)事故性磨損而損壞[1-2]。

圖1 定轉(zhuǎn)子軸向間隙

1.2 軸向間隙的設(shè)置

軸向間隙對(duì)鉆具非常重要，但是，定轉(zhuǎn)子軸向間隙難以確定一個(gè)最優(yōu)定值，只能處于一個(gè)范圍內(nèi)，主要是因?yàn)椋?1)受到加工誤差和受壓變形影響，各級(jí)的定轉(zhuǎn)子軸向間隙是略有差異[4-5]；(2)隨著軸承磨損，定轉(zhuǎn)子軸向間隙是變化的，并非定值；(3)鉆進(jìn)碎巖過程中，渦輪鉆具有復(fù)雜的沖擊振動(dòng)，軸承碟簧等減震構(gòu)件或者軸承游隙，使定轉(zhuǎn)子軸向間隙是動(dòng)態(tài)變化的。

2 軸向間隙的調(diào)節(jié)

軸向間隙的調(diào)節(jié)方式與渦輪節(jié)結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，相應(yīng)的間隙調(diào)節(jié)難度也不同。

2.1 普通渦輪節(jié)定轉(zhuǎn)子軸向間隙調(diào)節(jié)

普通渦輪節(jié)，即渦輪節(jié)未設(shè)置止推軸承，止推軸承全部安裝于獨(dú)立支承節(jié)。渦輪節(jié)組裝完成后，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可以在軸向自由竄動(dòng)一定幅度，該幅度最大值為(H-2h)。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是依靠本節(jié)花鍵聯(lián)軸器和下一節(jié)的花鍵聯(lián)軸器的錐面相接觸而進(jìn)行軸向定位的，最終，由支承節(jié)的止推軸承確定各節(jié)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸向位置，從而確定各節(jié)定轉(zhuǎn)子軸向間隙。當(dāng)一根鉆具中有多個(gè)渦輪節(jié)時(shí)，各節(jié)之間軸向間隙是相互有影響的，這就要求更精確的加工精度和裝配精度，因此，間隙調(diào)節(jié)難度大。

2.2 獨(dú)立懸掛式渦輪節(jié)定轉(zhuǎn)子間隙調(diào)節(jié)

獨(dú)立懸掛式渦輪節(jié)，即在渦輪節(jié)安裝止推軸承[6]。渦輪節(jié)中的止推軸承確定該渦輪節(jié)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸向定位，從而保證定轉(zhuǎn)子軸向間隙。鉆具中無論串聯(lián)幾節(jié)渦輪節(jié)，各節(jié)之間的軸向間隙都不再相互影響，只需單獨(dú)調(diào)節(jié)好每一節(jié)渦輪節(jié)的軸向間隙即可。鑒于該種調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點(diǎn)，所研制的?89 mm渦輪鉆具采用獨(dú)立懸掛式渦輪節(jié)。

3 定轉(zhuǎn)子軸向間隙對(duì)渦輪鉆具輸出性能的影響

分析定轉(zhuǎn)子軸向間隙是否對(duì)渦輪鉆具性能的影響，應(yīng)著眼于渦輪鉆具的性能計(jì)算和效率計(jì)算。無論從渦輪鉆具性能直接計(jì)算分析，還是從渦輪鉆具能量轉(zhuǎn)化效率著眼，在一定流量的同種鉆井液條件下，定轉(zhuǎn)子軸向間隙在0至(H-2h)范圍內(nèi)變化對(duì)渦輪鉆具性能也幾乎沒有影響。

3.1 渦輪鉆具的轉(zhuǎn)化效率

渦輪鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能是由鉆進(jìn)介質(zhì)動(dòng)能轉(zhuǎn)化而來，其轉(zhuǎn)換效率η(由機(jī)械效率ηm、水力效率ηh和容積效率ηv三部分組成，見式(1)。

η=ηmηhηv

(1)

其中，機(jī)械效率ηm取決于軸承等零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和裝配質(zhì)量[8]，因此，同一套渦輪鉆具、相同的裝配質(zhì)量，機(jī)械效率是一個(gè)常數(shù)；渦輪的容積損失主要由渦輪定轉(zhuǎn)子之間的徑向間隙造成，同種流體同一流量下，容積效率ηv僅與渦輪葉片的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

水力損失主要是由沖擊損失和摩擦損失構(gòu)成，摩擦損失取決于葉片結(jié)構(gòu)、表面粗糙度和液體粘度、流量等因素，當(dāng)這些因素確定時(shí)，摩擦損失可以近似視為常數(shù)。沖擊損失是鉆井液與葉片進(jìn)口端發(fā)生沖擊造成的，只有渦輪在無沖擊轉(zhuǎn)速下工作，該損失才接近于0。定性分析，軸向間隙變化不改變鉆井液流速矢量，則鉆井液與葉片進(jìn)口端發(fā)生沖擊過程是一樣的，沖擊損失不變。各轉(zhuǎn)速工況下的沖擊損失難以直接測(cè)算，但是極限工況——無沖擊鉆速時(shí)，沖擊損失為0，與定轉(zhuǎn)子軸向間隙無關(guān)。由此可推斷出軸向間隙變化對(duì)水力效率幾乎沒有影響[9]。

機(jī)械效率、水力效率和容積效率，三者均與定轉(zhuǎn)子軸向間隙無直接關(guān)系，因此，軸向間隙變化對(duì)鉆具效率幾乎無影響。文獻(xiàn)[9]提到，某9 in渦輪鉆具，軸向間隙在5～20 mm范圍內(nèi)變化，其效率保持在0.83～0.84之間。

因此，從能量轉(zhuǎn)化效率角度分析，軸向間隙對(duì)渦輪鉆具性能無實(shí)質(zhì)性影響。

3.2 渦輪鉆具性能計(jì)算

從渦輪鉆具性能計(jì)算角度分析，可以直接得知，軸向間隙是否與鉆具性能有關(guān)。渦輪鉆具性能計(jì)算分為非穩(wěn)定狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)兩種情況。其中非穩(wěn)定狀態(tài)下，更與實(shí)際相符。當(dāng)然無論何種狀態(tài)下進(jìn)行渦輪性能計(jì)算，都有前提假設(shè)，但可以根據(jù)公式定量分析軸向間隙和性能之間的關(guān)系。

某一流量下，非穩(wěn)定狀態(tài)，某K級(jí)的渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的瞬時(shí)扭矩為[10]：

(2)

式中：K——渦輪級(jí)數(shù)；h=Rφtgβ，φ、β分別是包角和安放角；Q——通過渦輪的液體流量；γm——鉆井液密度；R——轉(zhuǎn)子葉片計(jì)算半徑；Cu——絕對(duì)速度的動(dòng)態(tài)圓周分量(與流量和葉型參數(shù)有關(guān))；C1u——轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口處絕對(duì)速度的圓周分量(與流量和葉型參數(shù)有關(guān))；C2u——轉(zhuǎn)子葉片出口處絕對(duì)速度的圓周分量(與流量和葉型參數(shù)有關(guān))。

非穩(wěn)定工作狀態(tài)下，瞬時(shí)壓降和瞬時(shí)功率可以由瞬時(shí)扭矩推導(dǎo)，但均與軸向間隙無關(guān)。

一般渦輪鉆具設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，都假定在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，則K級(jí)渦輪鉆具的理論壓降HK、理論扭矩MK、理論功率NK可由公式(3)～(6)計(jì)算[8,14]：

HK=K(u/g)(C1u-C2u)

(3)

MK=KQγmR(C1u-C2u)

(4)

NK=KQγmu(C1u-C2u)

(5)

u=2πRn/60

(6)

式中：u——轉(zhuǎn)子葉片計(jì)算直徑上的圓周速度；n——渦輪主軸轉(zhuǎn)速；g——重力加速度。

當(dāng)流量確定，同一種渦輪葉片或者說渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，則C1u-C2u是一個(gè)固定數(shù)值，可以說同轉(zhuǎn)速下，不同的軸向間隙下鉆具輸出扭矩、功率和壓降是一樣的。因此，盡管以上公式是在大量假設(shè)前提下推導(dǎo)計(jì)算的，但可以說無論非穩(wěn)定工作狀態(tài)下還是穩(wěn)定工作狀態(tài)下，渦輪性能計(jì)算與定轉(zhuǎn)子軸向間隙無關(guān)。

4 不同軸向間隙下?89 mm渦輪性能計(jì)算

前面理論分析已經(jīng)分析出軸向間隙與渦輪輸出性能的關(guān)系，下面以某?89 mm渦輪為例，根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)和有限元的原理，計(jì)算其不同軸向間隙下的輸出性能，驗(yàn)證軸向間隙和渦輪性能的關(guān)系。

4.1 分析方法

某?89 mm渦輪鉆具級(jí)高為32 mm，定轉(zhuǎn)子葉片高度為12 mm，新鉆具的軸向上間隙在實(shí)際裝配時(shí)設(shè)置為2～4 mm。在使用過程中，上間隙逐漸增大，因此，該處驗(yàn)證計(jì)算渦輪性能時(shí)，設(shè)置上間隙不止2～4 mm。

為研究軸向間隙對(duì)鉆具性能影響，假設(shè)零件全部為剛體，無形變，以單級(jí)渦輪為研究對(duì)象，該渦輪如果設(shè)定上間隙為a，則下間隙b為(8-a)，分別將定轉(zhuǎn)子的上間隙值設(shè)定為5個(gè)不同的值：2、3、4、5、6 mm。利用計(jì)算流體力學(xué)軟件，以6 L/s的清水作為流體介質(zhì)，在其他條件相同的情況下，分別計(jì)算單級(jí)定轉(zhuǎn)子的輸出性能，以分析軸向間隙變化對(duì)性能的影響。

目前，可對(duì)定轉(zhuǎn)子的流道流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬的軟件種類很多，但分析過程基本相同，主要有幾何造型、網(wǎng)格化、物理定義、求解和后處理分析幾個(gè)階段[10-12]。

4.2 結(jié)果分析

由圖2～5可知，軸向間隙對(duì)單級(jí)渦輪的扭矩、功率、壓降以及效率的影響極小，且鉆具性能并不隨著軸向間隙變化呈現(xiàn)明顯規(guī)律性變化。圖2表明，不同間隙下，輸出扭矩基本一致，上間隙分別為6 mm和3 mm時(shí)輸出扭矩略大其他間隙的扭矩，但差異幅度很小，約3%；間隙2、4、5 mm下的轉(zhuǎn)速扭矩曲線基本重合；扭矩隨軸向間隙變化無明顯規(guī)律。功率和壓降受軸向間隙影響情況，與之類似，影響甚微。圖5表明，不同間隙下的鉆具效率變化也很小。在2000 r/min的轉(zhuǎn)速下，5種不同間隙下，效率在91%～93%之間變化。

對(duì)于不同間隙下渦輪性能參數(shù)的細(xì)微變化，一方面，每次數(shù)值模擬計(jì)算自身存在偏差，相同邊界條件和設(shè)置，多次計(jì)算結(jié)果也不完全相同，例如同一渦輪同等條件下模擬計(jì)算100和1000 r/min轉(zhuǎn)速下的扭矩，第一次結(jié)果為1.38989和1.06014 N·m，第二次為1.41308和1.06673 N·m；另一方面，變化幅度非常小，對(duì)性能無實(shí)質(zhì)性影響。

圖2 轉(zhuǎn)速-扭矩曲線

圖3 轉(zhuǎn)速-功率曲線

圖4 轉(zhuǎn)速-壓降曲線

圖5 轉(zhuǎn)速-效率曲線

5 結(jié)論

綜上所述，軸向間隙能避免渦輪定子與轉(zhuǎn)子碰撞磨損，但是，定轉(zhuǎn)子軸向間隙難以確定一個(gè)最優(yōu)定值，只能處于0～(H-2h)范圍內(nèi)。當(dāng)軸向間隙成為0或(H-2h)時(shí)，定轉(zhuǎn)子將發(fā)生碰撞磨損。從渦輪鉆具性能理論計(jì)算公式分析，渦輪鉆具性能僅與渦輪定轉(zhuǎn)子葉型結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，而與渦輪定轉(zhuǎn)子的軸向間隙無直接關(guān)系；從渦輪鉆具能量轉(zhuǎn)化效率著眼，軸向間隙變化對(duì)水力效率幾乎沒有什么影響。通過對(duì)?89 mm渦輪鉆具的數(shù)值模擬計(jì)算表明，定轉(zhuǎn)子的軸向間隙對(duì)鉆具輸出扭矩、轉(zhuǎn)速、功率和壓降等性能參數(shù)影響極小，可以忽略。可見，軸向間隙在0～(H-2h)范圍內(nèi)變化對(duì)渦輪鉆具性能影響細(xì)微，軸向間隙設(shè)置應(yīng)考慮鉆具結(jié)構(gòu)尺寸和軸承磨損等因素。

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AnalysisontheInfluenceofAxialClearanceonthePerformanceof?89mmTurbodrill/

ZHAOZhi-tao,WENGWei,HUANGYu-wen,YANGPeng,XUJun-jun

(Beijing Institute of Exploration Engineering, Beijing 100083, China)

Reasonable axial clearance setting of turbodrill stator and rotor can ensure free rotation of rotation system to avoid the damage caused by the stator and rotor collision. The axial clearance is very important for tool’s service life, but it is difficult to determine a optimal value, which only can be in a range because of the interference of parts machining errors, expression deformation and some other factors. In order to analyze the influence of axial clearance on the performance of ?89mm turbodrill, the theoretical analysis is carried out on efficiency and performance parameters calculation process in this paper combining with numerical simulation. Numerical simulation is made on single-stage ?89mm turbine with different axial clearance by using computational fluid dynamics(CFD) software. The results show that the axial clearance has only slight influence on ?89mm turbodrill in a reasonable range and can be negligible.

turbodrill; axial clearance；efficiency; performance

P634.4+2；TE921+.2

：A

：1672-7428(2017)08-0089-04

2016-08-30；

：2017-02-14

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目“地質(zhì)深孔小口徑孔底動(dòng)力安全鉆探技術(shù)研究”(編號(hào)：2011DFR71170)；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“全國(guó)地下水污染綜合調(diào)查評(píng)價(jià)”(編號(hào)：12120113017500)

趙志濤，男，漢族，1984年生，地質(zhì)工程專業(yè)，碩士，從事探礦工程相關(guān)工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)探工樓406室，zhaozt@bjiee.com.cn。