泥漿渦輪發(fā)電機用葉輪設計及性能分析

張達，萬教育，王恒，唐思雨，秦二衛(wèi)

（1.北京精密機電控制設備研究所，北京 100000；2.西部鉆探定向井技術服務公司，新疆 克拉瑪依 834000）

隨著鉆采技術的發(fā)展，井下控制機構趨于精細化、復雜化，相應其耗電量也不斷加大，進而要求井下供電電源能夠長時間可靠工作，從而為系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的電能。目前，井下供電電源主要有2類，即鋰電池組和泥漿渦輪發(fā)電機。鋰電池組受自身特性限制，耐溫能力差，使用壽命短，應用成本高，且存在環(huán)境污染隱患。與之對應，泥漿渦輪發(fā)電機利用泥漿發(fā)電并完成測量數(shù)據傳輸，可長時間為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電力，工作壽命長，從而可傳輸更多參數(shù)，代表井下鉆采技術的發(fā)展趨勢。泥漿渦輪發(fā)電機利用泥漿驅動葉輪葉片旋轉，帶動發(fā)電機工作。作為能量轉化的核心部件，葉輪的尺寸和幾何形狀對泥漿渦輪發(fā)電機的性能有決定性影響?；诖?，開展泥漿渦輪發(fā)電機用葉輪性能研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 葉輪理論

1.1 葉輪配置

利用軸流式葉片泵葉片的設計方法，選擇葉輪的結構配置方式如圖1所示，定輪和動輪配合使用，由定輪調整泥漿流向使之產生預旋，為動輪葉片進口提供所需的周向速度。同時通過調整動輪角度，可保證泥漿渦輪發(fā)電機滿足各種不同泥漿排量需求，從而適應多種井下地質環(huán)境。裝配定輪及動輪的泥漿渦輪發(fā)電機如圖2所示。

圖1 葉輪結構配置

圖2 泥漿渦輪發(fā)電機

1.2 葉片形式選擇

葉輪按葉片形式大致可分為直葉片和扭葉片2種。直葉片形式葉輪徑向葉高小，適合于鉆鋌空間較小的場合，強度特性好，增加葉片可以明顯提高葉輪水力效率，減小單個葉片受力，延長葉輪壽命，但精密加工復雜。扭曲葉片形式葉輪徑向葉高大，適用于鉆鋌空間較大的場合，葉片輪廓曲率較大、重合度較大，效率高。葉輪效率同樣隨葉片數(shù)目的增加而提高，但對扭曲曲面來說，成型加工也是一個復雜的過程。基于最大轉換效率考慮，定輪和動輪的葉片均選擇扭葉片形式。

1.3 材料選擇

泥漿渦輪發(fā)電機工作于井下高溫高壓場合，流場環(huán)境及其惡劣，其具體工作參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)電機工作參數(shù)

由表1可見，系統(tǒng)對泥漿渦輪材料要求較高，基于此定輪及動輪材料均選擇1Cr18Ni9Ti，即沉淀硬化不銹鋼。該材料硬度較高，具有優(yōu)良的耐熱抗腐蝕能力。

2 流場仿真分析

泥漿渦輪發(fā)電機葉輪所處流場是高溫高壓環(huán)境下復雜的三維粘性湍流流場，為研究流道內流場情況，采用CFD方法對其進行分析。

2.1 模型建立

用CFD方法進行模擬計算，需將實體模型轉化為流道模型，建立三維流道模型如圖3所示。

圖3 三維流道模型

2.2 計算模型網格的劃分

模型的離散化需對幾何模型劃分網格。FLUENT作為一種求解器，在二維問題中可以使用由三角形、四邊形或混合單元組成的網格，在三維問題中可以使用四面體、六面體、金字塔形以及楔形單元，或者兩種單元的混合。網格質量的好壞對計算結果有很大的影響，本文生成的網格模型如圖4所示。

圖4 網格模型

2.3 邊界條件設置

邊界條件的設置是數(shù)值計算的重要內容。在本文中需要涉及到壁面邊界、進出口邊界以及定子和轉子交界面。根據泥漿葉輪工作特點，定子進口邊界設為速度入口邊界，速度大小由流量和閥門通徑決定；轉子出口邊界設為壓力出口邊界；定子出口與轉子進口定義為混合面，并分別為壓力出口、壓力進口邊界。定子、轉子具有相對轉動，采用相對坐標，將轉子定義為旋轉區(qū)域。固體壁面定義為靜止壁面，采用標準壁面函數(shù)。

2.4 計算設置

在計算時設置為分離的隱式求解方法，此方法占用較少的計算機資源，但求解時間稍長。對動量方程、紊動方程均采用精度較高的二階迎風差分格式進行離散，對速度與壓力耦合采用經典的SIMPLE算法。

2.5 結果分析

轉速為2500r/min時，泥漿葉輪中截面壓力云圖如圖5所示，泥漿葉輪進口處壓降相對較大，葉片壓力面壓力較高；在泥漿葉輪出口處，壓降相對較小，葉片壓力面壓力較低。

圖5 壓力云圖

在工作流量為15L/s時，取介質為清水，預估摩擦扭矩為0.262Nm，計算得到泥漿葉輪輸出功率曲線如圖6所示?？紤]摩擦扭矩，轉速為2500r/min時，輸出功率可到120W；在該流量下，最大輸出功率可到350W。

圖6 輸出功率曲線

3 試驗分析

采用大型水力循環(huán)測試臺對泥漿渦輪發(fā)電機用葉輪進行水力循環(huán)測試，試驗裝置原理如圖7所示。該裝置采用電子負載模擬真實用電設備，可測試泥漿渦輪發(fā)電機在給定排量下的工作情況，通過測試口讀取發(fā)電機轉速獲得葉輪轉速，通過流量計讀取實際流量。

圖7 試驗裝置原理圖

試驗中采用清水作為介質，調節(jié)水力循環(huán)流量為15L/s，在不同負載情況下對泥漿渦輪發(fā)電機進行測試，得到對應輸出功率下的轉速，將實測值與計算值進行對比，如表2所示。由表可見，當帶載120W時，實測轉速為2556r/min，計算轉速為2500r/min，二者比較接近。

表2 流量15L/s時轉速值對比

實測轉速-負載曲線與計算轉速-負載曲線對比如圖8所示。由圖可見，流量15L/s時，隨著負載加大，轉速降低，轉速在2450r/min到2700r/min之間波動；在該流量下，實測曲線轉速下降趨勢與計算曲線轉速下降趨勢一致，數(shù)值較為接近，同時由于摩擦扭矩無法準確預估、測試存在誤差等因素，實測轉速與計算轉速間存在誤差。

圖8 轉速-負載曲線

4 結語

受安裝尺寸及使用工況限制，葉輪的合理設計是井下泥漿渦輪發(fā)電機正常工作的重要保證，其性能直接影響泥漿渦輪發(fā)電機的工作能力。泥漿葉輪進口處壓降相對較大，葉片壓力面壓力較高；泥漿葉輪出口處，壓降相對較小，葉片壓力面壓力較低。在固定流量下，采用CFD仿真分析得出泥漿渦輪轉速-負載曲線與實測轉速-負載曲線較為接近，所用計算方法合理。

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