井下小尺寸水力渦輪設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉保俠,張文濤,王宗明,張 銳,張 鼎

(1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)壓縮機(jī)組維檢修中心,河北 廊坊065000;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東),山東 青島266580;3.北京華林源工程咨詢有限公司,北京100000)

渦輪鉆具的關(guān)鍵部件是動(dòng)力渦輪[1-2],一級(jí)渦輪包括定子和轉(zhuǎn)子,工作時(shí)液體首先經(jīng)過(guò)定子整流,使液體沿著葉片型線方向流出,液體的部分壓力能轉(zhuǎn)化成流體動(dòng)能,然后液體流入轉(zhuǎn)子并沖擊轉(zhuǎn)子葉片,葉片在液體推力作用下帶動(dòng)主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn),從而將流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子的機(jī)械能[3]。渦輪馬達(dá)葉片排列緊密、耐溫能力遠(yuǎn)高于有機(jī)材料部件,但基于葉片動(dòng)力學(xué)的原理分析,渦輪定子外徑不小于?127 mm[4-5],難以滿足小空間的驅(qū)動(dòng)要求。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在小尺寸渦輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面進(jìn)行了較多的研究。VNIIBT公司[6]所研制的直徑為?127 mm的渦輪鉆具,額定轉(zhuǎn)速為1 016～2 474 r/min,轉(zhuǎn)矩為0.52～7.25 kN·m;趙洪波[7]以外徑為?127 mm的渦輪鉆具為例,對(duì)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),減少了水力損失;翁煒等[8]開發(fā)了直徑?127 mm的渦輪,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)比?165 mm渦輪鉆具,平均鉆速提高約30%;西北油田分公司[9]等單位共同開發(fā)了TDR1-127型減速渦輪鉆具,試驗(yàn)井段鉆速與同井相鄰地層轉(zhuǎn)盤鉆井方式的鉆速相比提高約80%;北京探礦研究所[4]成功開發(fā)了?89 mm的小直徑水力渦輪,代表著我國(guó)小尺寸渦輪研究的新進(jìn)展;楊鈞杰[10]優(yōu)化設(shè)計(jì)了外徑?73 mm渦輪的葉片型線,渦輪總效率可達(dá)52%,但沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用。

目前,在小尺寸水力渦輪方面的研究仍然不夠充分。該文設(shè)計(jì)了1種基本型小尺寸水力渦輪,并進(jìn)行了數(shù)值模擬,進(jìn)一步優(yōu)化了渦輪葉片結(jié)構(gòu),為小尺寸渦輪的開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1 基本型小尺寸渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 渦輪基本參數(shù)

該小尺寸水力渦輪主要用于井下驅(qū)動(dòng),其目標(biāo)工作轉(zhuǎn)速約為1 430 r/min,排量不超過(guò)6.75 L/s,轉(zhuǎn)矩為1.0 N·m?？紤]具體驅(qū)動(dòng)空間要求,渦輪尺寸盡可能小,定子外徑取?76 mm,渦輪基本結(jié)構(gòu)尺寸如圖1。

圖1 渦輪基本結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 葉片型線設(shè)計(jì)方法

借鑒經(jīng)驗(yàn)值[11],設(shè)定沖擊度系數(shù)ma=0.5、厚度彎角δ=10°、最大厚度位置(a/b)=0.375?；谠O(shè)計(jì)前提及渦輪基本結(jié)構(gòu)參數(shù),應(yīng)用文獻(xiàn)中的葉片關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算公式,可以得到葉型的基本參數(shù),如表1。葉片關(guān)鍵參數(shù)及形狀如圖2。文中基于參數(shù)造型法進(jìn)行葉片型線設(shè)計(jì),并用五次多項(xiàng)式表達(dá)葉片型線特征[12]。

表1 葉柵及葉片關(guān)鍵參數(shù)

圖2 葉型參數(shù)示意圖

1.3 渦輪三維造型

葉片造型關(guān)鍵是設(shè)計(jì)葉片壓力面、背壓面型線軌跡。獲得型線方程后,運(yùn)用SolidWorks三維造型軟件,先設(shè)置自定義函數(shù),然后完成葉片型線繪制,從而對(duì)渦輪進(jìn)行實(shí)體建模。葉片的實(shí)體模型如圖3,定、轉(zhuǎn)子實(shí)體模型如圖4。

圖3 渦輪葉片實(shí)體示意圖

圖4 定、轉(zhuǎn)子實(shí)體示意圖

2 計(jì)算模型和邊界條件

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

針對(duì)渦輪結(jié)構(gòu)和流動(dòng)情況抽出流體域,得到計(jì)算域的三維模型,劃分網(wǎng)格,并針對(duì)定、轉(zhuǎn)子葉片部位進(jìn)行局部網(wǎng)格加密,得到計(jì)算模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),如圖5所示。

圖5 渦輪模型網(wǎng)格劃分

2.2 控制方程及湍流模型

本文數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中考慮了質(zhì)量守恒條件、動(dòng)量守恒條件以及能量守恒條件,以此組成了基本控制方程組,并應(yīng)用了RNGk-ε湍流模型,該湍流模型比較適合于復(fù)雜的剪切流動(dòng)和旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。

2.3 邊界條件

渦輪定子液體進(jìn)口定為速度入口,設(shè)置為3.84 m/s;渦輪轉(zhuǎn)子出口定為壓力出口,表壓為0;轉(zhuǎn)子部分將壁面設(shè)置為動(dòng)壁面,按y軸方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn),壁面為無(wú)滑移壁面。流動(dòng)介質(zhì)設(shè)置為常溫液態(tài)水,密度取為常溫密度,設(shè)置運(yùn)動(dòng)黏度為1 mm2/s。

2.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證及模型正確性驗(yàn)證

分別選取42萬(wàn)、80萬(wàn)、140萬(wàn)、220萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為140萬(wàn)時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩、壓降、效率已經(jīng)趨于穩(wěn)定,滿足計(jì)算要求,因此后續(xù)小尺寸水力渦輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中選取網(wǎng)格數(shù)量為140萬(wàn)。

應(yīng)用文獻(xiàn)[13]中理論公式,對(duì)比分析了數(shù)值模擬結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果差異,在此主要分析了轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速關(guān)系以及功率-轉(zhuǎn)速關(guān)系,探討了計(jì)算模型的合理性。分析表明,相對(duì)于轉(zhuǎn)速,渦輪的水力特性曲線與理論結(jié)果基本吻合,兩者最大誤差值小于9%,驗(yàn)證了渦輪流動(dòng)計(jì)算模型和模擬方法的正確性。

3 基本型渦輪模擬結(jié)果

3.1 速度場(chǎng)分析

轉(zhuǎn)速分別取143、746、1 145、1 718 r/min,渦輪內(nèi)部速度場(chǎng)的分布如圖6,可見(jiàn)液體對(duì)轉(zhuǎn)子壓力面的沖擊力與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān),并且在轉(zhuǎn)子壓力面周邊區(qū)域,速度趨于均勻分布;轉(zhuǎn)子高速工作時(shí),會(huì)迫使其背壓面的后半部分及后緣周邊區(qū)域的流體高速運(yùn)動(dòng),從而削弱了轉(zhuǎn)子在低速工作時(shí)存在的尾渦現(xiàn)象。當(dāng)渦輪速度超過(guò)某一數(shù)值時(shí),這種尾渦現(xiàn)象更加不明顯。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下渦輪內(nèi)部速度云圖

3.2 壓力場(chǎng)分析

轉(zhuǎn)速分別設(shè)為143、746、1 145、1 718 r/min時(shí),渦輪內(nèi)部壓力場(chǎng)分布如圖7。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下渦輪內(nèi)部壓力云圖

由圖7可見(jiàn),當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速提高時(shí),葉片壓力面的駐壓會(huì)隨之變小,壓力的分布也越來(lái)越均勻;轉(zhuǎn)子葉片與定子葉片之間的相對(duì)流動(dòng)增加,液體繞流轉(zhuǎn)子葉片前緣后產(chǎn)生一定負(fù)壓區(qū),有利于轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定。

3.3 基本型渦輪水力性能

針對(duì)基本型渦輪尺寸,其他條件不變,改變轉(zhuǎn)速,對(duì)渦輪水力性能進(jìn)行多次數(shù)值模擬,研究轉(zhuǎn)矩、功率、壓降及效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。可以得出,隨著轉(zhuǎn)速的增加,效率、壓降和輸出功率存在極值;轉(zhuǎn)速與扭矩呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系。對(duì)于基本型小尺寸渦輪,當(dāng)轉(zhuǎn)速為1719 r/min時(shí),渦輪的效率達(dá)到最大值;排量為6.75 L/s時(shí),轉(zhuǎn)矩為1.177 N·m,輸出功率為176.6 W,效率為77.8%。

4 正交優(yōu)化分析

4.1 正交方案設(shè)計(jì)

葉片的葉型受多種因素影響,表現(xiàn)為多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù),根據(jù)經(jīng)驗(yàn),一些結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)有明確的最優(yōu)值,不需要再進(jìn)行分析。在此選擇5個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)作為正交分析的關(guān)鍵因子,分別為前楔角A、后楔角B、前緣半徑C、后緣半徑D以及葉片高度E,判斷渦輪的水力性能。5個(gè)因素具體意義如圖2。因子水平表如表2。

表2 因子水平

4.2 因子顯著性分析

在轉(zhuǎn)速為1 432 r/min的前提下,選用L16(45)正交表進(jìn)行數(shù)值模擬分析[14],根據(jù)正交表所確定的渦輪葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)組合,建立計(jì)算幾何建模,然后進(jìn)行網(wǎng)格劃和修正,以輸出扭矩和效率作為分析指標(biāo),應(yīng)用Fluent數(shù)值模擬軟件對(duì)16組正交試驗(yàn)方案進(jìn)行仿真計(jì)算,得到正交模擬結(jié)果如表3。

表3 正交計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)正交分析計(jì)算,得到結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輸出扭矩的分析結(jié)果如表4[11]。極差R大,因子的影響也較大,對(duì)渦輪輸出扭矩影響由大到小5個(gè)因子的前后順序?yàn)?C>B>A>E>D。F值表明因子影響的顯著性,對(duì)比F值可知前緣半徑對(duì)渦輪輸出扭矩的影響非常顯著,其次為后楔角、前楔角、葉片高度,后緣半徑的影響最不顯著。

表4 轉(zhuǎn)矩正交分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)參數(shù)影響效率的正交分析結(jié)果如表5,同理分析可知,按照對(duì)渦輪水力效率影響程度由大到小各因子順序的依次為:E>A>D>C>B;葉片高度對(duì)渦輪水力效率的影響非常顯著,其次為前楔角、后緣半徑、前緣半徑,后楔角對(duì)渦輪水力效率的影響最不顯著。

表5 效率正交分析結(jié)果

4.3 最優(yōu)參數(shù)推薦

圖8為因子水平與轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖,圖9為因子水平與效率關(guān)系圖[16]。由圖8～9并結(jié)合表4和表5分析可得,葉片前楔角對(duì)效率的影響程度顯著大于對(duì)轉(zhuǎn)矩影響,所以通過(guò)效率這一性能指標(biāo)來(lái)確定前楔角的取值,水力效率隨著前楔角的變小而增大,前楔角取較小值,即第1水平;同理分析可知,后楔角顯著影響著輸出轉(zhuǎn)矩,后楔角超過(guò)一定值后,隨著后楔角增大,輸出轉(zhuǎn)矩增大較快,后楔角取較大水平,即第4水平;后緣半徑對(duì)效率影響很大,效率隨著后緣半徑的減小而增大,后緣半徑取較小水平,即第1水平;葉片高度顯著影響葉片效率,效率隨著葉高的增大而增大,葉片高度取第4水平;前緣半徑對(duì)轉(zhuǎn)矩有顯著影響,前緣半徑越大,輸出轉(zhuǎn)矩越大,前緣半徑取第4水平。綜上所述,得到了渦輪葉片優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),即前楔角取15°、后楔角取15°、前緣半徑取1 mm、后緣半徑取0.3 mm、葉片高度取9 mm。

圖8 因子水平與轉(zhuǎn)矩關(guān)系

圖9 因子水平與效率關(guān)系

4.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能研究

對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)渦輪進(jìn)行數(shù)值模擬,可得其速度云圖和速度矢量圖(如圖10)以及壓力云圖(如圖11)。分析圖10可知,優(yōu)化結(jié)構(gòu)的渦輪內(nèi)部流動(dòng)得到明顯改善,流動(dòng)更加順暢,旋渦區(qū)域變小,液流基本正對(duì)動(dòng)葉壓力面,沖動(dòng)效果明顯加強(qiáng)。由圖11得出,渦輪整體壓降不太大,從壓力分布可知,動(dòng)葉前后壓差較高,有效地提高了渦輪的轉(zhuǎn)矩。

對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)渦輪水力性能進(jìn)行分析可得,轉(zhuǎn)速1 432 r/min時(shí),渦輪的輸出轉(zhuǎn)矩為1.245 N·m,較基本型提升約5.8%;輸出功率為186.8 W,較基本型提升約5.8%;水力效率為80.26%,較基本型提升約2.4%。

圖10 優(yōu)化渦輪速度云圖及矢量圖

圖11 優(yōu)化渦輪壓力云圖

5 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了基本型小尺寸水力渦輪。通過(guò)正交計(jì)算分析得到了渦輪葉片的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù),即,前楔角15°、后楔角15°、前緣半徑0.6 mm、后緣半徑0.3 mm、葉高9 mm。為后續(xù)小尺寸渦輪的開發(fā)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2) 通過(guò)對(duì)水力渦輪的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)排量為6.75 L/s時(shí)轉(zhuǎn)矩可達(dá)1.245 N·m,水力效率最大可為80.26%,其性能指標(biāo)均優(yōu)于基本型渦輪。