旋轉(zhuǎn)射流鉆頭葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流流場影響規(guī)律的研究

楊 雄，佟 健，冉小豐 （長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

在徑向水平井高壓水射流鉆井過程中，旋轉(zhuǎn)射流鉆頭的結(jié)構(gòu)決定了旋轉(zhuǎn)射流的性能，從而也影響了高壓旋轉(zhuǎn)水射流破巖的效率。中國石油大學(xué)等高校和一些學(xué)者對旋轉(zhuǎn)射流鉆頭的葉輪、噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗研究，并且取得了一定的成果[1，2]；筆者之前也通過Fluent軟件對旋轉(zhuǎn)射流鉆頭內(nèi)外流場的速度與壓力分布和變化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬[3]。但葉輪結(jié)構(gòu)對射流流場的影響規(guī)律還沒有進(jìn)行深入的探討。故此將就不同葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流流場的影響規(guī)律作進(jìn)一步的研究。

1 確定葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

在影響射流流場的葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)中，已經(jīng)確定葉輪外徑為25mm，輪轂直徑為6mm；剩下需要考慮的葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)為葉輪導(dǎo)向角β、葉輪葉片數(shù)n和葉輪長度L0。通過模擬和分析旋轉(zhuǎn)射流的內(nèi)外流場及應(yīng)用翼型繞流理論[4]，研究以上3個葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流流場的影響規(guī)律。此外，在使用Fluent軟件進(jìn)行模擬分析時，首先在選定β、n和L0中任意2個結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，改變另外一個結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬試驗與分析。

2 結(jié)果與分析

在不同葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，通過對旋轉(zhuǎn)射流鉆頭內(nèi)外流場的速度與壓力分布和變化規(guī)律的數(shù)值模擬，得出葉輪入口S1截面和出口S2截面的速度分量 （軸向速度和切向速度）和壓力分布 （入口壓力和出口壓力）（圖1），通過計算得到流體通過葉輪之后的旋流強(qiáng)度和流量系數(shù)[4，5]，來分析不同葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對旋轉(zhuǎn)射流流場的影響規(guī)律，同時還要考慮葉輪的加工制造精度和成本等因素，確定葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的合適范圍。

2.1 葉輪導(dǎo)向角β對旋轉(zhuǎn)射流流場的影響

隨著葉輪導(dǎo)向角β的增大，葉輪出口S2截面上的軸向速度先增大后減??；切向速度則不斷增大（圖2）。其中，在β＝60°時，軸向速度達(dá)到最大；在β＝80°時，切向速度達(dá)到最大。由軸向速度和切向速度與旋流強(qiáng)度的關(guān)系計算可知，隨著葉輪導(dǎo)向角β的增大，旋流強(qiáng)度也不斷增大。

圖1 葉輪入口和出口處截面位置示意圖型

圖2 不同葉輪導(dǎo)向角β對葉輪出口S2截面速度的影響

隨著葉輪導(dǎo)向角β的增大，葉輪入口S1截面上的壓力和葉輪出口S2截面上的壓力均不斷增加，對比圖3（a）、（b）可知，葉輪入口S1截面和出口S2截面的壓差不斷增大。由于壓差的平方根與流量系數(shù)成反比[4]，所以隨著葉輪導(dǎo)向角β的增大，出口處的流量系數(shù)不斷減小。

圖3 不同葉輪導(dǎo)向角β對葉輪入口S1截面和出口S2截面壓力的影響

隨著葉輪導(dǎo)向角β的增大，旋流強(qiáng)度不斷增大，所以旋轉(zhuǎn)射流的擴(kuò)散性增強(qiáng)，破巖面積增大[5]。但是出口處的流量系數(shù)不斷減小，從而降低了射流破巖所需要的能量。因此，葉輪導(dǎo)向角β＝50～60°時，破巖效率較高。

2.2 葉輪葉片數(shù)n對旋轉(zhuǎn)射流流場的影響

隨著葉輪葉片數(shù)n的增加，葉輪出口S2截面上的軸向速度先增大后減小；葉輪出口S2截面上的切向速度不斷增大 （圖4）。其中，在葉輪葉片數(shù)n＝4片時，軸向速度達(dá)到最大；葉輪葉片數(shù)n＝7片時，切向速度達(dá)到最大。所以隨著葉輪葉片數(shù)n的增加，旋流強(qiáng)度也不斷增大。

隨著葉輪葉片數(shù)n的增加，葉輪入口S1截面上的壓力和葉輪出口S2截面上的壓力均先減小后增大，對比圖5（a）、（b）可知，葉輪入口S1截面和出口S2截面的壓差不斷增大。所以隨著葉輪葉片數(shù)n的增加，出口處的流量系數(shù)不斷減小。

從旋轉(zhuǎn)射流破巖鉆進(jìn)的特點(diǎn)來看，需要在保證一定能量傳輸效率的前提下，盡可能提高旋流強(qiáng)度，而隨著葉輪葉片數(shù)n的增多，旋流強(qiáng)度和流量系數(shù)卻朝兩個相反的方向變化。所以綜合分析認(rèn)為，在葉輪葉片數(shù)n＝4時，既能保證旋流強(qiáng)度，也不會使能量損失過大。另外，由于葉輪葉片數(shù)的增多，加工制造的精度和成本等也不斷增加。

圖4 不同葉輪葉片數(shù)n對葉輪出口S2截面速度的影響

圖5 不同葉輪葉片數(shù)n對葉輪入口S1截面和出口S2截面壓力的影響

2.3 葉輪長度L0對旋轉(zhuǎn)射流流場的影響

隨著葉輪長度L0的增加，葉輪出口S2截面的軸向速度和切向速度均先增大后減小。其中，在葉輪長度L0＝20mm時，軸向速度和切向速度同時達(dá)到最大 （圖6）。所以隨著葉輪長度L0的增加，旋流強(qiáng)度呈現(xiàn)上下波動狀態(tài)。

隨著葉輪長度L0的增加，葉輪入口S1截面上的壓力先減小后略有增加，葉輪出口S2截面的壓力不斷減小，對比圖7（a）、（b）可知，葉輪入口S1截面和出口S2截面的壓差不斷增大。所以，隨著葉輪長度L0的增加，出口處的流量系數(shù)不斷減小。

綜合分析可知，葉輪長度L0為20～25mm范圍內(nèi)時，軸向速度和切向速度較大，旋流強(qiáng)度達(dá)到較大，能量損失小。

3 結(jié) 論

1）隨著葉輪導(dǎo)向角β、葉輪葉片數(shù)n、葉輪長度L0的增加，葉輪出口處的軸向速度均是先增大后減小，而在葉輪出口處的切向速度均是增大，在葉輪入口和出口壓差也是不斷增大。

圖6 不同葉輪長度L0對葉輪出口S2截面速度的影響

圖7 不同葉輪長度L0對葉輪入口S1截面和出口S2截面壓力的影響

2）研究表明，葉輪導(dǎo)向角β對射流流場的影響作用最大，葉輪葉片數(shù)n的影響次之，葉輪長度L0的影響程度最小。

3）當(dāng)葉輪導(dǎo)向角β為50～60°，葉輪葉片數(shù)n為4，葉輪長度L0為20～25mm時，葉輪對流體加旋效果和能量傳輸效率相對來說可達(dá)到最佳。

[1]Ni H J，Wang R H.A study of the rock breaking mechanism during swirling water jet drilling [J].Petroleum Science，2004，1 （1）：39～44.

[2]何育榮，沈忠厚，王瑞和 .錐形旋轉(zhuǎn)水射流的試驗研究 [J].石油大學(xué)學(xué)報，1994，18（1）：30～34.

[3]楊雄，冉小豐，陽婷 .基于Fluent的徑向水平井旋轉(zhuǎn)射流鉆頭內(nèi)外流場數(shù)值模擬 [J].石油天然氣學(xué)報，2011，33（11）：154～157.

[4]王慧藝，周衛(wèi)東 .旋轉(zhuǎn)射流鉆頭的葉輪設(shè)計 [J].石油大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版），1997，21（4）：43～45.

[5]薛勝雄 .高壓水射流技術(shù)與應(yīng)用 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.