54mm渦輪鉆具三維葉片造型設(shè)計與研究

張宇航 張強 辛永安 段晨偉 紀(jì)昌桂

摘要：針對渦輪轉(zhuǎn)子不同半徑圓柱層液體圓周速度不同，導(dǎo)致的液體與轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生沖擊產(chǎn)生的水力損失問題，利用多截面造型方法建立了一種三維葉片渦輪。基于實際工況中從第二級渦輪開始，定子入口的流速是上一級渦輪轉(zhuǎn)子出口流速，速度方向并不垂直于定子入口面這一情況，對現(xiàn)有的渦輪流道模型進行修正，建立了多級流道模型。通過數(shù)值模擬方法，對多級渦輪流道模型進行流場分析，得到中間一級渦輪的相關(guān)性能參數(shù)的特性曲線。研究結(jié)果表明：三維葉片渦輪壓降更低，單幅渦輪壓降減少約為12%；在最佳工況點處，三維葉片渦輪效率達到了60.25%，比直葉片渦輪高出約10%?？紤]徑向間隙對渦輪性能的影響，建立了相對應(yīng)的流道模型，驗證了方案的可行性。研究結(jié)果對渦輪葉片的設(shè)計和多級渦輪流場分析具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：渦輪鉆具；三維葉片；水力性能；壓降；效率

0 引 言

目前，連續(xù)管作業(yè)技術(shù)在油氣開采中扮演著越來越重要的角色，它在高溫高壓井定向鉆井、欠平衡鉆井、老井加深和不同條件下的鉆磨作業(yè)中具有很大優(yōu)勢［1］?，F(xiàn)如今在國內(nèi)沒有專門適用于連續(xù)管作業(yè)的小尺寸渦輪鉆具，且小尺寸渦輪鉆具的研究也不夠深入，2016年國內(nèi)才研制出尺寸為89 mm的渦輪鉆具。渦輪鉆具是一種重要的井下動力鉆具，其特點為轉(zhuǎn)速高、耐高溫、扭矩小，適用于深井和超深井作業(yè)［2］。在渦輪鉆具的設(shè)計中，往往將追求更高的水力性能放在首位，渦輪定、轉(zhuǎn)子作為渦輪鉆具的能量轉(zhuǎn)化核心，定、轉(zhuǎn)子葉片往往直接決定了渦輪的性能。在渦輪性能優(yōu)化中，研究者一般都是關(guān)注葉片型線設(shè)計，而忽略了葉片的整體造型。張曉東等［3］基于Bezier曲線理論方法，結(jié)合Turbosystem系統(tǒng)，提出了渦輪葉片參數(shù)化造型及性能預(yù)測的數(shù)值模擬方法；何順等［4］利用高階Bezier曲線對渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片進行設(shè)計，并對渦輪進行水力仿真研究，證明利用高階Bezier曲線造型得出的渦輪葉片有更高的水力性能；歐松［5］采用等環(huán)量扭曲法對定轉(zhuǎn)子葉片的參數(shù)進行計算，利用NUMECA軟件中的AUTOBLADE模塊對葉片進行參數(shù)化造型。國內(nèi)渦輪鉆具葉片大多采用直葉片，三維葉片渦輪很少有相關(guān)的研究報道。直葉片是指在不同半徑圓柱層上葉片型線相同，而三維葉片在不同半徑的圓柱層上的葉片型線不同，更契合液體在渦輪定、轉(zhuǎn)子流道中的運動規(guī)律。筆者結(jié)合平面葉柵的設(shè)計方法，基于多截面造型法建立了單級三維葉片渦輪，并采用數(shù)值模擬的方法，得出了三維葉片渦輪和直葉片渦輪的性能參數(shù)的特性曲線，所得結(jié)果對小尺寸渦輪鉆具三維葉片的設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

1 渦輪基本流動假設(shè)

渦輪鉆具的渦輪為軸流式，液體沿軸向在渦輪里流動，如圖1所示。液體經(jīng)過定子葉片的導(dǎo)流作用流入轉(zhuǎn)子，一方面隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)做圓周運動，另一方面沿著轉(zhuǎn)子葉片方向流出進入下級渦輪。液體在單級渦輪里的運動是在直徑為D1和D2的2個同軸圓柱面間的運動，可以看作是無數(shù)圓柱層液體的合成運動。在直葉片渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計中，一般采用單元理論法，即把液體在單級渦輪里的運動看作在一個直徑為D的圓柱層里的運動［6］。本文以任意一個直徑為Di的圓柱層液體的運動為研究對象，設(shè)計計算多個圓柱層的葉片型線，建立一種渦輪鉆具的三維葉片。為簡化計算做出如下假設(shè)：液體為理想液體，即液體無黏性，流動時無摩擦阻力的影響；每個圓柱層中液體運動的圓周速度和圓柱層半徑大小成線性關(guān)系。

2 渦輪三維葉片造型設(shè)計

2.1 三維葉片設(shè)計理論及葉片造型

液體在渦輪葉片中流動時，由于流量一定，絕對速度c1的方向和大小相同。圖2是液體進入轉(zhuǎn)子的3種情況。其中圖2b為最佳狀態(tài)，此時液體進入轉(zhuǎn)子葉片的相對速度w1與轉(zhuǎn)子葉片的進口結(jié)構(gòu)角方向一致。但在實際情況中，在不同半徑的圓柱層中圓周速度u并不相等，即液體與葉片的牽連速度不相等，導(dǎo)致液體不能平滑地進入轉(zhuǎn)子葉片，造成水力損失，而多截面的三維葉片造型方法可以很好地解決這一問題。多截面的三維葉片造型在不同半徑的圓柱層上葉片型線不一樣，根據(jù)不同半徑圓柱層中液體的運動情況，設(shè)置不同的轉(zhuǎn)子葉片進口結(jié)構(gòu)角。

2.2 渦輪定、轉(zhuǎn)子三維造型

考慮到54 mm渦輪鉆具尺寸的限制，單級渦輪的流道大、小徑分別為37.2和28.5 mm，渦輪鉆具設(shè)計流量為3.6 L/s，無沖擊轉(zhuǎn)速為2? 500 r/min，單級渦輪輸出扭矩為0.34 N·m，渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片高度為4.5 mm。

渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片壓力面和吸力面型線利用五次多項式進行造型，借助MATLAB軟件分別對直徑為28.500、30.675、32.850、35.025和37.200 mm的5個圓柱層葉片葉型進行設(shè)計計算，得到不同圓柱層葉片葉型主要設(shè)計參數(shù)（見表1）以及葉片葉型方程，平均直徑處截面的葉片型線（見圖3）。

將不同截面的葉片型線的數(shù)據(jù)點進行提取，將其導(dǎo)入到SolidWorks三維造型軟件中，完成三維葉片的造型，如圖4所示。

3 三維葉片水力性能分析

3.1 流道模型建立

基于渦輪定、轉(zhuǎn)子的三維模型，利用SolidWorks軟件的布爾運算功能對單級渦輪流體進行提取，建立相應(yīng)的流道模型。為了減小流體在入口和出口邊界與實際流動的差異，入口段和出口段均延長1倍葉片高度的距離［10］?？紤]到實際工況中從第二級渦輪開始，定子入口的流速是上一級渦輪轉(zhuǎn)子出口流速，速度方向并不垂直于定子入口面這一情況，對流道模型進行修正，建立多級流道模型，如圖5所示。將建立的多級渦輪流道模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進行網(wǎng)格劃分，為了提高計算精度，采用六面體和四面體混合網(wǎng)格的劃分方法，并將葉片及附近區(qū)域網(wǎng)格進行加密。

3.2 數(shù)值模擬計算

基于建立的流道模型，利用ANSYS中的CFX模塊對單級渦輪進行數(shù)值模擬計算，根據(jù)渦輪的工作條件可以將渦輪定子的進口設(shè)置為速度進口（velocity-inlet），速度大小為8.6 m/s，定子出口與轉(zhuǎn)子入口為交接面，交接面的類型可定義為frozen rotor，轉(zhuǎn)子出口設(shè)置為壓力出口（pressure-outlet），壓力大小設(shè)置為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。將定子流體域設(shè)置為靜止，轉(zhuǎn)子流體域轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 500 r/min，轉(zhuǎn)子葉片壁面隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，其余壁面靜止，可設(shè)置為無滑移壁面。通過仿真計算得出三維葉片單級渦輪的壓力云圖和速度云圖，如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可以看出，液體流經(jīng)定子時，首先沖擊定子葉片前緣，液體速度減小產(chǎn)生局部高壓，然后液體分為2部分，分別流經(jīng)定子葉片的壓力面和吸力面，且壓力面的流體壓力明顯大于吸力面的流體壓力。液體在流經(jīng)吸力面時流速明顯增大。2部分液體通過定子葉片的導(dǎo)流作用進入轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子葉片吸力面流速大，液體壓力小。而壓力面則正好相反，此時轉(zhuǎn)子葉片的壓力面和吸力面形成較大壓差，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，此過程中液體的動能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的機械能和因摩擦損失的能量。

3.3 渦輪水力特性研究

利用CFX軟件分別對直葉片渦輪和三維葉片渦輪進行數(shù)值模擬，設(shè)置相同的邊界條件，改變轉(zhuǎn)子流域的轉(zhuǎn)速，得到直葉片渦輪和三維葉片渦輪壓降、扭矩、輸出功率和效率特性曲線，如圖8～圖11所示。

由圖8～圖11可看出，2種葉片渦輪的壓降隨著渦輪轉(zhuǎn)速的增大而變大，其扭矩隨著渦輪轉(zhuǎn)速的增大而減小，并且都近似呈線性關(guān)系。三維葉片和直葉片渦輪的輸出扭矩基本一致，在最佳工況時直葉片渦輪的輸出扭矩比三維葉片渦輪的輸出扭矩只大了約3%，但三維葉片渦輪的壓耗比直葉片渦輪低，單幅渦輪減少約為4 kPa。由于壓耗降低，三維葉片渦輪的效率更高。在最佳工況點處，三維葉片渦輪效率達到了62.12%，比直葉片渦輪高出約10%。由此可看出，葉片設(shè)計為三維葉片，渦輪壓耗更低，效率更高。渦輪水力性能得到了一定程度的提高。

4 徑向間隙對渦輪水力性能的影響

由于前文只是為了探索三維葉片渦輪與直葉片渦輪性能的差異，為了計算方便，在建立流道模型時忽略了徑向間隙對渦輪性能的影響。為了驗證三維葉片渦輪是否能滿足設(shè)計需求，重新建立單級渦輪流道模型，如圖12所示。

將流道模型導(dǎo)入CFX軟件，設(shè)置相同的邊界條件，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化區(qū)間為0～4 000 r/min，進行數(shù)值模擬計算，結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，由于徑向間隙導(dǎo)致實際做功液量小于輸入液量，單級渦輪輸出扭矩降低。當(dāng)渦輪處于無沖擊工況時，渦輪輸出扭矩為0.35 N·m，而設(shè)計扭矩為0.34 N·m，滿足設(shè)計需求。

5 結(jié) 論

（1）針對不同圓柱層轉(zhuǎn)子圓周速度不同，導(dǎo)致的液體與轉(zhuǎn)子葉片前緣發(fā)生沖擊造成水力損失的問題，采用多截面的造型方法設(shè)計了一種性能較好的三維葉片渦輪，對實際的工程問題有一定參考價值。

（2）在相同葉片型線情況下，三維葉片渦輪相較于直葉片渦輪壓耗更低，單幅渦輪減少約為4 kPa。在最佳工況點處，三維葉片渦輪效率達到了60.25%，比直葉片渦輪高出約10%，渦輪的水力性能得到了提高。

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