井下发电机涡轮设计、动力模拟与性能试验

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1、石油机械2011年第39卷第7期CHINAPETROLEUMMACHINERY●设计计算井下发电机涡轮设计、动力模拟与性能试验吕官云孙峰冯进张先勇(1．胜利石油管理局钻井工艺研究院2．长江大学)摘要为了缩短涡轮研制周期，降低研制费用，在涡轮机械一元流理论基础上进行叶栅叶型设计，借助计算机辅助叶片造型，运用CFD软件对井下涡轮进行了全三维模型数值模拟和力学性能预测。模拟结果与试验结果对比表明，在涡轮转速低于1000r／min时相同转速下实测扭矩小于模拟扭矩，而高于1000r／min后相同转速下实测扭矩大于模

2、拟扭矩，但两者相差不大；压降变化趋势基本相同，低转速下模拟压降稍小于实测压降；涡轮空转转速实测值稍高于模拟值。最后指出，一元流理论同计算辅助叶片造型相结合，通过合理调整相关参数满足流道、叶片型线和喉部折转角的检验要求，可以达到理论设计的预期结果。关键词井下发电机轴流涡轮叶栅设计叶片造型CFD模拟性能试验与仿真预测结果一致，满足设计要求。0引言1井下发电机涡轮设计我国深层油气钻探面临的主要难题是高陡构造地层的防斜打快，国外实践证明，现代井下智能工油气井井眼直径较小，井下发龟机涡轮为典型具能在复杂地质条件下实

3、现快速、高质量钻井。国的平面叶栅轴流涡轮。某自动垂直钻井工具要求井内租用国外的井下智能工具进行先导性试验，取得下发电机的涡轮在工作流量为30L／s时输出转速了较好的效果，但其租凭费十分昂贵。因此，自主1500r／min，对应输出功率大于800W，空转转速研发井下智能工具具有极其重要的现实意义。不大于2400r／min。显然，该涡轮处于非设计工井下智能工具工作需要消耗电能，对其连续供况工作，也就是设计工况与工作工况不一致。电才能正常工作，目前主要供电方式有电池组供1．1液流角设计电、井下涡轮发电机供电和两者

4、联合供电。随着井涡轮转子进出口速度三角形如图i所示。图中下智能工具的发展，总的趋势是集测量与控制为一OL、、O／：和分别是进、出口液流角，c。和C：体，这时正常工作时耗电量较大，电池组和井下涡分别是进、出口绝对速度，，和分别是进、出轮发电机联合供电方式已成为首选方案。井下涡轮发电机供电，一般要求1付涡轮在工作流量范围内必须提供发电机所需轴功率，这对井下涡轮设计提出了更高的要求。为了缩短涡轮研制周期，降低研制费用，笔者在涡轮机械一元流理论基础上进行叶栅叶型设计，借助计算机辅助叶片造型，运用CFD软件对井下涡

5、轮进行了全三维模型数值模拟和力学性能预测，通过不断改进设计，获得满足要求的井下涡轮力学特性。台架试验表明，试验结果图1涡轮转子进出口速度三角形基金项目：国家“863”计划项目“捷联式自动垂直钻井系统T程样机研制”(2009AA093501)和中国石油化工集团公司重大科技攻关项目(JP05011)联合资助。一26一石油机械2011年第39卷第7期分口相对速度，C和u分别是轴向流速和转子流rlrlIpQ尺(c0t1+C；co2一)(11)道中径处圆周速度。轴向流速和圆周速度分别由式Ⅳ=(12)(1)和式(2)

6、计算，式中F是垂直于轴向速度的有效过流面积，F：2BR丁，B是流道径向宽度，式中，P为流体介质密度。当工作转速为1500r／rain时，由式(11)、式(12)计算扭矩和功率，是叶片厚度影响的堵塞系数，尺是涡轮平均流道半径。绝对速度和相对速度在圆周方向上的投影分别计算结果满足设计参数要求。1．2叶栅参数设计由式(3)一式(6)计算，式中Q为工作流量，n是涡轮转速，进出口绝对速度在圆周方向上的投影由进、出口处的速度三角形可知，液体以绝对分别是C和C，进出口相对速度在圆周方向上的速度通过定子，相对速度通过转子

7、，定、转子中液流的平均流速为：投影分别是．和。c=(1)=÷(+)(13)=÷(。+)(14)“=(2)Cl：Ceotc~l(3)绝对和相对平均流速在圆周上的投影分别为11C2=Ccorot2=u—C2coq32(4)c：÷(c．+c2)和=÷(+)，而l=M—C1=Ccoq3l(5)轴向投影均为轴向速度c，平均流速度与圆周方=u—C2=C：coq32(6)向的夹角由式(15)和式(16)确定，近似地与叶片的安装角相符⋯。将进、出口角分别代人式根琚涡轮机械理论，进、出口液流角与轴同速(15)和式(16)，

8、计算取整得定子叶片安装角度系数、冲击度系数m和环流系数存在确定=57。，转子叶片安装角：57。。C．的关系，轴向速度系数=导，冲击度系数m。：tanO~rn(15)1(c十c)C2，环流系数=。因此，根(16)m：据速度三角形，由式(3)一式(6)可得：叶片弦长6与叶片轴向高度S和叶片安装角有cot：(譬)(7)关，当定、转子叶片的轴向高度相同时，定、转子叶片弦长b分别由式(17)和式(18)确定。C2．cot一：乎)(8)b