基于ANSYS的高精度涡轮流量计设计

关 松

(大庆油田工程有限公司，黑龙江 大庆 163712)

涡轮流量计以其结构简单、测量精度高、重复性好而广泛应用于油田流量测量领域。在我国，随着大部分油田进入开发中后期，低产井数量逐年增多。为了准确掌握这些低产井的产量情况，评估其可开采价值，需要准确测量其流量信息。众所周知，只有流量大于启动排量，涡轮流量计才会给出响应，所以研发设计出一种启动排量低的高精度涡轮流量计，无疑对于油田流量测量具有重要的意义。自20世纪30年代涡轮流量计发明后，经过国内外无数科研工作者的研究和探索，其基本理论和相应的模型都已非常成熟。但是目前对于涡轮流量计的研究主要集中在大流量条件下的使用，低流量条件下的启动和响应特性研究较少，难以满足实际生产中对于低流量条件下涡轮流量计的使用需求。

笔者利用目前流行的有限元计算软件ANSYS对涡轮流量计流场进行仿真计算，设计出一种高精度涡轮流量计，通过室内实验表明其启动排量和分辨率与传统涡轮流量计相比都有了大幅度的提高。

1 理论分析①

涡轮流量计作为速度式仪表，以动量矩守恒为基础，涡轮流量计基本力矩平衡方程为[1]：

(1)

式中Tb——轴与轴承的粘性摩擦阻力矩(流动产生的力矩)；

Td——涡轮流量计转动的驱动力矩；

Th——轮毂表面的粘性阻力矩；

Tm——磁电阻力矩和轴与轴承的机械摩擦阻力矩之和；

Tt——叶片顶端与传感器外壳的粘性摩擦阻力矩；

Tw——轮毂端面粘性摩擦阻力矩；

J——涡轮的转动惯量；

ω——涡轮转动的角速度。

当流速较低时，涡轮流量计处于静止状态，此时角速度ω非常低，接近于0，Tb和Tw也可以忽略不计。在这种情况下，式(1)可以简化为：

(2)

由式(2)可以看出提高驱动力矩是降低涡轮流量计启动排量的一条捷径。如图1所示，传统涡轮流量计入口端是直管段和轴向导流片，流体流经涡轮叶片之前只有轴向速度，对涡轮的驱动力矩只是对涡轮叶片作用力的径向分力产生的力矩。因为涡轮叶片螺旋角为45°，如果将导流片改为螺旋角为-45°的螺旋导流片(图2) ，当流体进入导流片时会产生旋转，方向与涡轮叶片正交，使得流体在轴向流动速度不变的基础上增加了径向的旋转运动，流体的旋转方向与涡轮叶片的转动方向一致，在相同流量条件下，增加了流体对涡轮叶片的驱动力，实现降低启动排量和提高分辨率的目的，整体结构如图3所示。

图1 普通涡轮导流片

图2 改进后的涡轮导流片

图3 改进后的涡轮流量计

2 仿真研究

Workbench是ANSYS公司开发的协同仿真环境，是将仿真过程结合在一起的平台，可以大大简化仿真过程中各模块间的交互操作。通过几何建模(图4)、网格划分、计算求解及后处理等过程，可以比较准确地仿真复杂机械模型的各物理参数场分布[2～4]。

图4 涡轮流量计几何模型

利用Turbogrid对计算域进行网格划分，将其划分为约10万个六面体网格。入口、出口部分为静止网格，采用绝对参考系，叶片部分为动网格，绕圆心转动，采用相对参考系，参考系转动速度与网格转速相同。网格划分情况如图5所示。

图5 涡轮流量计网格划分

如图6～8所示，流体流经涡轮流量计之前，压力较高，速度较低，经过导流片时产生旋转，速度得到提升，压力降低。当通过导流片后，压力、速度基本不变，依然保持旋转状态，遇到涡轮叶片阻挡后，流速降低，压力进一步减小，流体所携带的能量传递给涡轮叶片，对涡轮叶片产生较大的驱动力矩，推动其转动。

图6 速度场云图

图7 压力场云图

图8 速度场矢量图

为了得到导流片螺旋角与涡轮叶片螺旋角的最佳匹配，利用ANSYS软件对不同角度导流片的驱动力矩进行计算，其中管道直径为14mm，涡轮叶片直径为13.5mm，重叠度为1.64，叶片螺旋角为45°，导流片螺旋角分别设为-35°、-45°和-55°，来流条件分别设为0.1、0.2、0.3、0.4m3/d。由于速度较低，采用层流模型，各不同工况条件下涡轮叶片受到的驱动力矩情况如图9所示。导流片螺旋角为-45°时涡轮叶片受力更大，更容易启动。此时涡轮叶片螺旋角与导流片螺旋角恰好成90°，可充分利用流体动量使涡轮叶片更易启动，模拟结果与上述理论分析相符。

图9 不同角度涡轮叶片力矩

3 实验研究

通过搭建实验平台(图10)对计算结果进行验证。实验平台应具备以下两个功能：在低流量下能够非常平稳的运行；具备精确测量流量的功能。

该平台以单相水流为介质，循环流动通过水泵实现；流量的精确控制主要通过固定上游水位和调节阀来实现，流量的测量采用简便可靠的容积时间法。

图10 实验平台简图

实验平台中上方为稳压水箱，提供一个稳定的压力源，在管道内阻力不变的情况下，保证管道内流速不会发生变化，经过2m长的下降段，流入涡轮流量计，随后流出实验管道，通过量筒计量可以精确得到管路内的流速。通过高速摄影可以清晰的观察低速条件下涡轮流量计的响应情况。

为了验证高精度涡轮流量计的响应情况，实验将高精度涡轮流量计与传统涡轮流量计在相同条件下进行对比。

实验介质为单相水，流量范围0～20m3/d，通过调节不同的流量点来记录输出频率，流量点误差优于1%，每次测量时间为60s，采样间隔为5ms，每点测量3次取平均值，测量数据见表1。

表1 高精度涡轮与传统涡轮输出实验数据对比

4 结论

4.1理论研究与数值仿真确定了高精度涡轮流量计的最合理结构，即导流片螺旋角为-45°与涡轮叶片正交时，同样来流条件下驱动力矩最大。

4.2在单相水条件下，高灵敏涡轮流量计启动排量0.3m3/d，远低于传统涡轮流量计的1.0m3/d，分辨率也有1.7倍的提高，可以解决部分单井产量低于1.0m3/d的低产井的流量测量问题。

4.3该流量计结构简单、调试方便、不改变现有仪器结构，易于规模推广应用。