井下水动力轴流涡轮设计与试验研究

冯 进,张慢来,张先勇

(长江大学机械工程学院,湖北荆州434023) *

井下水动力轴流涡轮设计与试验研究

冯 进,张慢来,张先勇

(长江大学机械工程学院,湖北荆州434023)*

通过井下水动力涡轮的设计和试验,发现流道中线决定涡轮设计工况的液流平均流动,而不是沿叶片骨线进口结构角方向。指出传统平面叶栅轴流涡轮设计方法存在的局限性,并提出了最高效率点的平均液流进口方向沿流道中线进口结构角方向的观点,从而较好地解释了理论设计的机械性能与实际机械性能存在差异的原因。根据该观点,建议在涡轮叶栅叶型造型设计时,应检查流道中线在前、后缘额线处的切线,保证与设计液流方向基本相同,以提高涡轮设计的正确性和质量。对其他同类型的涡轮机械设计具有参考价值。

水动力轴流涡轮;结构角;平面叶栅;机械性能;设计;试验

在石油工业中,井下水动力涡轮是典型的平面叶栅轴流涡轮,除常用的涡轮钻具外,近年来推广应用到井下水力增压、井下涡轮发电等方面[1-6]。井下水动力涡轮受钻井井眼直径限制和单位轴向长度比能适当高的要求,涡轮叶片的径向长度比较短,叶片的轴向高度也比较小,具有其结构的特殊性。井下水动力涡轮通过叶栅叶片与钻井液的相互作用,实现能量的转换。涡轮内流体流动是非常复杂的三维粘性流体湍流流动[7-8],转子叶栅对定子叶栅的相对转动使流体流动具有不稳定性,其叶栅内流体运动规律还没有被全面认识清楚。因此,井下水动力涡轮的研制必须经过理论设计→试验→分析→改进的重复循环过程,才能获得比较好的涡轮机械性能。本文通过对一种井下水动力涡轮的设计和试验,分析理论设计与试验结果的差别,说明传统平面叶栅轴流涡轮设计方法存在的局限性,提出最高效率点的平均液流进口方向沿流道中线进口结构角方向的观点。根据这一观点,较好地解释了理论设计的机械性能与实际机械性能存在差异的原因,并进行修正计算,其计算结果更接近于试验结论。

1 井下轴流涡轮设计

某井下水力增压涡轮流道平均过流直径为«92.5 mm,叶片径向长度12.5 mm,叶片轴向长度12 mm。在流量30 L/s时设计转速2 750 r/min,计算设计液流角α1d=29.21°,α2d=90°,β1d=90°,β1d= 29.21°。叶片安装角αs=βs=48°,叶片数 Z=21,涡轮定转子叶片镜像对称。

涡轮叶栅几何参数如图1所示。在涡轮叶栅叶片造型设计中,设计叶片冲角为零,涡轮转子叶片进口结构角β1k=β1d,出口结构角β2k=β2d-1.5°;涡轮定子叶片进口结构角α2k=α2d,出口结构角α2k= α1d-1.5°。叶栅冲前缘半径r1=1 mm,后缘半径r2=0.5 mm。压力面和吸力面型线具有三阶连续导数,曲率相同,喉部后的曲率单调下降,压力面曲率的导数符号不变,压力面曲率的导数变化仅一次。流道检验满足:

a) 过流通道从进口到出口必须连续地收缩性[9-10]。

b) 喉部直径:转子α=tsin(β2k-φ2/2),定子α=tsin(α1k-φ2/2)。

c) 折转角σ=5°～15°。

图1 涡轮转子叶栅几何参数

2 井下轴流涡轮试验

2.1 CFD模拟试验

传统的平面叶栅涡轮设计理论用流道中径圆柱面作为平均流面,用平均流面上叶片骨线作为流线,将复杂的三维流动简化为沿叶片骨线的一元流,以叶片骨线为对象建立流体与叶栅叶片的作用关系[10]。为了考察叶栅通道内流体三维流动对叶栅叶片水动力的影响,在一元流设计的基础上,用流体动力学(CFD)分析软件模拟涡轮的机械性能[11-12]。CFD模型是全三维的,严格按照设计图1∶1实体造型和涡轮定转子装配关系虚拟装配,在实体造型软件U G下实现。然后建模导入FLUENT的前处理软件GAMBIT进行网格划分和边界定义,最后由FLUENT完成相关边界设置和流体动力学分析[13]。考虑实际工作介质为泥浆,模拟流体动力黏度μ=0.1 Pa·s。不考虑机械效率的影响,CFD模拟结果如图2所示。

图2 涡轮机械性能的CFD模拟曲线

2.2 台架试验

在涡轮设计图完成后,需要经过开模、精密铸造和机械加工,才能得到涡轮产品。在加工过程中,模具精度、材料铸造性能和精铸工艺对叶片形状、尺寸及表面粗糙度的影响是非常大的。因此,CFD模拟结果与实际涡轮机械性能存在程度不同的差异,最终涡轮的机械性能要经过台架试验测量确定。在清水介质下,涡轮的机械性试验测量结果如图3所示。

图3 涡轮机械性能的台架试验测量曲线

3 设计结果分析

3.1 设计工况下进出口速度三角形的变化

通过三维CFD模拟和台架试验,由图2～3均可看出,压降随转速增加而下降,最高效率点的转速大于空转转速的1/2倍,呈现环流系数<1的特点[9]。理论设计的环流系数=1时涡轮进出口速度三角如图4a,但实际呈现如图4b所示的涡轮进出口速度三角形,说明液流进口方向不是沿叶片骨线进口结构角方向。

图4 设计工况下进出口速度三角形的差异

3.2 设计工况平均液流进口方向

流体通过叶列流道时,其能量损失主要包括摩擦能量损失和冲击能量损失。涡轮机械试验表明:在整个转速范围内摩擦能量损失变化不大,而冲击能量损失变化非常大;在某一涡轮转速下冲击能量损失最小,偏离这一转速越大冲击能量损失越大,通常冲击能量损失最小对应于涡轮的最高效率点,也是涡轮设计工况点。因此,最高效率点的液流进口方向是沿叶片骨线进口结构角方向还是沿流道中线进口结构角方向,传统涡轮工作理论认为流体的平均流动沿叶片骨方向通过叶列流道时冲击损失小,与试验结果相矛盾。通过深入分析叶栅叶片造型设计过程,发现过流通道的流道中线与叶栅进口额线不垂直,β1mk=83.707°,如图5所示。

图5 叶片骨线和流通道中线

假设设计工况的实际相对液流角β′1d=β1mk,此时最高效率点计算扭矩与CFD模拟值基本相同。因此,最高效率点的实际液流平均进口方向与流道中线在叶栅进口额线处的切线一致,流道中线决定实际设计的液流平均流动方向。由于理论设计的液流角与实际设计液流角不一致,这是造成机械性能偏差的原因。由此也说明,在涡轮叶栅叶型造型设计时,应检查流道中线在前、后缘额线处的切线,保证与设计液流方向基本相同。

4 结语

通过涡轮设计、试验和分析,发现流道中线决定涡轮设计工况的液流平均流动,而不是沿叶片骨线进口结构角方向,指出了传统涡轮设计理论存在的不足。建议在涡轮叶栅叶型造型设计时,应检查流道中线在前、后缘额线处的切线,保证与设计液流方向基本相同,以提高涡轮设计的正确性和质量。本文结论对其他同类型的涡轮机械设计也具有参考价值。

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Design and Experimental Study for the Axial Hydrodynamic Turbine of Down Hole

FENGJin,ZHANG Man-lai,ZHANG Xian-yong
(College of Mechanical Engineering,Yangtze University,J ingzhou434023,China)

Through the design and experiment of a water driven axial turbine of down hole,mean flow that in turbine at the design working condition is not directed by the blade inlet structure angle of mean camber line,but by the middle line of flow passage,is found,and the existing problems on the design of axial plane cascade is pointed out.With the opinion,inlet structure angle of mean flow passage deciding the inlet flow with the peak efficiency is put forward,the difference of mechanical performance between the theory and practice is well understood.Furthermore,the tangential directions of flow middle line at both top tips is advised to been checked up to make sure of the right flow direction for design.With the practice data,above conclusion is also shown to be worthwhile for the same kind of turbine design.

axial hydrodynamic turbine;structure angle;plane cascade;mechanical performance; design;experiment

1001-3482(2010)12-0051-03

TE927

A

2010-06-30

冯 进(1958-),男,四川崇州人,教授,博士,主要研究方向为流体机械设计,E-mail:feng_jincad@126.com。