机翼型涡轮流体仿真分析

剧远东，冯 进，朱 云 （长江大学机械工程学院，湖北 荆州434023）

在复杂地质条件下钻深井、超深井、水平井、多分支井的过程中，井下随钻测量仪器和井下智能工具是不可缺少的，涡轮发电机作为常见的井下供电电源之一，目前己成为诸多测井系统的井下主电源［1－2］。就井下机翼型涡轮发电机而言，当前国内外已经从各零部件形式等方面进行了大量深入的研究，使整个发电机系统结构更简单、寿命更长，对机翼型叶片研究表明其冲击式流线性好，阻力小，能量转化效率高。因此，对井下涡轮式发电机的机翼型涡轮的性能研究具有重要意义［3］。

1 机翼型涡轮工况分析

井下机翼型涡轮式发电机的主要部件是装置中的定转子，机翼型涡轮在压力流体的冲击下，通过轴带动负载 （线圈）转动，实现发电功能。由于井下安装尺寸的限制以及制造的便捷性，对其结构也有相应的要求。实际工程要求的机翼型涡轮必须同时满足如下3个条件：

式中，Δp为总压降 （定子压降与转子压降之和），MPa；Δpmin为总压降的最小值，MPa；M为对应总压降最小值时的转子输出扭矩，N·m。

实际工程中，在满足上述条件下，Δpmin越接近0.2MPa越好，M越接近15N·m越好。

2 机翼型涡轮数值模拟模型的建立

机翼型涡轮是涡轮发电机的核心部件，为了便于计算和分析，需要对机翼型涡轮内部流场作如下假设［4］：流体模拟过程中，认为钻井液为单相不可压缩流体，即假设钻井液为清水；工作介质密度不变，ρ＝1000kg／m3，并且忽略水温升的影响；机翼型涡轮的流道部位视为刚性体，定、转子叶片在工作中无变型；除了流道进出口外，没有工作介质从其他地方进入流道；为了减少整个流道模型进出口边界条件设置对分析结果的影响，采取加长进口和出口的长度。

图1 定子结构

图2 转子结构

笔者研究的井下机翼涡轮式发电机装置中的定子和转子结构分别如图1和图2所示，定子和转子流道分别如图3和图4所示。已知机翼型涡轮的相关参数如下：流量为23L／s，叶片的内直径为35mm，外直径为85mm，转子高度19mm，定子高度21mm。在三维软件UG中建立机翼型涡轮的模型流道，并将建立好的模型导入Gambit中 （如图5所示），设定图5中的位置为分析的起始位置。此次模拟机翼型涡轮时保持涡轮定子不动，转子沿顺时针方向以每10°旋转一次，直到旋转到180°为止 （因0～180°与180°～360°的结构具有对称性，故只需模拟0～180°的情况），一共模拟19组数据。

2.1 网格划分

在网格的生成过程中，网格划分的质量好坏直接影响着计算的收敛性和计算的准确性。由于机翼型涡轮内流动的复杂程度各不相同，特别是定、转子区域流动情况最为复杂，因此划分网格时，在定转子流道部分区域内的网格应划分最密，从定转子流道部分到出口应逐渐变疏。此次划分时，在定、转子叶片流道的内部流动区域布置节点，用四面体非结构化网格划分定转子流道区域，并加密；其余的区域用六面体结构化网格进行划分，生成其网格划分 （见图6）。

图3 定子流道

图4 转子流道

图5 机翼型涡轮的模型流道

图6 机翼型涡轮的网格划分

2.2 算法设置

湍流模型选择RNGk－ε，速度与压力耦合采用SIMPLE算法，离散格式选用二阶迎风差分格式。

2.3 边界条件设置

1）入口边界条件 入口为速度进口，入口速度值根据流量计算。

2）出口边界条件 出口为压力出口，出口相对压力为0，整个流场参考压力为1标准大气压。

3）壁面条件 将定、转子区域设在运动坐标系，使用了壁面边界条件，同时采用无滑移固壁条件，由标准壁面函数确定固壁附近流动。

3 机翼型涡轮计算结果分析

3.1 机翼型涡轮定、转子压降分析

通过对压降随转子旋转不同角度时数据进行分析处理，得到如图7所示的压降－转子旋转角度变化曲线。由图7中可以得到如下规律：当转子在0～20°旋转时，定子压降、转子压降、总压降都降迅速减小；在20°～160°时，三者压降基本保持平稳趋势；从160°～180°时，三者压降急剧增加；当转子在0～180°之间旋转时，3条曲线都存在压降最低点，当转子旋转角度分别为70°、90°、100°时，定子压降、转子压降和总压降依次取得最小值；当转子旋转度数一定时，定子压降值总是小于转子压降值；当转子旋转角度为100°时，总压降曲线有最低点为0.28MPa；并且只有当转子旋转角度区间为20°～160°时，才能满足实际工程的需要，即总压降的一个值与总压降的最小值的差值近似为1MPa。

3.2 机翼型涡轮转子扭矩分析

图7 压降－转子旋转角度变化曲线

图8 转子扭矩－转子旋转角度变化曲线

转子扭矩－转子旋转角度变化曲线如图8所示。由图8可知，随着转子的旋转角度的增加，转子的输出扭矩先短暂的上升，而后开始逐渐下降，之后又有一段短暂的轻微波动，最后从最低点开始逐渐上升；当转子旋转角度为90°时，转子扭矩取得最小值为17.43N·m，可满足前面所述的工程条件要求。

4 结 论

（1）机翼型涡轮转子旋转角度分别为70°、90°、100°时，定子压降、转子压降和总压降依次取得最小值。

（2）机翼型涡轮转子旋转度数为一定时，定子压降比转子压降大；当转子旋转角度为20°～160°时其差值才与1MPa相接近，满足总压降要求。

（3）机翼型涡轮转子旋转角度为90°时，转子的扭矩取得最小值为17.43N·m。

［1］谢存禧，张铁 .机器人技术及其应用 ［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［2］苏义脑，窦修荣 .随钻测井与录井工具 ［J］.石油钻采工艺，2005，27（1）：74－78.

［3］冯进，符达良 .涡轮钻具涡轮叶片造型设计新方法 ［J］.石油机械，2000，28（11）：9－12.

［4］张先勇，冯进 .基于CFD分析的轴流式螺旋叶轮设计 ［J］.石油矿场机械，2007，36（2）：22－25.

［5］沈忠厚 .水射流理论与技术 ［M］.东营：石油大学出版社，1998.