井下水動力軸流渦輪設計與試驗研究

馮 進,張慢來,張先勇

(長江大學機械工程學院,湖北荊州434023) *

井下水動力軸流渦輪設計與試驗研究

馮 進,張慢來,張先勇

(長江大學機械工程學院,湖北荊州434023)*

通過井下水動力渦輪的設計和試驗,發現流道中線決定渦輪設計工況的液流平均流動,而不是沿葉片骨線進口結構角方向。指出傳統平面葉柵軸流渦輪設計方法存在的局限性,并提出了最高效率點的平均液流進口方向沿流道中線進口結構角方向的觀點,從而較好地解釋了理論設計的機械性能與實際機械性能存在差異的原因。根據該觀點,建議在渦輪葉柵葉型造型設計時,應檢查流道中線在前、后緣額線處的切線,保證與設計液流方向基本相同,以提高渦輪設計的正確性和質量。對其他同類型的渦輪機械設計具有參考價值。

水動力軸流渦輪;結構角;平面葉柵;機械性能;設計;試驗

在石油工業中,井下水動力渦輪是典型的平面葉柵軸流渦輪,除常用的渦輪鉆具外,近年來推廣應用到井下水力增壓、井下渦輪發電等方面[1-6]。井下水動力渦輪受鉆井井眼直徑限制和單位軸向長度比能適當高的要求,渦輪葉片的徑向長度比較短,葉片的軸向高度也比較小,具有其結構的特殊性。井下水動力渦輪通過葉柵葉片與鉆井液的相互作用,實現能量的轉換。渦輪內流體流動是非常復雜的三維粘性流體湍流流動[7-8],轉子葉柵對定子葉柵的相對轉動使流體流動具有不穩定性,其葉柵內流體運動規律還沒有被全面認識清楚。因此,井下水動力渦輪的研制必須經過理論設計→試驗→分析→改進的重復循環過程,才能獲得比較好的渦輪機械性能。本文通過對一種井下水動力渦輪的設計和試驗,分析理論設計與試驗結果的差別,說明傳統平面葉柵軸流渦輪設計方法存在的局限性,提出最高效率點的平均液流進口方向沿流道中線進口結構角方向的觀點。根據這一觀點,較好地解釋了理論設計的機械性能與實際機械性能存在差異的原因,并進行修正計算,其計算結果更接近于試驗結論。

1 井下軸流渦輪設計

某井下水力增壓渦輪流道平均過流直徑為?92.5 mm,葉片徑向長度12.5 mm,葉片軸向長度12 mm。在流量30 L/s時設計轉速2 750 r/min,計算設計液流角α1d=29.21°,α2d=90°,β1d=90°,β1d= 29.21°。葉片安裝角αs=βs=48°,葉片數 Z=21,渦輪定轉子葉片鏡像對稱。

渦輪葉柵幾何參數如圖1所示。在渦輪葉柵葉片造型設計中,設計葉片沖角為零,渦輪轉子葉片進口結構角β1k=β1d,出口結構角β2k=β2d-1.5°;渦輪定子葉片進口結構角α2k=α2d,出口結構角α2k= α1d-1.5°。葉柵沖前緣半徑r1=1 mm,后緣半徑r2=0.5 mm。壓力面和吸力面型線具有三階連續導數,曲率相同,喉部后的曲率單調下降,壓力面曲率的導數符號不變,壓力面曲率的導數變化僅一次。流道檢驗滿足:

a) 過流通道從進口到出口必須連續地收縮性[9-10]。

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

c) 折轉角σ=5°～15°。

圖1 渦輪轉子葉柵幾何參數

2 井下軸流渦輪試驗

2.1 CFD模擬試驗

傳統的平面葉柵渦輪設計理論用流道中徑圓柱面作為平均流面,用平均流面上葉片骨線作為流線,將復雜的三維流動簡化為沿葉片骨線的一元流,以葉片骨線為對象建立流體與葉柵葉片的作用關系[10]。為了考察葉柵通道內流體三維流動對葉柵葉片水動力的影響,在一元流設計的基礎上,用流體動力學(CFD)分析軟件模擬渦輪的機械性能[11-12]。CFD模型是全三維的,嚴格按照設計圖1∶1實體造型和渦輪定轉子裝配關系虛擬裝配,在實體造型軟件U G下實現。然后建模導入FLUENT的前處理軟件GAMBIT進行網格劃分和邊界定義,最后由FLUENT完成相關邊界設置和流體動力學分析[13]。考慮實際工作介質為泥漿,模擬流體動力黏度μ=0.1 Pa·s。不考慮機械效率的影響,CFD模擬結果如圖2所示。

圖2 渦輪機械性能的CFD模擬曲線

2.2 臺架試驗

在渦輪設計圖完成后,需要經過開模、精密鑄造和機械加工,才能得到渦輪產品。在加工過程中,模具精度、材料鑄造性能和精鑄工藝對葉片形狀、尺寸及表面粗糙度的影響是非常大的。因此,CFD模擬結果與實際渦輪機械性能存在程度不同的差異,最終渦輪的機械性能要經過臺架試驗測量確定。在清水介質下,渦輪的機械性試驗測量結果如圖3所示。

圖3 渦輪機械性能的臺架試驗測量曲線

3 設計結果分析

3.1 設計工況下進出口速度三角形的變化

通過三維CFD模擬和臺架試驗,由圖2～3均可看出,壓降隨轉速增加而下降,最高效率點的轉速大于空轉轉速的1/2倍,呈現環流系數<1的特點[9]。理論設計的環流系數=1時渦輪進出口速度三角如圖4a,但實際呈現如圖4b所示的渦輪進出口速度三角形,說明液流進口方向不是沿葉片骨線進口結構角方向。

圖4 設計工況下進出口速度三角形的差異

3.2 設計工況平均液流進口方向

流體通過葉列流道時,其能量損失主要包括摩擦能量損失和沖擊能量損失。渦輪機械試驗表明:在整個轉速范圍內摩擦能量損失變化不大,而沖擊能量損失變化非常大;在某一渦輪轉速下沖擊能量損失最小,偏離這一轉速越大沖擊能量損失越大,通常沖擊能量損失最小對應于渦輪的最高效率點,也是渦輪設計工況點。因此,最高效率點的液流進口方向是沿葉片骨線進口結構角方向還是沿流道中線進口結構角方向,傳統渦輪工作理論認為流體的平均流動沿葉片骨方向通過葉列流道時沖擊損失小,與試驗結果相矛盾。通過深入分析葉柵葉片造型設計過程,發現過流通道的流道中線與葉柵進口額線不垂直,β1mk=83.707°,如圖5所示。

圖5 葉片骨線和流通道中線

假設設計工況的實際相對液流角β′1d=β1mk,此時最高效率點計算扭矩與CFD模擬值基本相同。因此,最高效率點的實際液流平均進口方向與流道中線在葉柵進口額線處的切線一致,流道中線決定實際設計的液流平均流動方向。由于理論設計的液流角與實際設計液流角不一致,這是造成機械性能偏差的原因。由此也說明,在渦輪葉柵葉型造型設計時,應檢查流道中線在前、后緣額線處的切線,保證與設計液流方向基本相同。

4 結語

通過渦輪設計、試驗和分析,發現流道中線決定渦輪設計工況的液流平均流動,而不是沿葉片骨線進口結構角方向,指出了傳統渦輪設計理論存在的不足。建議在渦輪葉柵葉型造型設計時,應檢查流道中線在前、后緣額線處的切線,保證與設計液流方向基本相同,以提高渦輪設計的正確性和質量。本文結論對其他同類型的渦輪機械設計也具有參考價值。

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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

馮 進(1958-),男,四川崇州人,教授,博士,主要研究方向為流體機械設計,E-mail:feng_jincad@126.com。