基于CFD軟件的渦輪流動特性數值模擬及敏感性分析

許 超，付建紅，趙志強，呂 堅，王建會

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都610500；2.中石油長城鉆探工程公司，北京100101；3.華北石油局，鄭州450000；

4.大慶鉆探工程公司，黑龍江大慶163411；5.中石油海洋公司鉆井事業部，天津300280） ①

基于CFD軟件的渦輪流動特性數值模擬及敏感性分析

許 超1，2，付建紅1，趙志強3，呂 堅4，王建會5

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都610500；2.中石油長城鉆探工程公司，北京100101；3.華北石油局，鄭州450000；

4.大慶鉆探工程公司，黑龍江大慶163411；5.中石油海洋公司鉆井事業部，天津300280）①

利用CFD軟件模擬了單級渦輪的壓力分布、內流線分布、縱截面速度分布。模擬結果驗證了所創建實體模型的可行性；通過改變鉆井液的排量、密度、塑性粘度及轉子工況對渦輪鉆具的輸出壓降和制動扭矩進行了敏感性分析，得到了與實際相符的結論。采用數值模擬得到壓降值，結合水力學計算得到立壓值，以便優選入口排量。

渦輪；流動特性；壓降；制動扭矩；CFD

減速渦輪鉆具主要由渦輪節和同步減速器組成，用來獲得中低轉速、較大扭矩。其流動特性與常規渦輪鉆具的流動特性是一致的。計算流體動力學（縮寫為CFD）是基于離散化的數值計算方法。利用CFD軟件可采用不同的離散格式和數值方法，在特定的區域內使計算速度、精度和穩定性達到最佳狀態，從而可有效解決復雜流動問題的計算［1］。本文采用TR240－2型減速渦輪的基礎參數進行模擬。

1 CFD模擬遵循的基本原則

1） 渦輪的各級應當完全一樣，并保證功率、轉矩與級數成比例增長。

2） 為了使渦輪的葉片受到最小的磨損，可以把渦輪轉子的斷面形狀和定子的斷面形狀做成是大小相同方向相反的2個面，即渦輪轉子斷面與定子斷面呈鏡面反射規律。

圖1是渦輪的轉子和定子斷面示意圖。這樣，鉆井液流過定子的絕對速度與流過轉子葉片的相對速度相等。利用CFD軟件，通過改變排量、鉆井液密度、塑性粘度及轉子工況，對渦輪的壓降和制動扭矩進行敏感性分析，探討敏感因素變化對渦輪鉆具流動特性的影響［2－7］。模擬流程如圖2。

圖1 渦輪的轉子和定子斷面示意

圖2 模擬流程

2 建立模型

2.1 實體模型

設定排量為50L／s，渦輪輪廓直徑D＝241.3 mm，壁厚b＝12.5mm。該排量下渦輪的優化幾何參數如下：輪外徑D1＝206.3mm，計算直徑Dp＝189.96mm，葉片徑向高度h＝17.10mm，葉片的數目為27個，節距t＝22.09mm，形成段的相對長度L0＝29.13mm，計算葉片角度33.85°。單級渦輪實體模型如圖3，設定渦輪級數為109級。

圖3 單級渦輪實體模型

2.2 劃分網格

把渦輪模型輸入流體前處理軟件當中進行處理，處理后的內部結構如圖4。模型在流體前處理軟件中進行網格劃分、定義邊界條件等操作。模型網格劃分結構如圖5。

圖4 模型網格處理結構

圖5 模型網格劃分結構

3 計算結果

3.1 渦輪壓降

設定鉆井液密度為1.29g／cm3，塑性粘度15 mPa·s，圖6是單級渦輪壓力分布云圖。計算輸出的單級渦輪的進口面上的壓力加權平均值為14 9471.4Pa，單級渦輪出口面上的壓力加權平均值為66 399.36Pa；單級渦輪在該條件下的壓力降Δp＝0.831MPa，109級渦輪壓降Δp′＝9.05MPa；計算輸出的單級渦輪輸出的制動扭矩為57.46 N·m，109級低速渦輪鉆具在這種條件下的制動扭矩為18.79kN·m。壓降與制動扭矩大小與TR240－2型渦輪鉆具推薦值吻合。

圖6 單級渦輪壓力云圖

3.2 流速分布

如圖7是單級渦輪進、出口速度云圖，可以看出單級渦輪模型的進口速度值大小為4m／s，與在入口邊界所加條件相同；單級渦輪模型的出口速度值為7～8m／s，與公式計算葉片出口處的平均速度7.89m／s相吻合。

圖8是單級渦輪縱截面速度云圖，可以看出單級渦輪模型中速度值大小從入口到出口逐漸增大的趨勢，但不是均勻分布。

圖8 單級渦輪縱截面速度云圖

圖9是單級渦輪縱截面流線圖，可以看出單級渦輪模型內部的流體粒子沿著葉片的流型方向分布，大多粒子是流動沿著葉片結構方向，小部分粒子流動比較雜亂。這說明了流體粒子速度的運動三角形和速度的結構三角形并不完全重合。

圖9 縱截面流線

4 關鍵參數的敏感性分析

壓降、制動扭矩和排量是渦輪鉆具的3個關鍵參數。壓降大小很大程度上限制了泵壓；制動扭矩對施工過程井口扭矩有很大影響；排量大小決定了渦輪鉆具的最優工況條件。因此壓降、制動扭矩的影響因素分析和排量優選對施工過程至關重要。

設排量為45L／s，鉆井液密度為1.29g／cm3，塑性粘度15mPa·s，渦輪級數109級。

4.1 渦輪輸出壓降影響因素

改變入口排量得到渦輪壓降與鉆井液排量之間關系，如圖10，可以看出渦輪壓降隨鉆井液排量的增加而增加，并不是成線性關系，壓降增加幅度值在逐漸變大。

圖10 渦輪壓降與鉆井液排量關系曲線

改變入口流體密度得到渦輪壓降與鉆井液密度之間關系，如圖11，可以看出渦輪壓降與鉆井液密度成正比關系，壓降隨鉆井液密度的增加而增加。

圖11 渦輪壓降與鉆井液密度關系曲線

改變入口流體的粘度得到渦輪壓降與鉆井液粘度之間關系，如圖12，可以看出渦輪壓降隨鉆井液粘度的增加而增加，變化幅度不大。

圖12 渦輪壓降與鉆井液塑性粘度關系曲線

改變入口排量得到渦輪轉子在不同工況下輸出壓降與鉆井液排量之間關系，如圖13，可以看出在渦輪轉子2種工況下，渦輪輸出壓降隨鉆井液排量的增加而增加。總體來說，在轉子制動工況下的輸出壓降略小于轉子旋轉工況下的輸出壓降，但差值很小，變化不明顯。

圖13 渦輪轉子在不同工況下的輸出壓降隨排量的變化

4.2 渦輪制動扭矩影響因素

改變入口排量得到低速渦輪制動扭矩與鉆井液排量之間關系，如圖14。從圖中可以看出，低速渦輪制動扭矩隨鉆井液排量的增加而增加，并不是成線性關系。

改變入口流體的密度得到低速渦輪制動扭矩與鉆井液密度之間關系，如圖15。從圖中可以看出，低速渦輪制動扭矩與鉆井液密度不成正比關系，隨鉆井液密度的增加而增加。

改變入口流體的粘度得到的如圖16，可以看出低速渦輪制動扭矩隨鉆井液粘度的增加而增加，變化幅度不大。

圖14 渦輪制動扭矩與鉆井液排量之間關系

圖15 渦輪制動扭矩與鉆井液密度之間關系

圖16 渦輪制動扭矩與鉆井液塑性粘度之間關系

4.3 通過立壓變化優選排量

設定井眼尺寸為?311.2mm，鉆具組合使用帶渦輪鉆具的常規鉆具組合，鉆井液密度1.40g／cm3，渦輪鉆具級數109級，利用數值模擬得到的渦輪壓降結合水力學相關計算得到鉆井立壓值。改變入口鉆井液排量，得到立壓隨排量的變化情況。

圖17是在不同井深使用渦輪鉆具時的立壓隨排量的變化曲線，鉆井立壓值隨鉆井液排量的增加而增加。在井深3 000m使用渦輪鉆具鉆井，當排量達到50L／s時，鉆井立壓值達到28MPa。在井深4 000m使用渦輪鉆具鉆井，當排量達到45L／s時，鉆井立壓值將達到27MPa，當排量達到50L／s時，鉆井立壓值將超過30MPa。由于設備能力限制，現場泵壓通常＜30MPa，通過立壓變化可以優選出不同井深下合適的排量。

圖17 在不同井深使用渦輪鉆具時的立壓隨排量的變化

5 結論

1） 利用CFD軟件對渦輪流動特性進行了數值模擬，模擬了單級渦輪的壓力分布、單級渦輪內的流線分布、渦輪縱截面速度分布，模擬結果與所采用的渦輪推薦值相吻合。

2） 流體的速度從單級渦輪的入口到出口逐漸增大，但不是分布均勻。大多數流體粒子沿著葉片的流型方向分布，小部分粒子流動比較雜亂。說明流體粒子速度的運動三角形和速度的結構三角形并不完全重合。

3） 渦輪輸出壓降和制動扭矩隨鉆井液排量增加而增加，隨鉆井液密度增加而增加；塑性粘度對渦輪壓降和制動扭矩的影響較小；轉子旋轉和制動工況下的渦輪輸出壓降基本一致，無明顯差別。采用數值模擬得到的壓降值結合水力學計算可以得到立壓值，通過立壓值的大小可優選合適排量。

［1］ 王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［2］ 約安尼信.渦輪鉆井理論與技術［M］.北京：石油工業出版社，1958.

［3］ Акутальныепроблемытурбинного＊бурения.Строительство нефт.игазов［J］.скважиннасушеинаморе，2006，（2）：2－5.

［4］ МиракянВИ.ПримениешарошечыхдолоттипаГНУ снизкооборонымитурбурами［J］.Нефт.хво.1989，（12）：17－20.

［5］ ВальдманИЯ.рациональныенаиравлениясозданияи ироизводстватурбобуров［J］.Нефт.хво，1993（1）：19－21.

［6］ 張慢來，馮 進，龍東平，等.多級渦輪內流場的CFD模擬［J］.石油礦場機械，2005，34（3）：17－19.

［7］ 馮 進，張慢來，張先勇.井下水動力軸流渦輪設計與試驗研究［J］.石油礦場機械，2010，39（12）：51－53.

Flow Numerical Simulation and Sensitivity Analysis of Turbine Based on CFD Software

XU Chao1，2，FU Jian－hong1，ZHAO Zhi－qiang3，LV Jian4，WANG Jian－hui5
（1.State Key Lab of Geology and Development Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu610500，China；2.CNPC GreatWall Drilling and Exploring Engineering Corporation，Beijing100101，China；3.Huabei Petroleum Bureau，Zhengzhou450000，China；4.Daqing Drilling and Exploring Engineering Corporation，Daqing163411，China；5.CPOC Drilling Business Department，Tianjin300280，China）

Article has simulated the single－stage turbine pressure distribution，the streamline distribution，the longitudinal cross section velocity distribution with the CFD software.Results have confirmed the feasibility of the model founded.With changing drilling fluid flow rate，the density，the plastic viscosity and the rotor’s operating mode，the sensitivity analysis was carried on to the turbine drilling tool output pressure drop and the braking torque，and the actual conclusion obtained.Moreover，using the pressure drop value from numerical simulation with hydraulics computation，we obtained stand pressure value which could lead us to obtain optimal inlet flow rate.

turbine；flow characteristics；pressure drop；barking torque；CFD

1001－3482（2012）04－0016－05

TE921.201

A

2011－09－12

許 超（1986－），男，河南商丘人，碩士研究生，主要從事鉆井工藝研究，E－mail：xuchaoswpu＠163.com。