機翼型渦輪流體仿真分析

劇遠東，馮 進，朱 云 （長江大學機械工程學院，湖北 荊州434023）

在復雜地質條件下鉆深井、超深井、水平井、多分支井的過程中，井下隨鉆測量儀器和井下智能工具是不可缺少的，渦輪發電機作為常見的井下供電電源之一，目前己成為諸多測井系統的井下主電源［1－2］。就井下機翼型渦輪發電機而言，當前國內外已經從各零部件形式等方面進行了大量深入的研究，使整個發電機系統結構更簡單、壽命更長，對機翼型葉片研究表明其沖擊式流線性好，阻力小，能量轉化效率高。因此，對井下渦輪式發電機的機翼型渦輪的性能研究具有重要意義［3］。

1 機翼型渦輪工況分析

井下機翼型渦輪式發電機的主要部件是裝置中的定轉子，機翼型渦輪在壓力流體的沖擊下，通過軸帶動負載 （線圈）轉動，實現發電功能。由于井下安裝尺寸的限制以及制造的便捷性，對其結構也有相應的要求。實際工程要求的機翼型渦輪必須同時滿足如下3個條件：

式中，Δp為總壓降 （定子壓降與轉子壓降之和），MPa；Δpmin為總壓降的最小值，MPa；M為對應總壓降最小值時的轉子輸出扭矩，N·m。

實際工程中，在滿足上述條件下，Δpmin越接近0.2MPa越好，M越接近15N·m越好。

2 機翼型渦輪數值模擬模型的建立

機翼型渦輪是渦輪發電機的核心部件，為了便于計算和分析，需要對機翼型渦輪內部流場作如下假設［4］：流體模擬過程中，認為鉆井液為單相不可壓縮流體，即假設鉆井液為清水；工作介質密度不變，ρ＝1000kg／m3，并且忽略水溫升的影響；機翼型渦輪的流道部位視為剛性體，定、轉子葉片在工作中無變型；除了流道進出口外，沒有工作介質從其他地方進入流道；為了減少整個流道模型進出口邊界條件設置對分析結果的影響，采取加長進口和出口的長度。

圖1 定子結構

圖2 轉子結構

筆者研究的井下機翼渦輪式發電機裝置中的定子和轉子結構分別如圖1和圖2所示，定子和轉子流道分別如圖3和圖4所示。已知機翼型渦輪的相關參數如下：流量為23L／s，葉片的內直徑為35mm，外直徑為85mm，轉子高度19mm，定子高度21mm。在三維軟件UG中建立機翼型渦輪的模型流道，并將建立好的模型導入Gambit中 （如圖5所示），設定圖5中的位置為分析的起始位置。此次模擬機翼型渦輪時保持渦輪定子不動，轉子沿順時針方向以每10°旋轉一次，直到旋轉到180°為止 （因0～180°與180°～360°的結構具有對稱性，故只需模擬0～180°的情況），一共模擬19組數據。

2.1 網格劃分

在網格的生成過程中，網格劃分的質量好壞直接影響著計算的收斂性和計算的準確性。由于機翼型渦輪內流動的復雜程度各不相同，特別是定、轉子區域流動情況最為復雜，因此劃分網格時，在定轉子流道部分區域內的網格應劃分最密，從定轉子流道部分到出口應逐漸變疏。此次劃分時，在定、轉子葉片流道的內部流動區域布置節點，用四面體非結構化網格劃分定轉子流道區域，并加密；其余的區域用六面體結構化網格進行劃分，生成其網格劃分 （見圖6）。

圖3 定子流道

圖4 轉子流道

圖5 機翼型渦輪的模型流道

圖6 機翼型渦輪的網格劃分

2.2 算法設置

湍流模型選擇RNGk－ε，速度與壓力耦合采用SIMPLE算法，離散格式選用二階迎風差分格式。

2.3 邊界條件設置

1）入口邊界條件 入口為速度進口，入口速度值根據流量計算。

2）出口邊界條件 出口為壓力出口，出口相對壓力為0，整個流場參考壓力為1標準大氣壓。

3）壁面條件 將定、轉子區域設在運動坐標系，使用了壁面邊界條件，同時采用無滑移固壁條件，由標準壁面函數確定固壁附近流動。

3 機翼型渦輪計算結果分析

3.1 機翼型渦輪定、轉子壓降分析

通過對壓降隨轉子旋轉不同角度時數據進行分析處理，得到如圖7所示的壓降－轉子旋轉角度變化曲線。由圖7中可以得到如下規律：當轉子在0～20°旋轉時，定子壓降、轉子壓降、總壓降都降迅速減小；在20°～160°時，三者壓降基本保持平穩趨勢；從160°～180°時，三者壓降急劇增加；當轉子在0～180°之間旋轉時，3條曲線都存在壓降最低點，當轉子旋轉角度分別為70°、90°、100°時，定子壓降、轉子壓降和總壓降依次取得最小值；當轉子旋轉度數一定時，定子壓降值總是小于轉子壓降值；當轉子旋轉角度為100°時，總壓降曲線有最低點為0.28MPa；并且只有當轉子旋轉角度區間為20°～160°時，才能滿足實際工程的需要，即總壓降的一個值與總壓降的最小值的差值近似為1MPa。

3.2 機翼型渦輪轉子扭矩分析

圖7 壓降－轉子旋轉角度變化曲線

圖8 轉子扭矩－轉子旋轉角度變化曲線

轉子扭矩－轉子旋轉角度變化曲線如圖8所示。由圖8可知，隨著轉子的旋轉角度的增加，轉子的輸出扭矩先短暫的上升，而后開始逐漸下降，之后又有一段短暫的輕微波動，最后從最低點開始逐漸上升；當轉子旋轉角度為90°時，轉子扭矩取得最小值為17.43N·m，可滿足前面所述的工程條件要求。

4 結 論

（1）機翼型渦輪轉子旋轉角度分別為70°、90°、100°時，定子壓降、轉子壓降和總壓降依次取得最小值。

（2）機翼型渦輪轉子旋轉度數為一定時，定子壓降比轉子壓降大；當轉子旋轉角度為20°～160°時其差值才與1MPa相接近，滿足總壓降要求。

（3）機翼型渦輪轉子旋轉角度為90°時，轉子的扭矩取得最小值為17.43N·m。

［1］謝存禧，張鐵 .機器人技術及其應用 ［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［2］蘇義腦，竇修榮 .隨鉆測井與錄井工具 ［J］.石油鉆采工藝，2005，27（1）：74－78.

［3］馮進，符達良 .渦輪鉆具渦輪葉片造型設計新方法 ［J］.石油機械，2000，28（11）：9－12.

［4］張先勇，馮進 .基于CFD分析的軸流式螺旋葉輪設計 ［J］.石油礦場機械，2007，36（2）：22－25.

［5］沈忠厚 .水射流理論與技術 ［M］.東營：石油大學出版社，1998.