基于ANSYS的高精度渦輪流量計設計

關 松

(大慶油田工程有限公司，黑龍江 大慶 163712)

渦輪流量計以其結構簡單、測量精度高、重復性好而廣泛應用于油田流量測量領域。在我國，隨著大部分油田進入開發中后期，低產井數量逐年增多。為了準確掌握這些低產井的產量情況，評估其可開采價值，需要準確測量其流量信息。眾所周知，只有流量大于啟動排量，渦輪流量計才會給出響應，所以研發設計出一種啟動排量低的高精度渦輪流量計，無疑對于油田流量測量具有重要的意義。自20世紀30年代渦輪流量計發明后，經過國內外無數科研工作者的研究和探索，其基本理論和相應的模型都已非常成熟。但是目前對于渦輪流量計的研究主要集中在大流量條件下的使用，低流量條件下的啟動和響應特性研究較少，難以滿足實際生產中對于低流量條件下渦輪流量計的使用需求。

筆者利用目前流行的有限元計算軟件ANSYS對渦輪流量計流場進行仿真計算，設計出一種高精度渦輪流量計，通過室內實驗表明其啟動排量和分辨率與傳統渦輪流量計相比都有了大幅度的提高。

1 理論分析①

渦輪流量計作為速度式儀表，以動量矩守恒為基礎，渦輪流量計基本力矩平衡方程為[1]：

(1)

式中Tb——軸與軸承的粘性摩擦阻力矩(流動產生的力矩)；

Td——渦輪流量計轉動的驅動力矩；

Th——輪轂表面的粘性阻力矩；

Tm——磁電阻力矩和軸與軸承的機械摩擦阻力矩之和；

Tt——葉片頂端與傳感器外殼的粘性摩擦阻力矩；

Tw——輪轂端面粘性摩擦阻力矩；

J——渦輪的轉動慣量；

ω——渦輪轉動的角速度。

當流速較低時，渦輪流量計處于靜止狀態，此時角速度ω非常低，接近于0，Tb和Tw也可以忽略不計。在這種情況下，式(1)可以簡化為：

(2)

由式(2)可以看出提高驅動力矩是降低渦輪流量計啟動排量的一條捷徑。如圖1所示，傳統渦輪流量計入口端是直管段和軸向導流片，流體流經渦輪葉片之前只有軸向速度，對渦輪的驅動力矩只是對渦輪葉片作用力的徑向分力產生的力矩。因為渦輪葉片螺旋角為45°，如果將導流片改為螺旋角為-45°的螺旋導流片(圖2) ，當流體進入導流片時會產生旋轉，方向與渦輪葉片正交，使得流體在軸向流動速度不變的基礎上增加了徑向的旋轉運動，流體的旋轉方向與渦輪葉片的轉動方向一致，在相同流量條件下，增加了流體對渦輪葉片的驅動力，實現降低啟動排量和提高分辨率的目的，整體結構如圖3所示。

圖1 普通渦輪導流片

圖2 改進后的渦輪導流片

圖3 改進后的渦輪流量計

2 仿真研究

Workbench是ANSYS公司開發的協同仿真環境，是將仿真過程結合在一起的平臺，可以大大簡化仿真過程中各模塊間的交互操作。通過幾何建模(圖4)、網格劃分、計算求解及后處理等過程，可以比較準確地仿真復雜機械模型的各物理參數場分布[2～4]。

圖4 渦輪流量計幾何模型

利用Turbogrid對計算域進行網格劃分，將其劃分為約10萬個六面體網格。入口、出口部分為靜止網格，采用絕對參考系，葉片部分為動網格，繞圓心轉動，采用相對參考系，參考系轉動速度與網格轉速相同。網格劃分情況如圖5所示。

圖5 渦輪流量計網格劃分

如圖6～8所示，流體流經渦輪流量計之前，壓力較高，速度較低，經過導流片時產生旋轉，速度得到提升，壓力降低。當通過導流片后，壓力、速度基本不變，依然保持旋轉狀態，遇到渦輪葉片阻擋后，流速降低，壓力進一步減小，流體所攜帶的能量傳遞給渦輪葉片，對渦輪葉片產生較大的驅動力矩，推動其轉動。

圖6 速度場云圖

圖7 壓力場云圖

圖8 速度場矢量圖

為了得到導流片螺旋角與渦輪葉片螺旋角的最佳匹配，利用ANSYS軟件對不同角度導流片的驅動力矩進行計算，其中管道直徑為14mm，渦輪葉片直徑為13.5mm，重疊度為1.64，葉片螺旋角為45°，導流片螺旋角分別設為-35°、-45°和-55°，來流條件分別設為0.1、0.2、0.3、0.4m3/d。由于速度較低，采用層流模型，各不同工況條件下渦輪葉片受到的驅動力矩情況如圖9所示。導流片螺旋角為-45°時渦輪葉片受力更大，更容易啟動。此時渦輪葉片螺旋角與導流片螺旋角恰好成90°，可充分利用流體動量使渦輪葉片更易啟動，模擬結果與上述理論分析相符。

圖9 不同角度渦輪葉片力矩

3 實驗研究

通過搭建實驗平臺(圖10)對計算結果進行驗證。實驗平臺應具備以下兩個功能：在低流量下能夠非常平穩的運行；具備精確測量流量的功能。

該平臺以單相水流為介質，循環流動通過水泵實現；流量的精確控制主要通過固定上游水位和調節閥來實現，流量的測量采用簡便可靠的容積時間法。

圖10 實驗平臺簡圖

實驗平臺中上方為穩壓水箱，提供一個穩定的壓力源，在管道內阻力不變的情況下，保證管道內流速不會發生變化，經過2m長的下降段，流入渦輪流量計，隨后流出實驗管道，通過量筒計量可以精確得到管路內的流速。通過高速攝影可以清晰的觀察低速條件下渦輪流量計的響應情況。

為了驗證高精度渦輪流量計的響應情況，實驗將高精度渦輪流量計與傳統渦輪流量計在相同條件下進行對比。

實驗介質為單相水，流量范圍0～20m3/d，通過調節不同的流量點來記錄輸出頻率，流量點誤差優于1%，每次測量時間為60s，采樣間隔為5ms，每點測量3次取平均值，測量數據見表1。

表1 高精度渦輪與傳統渦輪輸出實驗數據對比

4 結論

4.1理論研究與數值仿真確定了高精度渦輪流量計的最合理結構，即導流片螺旋角為-45°與渦輪葉片正交時，同樣來流條件下驅動力矩最大。

4.2在單相水條件下，高靈敏渦輪流量計啟動排量0.3m3/d，遠低于傳統渦輪流量計的1.0m3/d，分辨率也有1.7倍的提高，可以解決部分單井產量低于1.0m3/d的低產井的流量測量問題。

4.3該流量計結構簡單、調試方便、不改變現有儀器結構，易于規模推廣應用。