54mm渦輪鉆具三維葉片造型設(shè)計(jì)與研究

張宇航 張強(qiáng) 辛永安 段晨偉 紀(jì)昌桂

摘要：針對渦輪轉(zhuǎn)子不同半徑圓柱層液體圓周速度不同，導(dǎo)致的液體與轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生沖擊產(chǎn)生的水力損失問題，利用多截面造型方法建立了一種三維葉片渦輪。基于實(shí)際工況中從第二級渦輪開始，定子入口的流速是上一級渦輪轉(zhuǎn)子出口流速，速度方向并不垂直于定子入口面這一情況，對現(xiàn)有的渦輪流道模型進(jìn)行修正，建立了多級流道模型。通過數(shù)值模擬方法，對多級渦輪流道模型進(jìn)行流場分析，得到中間一級渦輪的相關(guān)性能參數(shù)的特性曲線。研究結(jié)果表明：三維葉片渦輪壓降更低，單幅渦輪壓降減少約為12%；在最佳工況點(diǎn)處，三維葉片渦輪效率達(dá)到了60.25%，比直葉片渦輪高出約10%。考慮徑向間隙對渦輪性能的影響，建立了相對應(yīng)的流道模型，驗(yàn)證了方案的可行性。研究結(jié)果對渦輪葉片的設(shè)計(jì)和多級渦輪流場分析具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：渦輪鉆具；三維葉片；水力性能；壓降；效率

0 引 言

目前，連續(xù)管作業(yè)技術(shù)在油氣開采中扮演著越來越重要的角色，它在高溫高壓井定向鉆井、欠平衡鉆井、老井加深和不同條件下的鉆磨作業(yè)中具有很大優(yōu)勢［1］。現(xiàn)如今在國內(nèi)沒有專門適用于連續(xù)管作業(yè)的小尺寸渦輪鉆具，且小尺寸渦輪鉆具的研究也不夠深入，2016年國內(nèi)才研制出尺寸為89 mm的渦輪鉆具。渦輪鉆具是一種重要的井下動力鉆具，其特點(diǎn)為轉(zhuǎn)速高、耐高溫、扭矩小，適用于深井和超深井作業(yè)［2］。在渦輪鉆具的設(shè)計(jì)中，往往將追求更高的水力性能放在首位，渦輪定、轉(zhuǎn)子作為渦輪鉆具的能量轉(zhuǎn)化核心，定、轉(zhuǎn)子葉片往往直接決定了渦輪的性能。在渦輪性能優(yōu)化中，研究者一般都是關(guān)注葉片型線設(shè)計(jì)，而忽略了葉片的整體造型。張曉東等［3］基于Bezier曲線理論方法，結(jié)合Turbosystem系統(tǒng)，提出了渦輪葉片參數(shù)化造型及性能預(yù)測的數(shù)值模擬方法；何順等［4］利用高階Bezier曲線對渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對渦輪進(jìn)行水力仿真研究，證明利用高階Bezier曲線造型得出的渦輪葉片有更高的水力性能；歐松［5］采用等環(huán)量扭曲法對定轉(zhuǎn)子葉片的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，利用NUMECA軟件中的AUTOBLADE模塊對葉片進(jìn)行參數(shù)化造型。國內(nèi)渦輪鉆具葉片大多采用直葉片，三維葉片渦輪很少有相關(guān)的研究報(bào)道。直葉片是指在不同半徑圓柱層上葉片型線相同，而三維葉片在不同半徑的圓柱層上的葉片型線不同，更契合液體在渦輪定、轉(zhuǎn)子流道中的運(yùn)動規(guī)律。筆者結(jié)合平面葉柵的設(shè)計(jì)方法，基于多截面造型法建立了單級三維葉片渦輪，并采用數(shù)值模擬的方法，得出了三維葉片渦輪和直葉片渦輪的性能參數(shù)的特性曲線，所得結(jié)果對小尺寸渦輪鉆具三維葉片的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

1 渦輪基本流動假設(shè)

渦輪鉆具的渦輪為軸流式，液體沿軸向在渦輪里流動，如圖1所示。液體經(jīng)過定子葉片的導(dǎo)流作用流入轉(zhuǎn)子，一方面隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)做圓周運(yùn)動，另一方面沿著轉(zhuǎn)子葉片方向流出進(jìn)入下級渦輪。液體在單級渦輪里的運(yùn)動是在直徑為D1和D2的2個(gè)同軸圓柱面間的運(yùn)動，可以看作是無數(shù)圓柱層液體的合成運(yùn)動。在直葉片渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計(jì)中，一般采用單元理論法，即把液體在單級渦輪里的運(yùn)動看作在一個(gè)直徑為D的圓柱層里的運(yùn)動［6］。本文以任意一個(gè)直徑為Di的圓柱層液體的運(yùn)動為研究對象，設(shè)計(jì)計(jì)算多個(gè)圓柱層的葉片型線，建立一種渦輪鉆具的三維葉片。為簡化計(jì)算做出如下假設(shè)：液體為理想液體，即液體無黏性，流動時(shí)無摩擦阻力的影響；每個(gè)圓柱層中液體運(yùn)動的圓周速度和圓柱層半徑大小成線性關(guān)系。

2 渦輪三維葉片造型設(shè)計(jì)

2.1 三維葉片設(shè)計(jì)理論及葉片造型

液體在渦輪葉片中流動時(shí)，由于流量一定，絕對速度c1的方向和大小相同。圖2是液體進(jìn)入轉(zhuǎn)子的3種情況。其中圖2b為最佳狀態(tài)，此時(shí)液體進(jìn)入轉(zhuǎn)子葉片的相對速度w1與轉(zhuǎn)子葉片的進(jìn)口結(jié)構(gòu)角方向一致。但在實(shí)際情況中，在不同半徑的圓柱層中圓周速度u并不相等，即液體與葉片的牽連速度不相等，導(dǎo)致液體不能平滑地進(jìn)入轉(zhuǎn)子葉片，造成水力損失，而多截面的三維葉片造型方法可以很好地解決這一問題。多截面的三維葉片造型在不同半徑的圓柱層上葉片型線不一樣，根據(jù)不同半徑圓柱層中液體的運(yùn)動情況，設(shè)置不同的轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口結(jié)構(gòu)角。

2.2 渦輪定、轉(zhuǎn)子三維造型

考慮到54 mm渦輪鉆具尺寸的限制，單級渦輪的流道大、小徑分別為37.2和28.5 mm，渦輪鉆具設(shè)計(jì)流量為3.6 L/s，無沖擊轉(zhuǎn)速為2? 500 r/min，單級渦輪輸出扭矩為0.34 N·m，渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片高度為4.5 mm。

渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片壓力面和吸力面型線利用五次多項(xiàng)式進(jìn)行造型，借助MATLAB軟件分別對直徑為28.500、30.675、32.850、35.025和37.200 mm的5個(gè)圓柱層葉片葉型進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，得到不同圓柱層葉片葉型主要設(shè)計(jì)參數(shù)（見表1）以及葉片葉型方程，平均直徑處截面的葉片型線（見圖3）。

將不同截面的葉片型線的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行提取，將其導(dǎo)入到SolidWorks三維造型軟件中，完成三維葉片的造型，如圖4所示。

3 三維葉片水力性能分析

3.1 流道模型建立

基于渦輪定、轉(zhuǎn)子的三維模型，利用SolidWorks軟件的布爾運(yùn)算功能對單級渦輪流體進(jìn)行提取，建立相應(yīng)的流道模型。為了減小流體在入口和出口邊界與實(shí)際流動的差異，入口段和出口段均延長1倍葉片高度的距離［10］。考慮到實(shí)際工況中從第二級渦輪開始，定子入口的流速是上一級渦輪轉(zhuǎn)子出口流速，速度方向并不垂直于定子入口面這一情況，對流道模型進(jìn)行修正，建立多級流道模型，如圖5所示。將建立的多級渦輪流道模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了提高計(jì)算精度，采用六面體和四面體混合網(wǎng)格的劃分方法，并將葉片及附近區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密。

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算

基于建立的流道模型，利用ANSYS中的CFX模塊對單級渦輪進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)渦輪的工作條件可以將渦輪定子的進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口（velocity-inlet），速度大小為8.6 m/s，定子出口與轉(zhuǎn)子入口為交接面，交接面的類型可定義為frozen rotor，轉(zhuǎn)子出口設(shè)置為壓力出口（pressure-outlet），壓力大小設(shè)置為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。將定子流體域設(shè)置為靜止，轉(zhuǎn)子流體域轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 500 r/min，轉(zhuǎn)子葉片壁面隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，其余壁面靜止，可設(shè)置為無滑移壁面。通過仿真計(jì)算得出三維葉片單級渦輪的壓力云圖和速度云圖，如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可以看出，液體流經(jīng)定子時(shí)，首先沖擊定子葉片前緣，液體速度減小產(chǎn)生局部高壓，然后液體分為2部分，分別流經(jīng)定子葉片的壓力面和吸力面，且壓力面的流體壓力明顯大于吸力面的流體壓力。液體在流經(jīng)吸力面時(shí)流速明顯增大。2部分液體通過定子葉片的導(dǎo)流作用進(jìn)入轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子葉片吸力面流速大，液體壓力小。而壓力面則正好相反，此時(shí)轉(zhuǎn)子葉片的壓力面和吸力面形成較大壓差，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，此過程中液體的動能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的機(jī)械能和因摩擦損失的能量。

3.3 渦輪水力特性研究

利用CFX軟件分別對直葉片渦輪和三維葉片渦輪進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)置相同的邊界條件，改變轉(zhuǎn)子流域的轉(zhuǎn)速，得到直葉片渦輪和三維葉片渦輪壓降、扭矩、輸出功率和效率特性曲線，如圖8～圖11所示。

由圖8～圖11可看出，2種葉片渦輪的壓降隨著渦輪轉(zhuǎn)速的增大而變大，其扭矩隨著渦輪轉(zhuǎn)速的增大而減小，并且都近似呈線性關(guān)系。三維葉片和直葉片渦輪的輸出扭矩基本一致，在最佳工況時(shí)直葉片渦輪的輸出扭矩比三維葉片渦輪的輸出扭矩只大了約3%，但三維葉片渦輪的壓耗比直葉片渦輪低，單幅渦輪減少約為4 kPa。由于壓耗降低，三維葉片渦輪的效率更高。在最佳工況點(diǎn)處，三維葉片渦輪效率達(dá)到了62.12%，比直葉片渦輪高出約10%。由此可看出，葉片設(shè)計(jì)為三維葉片，渦輪壓耗更低，效率更高。渦輪水力性能得到了一定程度的提高。

4 徑向間隙對渦輪水力性能的影響

由于前文只是為了探索三維葉片渦輪與直葉片渦輪性能的差異，為了計(jì)算方便，在建立流道模型時(shí)忽略了徑向間隙對渦輪性能的影響。為了驗(yàn)證三維葉片渦輪是否能滿足設(shè)計(jì)需求，重新建立單級渦輪流道模型，如圖12所示。

將流道模型導(dǎo)入CFX軟件，設(shè)置相同的邊界條件，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化區(qū)間為0～4 000 r/min，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，由于徑向間隙導(dǎo)致實(shí)際做功液量小于輸入液量，單級渦輪輸出扭矩降低。當(dāng)渦輪處于無沖擊工況時(shí)，渦輪輸出扭矩為0.35 N·m，而設(shè)計(jì)扭矩為0.34 N·m，滿足設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié) 論

（1）針對不同圓柱層轉(zhuǎn)子圓周速度不同，導(dǎo)致的液體與轉(zhuǎn)子葉片前緣發(fā)生沖擊造成水力損失的問題，采用多截面的造型方法設(shè)計(jì)了一種性能較好的三維葉片渦輪，對實(shí)際的工程問題有一定參考價(jià)值。

（2）在相同葉片型線情況下，三維葉片渦輪相較于直葉片渦輪壓耗更低，單幅渦輪減少約為4 kPa。在最佳工況點(diǎn)處，三維葉片渦輪效率達(dá)到了60.25%，比直葉片渦輪高出約10%，渦輪的水力性能得到了提高。

參考文獻(xiàn)：

［1］汪海閣，王靈碧，紀(jì)國棟，等．國內(nèi)外鉆完井技術(shù)新進(jìn)展［J］．石油鉆采工藝，2013，35（5）：1-12．

WANG H G，WANG L B，JI G D，et al.Advances in well drilling and completion technologies for domestic and overseas［J］.Oil Drilling & Production Technology，2013，35（5）： 1-12.

［2］馮定．國產(chǎn)渦輪鉆具結(jié)構(gòu)及性能分析［J］．石油機(jī)械，2007，35（1）：59-61．

FENG D.Structure and performance analysis of domestic turbodrills［J］.China Petroleum Machinery，2007，35（1）： 59-61.

［3］張曉東，余世敏，龔彥，等．基于Bezier曲線的渦輪葉片參數(shù)化造型及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．機(jī)械強(qiáng)度，2015，37（2）：266-271．

ZHANG X D，YU S M，GONG Y，et al.Modeling and optimization for turbine blades based on Bezier curve［J］.Journal of Mechanical Strength，2015，37（2）： 266-271.

［4］何順，馮進(jìn)，陳斌，等．基于Bezier曲線的渦輪葉片造型方法［J］．長江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，14（21）：45-50．

HE S，F(xiàn)ENG J，CHEN B，et al.Modeling method of turbine blades based on Bezier curve［J］.Journal of Yangtze University （Natural Science Edition），2017，14（21）： 45-50.

［5］歐松．渦輪鉆具三維葉片設(shè)計(jì)與研究［D］．成都：西南石油大學(xué)，2018．

OU S.Three-dimensional blades design and research of turbodrill［D］.Chengdu： Southwest Petroleum University，2018.

［6］翁煒．深孔硬巖小直徑渦輪鉆具關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究［D］．北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2016．

WENG W.The research on the key techniques and application of small diameter turbodrill for deep hole and hard rock drilling［D］.Beijing： China University of Geosciences （Beijing），2016.

［7］馮定，龔盼，王鵬，等．渦輪轉(zhuǎn)子外圈輪緣對渦輪鉆具性能的影響［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2018，34（3）：182-185．

FENG D，GONG P，WANG P，et al.Effects of outer rim of rotors on performance of the turbodrill［J］.Machine Design & Research，2018，34（3）： 182-185.

［8］張鼎．小尺寸水力渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及水力性能仿真研究［D］．青島：中國石油大學(xué)（華東），2019．

ZHANG D.Design and performance simulation of a small size hydraulic turbo［D］.Qingdao： China University of Petroleum （East China），2019.

［9］趙洪波．渦輪鉆具渦輪葉片設(shè)計(jì)及水力性能仿真優(yōu)化研究［D］．北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2012．

ZHAO H B.Study on turbodrill blade design and hydraulic performance simulation and optimizatio［D］.Beijing： China University of Geosciences （Beijing），2012.

［10］趙洪波，劉寶林，王建強(qiáng)，等．渦輪鉆具葉片型線設(shè)計(jì)及流場模擬分析研究［J］．探礦工程（巖土鉆掘工程），2012，39（11）：29-32．

ZHAO H B，LIU B L，WANG J Q，et al.Study on turbine blade of turbodrill design and simulation of flow field［J］.Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling），2012，39（11）： 29-32.

［11］趙志濤，翁煒，黃玉文，等．軸向間隙對89 mm渦輪鉆具性能的影響分析［J］．探礦工程：巖土鉆掘工程，2017，44（8）：89-92．

ZHAO Z T，WENG W，HUANG Y W，et al.Analysis on the influence of axial clearance on the performance of 89 mm turbodrill［J］.Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling），2017，44（8）： 89-92.

［12］譚春飛，張升峰，張仁龍，等．渦輪葉片型線結(jié)構(gòu)對葉柵流場的影響研究［J］．石油機(jī)械，2012，40（12）：6-9．

TAN C F，ZHANG S F，ZHANG R L，et al.Research on the effect of turbine blade profile line structure on cascade flow field［J］.China Petroleum Machinery，2012，40（12）： 6-9.

［13］沙俊杰．鉆井液特性對渦輪鉆具輸出性能影響研究［D］．北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2020．

SHA J J.Research on the influence of drilling fluid characteristics on the output performance of turbodrills［D］.Beijing： China University of Geosciences （Beijing），2020.

［14］周思柱，何詩堯，黃天成，等．調(diào)控參數(shù)對渦輪鉆具葉片性能的影響［J］．石油機(jī)械，2019，47（6）：33-37．

ZHOU S Z，HE S Y，HUANG T C，et al.Effect of control parameters on turbine blade performance［J］.China Petroleum Machinery，2019，47（6）： 33-37.

［15］肖洋，王斌，趙勇．渦輪外特性理論計(jì)算方法探究及驗(yàn)證［J］．石油機(jī)械，2018，46（11）：30-34，71．

XIAO Y，WANG B，ZHAO Y.Research and verification of theoretical calculation methods for turbine output characteristics［J］.China Petroleum Machinery，2018，46（11）： 30-34，71.