浮動(dòng)定子240渦輪鉆具渦輪節(jié)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說明書】,含CAD圖紙、說明書,浮動(dòng),定子,渦輪鉆具,渦輪,設(shè)計(jì),cad,圖紙,說明書,仿單 葉柵葉型入口和出口角渦輪鉆具改進(jìn)與分析 Xiaodong Zhang1, Yan Gong 1 ' 8 , Ruyi Gou1, Junhua Li2 b, Jianping Wu3 c and Zhongjian Jiang 1 School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; Sha Shi Steel Pipe Company, Jingzhou 434001, China; Oil and Gas Transportation Department of Northwest Oilfield, Branch 841600, China gongyan0101@163.com, b360701270@qq.com,c wjp5460@sina.com 關(guān)鍵詞：渦輪鉆具，葉柵葉形，液流角，結(jié)構(gòu)角，修正 摘要：結(jié)構(gòu)的角度應(yīng)在渦輪鉆具葉柵葉剖面設(shè)計(jì)過程中計(jì)算。角度是根據(jù)進(jìn)出口的液流角的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算的，但是當(dāng)流體在葉柵中流動(dòng)時(shí)，進(jìn)口的液流角和結(jié)構(gòu)角以及出口的液流角和結(jié)構(gòu)角都是有區(qū)別的。液流角不能直接作為葉型結(jié)構(gòu)的角度，所以有必要修改計(jì)算的液流角來獲得結(jié)構(gòu)角。通過分析，為了提高渦輪鉆具的性能，液流角應(yīng)該在減少方向性上被修正以此得到結(jié)構(gòu)角。在本文中，液壓效率和圓周力fx作為評(píng)價(jià)參數(shù)，來建立級(jí)聯(lián)CFD模型并計(jì)算不同的修正角。更重要的是，修改后的入口和出口液流角對(duì)渦輪性能的影響已經(jīng)得到了分析，這些給出的修正角度范圍在現(xiàn)有文獻(xiàn)中被大大縮小了，它允許設(shè)計(jì)人員在在角度修正過程中很容易確定修正值。 介紹 隨著油氣勘探工程的發(fā)展，已經(jīng)有許多鉆井技術(shù)和工藝，如大位移井，水平井，定向井，超深井，然而，這些新興的鉆井技術(shù)對(duì)泥漿馬達(dá)提出了更高的要求。由于其優(yōu)勢，渦輪鉆具作為一種重要的泥漿馬達(dá)已廣泛應(yīng)用于油氣開采中。與普通鉆井鉆井相比，渦輪鉆具具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，例如為普及率較高（ROP），井身質(zhì)量好，快速方偏斜鉆井性能，更有效的施工和更低的鉆井作業(yè)成本。 渦輪鉆具的葉柵葉片輪廓的描述 渦輪鉆具是一種液壓軸向式渦輪機(jī)械，渦輪鉆具的定子和轉(zhuǎn)子將流體勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能從而驅(qū)動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)。定子和轉(zhuǎn)子的葉片都屬于流體部分組件；葉片幾何結(jié)構(gòu)決定了渦輪鉆具的力學(xué)性能。在定子和轉(zhuǎn)子葉柵中，鉆井液在兩個(gè)直徑分別為D1和D2的同軸的氣缸層之間流動(dòng)，如圖1所示。鉆井液的復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)可以簡化為無數(shù)的圓柱層液體的合成運(yùn)動(dòng)。每個(gè)氣缸的流體層到軸都有不同的距離，因此，他們的液體粒子的速度和葉片的相互作用的強(qiáng)度是不同的，由于葉片直徑比渦輪鉆具的直徑小，因此，每個(gè)徑向圓柱層的流動(dòng)模式非常接近。為了簡化設(shè)計(jì)過程，氣缸層的直徑D被定義為氣缸層的特征參數(shù)，流量是氣缸層直徑D1和D2的圓柱層平均流量。這樣的特性氣缸層的流動(dòng)可以等效代替為兩個(gè)同軸圓柱層的復(fù)雜流動(dòng)。在特征圓柱層葉片中，葉柵的葉型設(shè)計(jì)實(shí)際上是葉輪的截面設(shè)計(jì)。因此，特征缸應(yīng)該展開來作為設(shè)計(jì)葉片輪廓的平面，也就是平面葉柵[ 1 ]的流體的流動(dòng)。葉片的結(jié)構(gòu)和展開平面中的流體參數(shù)已在圖2描述。 外殼 定子 轉(zhuǎn)子 軸 圖1渦輪鉆具鉆井液流動(dòng)特性的圓柱層 圖2特征圓柱層中的葉片結(jié)構(gòu)和流體參數(shù) 如圖2所示，α1—定子出口液流角；α2—定子入口液流角；αlk—定子 出口流體結(jié)構(gòu)角；α2k—定子入口流體結(jié)構(gòu)角；β1—轉(zhuǎn)子出口流動(dòng)角；β2—轉(zhuǎn)子入口液流角；β1k—轉(zhuǎn)子出口流體結(jié)構(gòu)角；β2k—轉(zhuǎn)子入口流體結(jié)構(gòu)角；βm—安裝角；t —葉片間距；b—葉片弦長；u—轉(zhuǎn)子圓周速度；W—流體沿葉片相對(duì)滑動(dòng)速度；C—流體的流動(dòng)的絕對(duì)速度。 一般來說，渦輪鉆具葉型和葉柵型可由軸向速度系數(shù)cz，影響程度系數(shù)ma，循環(huán)系數(shù)cu。這三個(gè)系數(shù)是無量綱系數(shù)，這些值與葉型的幾何參數(shù)有關(guān)；每種葉型有它自己的無量綱系數(shù)。同時(shí)，這三個(gè)無量綱系數(shù)反映了鉆井液和葉型的互動(dòng)特性，可以作為渦輪機(jī)功率，扭矩，壓降等特征參數(shù)的測量的標(biāo)準(zhǔn)。隨著無量綱系數(shù)和速度多邊形的組合，它可用來分析由于葉形輪廓變化對(duì)渦輪鉆機(jī)的性能的影響。 葉片輪廓入口和出口角的計(jì)算 在葉型設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)，我們已經(jīng)計(jì)算出了葉片輪廓的入口和出口角。通過歐拉方程和一維流動(dòng)理論，定子和轉(zhuǎn)子之間鉆井液和葉片相互作用下，單級(jí)渦輪力矩M的計(jì)算如下： （1） （2） （3） （4） 渦輪轉(zhuǎn)速： 單節(jié)渦輪鉆機(jī)的能量輸出： 單擊渦輪鉆機(jī)的壓降： 正如前面所提到的公式1，公式2，公式3，公式4 ，Cz —鉆井液在渦輪機(jī)上的軸向流速；，η0—卷筒效率；φ—排除串聯(lián)系數(shù)；α1—定子出口液流角；α2—定子入口液流角；β1—轉(zhuǎn)子出口液流角；β2—轉(zhuǎn)子入口液流角；Qi—流量；D—特征圓柱層直徑；l—葉片徑向高度；γ0—流體重量；g—重力加速度。 根據(jù)，以上四個(gè)公式（公式1，公式2，公式3，公式4），其中只有兩個(gè)是獨(dú)立的。從給定的設(shè)計(jì)參數(shù)中所計(jì)算出的渦輪葉柵進(jìn)口和出口液流角不只是一個(gè)液流角的結(jié)合；進(jìn)口角和出口角不是唯一的。因此，有不同的液流角的組合去獲得Mi和n的值。對(duì)于這些不同的角度組合，應(yīng)選擇最優(yōu)液流角的組合以提高水力效率，否則，在設(shè)計(jì)過程中，要保證三無量綱系數(shù)在正常范圍內(nèi)，這些無量綱系數(shù)是由液流角的組合[ 2 ]確定的。 葉片輪廓的入口和出口角度的改進(jìn)與分析 根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)所計(jì)算液流角度，不可直接作為葉片輪廓的角度。如圖3所示，由于一半的后定子吸力面流動(dòng)分離，葉柵出口液流角總是大于葉柵結(jié)構(gòu)角。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最高的效率發(fā)生在葉柵工作在負(fù)攻角的情況下。 因此，計(jì)算的流量角度應(yīng)該被修正。減少計(jì)算的葉柵進(jìn)口和出口的液流角以此獲得結(jié)構(gòu)角，然后渦輪葉柵工作在負(fù)攻角的條件下，并且液流角滿足設(shè)計(jì)要求，此時(shí)渦輪工作效率將是最高的。文獻(xiàn)[ 1 ]提出了由修正的葉柵進(jìn)口液流角和出口液流角所定義的修正范圍，但修正范圍太廣，修正的范圍的上限是如此接近液流角本身的值，所以這種方法對(duì)液流角的修正的意義不大。在本文中，基于一種渦輪鉆具，利用流體軟件建立最廣泛使用的對(duì)稱葉片的CFD模型，然后采用葉片的水力效率η和圓周力fx作為評(píng)價(jià)參數(shù)。圓周力fx是單位流量通過轉(zhuǎn)子表面方向時(shí)所產(chǎn)生的。這些評(píng)價(jià)參數(shù)可以評(píng)估葉柵流動(dòng)角度的修正質(zhì)量。 （5） 液壓效率η: 公式5，Nin—單級(jí)渦輪輸入功率，（W）；Nout—單級(jí)渦輪輸出功率，（W）。 （6） 圓周力fx： 公式6，fx—圓周力，（N.s/m3）；Fx—旋轉(zhuǎn)方向上的轉(zhuǎn)子力，（N）；Q—流量，（m3/s）。 渦輪葉柵的設(shè)計(jì)目的是使渦輪鉆具獲得最大的圓周力，高效率，大制動(dòng)力矩，而且，更大的圓周力，更大的扭矩值。換句話說，流動(dòng)角的修正目的在于渦輪鉆具在設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速時(shí)獲得最大的切向力和高的水力效率。 圖3 定子和轉(zhuǎn)子的流場矢量圖 進(jìn)口液流角修正分析 隨著液流角被修正為不同的角度時(shí)，CFD模型被建立和計(jì)算[ 3，4 ]，計(jì)算結(jié)果表明評(píng)價(jià)參數(shù)和修正液流角的關(guān)系。如圖4所示，首先，渦輪葉柵工作效率隨流量修正角的增加而增加；然后，在一定范圍內(nèi)保持高的效率；但隨著修正液流角的進(jìn)一步增加，渦輪葉柵效率明顯降低，圓周力和扭矩也會(huì)減少。相比在fx變化曲線下的效率曲線，入口流動(dòng)角的修正大大的影響了渦輪鉆具的生產(chǎn)機(jī)械能。根據(jù)渦輪鉆具的扭矩大，高功率的實(shí)際應(yīng)用要求，修正液流角的值應(yīng)在盡可能使渦輪鉆具處在高的效率范圍內(nèi)，渦輪鉆具在設(shè)計(jì)工作條件下輸出功率高，圖4表明了渦輪高效率和圓周力變化趨勢的范圍，進(jìn)口和出口液流角修正范圍可直接從圖4中獲取，這可以用于指導(dǎo)液流角的修正。 圖4 進(jìn)口液流角修正的影響圖 出口液流角修正分析 出口液流角CFD模型的建立和計(jì)算類似于進(jìn)口液流角的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明了葉柵效率，圓周力以及修正液流角之間的關(guān)系。如圖5所示。 如圖5所示，它表明圓周力，渦輪輸出扭矩和由葉柵產(chǎn)生的機(jī)械能會(huì)隨著與液流角的增加而增加。渦輪葉柵效率通過液流角的微小的修正有一個(gè)小的變動(dòng)，但起初其效率基本上保持不變。但隨著修正液流角的進(jìn)一步增加，渦輪葉柵效率會(huì)明顯降低。因此，進(jìn)口液流角應(yīng)該在一個(gè)狹小的范圍內(nèi)被修正，如圖5所示，優(yōu)化修改范圍為4~6°。水輪機(jī)性能由于出口液流角的修改會(huì)有很大的突變，所以有必要對(duì)由出口修正液流角所影響的流場的進(jìn)行分析。 圖5 出口液流角修正的影響圖 隨著出口液流角修正值的增加，轉(zhuǎn)子的入口液流角逐漸減小，結(jié)果是流體會(huì)以較高的循環(huán)速度流入轉(zhuǎn)子。比較圖6，圖7，圖8中的速度向量值，在轉(zhuǎn)子壓力面，液體循環(huán)速度分布均勻，并且?guī)缀鯖]有變化。但在吸力面，定子出口液流角大大減少，鉆井液以較高的循環(huán)速度流入轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子進(jìn)口圈前端單元局部高速越來越明顯，致使流速梯度從轉(zhuǎn)子進(jìn)口到最大彎曲段和邊界增厚層逐漸增加。隨著液流角修正值的增加，流量分流在這個(gè)區(qū)域越來越明顯，通過轉(zhuǎn)子的受力分析，流量分流發(fā)生在使圓周力和渦輪輸出扭矩增大的第一半吸力面上，但流量分流會(huì)導(dǎo)致能量損失，降低渦輪效率。當(dāng)液流角被修正，轉(zhuǎn)子表面壓力如圖9所示，從轉(zhuǎn)子進(jìn)口到最大彎曲段，壓力明顯降低，轉(zhuǎn)子表面總壓力增加，并且渦輪輸出扭矩增大，輸出功率增加。 圖6 無修正轉(zhuǎn)子流場矢量圖 圖7 出口氣流角修正值3° 低場矢量圖 圖8 出口氣流角修正值7° 低場矢量圖 圖9 出口氣流角修正值7° 轉(zhuǎn)子表面壓力圖 ma=0.5的渦輪葉柵的進(jìn)出口液流角已經(jīng)在上面被修正了。對(duì)比進(jìn)出口液流角的修正對(duì)渦輪性能的影響，很明顯的，入口變化對(duì)渦輪性能的影響波動(dòng)較小，葉柵進(jìn)口液流角可在很寬的范圍內(nèi)被修改；出口液流角對(duì)渦輪性能影響的波動(dòng)很大，因此，根據(jù)實(shí)際要求，出口液流角應(yīng)在小的范圍內(nèi)修正；圖5提供了參考。 總結(jié) 基于對(duì)渦輪鉆具葉片輪廓進(jìn)口和出口角的分析，修正值范圍變窄，因此設(shè)計(jì)者可以更容易的選擇合理的修正值，本文提出了以下四個(gè)觀點(diǎn)： 修正葉片進(jìn)口液流角將導(dǎo)致一系列的結(jié)果，如圓周力fx減小，渦輪輸出扭矩減小，梯級(jí)水力效率變化表現(xiàn)出了先增加，然后保持，最后下降的趨勢。進(jìn)口液流角修正對(duì)汽輪機(jī)的性能波動(dòng)影響較小。當(dāng)修正的值在一定的范圍內(nèi)，葉柵效率是最優(yōu)的，基本上處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，渦輪輸出性能有輕微的波動(dòng)，因此，入口液流角度修正范圍應(yīng)結(jié)合實(shí)際的工作情況，如果修正值超出合理范圍，會(huì)導(dǎo)致渦輪性能的惡化。 對(duì)不同刀片配置的各種循環(huán)系數(shù)cu，cu越大，出口液流角越小，出口液流角對(duì)渦輪鉆機(jī)性能有較大的影響。特別是，當(dāng)循環(huán)系數(shù)cu＞1，修正應(yīng)該選擇一個(gè)小的液流角修正值，這是防止轉(zhuǎn)子流量從入口表面到最大彎曲段分流，此時(shí)渦輪效率將降低；對(duì)于cu≤1小循環(huán)系數(shù)的渦輪，出口修正范圍可以適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大。 對(duì)于不同葉型的不同影響程度的系數(shù)ma,隨著影響程度系數(shù)ma的增加，定子入口和出口液流角將減小，轉(zhuǎn)子的入口和出口液流角將逐漸增加，在修正過程中，ma越大，允許的定子入口和出口液流角的修正范圍越小，然而，允許的轉(zhuǎn)子入口和出口液流角的修正范圍卻越大。 參考文獻(xiàn) [1] Fudong Xu, Xiaodong Zhang. 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