WLB2500井下水力涡轮力学特性台架试验及CFD模拟.doc

中国冶金装备网中国冶金人的网WLB2500井下水力涡轮力学特性台架试验及CFD模拟冯进 张慢来 张先勇摘要：通过对WLB2500井下水力涡轮的室内试验，得到了涡轮的力学特性曲线，并以此为依据，研究了涡轮的CFD模拟方法，探讨了CFD计算在涡轮设计中的有效性。结果表明，所采用的CFD全流道模型可以解决以往单跨流道模型忽略了容积损失的问题，所预测的涡轮力学性能基本与实际吻合。说明本文采用的计算方法基本合理，可用于井下水力涡轮的设计当中。主题词：涡轮 力学特性 CFD模拟 容积损失 辅助设计WLB2500 Turbine Drill Feng Jin Zhang Manlai Zhang Xianyong(College of Mechanical Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023)Abstract With the experimence of turbine, the mechanical performance of WLB2500 turbine is obtained, and the method of CFD simulating the turbien is verified by comparing the related data. The result shows that the existing volumetric loss can been taken into account when the single flow passage model is replaced by the total flow passages model, by which theoretical prediction for the turbine is well in accord with the actual measurement. This proves that the CFD method adopted in the hydrodynamic simulation of turbine is reasonable to been used in the aided design of turbine of.Keywords Turbine Drill Mechanical Performance CFD Simulation Volumetric Loss Aided Design水力涡轮的力学特性取决于涡轮的水力性能，提高水力涡轮的水力性能一直是涡轮研究的主要内容。随着钻井技术的发展，涡轮钻井技术应用范围不断扩大，同时对涡轮钻具的机械性能和运行的可靠性提出了更高的要求。但是，井下水力涡轮通过叶栅叶片与钻井液的相互作用来实现能量的转换，流道内液体流动是非常复杂的三维粘性流体的湍流流动，转子叶栅对定子叶栅的相对转动使流体流动具有不稳定性，叶栅内流体运动规律还没有被全面认识清楚。因此，传统设计过程中大多基于叶片无限多无限薄的假设，按照一元流理论进行叶栅叶片设计，这势必造成涡轮设计很大程度上取决于设计者的经验，并重复若干次理论设计试验分析改进的循环过程，才能获得水力学性能比较好的涡轮。为了克服井下涡轮传统设计上的局限性，提高设计的质量和效率，本文在涡轮水力试验的基础上，以CFD软件为工具，对涡轮钻具进行了全三维模型的数值模拟，获得了WLB2500水力涡轮的力学特性，通过与试验结果进行对比，探讨了CFD虚拟试验在涡轮设计中的有效性，为今后涡轮设计提供了一种新的工具。1 室内台架试验1.1 测量参数及试验台架在研制、使用涡轮时，需要了解其实际力学性能，涡轮的实际力学性能只能通过试验测试。标志涡轮力学特性的参数包括输入参数和输出参数，输入参数有流量Q、压力降和输入功率，输出参数有力矩T、转速n和输出功率，其中Q、T、n为原始测量参数。为了测试所设计的涡轮的性能，采用图1所示的多级涡轮试验台架1,2，台架本体结构如图2所示。试验过程中，通过磁粉制动器给主轴施加阻力矩，改变主轴转速，测量Q、T、 n参数，其它相关参数包含输入功率、输出功率和效率由式（1）、（2）和（3）分别计算，其中反映了涡轮将压力能转化为机械能的能力。 （1） （2） （3）1. 磁粉制动器；2. 联轴器；3. 扭矩转速传感器；4. 压力表；5. 台架本体；6. 压力变送器；7. 高压软管；8. 电动调节阀；9. 涡轮流量变送器；10. 手动操作器；11.伺服放大器；12. 流量积算仪；13. 电动指示调节器；14. 阻抗转换器；15. 多级离心泵；16. 水箱；17. 打印机；18. 数据采集板；19. 微机；20. 微机型扭矩仪；21 稳流电源(可调) 图1 涡轮试验台架示意图1. 左接头；2. 压力表接口；3. 向心短圆柱滚子轴承；4. 外壳；5. 涡轮转子；6. 涡轮定子 7. 衬套；8.稳流器；9. 向心推力球轴承；10. 右接头；11. 主轴；12. 出口法兰图2 台架本体结构简图1.2 测量参数换算方法涡轮的力学性能是指流量一定的情况下转速与扭矩、压降、输入功率、输出功率和效率的关系，不同转速对应有不同的扭矩和压降。由于增压泵为离心泵，压降变化将引起流量变化，随泵压增大流量下降，反之增加。因此，在试验过程中较难保证流量的恒定，一般只能通过调整尽可能降低流量变化程度。为了得到流量一定时涡轮的力学性能，根据叶片式流体机械相似理论，将实际测量参数换算到某一流量下对应的参数，即 （4） （5） （6） （7） （8） （9）式中，Q、T、 n、为实际测量值，、是相似工况点的对应参数（注：以上参数取国际单位）。1.3 试验结果按式（4）（7）将试验数据进行换算，整理后得到单付涡轮的特性曲线（如图3图5所示）。图3 试验扭矩-转速曲线图4 试验压降-转速曲线与试验对比图5 试验输出功率-转速曲线2. 涡轮力学特性的数值模拟由涡轮定转子的转配关系可以知道，定转子间存在径向间隙，通过该间隙会产生一定量的液体泄漏，导致实际作功液量小于输入液量。文献3，4仅是对单跨叶片流道进行了数值模拟，并没有考虑实际存在的泄漏影响，导致CFD模拟结果与实际相差较大。同时，文献3，4用于修正计算结果的容积效率近似按径向间隙面积与过流断面之比进行计算，缺乏相应的理论依据。因此，这里按涡轮的实际装配关系建立单付涡轮的三维CFD模型（如图6所示）。CFD模拟的进出口边界条件按输入流量计算定子入口速度，转子出口为压力边界条件。计算时，在一定的输入流量下，给定转速n，求解连续性方程、NavierStokes方程和紊流模型5，6得到收敛解，获得该转速对应的理论输出扭矩 和理论压降；再改变转速n，重复计算得到不同转速下的理论输出扭矩和理论压降，直到理论输出扭矩接近于零，即达到涡轮的最大转速为止。图6 单副涡轮的三维CFD模型3、CFD计算结果与试验对比按流量L/s对单付涡轮进行全流道的CFD模拟，可得到涡轮的预测特性。但是，应当注意模拟结果未考虑机械效率，在多级涡轮试验台架中,有一副向心滚子轴承和向心推力滚子轴承,在输出轴端有一机械密封,机械摩擦损失是存在的。因此,应该对模拟扭矩进行修正。取机械效率,对扭矩转速曲线进行修正如图7所示。模拟压降、效率与试验结果的比较分别如图8、9所示。图7 模拟扭矩与试验对比图图8 模拟压降与试验对比图9 模拟效率与试验对比由图7图9可以看出，模拟预测的涡轮力学特性趋势与实际情况吻合较好，计算效率与试验结果偏差较小，说明所建立的CFD模型基本正确，所采用的计算方法基本合理。另外，由于采用全流道模型，CFD模拟计算结果已经考虑了容积效率，不需要再对力学特性进行容积损失的修正。4、结论通过对涡轮钻具定转子的试验和全流道CFD模拟，研究了涡轮的力学特性，得到以下结论：（1）在一定流量下，存在着一最佳工作转速，涡轮的对应工作效率最高，不同流量下的最佳工作转速可以按相似理论进行换算；（2）采用全流道模型进行CFD模拟，计算结果考虑了实际通过径向间隙泄漏所产生的容积损失，可以克服单跨流道模型需要引进容积效率经验系数的局限性；（3）涡轮的实际和模拟预测的力学特性趋势基本相同，计算效率曲线与试验结果基本吻合，采用的全流道模型和计算方法提高了预测涡轮力学特性的准确性。参考文献1 万邦烈，李继志. 石油矿场水力机械M. 北京：石油工业出版社,19932 符达良等. 涡轮钻具四种涡轮叶型的台架试验J. 石油机械, 1994,20(1):16223 冯进,张慢来,刘孝光等. 应用CFD软件模拟115 mm涡轮钻具机械特性J.天然气工业, 2006, 26(7):71734 刘孝光,潘培道,胡昌军. 涡轮钻具叶栅水力性能仿真优化技术研